跨學(xué)科到底怎么跨

開篇先預(yù)告一場直播閑聊局：

又是一個周三，這周發(fā)一篇孩子曾經(jīng)跟我交流的內(nèi)容。當(dāng)時(shí)七七問哥哥，最大的數(shù)是什么？哥哥在回答了很多后，自己也想到了一個跨越學(xué)科的內(nèi)容。我們經(jīng)常會聽到“跨學(xué)科”“底層”“本質(zhì)思考”“追問源頭”等各種內(nèi)容，這篇文字可以作為一個小小引子，供弟弟妹妹們參考，希望弟弟妹妹們能有更多思考和想象。

當(dāng)學(xué)東西變成提問、探索、解謎，學(xué)東西就不再是苦差事，而是會變成真正的快樂之一。大家一定要相信，真正保有好奇心和想象力，保有熱情，不去磨滅，是會有求知欲和探索欲的。

下面內(nèi)容，是把小孩聊天的內(nèi)容導(dǎo)出成文字。

算數(shù)里定義的那些數(shù)字，究竟有什么意義？

比如我們剛開始學(xué)算術(shù)時(shí)，都是從認(rèn)識數(shù)字起步的。拿數(shù)蘋果舉例，我們把蘋果抽象成數(shù)字1、2、3、4……這個過程有個關(guān)鍵前提——這些蘋果是完全等價(jià)的，它們是一個個完全一樣的單位。只有滿足“單位同質(zhì)”這個假設(shè)，我們才能對它們進(jìn)行計(jì)數(shù)運(yùn)算。

如果說得更抽象一點(diǎn)，在數(shù)學(xué)里，裝著這些同質(zhì)單位的“容器”可以叫作集合。現(xiàn)在假設(shè)有兩個這樣的容器，它們可能一樣，也可能不一樣，那它們的差別到底體現(xiàn)在哪里？我們先不考慮元素的數(shù)量，只看單個元素本身——既然我們已經(jīng)假定容器里裝的都是完全相同的單位，那么元素本身沒有任何差別。

如此一來，兩個容器唯一的差別，就在于它們所裝單位的數(shù)量多少。

我們不僅忽略了單位的外形、顏色這些直觀特征，還忽略了單位的空間位置與排列順序。所以只要兩個容器內(nèi)的單位個數(shù)相同，這兩個容器就是完全等價(jià)的。在數(shù)學(xué)中，我們會指定0、1、2這樣的數(shù)字來對應(yīng)不同數(shù)量的單位。單位數(shù)量與容器之間是一一對應(yīng)的關(guān)系：數(shù)量本身就可以代表一個容器。

如果我們定義一個“沒有任何單位的容器”，并將它稱為零，那么零就成了一個基準(zhǔn)。以此為基礎(chǔ)，所有包含大于零個單位的容器，它們的數(shù)量都可以被唯一確定。從0開始，我們就有了清晰的數(shù)字序列，來對應(yīng)所有不同數(shù)量的容器。

把兩個容器合并成一個容器的過程，就是算數(shù)里的加法。合并過程中，單位的性質(zhì)沒有發(fā)生任何變化，變化的只有單位的總數(shù)量。在自然數(shù)的范疇里，乘法并不是一種本質(zhì)運(yùn)算，它只是重復(fù)加法的簡便表達(dá)；同理，乘方也是多次乘法的簡便表達(dá)，這些都屬于衍生運(yùn)算。

那減法該如何定義？在自然數(shù)中，給定兩個代表容器數(shù)量的數(shù)A和B，如果能找到一個數(shù)C，使得C對應(yīng)的容器和B對應(yīng)的容器合并后，總量等于A對應(yīng)的容器，也就是C+B=A，那么C就可以定義為A-B。由此可見，減法的本質(zhì)是加法的逆運(yùn)算。但減法在自然數(shù)中并不封閉——當(dāng)A小于B時(shí)，我們找不到對應(yīng)的自然數(shù)C，于是負(fù)數(shù)就被創(chuàng)造出來了。

負(fù)數(shù)已經(jīng)無法用現(xiàn)實(shí)中“單位的個數(shù)”來理解，只能通過逆運(yùn)算的邏輯來定義。在群論中，整數(shù)集合對于加法運(yùn)算構(gòu)成一個加法群：它滿足封閉性，任意兩個整數(shù)相加結(jié)果還是整數(shù)；它存在單位元，也就是零——任何容器與零容器合并，單位數(shù)量都不會改變；它還存在逆元，一個正數(shù)的逆元就是對應(yīng)的負(fù)數(shù)，二者相加結(jié)果為零。

有了負(fù)數(shù)，再通過乘法的逆運(yùn)算——除法，我們就能構(gòu)造出所有的有理數(shù)；通過乘方的逆運(yùn)算——開方，又能定義出大部分無理數(shù)。但像π這樣的超越數(shù)，無法通過根式來表達(dá)，不過如果允許無窮級數(shù)的形式，我們可以借助泰勒展開，將它表示為無窮項(xiàng)的和。

回到之前的容器假設(shè)，如果我們不再忽略單位的空間位置，允許單位在空間中的位置存在差異，同時(shí)保持單位的其他性質(zhì)完全相同，那么算數(shù)就延伸成了幾何。我們可以設(shè)定一個基準(zhǔn)的空間關(guān)系，也就是坐標(biāo)原點(diǎn)和X、Y軸的正方向，這樣每個單位在空間中的位置就都能被唯一確定。

如果我們認(rèn)為空間是不連續(xù)的，那就是離散幾何，空間中任意一點(diǎn)的坐標(biāo)分量都是整數(shù)；如果我們用完全連續(xù)的實(shí)數(shù)來定義空間，那就是連續(xù)幾何，此時(shí)空間中幾乎所有的點(diǎn)，都能通過一組X軸和Y軸的分量來唯一確定。

到這里，幾何還能進(jìn)一步與物理聯(lián)結(jié)。物理中最簡單的運(yùn)動公式是X=Vt，也就是位移等于速度乘以時(shí)間。初中物理里的s-t圖像，描述的是位移隨時(shí)間的變化關(guān)系。在這個模型里，時(shí)間是一個獨(dú)立于空間的分量——現(xiàn)實(shí)中，空間是自由的，而時(shí)間是單向流動、不可回溯的，速率恒定，這就是時(shí)間與空間的本質(zhì)區(qū)別。正是這種區(qū)別，讓時(shí)間被單獨(dú)拎出來，進(jìn)而誕生了基礎(chǔ)的運(yùn)動物理。

但從更本質(zhì)的視角來看，在經(jīng)典物理的范疇內(nèi)，一個事件的發(fā)生，或者一個物體的位置，都可以唯一表示為空間分量與時(shí)間分量的結(jié)合——這其實(shí)就是四維時(shí)空里的一個坐標(biāo)點(diǎn)。如此一來，最基礎(chǔ)的運(yùn)動物理，就轉(zhuǎn)化成了四維時(shí)空的幾何問題。

再比如速度的概念，平均速度是位移與時(shí)間的比值，而瞬時(shí)速度，其實(shí)就是s-t圖像上某一點(diǎn)的切線斜率。計(jì)算斜率是解析幾何的內(nèi)容，最終又能轉(zhuǎn)化為算數(shù)運(yùn)算。

當(dāng)我們把物理問題轉(zhuǎn)化為幾何問題時(shí)，其實(shí)是忽略了時(shí)間與空間的差異性，將二者合并成了一個均勻的多維空間。而越往后衍生的學(xué)科，其實(shí)是在更高的抽象層面上，增加了新的假設(shè)條件——比如運(yùn)動物理，就是在幾何的基礎(chǔ)上，增加了“時(shí)間與空間不對稱”的假設(shè)。但在特定情況下，這些衍生學(xué)科又可以通過簡化假設(shè)，重新回歸到更基礎(chǔ)的學(xué)科：比如當(dāng)我們只需要計(jì)算s-t圖像的切線斜率時(shí)，就不需要強(qiáng)調(diào)時(shí)間和空間的差異，完全可以把它當(dāng)作一個純粹的幾何問題來處理。

從算數(shù)到幾何，再從幾何到基礎(chǔ)物理，我們能清晰地看到一條邏輯鏈條：算數(shù)是所有學(xué)科的底層基石，通過逐步增加假設(shè)條件，就能延伸出不同的學(xué)科分支。算數(shù)的核心是“同質(zhì)單位”，幾何增加了“空間位置”的假設(shè)，物理又增加了“時(shí)間單向性”的假設(shè)。這些假設(shè)層層疊加，構(gòu)建出了我們對世界的認(rèn)知體系。

文章核心關(guān)鍵點(diǎn)：

算數(shù)底層：數(shù)蘋果的本質(zhì)是“同質(zhì)單位”的計(jì)數(shù)，數(shù)字是單位數(shù)量的映射，0是定義所有數(shù)字的基準(zhǔn)。

運(yùn)算邏輯：加法是集合合并的本質(zhì)運(yùn)算，減法、乘法、乘方均為加法的衍生或逆運(yùn)算，負(fù)數(shù)的誕生是為了滿足減法的封閉性。

學(xué)科延伸：算數(shù)增加“空間位置”假設(shè)→幾何；幾何增加“時(shí)間單向性”假設(shè)→基礎(chǔ)運(yùn)動物理，學(xué)科本質(zhì)是底層邏輯+專屬假設(shè)的疊加。

跨學(xué)科聯(lián)結(jié)：物理中的運(yùn)動、速度問題，最終都能拆解為幾何的斜率計(jì)算，回歸到算數(shù)的底層運(yùn)算。

這幾年，拿云媽媽一直在跟我說，培養(yǎng)七七的時(shí)候要“打通底層邏輯”，“培養(yǎng)跨學(xué)科的思維”，這些詞，即使我讀過無數(shù)資料，依然會覺得有些飄在空中，不知如何落地。

但即使還沒想明白跨學(xué)科怎么跨，我也有自己最為樸素的想法和做法。比如，跨學(xué)科的前提，肯定是對各學(xué)科基礎(chǔ)知識有所了解吧，那就多看科普，增加知識的廣度；打通底層邏輯就更好執(zhí)行了，就是不管學(xué)什么，都避免無腦刷題，不爭一時(shí)進(jìn)度的快慢，真正想明白一個問題，可能會比多刷100道題對孩子更有幫助。然后就是，不要制止孩子天馬行空的各種傻問題，或許在他們的思考過程，就是跨學(xué)科最早的雛形。

就像前天晚上睡前，小七拉著我討論無窮大和無窮多有什么區(qū)別（無窮大他之前問過拿云），我手機(jī)在充電也沒辦法查AI，于是硬著頭皮跟他說無窮多，更像我們對現(xiàn)象的描述，比如天空中的星星無窮多，而無窮大，是一個數(shù)學(xué)概念，表示數(shù)量無窮大，比如天上星星的數(shù)量是無窮大的。因?yàn)橛钪娴倪吔缤耆粗偸潜任覀兞私獾母嘁稽c(diǎn)兒，宇宙沒有極限，他包含的星體在數(shù)量上就會無窮大。他加了幾個數(shù)，聊了會兒宇宙，就忽悠他趕緊睡了，因?yàn)槲遗伦约合拱l(fā)揮講錯了，但哪怕再沒底，那個當(dāng)下，我也沒拿瞎想啥來阻止他。

或許很多家長，能做到的，也就是我那樣吧，雖然講不明白，但也會鼓勵思考。但因?yàn)樾∑邉偢蚁沽耐辏赐赀@篇文章，我由衷地覺得拿云媽媽的這個分享，不管是現(xiàn)在我看，拓展一個全新的思路，還是未來直接給孩子看，都會非常有價(jià)值。

學(xué)科間如何聯(lián)系，尤其理科間如何聯(lián)系，這篇文章，就是一個最生動、最精彩的示范。它沒有喊口號，而是平靜地、一步步地，向我們展示了孩子如何從“數(shù)蘋果”這件最簡單的事出發(fā)，一路漫步，最終抵達(dá)了物理學(xué)的時(shí)空概念。

這其中的奧秘在哪里？我認(rèn)為關(guān)鍵就在于文中的兩個字：“假設(shè)”。

真正的跨學(xué)科，不是知識的簡單堆砌，而是對“假設(shè)”的洞察與游戲。文章講的比較具體，可能會看起來復(fù)雜，我?guī)痛蠹沂崂硐拢?/p>

當(dāng)我們數(shù)蘋果時(shí)，我們做了一個強(qiáng)有力的假設(shè)：每個蘋果都是同質(zhì)的。我們忽略了它們的大小、色澤、甜度，只把它們看作一個個相同的“1”。沒有這個假設(shè)，計(jì)數(shù)就無法開始。

接著，如果我們改變假設(shè)，不再忽略每個點(diǎn)的空間位置，那么算術(shù)就伸展成了幾何。

我們再增加一個假設(shè)，承認(rèn)時(shí)間與空間的不同（時(shí)間單向流動），那么在幾何的舞臺上，就上演了物理的篇章。

拿云像拆解樂高一樣，把數(shù)學(xué)和物理這兩座大廈，拆回了最基礎(chǔ)的“假設(shè)”積木。他發(fā)現(xiàn)，大廈看似不同，但底層的積木是相通的。所謂“打通”，就是看清了這些積木是如何搭建起來的。

這給我們什么啟發(fā)呢？尤其是在引導(dǎo)孩子學(xué)習(xí)時(shí)？

它告訴我們，比起催促孩子刷更多題、記住更多公式，或許更有價(jià)值的是，多問一句 “為什么？” 和 “如果不這樣呢？”：

? “為什么1+1=2？” 這背后是“同質(zhì)單位”的假設(shè)。

? “如果不忽略位置，會怎樣？” 這就導(dǎo)向了幾何。

? “如果時(shí)間也能像空間一樣來回走呢？” 這或許就會引發(fā)對相對論的初步好奇。

鼓勵孩子去思考這些“元問題”，去玩一場“假設(shè)”的游戲，就是在培養(yǎng)他們最本質(zhì)的思考能力。這種能力，能讓他們在未來面對任何復(fù)雜的新知識時(shí)，都能找到那條屬于自己的、從簡單通向復(fù)雜的路徑。

這篇文章，低齡孩子的家長看看知道，刻意思考下未來如何引導(dǎo)；而高年級以及初中孩子，就可以自己看了，和拿云直接進(jìn)行思維的碰撞，或許會有自己的靈光出現(xiàn)。

這周拿云一家來清邁找我玩，我約了拿云媽媽的一場直播，跟大家聊跨學(xué)科怎么學(xué)，也就是我倆的閑聊局，跟云閨蜜們同步分享一下。周五中午12：30，有時(shí)間的朋友一起來聽吧，因?yàn)椴淮_定拿云會不會說幾句，所以不一定有回放（拿云如果出現(xiàn)，保護(hù)孩子隱私，就不開回放了）。

周五見~~

Read More

育兒干貨I好物分享I誠意滿滿