名师金课的秘密(10):世界顶级的《线性代数》课——MIT Strang教授

【王珏老师的话】
很多老师,都会觉得知识难教、学生怠学、教学绩效不理想。
但是,无论哪个学科,都能找到一些好的老师
——不管他教什么学科、在什么级别的学校、面对哪个年龄段的学生。
他们的教学之所以能受到万众欢迎,
是因为他们符合了教学的根本规律
《名师金课的秘密》这一专栏,就是介绍全世界最优秀老师的教学,
力图揭示在好的教学中,所蕴含的根本规律
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1. 【引子】同济教材惹众怒

在说世界上顶尖的《线性代数》课和教材之前,

我们先来看看一本被学生口水淹没掉的国内教材之典范吧!

一直以来,同济版《线性代数》都是一本颇有争议的教材,

它在知乎上的风评基本都是这个画风:

很多同学吐槽这本教材结构不合理、内容抽象(甚至让抽象的东西变得更抽象),整本学下来很难有什么收获,还可能会丧失对于数学学习的兴趣。

很多发帖的同学都指出,同济版《线性代数》最大的问题就是「结构混乱」,第一章就从「行列式」开始讲。对于没有学过线性代数基本概念的大一同学来讲,这种毫无铺垫的引入方式让很多同学无法接受。

一位名叫 @李佳繁的知乎用户发帖表示:「行列式的定义给的很早难道不会让你感到很突兀和很没有必要么?!而且行列式是线性代数中几乎最为重要的概念之一,一上来就只是用数学语言给他了一个规定,在学线性代数的初期,能体会到什么?

还有同学指出:这个问题并不是同济版《线性代数》所特有的,而是国内线代教材的通病。

总之,这本书的编排顺序让很多同学摸不着头脑,学完之后也没有留下深刻的印象,甚至从此对线性代数失去兴趣。

除了结构编排的问题之外,「内容抽象」也是这本教材被吐槽的最多的点。

线性代数本身就是一门比较抽象的学科,因此,教材或教师理应通过各种方法帮助学生理解书中的抽象概念,比如运用图解的形式。

但很多同学反映,书中的图解着实少得可怜,甚至「翻遍了全书,只有三个向量图解」(引自知乎用户 @Akiyama Mio)。

还有同学指出,很多概念的引入也是莫名其妙,没有具体的例子作为支撑,

所以很多同学学完之后都不知道自己学的东西有什么用

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【以下为王珏老师小结】

  • 国内大多数教材,根本不符合最为基本的认知规律

  • 教材编写的核心指导原则是必须要遵从“学科专业知识体系”的要求,包括准确、严谨、自上而下等等,在此原则的基础上,再根据教学目标进行部分知识的挑选、编排。

  • 也可以这样理解:“便于理解”并非教材编写的核心指导原则——以至于被很多教材忽略,或者因与“严谨性”的冲突而被被放弃。

那么,有没有既能体现专业性、严谨性,又能较好地兼顾易懂性的教材、以及名师的课程呢?

有的!MIT数学系教授 Gilbert Strang 的《Introduction to Linear Algebra》就是这样一本教材!

2. Strang教授的教材、教学好在哪里?

前几年,清华大学将「线性代数」科目的课本改成《Introduction to Linear Algebra》英文教材,受到师生的一致好评!

不仅只有教材,在 B 站上,Strang 老爷子总共 27 个多小时的「线性代数 MIT 18.06」课程也已达到了累计过 100 万的播放量,可以说是 B 站最火的英文《线性代数》课程了

这门课程在国外也是 MIT 最热门的课程之一。根据 OCW 官网统计的数据,自 2002 年第一次发布以来,该课程的总访问量已经超过 1000 万

Strang教授的教材,咱们也没法体会,不过Strang同时也是大学老师、他也得讲课的呀

以下就是Strang教授的教学录像:

看看Strang教授讲的,你能否听懂?
是否有“心中一动”——“原来如此”的感受呢?!

扫描以下二维码,即可进入B站观看Strang教授的「线性代数 MIT 18.06」全套教学视频:

为什么Strang主编的教材、以及他的教学,能受到世界范围内大学生的广泛欢迎?

或者说,Strang做对了什么?他符合了什么样的教学的根本规律呢?

1) 努力让知识具备“意义感”

让学生感到知识学习“有意义”,是吸引学生投入大量精力学习的前提。
国内很多老师(包括教材编写者)会认为:学习是学生自己的事情,和老师无关
事实上,这一结论是完全错误的!——至少从“教学”这一视角来看,是错误的!
老师最大的作用、也是最大的能耐
就是能让学生感受到“知识学习的意义”,
从而愿意投入巨大的精力来学习!

让学生觉得知识学习有“意义感”的方法,比如:

  • 知识的趣味性——激发“情感”

  • 知识对人生、对世界、对自我的“价值”

  • 知识与学生熟悉事物的'联系'

在上面那段Strang教授的《线性代数》起始课中,

Strang所举的例子,

就是“列图像”+“矩阵”的这种方法,

给解决问题所带来的巨大的便利!

还有一件事情,能使学生感到“有意义的”:
  • 对于数理逻辑来说,图像也会让人产生一种“意义感”
这里只是先提一句,详见第5小点。

2) 先情境、后语义(先具体、再抽象),而非反之

国内教材一般是先给出定义,然后是定理和证明方法
——虽然出于教材编写的视角,或许不得不如此,
可是,这也是完全违反认知规律的
不仅让学习更加困难,也很容易让学生失去兴趣!
其实对于老师来说,做到这一点其实并不难
——只是不知道这条规律而已……
但这一简单的顺序反转,对于教学效果的影响,
比你想象的,要重要10000倍!
看看Strang教授的课,简单介绍学科背景后,
是不是一上来,直接讲了一组(好几个)具体案例(即“案例情境”)?
【延伸阅读】
即使在教学中,不可避免地一定会用到“术语”,
也宁可在案例中先“含糊”地用着
——上面的视频中Strang正是这么做的,并没有“一本正经”地讲定义
而不要先讲定义、尤其是不要详细解释定义中的各个词汇,
——这样既无效、又十分打击积极性!
人的基本认知规律,一定是先形成“具体感知”
——比如视觉感知、感官体验(具身体验)、或者“思维”经验
才能理解抽象后的“语义表达”的具体意义。
3) 从简单的事物开始,逐步推进,并确保每步学生都能理解
在Strang教授的《线性代数》起始课中,
是从“二元一次方程的解法”讲起的。
无论我们要教什么新知识,
一定要从学生熟知的事情/知识开始,
激活他的原有经验,确保能调动他的思维,
这是教学走向成功的“必由之路”
——一开口就让学生大脑无法转动,教学怎么可能成功?!
Strang教授的课中,
介绍了二元一次方程的“行图像”,我想初中生差不多就能听懂?

(虽然“行图像”的名字是新的,但其实质是“老”的)

接着是“列图像”——这回在图像上就可以表示成为“向量”了,
“向量”其实高中生也不陌生,
陌生的只是这一名词、以及这种看待问题的视角而已……
以二元一次方程的“行图像/列图像”的例子,
首先借助学生的已有经验,了解一种新的分析视角:
  • “行图像”、“列图像”分别是什么、如何表达、图像长什么样
  • 顺带的,把“矩阵”也提出来了,还用了几下——但完全没讲“矩阵”的定义,你瞧,也并不影响学生对“矩阵”概念的理解和使用……
不过,这种分析视角对于二维的例子,优势并不明显。
于是,Strang教授接着引入3维的例子,
同样的过程又走一遍……
——这样的“重复”也非常重要
因为人脑正是在这种重复中,
唤起(对刚才讲解的)回忆,加深理解,
并借此感知到“共性”、或者说“规律”的。
因此,在情境的设计中、在对学生思维路径的设计中,
是需要设计出合理的“阶梯”
——这既是对老师教学能力的极高要求,又是一个基本要求
这一“思维阶梯”的设计,在Strang教授的上述教学视频中,也是非常清晰的!
怪不得,大多数人对于Strang教授的《线性代数》教材和教学都一致认为「不是很抽象」,甚至可以 「和高中对接」呢!
4)巧妙设计,巧妙到足以让学生自己发现规律
这一点,并非对教学的“硬性要求”
——语义必须要有恰当的“情境”配合起来才能理解,这是“硬性要求”
但如果能达到的话,教学效果必然达到“最佳”!
有些情境(案例),能够显明地体现出其背后的“语义”,
甚至学生自己都能“猜测”出来
——自己总结出来的知识,理解更为深刻、印象也更为深刻。
其实,每个人,都有从具体事物中,提炼共性、发现规律的本能!
(对于学科专业知识来说,当然并不容易,需要老师恰当引导)
不过,人要想从具体事物中提炼、总结、抽象,
一个例子是不够的,至少需要2个、或者3个,
——而且案例之间,还要有相当的“相似性”,便于学生提炼与抽象!
这就要求老师所设计的情境(案例)、思维路径中,
要设计得极为巧妙,
其中蕴含的要求、规律要非常显明、让学生“一眼可知”
让学生自以为规律是自己发现的
——其实,这里面完全是老师巧妙设计的功劳!
5)可视化
Strang教授的讲课中,
对于函数求解,并不仅仅是用代数方法,
而且每一种代数方法,都紧跟着其几何图像的表示。
对于数理逻辑来说,这是一种能有效促进理解的好方法!
由于人脑的认知特性,
纯符号演算是最难的,需要经过长期枯燥的训练
“可视化”,则可以大大增强数理逻辑的“可理解性”、以及“意义感”
关于“可视化为什么能促进数理逻辑的理解”,
王珏老师有一篇文章,专门进行研讨,感兴趣可参阅:
回顾一下以上5个小点:
  • 制造知识的意义感
  • 先情境后语义
  • 先简单、逐步深入,并确保学生跟得上
  • 巧妙设计,以促使学生自己发现规律
  • 可视化
是不是都能体现在Strang教授那看似慢条斯理的讲授中呢?
这就是为什么学生反映Strang的课“感觉很多概念不再是死记硬背了”、甚至“是循循善诱式的”,它「不是上来告诉你这样做是对的,而是一步步引导你让你理解就应该是这样子」背后的教学设计原理。
3. 【题外话】既然教材不适合学习,那老师该做些什么?

首先,不能“照本宣科”,

教材的编排本身就不利于认知、教材中的案例也不鲜活,

越“照本宣科”,教学效果越差!

教材既然并不追求“易懂性”,
那么,帮学生弄懂知识的责任,
就只能落到老师头上了。
——这就使得老师对知识的讲解,是一种“刚需”,不是可有可无的!
这就要求老师必须要需要一种能力,
  • 要能把抽象、复杂、难懂的教材内容,转变为学生易于理解的形式。

——这是所有优秀教师都具备的品质,无一例外!
Stanford 的 Shulman教授还专门为此提出了“PCK理论”
PCK理论认为:
  • 老师仅有专业知识(CK)、教学知识知识(PK),是不够的,

  • 影响教师教学水平的核心知识,是二者的结合部:学科教学知识(或称教学内容知识,PCK)

Shulman教授认为:PCK(学科教学知识)是这样一种知识:

  • 将专业知识,转化为易于学生理解的表征形式的知识(如类比、可视化等)!

如果您观看过Strang教授的讲课,
即使作为一个小白,我们也立马就可以得出这样的结论:
  • Strang教授确实具备极为丰富、适当的“学科教学知识(PCK)”

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