Рис. 5.3. Математические методы и концепции
Мы изучаем такие методы, как счет, чтобы сформировать концепцию числа — представление о нем. Мы осваиваем метод продолжения счета, чтобы воспринять концепцию суммы, а усвоив метод многократного сложения, мы поймем концепцию произведения.
Математика — концептуальный предмет, но многие ученики не видят ее в таком ракурсе. Математика для них — это набор правил или методов, которые нужно запомнить. Как мы уже обсуждали, такой подход становится в итоге серьезной проблемой, и некоторые исследования мозга проливают свет на причины, по которым это происходит.
Когда вы изучаете область, о которой ничего не знаете, она занимает много места в вашем мозге: ведь вам нужно напряженно размышлять, как это работает и как разные концепции соотносятся друг с другом. Но математические понятия, которые вы изучили ранее и хорошо знаете (например, сложение), занимают в мозге небольшое пространство. Вы можете использовать эти знания, даже не задумываясь. Процесс сжатия происходит потому, что головной мозг — крайне сложный орган, контролирующий много разных процессов, и в один момент он может сосредоточиться только на нескольких несжатых концепциях. Те же, которые вы хорошо знаете, сжимаются и архивируются. Уильям Тёрстон, выдающийся математик, получивший Филдсовскую премию, так описывает процесс сжатия.
Математика поразительно легко поддается сжатию: вы можете долго и напряженно трудиться, шаг за шагом прорабатывая один процесс или идею с нескольких точек зрения. Но как только вы по-настоящему поймете нечто и сможете увидеть это как единое целое, скорее всего, произойдет очень сильное ментальное сжатие. Вы можете отправить эту информацию в архив, а при необходимости быстро и полностью восстановить и использовать ее всего лишь за один шаг в рамках другого ментального процесса. Озарение, которым сопровождается такое сжатие, — одна из истинных радостей[129].
Многие ученики не считают, что математика дарит подлинную радость, — отчасти потому, что в их мозге сжатия не происходит. Мозг способен сжимать только концепции, но не правила и методы. Следовательно, у учеников, которые не мыслят концептуально, а воспринимают математику как список правил, подлежащих запоминанию, сжатия не происходит и их мозг не может упорядочивать концепции и архивировать их, а пытается хранить длинные списки методов и правил[130]. Вместо сжатых концепций их знания больше напоминают лестницу, состоящую из нагромождения заученных методов и, как им кажется, ведущую наверх. Именно поэтому важно воспитать концептуальный подход к математике — основу математического мышления.
Когда я рассказываю учителям и родителям об этом исследовании, они задают вопрос: «Как сделать так, чтобы мои ученики воспринимали информацию концептуально?» Существует много способов научить детей размышлять на концептуальном уровне. Во-первых, важно донести до них причины, почему работают те или иные методы, а не просто предлагать заучивать их. В предыдущей главе мы говорили о том, насколько важно задавать ученикам вопросы об их видении той или иной идеи и убеждать их в том, что это действительно способствует ее концептуальному пониманию.
Еще один концептуальный подход к преподаванию и изучению математики, названный «Беседы о числах», был задуман преподавателями Рут Паркер и Кэти Ричардсон и разработан Кэти Хамфриз и Шерри Пэрриш. Метод состоит в обсуждении чисел и позволяет ученикам младших и средних классов развивать чувство числа и понимать гибкую и концептуальную природу математики. В ходе обсуждений ученикам предлагают совершить вычисления в уме, не используя бумагу и ручку. Затем учителя собирают информацию о том, какие методы счета использовали ученики.
Обучая других проводить беседы о числах, я, помимо прочего, рекомендую применять визуальные решения, чтобы активировать разные нейронные связи в мозге. Чтобы понять это, попробуйте вычислить в уме, сколько будет 18 × 5, до того как вы прочитаете или подсмотрите пути решения.
На рис. 5.4 приведены шесть разных способов вычисления 18 × 5 (на самом деле их больше) с визуальными решениями.
Рис. 5.4. Шесть визуальных решений задачи на умножение
Можно обозначить все проблемы с числами и решать их по-разному, разбивая числа на суммы или произведения и приводя к более «удобным» для счета числам, например 20, 10, 5 или 100. Это упрощает вычисления и способствует гибкости в обращении с числами, лежащей в основе чувства числа. Ученики любят рассказывать о своих стратегиях; как правило, они увлеченно и с интересом анализируют разные методы, используемые при решении задач. Они осваивают ментальную математику, у них появляется возможность запомнить факты, а также формируется концептуальное понимание чисел и арифметических свойств, что крайне важно для успешного изучения алгебры и других разделов математики.
Когда я продемонстрировала разные подходы к решению одной задачи, многие были удивлены и испытали чувство освобождения.
Однажды меня пригласили на встречу с удивительным человеком — профессором Стэнфордского университета Себастьяном Труном и его командой в Udacity[131], занимающейся дистанционным образованием. Трун руководил разработкой беспилотных автомобилей и был одним из первых создателей открытых онлайн-курсов (Massive Open Online Courses, MOOCs). В настоящее время он разрабатывает летающие автомобили. Я взяла у него интервью для своего первого онлайн-курса, адресованного учителям, чтобы распространить его идеи о математике и преподавании.
Себастьян пригласил меня в Udacity пообщаться с его командой. Тогда мы и познакомились. В тот день я сидела в многолюдной комнате вместе с инженерами. Те, кто втиснулся в небольшое помещение, сидели вокруг стола, остальные расположились на полу вдоль стен. Себастьян представил меня собравшимся и тут же начал забрасывать вопросами о правильных подходах к изучению математики. А я спросила присутствующих, не хотят ли они все вместе решить математическую задачу. Они охотно согласились. Я попросила их найти произведение 18 × 5, затем собрала методы счета, разыграв мини-версию бесед о числах. В тот день для решения примера было использовано шесть разных методов, и я нарисовала их на столе, вокруг которого мы сидели. Вся группа была настолько поражена, что некоторые поспешили на улицу и стали предлагать прохожим посчитать, сколько будет 18 × 5. Впоследствии они записали небольшой онлайн-курс по решению этого примера и изготовили футболки с надписью «18 × 5», которые носили в Udacity.
Я поделилась этим подходом с другим потрясающим лидером в IT-области Люком Бартелетом, который возглавлял разработку игр SimCity и одновременно занимал должность исполнительного директора Wolfram Alpha, сайта с данными, вычисляемыми онлайн. Он также был воодушевлен примером и начал предлагать каждому решить его.
Конечно, 18 × 5 не единственная задача, которую можно решить множеством способов. Однако самые разные люди, прекрасные математики, испытали чувство освобождения, осознав, что существует множество методов решения задачи.
Почему люди так удивляются многоплановому творческому подходу к математике? Одна женщина, которой продемонстрировали решение примера 18 × 5, была потрясена. Она сказала: «Не то чтобы я не знала, что все это можно проделывать с числами, но я скорее думала, что так нельзя».
Учитель из Англии связал свой опыт с «Беседами о числах». Он попробовал вести подобные дискуссии среди своих лучших учеников и начал с задачи 18 × 5. Школьники охотно предлагали разные способы решения, обсуждение получилось живым и интересным. Затем он задал тот же вопрос группе неуспевающих — ответом было молчание. Ученики могли вычислить результат с помощью известного им алгоритма, но других подходов к решению не знали. Учитель предложил подумать о том, как можно решить эту задачу по-другому, например найти произведение 20 × 5. Класс очень удивился: «Но, сэр, мы думали, что так делать нельзя». Сильные ученики усвоили гибкий подход к числам, а слабые не смогли, полагая, что так обращаться с числами непозволительно.
Этот случай свидетельствует об ущербе, нанесенном математическому образованию: люди думают, что гибко обращаться с числами нельзя, а математика состоит из следования правилам и схемам. Неудивительно, что очень многие теряют интерес к предмету. Я часто отмечала эту проблему. Она типична для всех учеников и представителей всех национальностей, но, похоже, особенно характерна для неуспевающих, как следует из приведенного примера и исследования Грея и Толла.
Исключительно эффективный математический навык — упрощать. Когда мы ищем решение сложной задачи, используя меньшие числа, то присущие ей закономерности часто становятся более понятными и осязаемыми. К примеру, рассмотрим изящное доказательство, известное как доказательство Гаусса. Это одна из прекрасных математических закономерностей, которые полезно знать каждому учителю или родителю независимо от того, увлекаются их дети математикой или нет.
Карл Гаусс был немецким математиком, жившим в XIX веке. Я не знаю, насколько правдива часто упоминаемая история про его детские годы, но она замечательная! Когда Карл учился в начальной школе, преподаватель понял, что ему необходимо давать сложные задачи, и, чтобы занять его на долгое время, попросил сосчитать сумму чисел от 1 до 100. Но маленький Карл заметил одну любопытную закономерность и понял, что необязательно складывать все числа, ведь сумма пар чисел, равноудаленных от концов, одинакова: 1 + 100 = 101, 2 + 99 = 101, 3 + 98 = 101 … 50 + 51 = 101 и так далее, и что таких пар ровно 50. Результат был получен мгновенно: 50 × 101 = 5050 (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Способ вычисления суммы целых чисел от 1 до 100, примененный Карлом Гауссом, и пример с вычислением суммы целых чисел от 1 до 10