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黑板不能亡!知識與科學家們思想的產地

莊 霈淳
・2017/08/02 ・3086字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 517 ・六年級
相關標籤: 黑板 (2)

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編譯/莊霈淳|成功大學心理系學生,PanX 實習生

「這堂課的板書你們不可以拍照,這些推導的式子,我會給你們時間抄,因為你們很多人都只是拍完了就不會再看了,這樣一點意義都沒有。」
記得第一天上統計課時,老師對學生說這句話時語重心長的表情,讓我印象深刻。

現在「簡報力」相當重要沒錯,創業 PPT、上課也 PPT、報告也 PPT,什麼都是PPT。當學生坐定位,老師登門而入,第一件事必定是打開 PPT,上課時按照PPT 講解。有次甚至聽聞某位教授因為忘記帶隨身碟打不開 PPT,而發生無法上課的狀況。不過,我們還是不要忘記那些人類文化中最精湛且深奧的成就,推導出來的還是科學家的腦,以及握著粉筆在黑板寫下那些思想濃縮的等式和理論。

現今課堂上大多利用簡報授課,而在以前的年代黑板卻是生活中不可或缺的工具。圖/Flickr

黑板和粉筆的關係就像紙墨一樣,是現代科技仍無法取代的組合。今天,在世界各地的物理研究中心黑板仍隨處可見。在加拿大圓周理論物理研究所(Canada’s Perimeter Institute),黑板是設計主要元素。在大樓的咖啡區和電梯旁,黑板觸手可及;而英國劍橋數學科學學院的牛頓研究所(The Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences in Cambridge)裡面甚至在廁所裡都有黑板,讓你無法預測眼前會出現什麼。

黑板從發明以來就不是一種昂貴又神秘的物品,無論黑板的起源是什麼,到十九世紀中葉,這些板子都是用塗黑色塗料的木材製成的,可以用乾抹布或毛氈擦拭乾淨。只要使用過黑板和粉筆的人都會感覺到它的神奇。想修正拼寫或計算錯誤只需輕輕一擦,就感覺就好像從未犯錯;想解決一個新的問題,只需用一塊濕布擦拭之前寫過的痕跡,就可以重新開始。

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黑板可以用乾抹布或毛氈就可以擦拭乾淨!圖/Flickr

雖然曾經有人試圖改進黑板的材質,但沒有並沒有達到期望。像是圓周理論物理研究所的設計者曾嘗試用一種特殊的玻璃來替代黑板。然而物理學家對此並不買帳,最終還是使用傳統的黑板。同樣還有英國的曼徹斯特大學國家石墨烯研究所,為了避免粉筆灰對人可能造成的傷害,安裝了需要特殊用筆的 PVC 黑板,但後來也沒有被廣泛使用。

粉筆開啟的對話

提到那些著名物理學家照片時,黑板出現頻率之高。愛因斯坦(Albert Einstein)、波爾(Niels Bohr)、海森伯(Werner Heisenberg)、狄拉克(Paul Dirac)、費曼(Richard Feynman),都有黑板肖像。

愛因斯坦(Albert Einstein)正利用黑板寫出運算式子。圖/Flickr
在黑板前的費曼。source:Wikimedia

在 19 世紀才呈現了現代物理學雛形、對物理理論研究直到愛因斯坦時代才逐漸成為獨立的理論物理學科的那個年代,「黑板肖像」就是物理學家的標誌,似乎詮釋了物理學本質,是由粉筆刻出的抽象數學。

至今,黑/白板還是許多學者和使用者日常生活中的一部分,促進人與人之間非正式、即興的交流和討論。它是一種民主的空間,能夠使人們隨時隨地分享思想。費米實驗室(Fermilab)的粒子物理學家Seyda Ipek說:「我們常在飯餘時間使用咖啡廳裡的白板。有人問到什麼最新想法時,就會有其他人走到白板旁說:『最近我在思考一個問題,讓我講給你聽聽。』」

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這獨特的空間促進了科學思想的碰撞。比方說,當我們被別人直接指出觀點上的錯誤,我們可能會感覺受到攻擊而拒絕交流。但若把想法寫在板上,那就可以和別人進行客觀細緻地討論與檢查。這種討論方式能減少被質疑者的負面情緒,讓人們更大膽地在上面呈現自己的想法。

運用板書還能控制解釋的速度。在課堂在黑板上講解的速度,反映了人們思維的進度,有利於學生更好、更有效地接受資訊和知識。此外,黑板還能透過條例列點呈現筆下的流動思維。有些物理學家喜歡把好不容易得出的結果寫在黑板上,讓結果更完整的展現。

你可能沒想過的科學黑板與藝術行動

鑑於其規模和公共性質,黑板幾乎可說是成為了物理學家的「表演空間」。沒有擦乾淨的黑板,吸引了西班牙藝術家 Alejandro Guijarro,他在CERN的演講廳和研究所辦公室以及劍橋牛津大學研究所、史丹佛大學和柏克萊分校,拍攝了一系列物理課程的黑板照片。

西班牙藝術家 Alejandro Guijarro,在CERN的演講廳和研究所辦公室以及劍橋牛津大學研究所、史丹佛大學和柏克萊分校,拍攝了一系列物理課程的黑板照片。圖/Tristan Hoare

Guijarro 說:「這些沒擦乾淨的黑板,展現了程度上隨機產生的零碎想法、想法或解釋。」他承認他並不理解上面所寫物理學,但純粹以美感的理由選擇了黑板。 「我對行動,手勢和表面上的痕跡很感興趣。」

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另外還有 2015 年,黑板與行文痕跡是加拿大理論物理學研究所於當年委託進行的藝術裝置的主題。駐場藝術家 Alexa Meade 建立了一個巨大的黑板空間,不僅有牆壁、扶手椅,連兩名研究人員都成為被刻有線條和符號的黑色表面,成為了黑板與筆畫空間的一份子。

裝置藝術以黑板當作主題。圖/Unità

「我認為 Alexa 的作品,捕捉了黑板和理論物理學家之間的根本關係,說明黑板如何讓物理學家把他或她的想法和想法變成一種新形式。」由 Meade 召集作為人類黑板的兩位科學家之一 Lauren Hayward Sierens 這麼說。

以黑板書寫科學家大師與思想的結晶

儘管人們對待法拉第(Michael Faraday)的感應線圈、伽利略(Galileo)的木製斜面、牛頓初版的著作等其他科學歷史文物也同樣景仰,但被著名科學家使用過的黑板,則存在著獨特的光環。1931 年,愛因斯坦在牛津大學進行了三場廣義相對論講座,他用過的黑板被當成歷史文物,至今仍被保存在牛津歷史博物館。

記錄著愛因斯坦對宇宙年齡、大小和密度的計算的黑板,今天已成為該館著名的收藏,成為了一個標誌。記錄在黑板上的文字和符號充滿活力、權威又不失美感地進行傳播,就像歷史遺跡或藝術品一樣,這塊獨特的黑板本身也因為科學家的加持而增添了傳奇色彩。

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愛因斯坦使用過的黑板就像歷史遺跡或藝術品一樣。圖/Wikimedia Commons

對於愛因斯坦與他的黑板,法國文學理論家羅蘭·巴特(Roland Barthes)於 1957 年時曾說:「他那歷史性的能量方程式 E=mc^2 用極簡潔的方式,讓幾百年來的物理學家努力幾百年都未曾打開的奇妙之門。愛因斯坦的照片,身後的黑板上寫滿了複雜的數學公式;而愛因斯坦的卡通肖像中,他手握粉筆在空白的黑板上,信手拈來就寫出了世界的魔法公式。」這些都讓人看出,這塊黑板不僅因為科學家手中粉筆寫出讓人折服的文字與式子,更因為它記載了人類科學思想的足跡。

儘管人的思維轉瞬即逝,但關於科學家和研究人員們學習世界的「魔法公式」,還是會一直被寫上黑板的。看到的人,會幸福吧!

參考資料:

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莊 霈淳
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PanX 實習編輯。 左手文、右手理,舉頭三尺想社會。不擅長二元對立,解決問題需要理性與感性並用。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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指甲刮黑板的聲音,為何讓人難以忍受?
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2023/10/22 ・2522字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 朱家瑩/雅文基金會聽語科學研究中心 研究員

想像一下當你聽到手指甲刮著黑板產生的摩擦聲,或者是拿著叉子摩擦著不鏽鋼碗的聲音,抑或是小孩的哭叫聲,有沒有哪一個聲音會讓你全身起雞皮疙瘩,想要用手摀住耳朵,甚至是情緒爆炸、只想要遠離現場呢?這些讓人不適的聲音,是有其特有的聲學特質?或是其他緣故呢?

想像一下指甲刮黑板的聲音。圖/Pexels

不是尖銳、高頻音就刺耳,而是流淌在你我血液的祖先智慧

一般認為,令人不適的聲音是因為刺耳的高頻聲,尤其像是手指甲刮黑板時所產生的摩擦聲,其中那種「ㄍㄧ ㄍㄧ ㄍㄧ」的聲音,似乎是造成不適感的主因。

然而,Halpern、Blake 和 Hillenbrand(1986)這三位研究者對於這個現象感到好奇,因此他們進行了一項實驗 [1],他們將那些令人不適聲音(如:刮金屬或石板的聲音)中的高頻音減弱。

結果顯示,即使減弱尖銳的高頻聲音,受試者仍然感到不適,因而主張尖銳的高頻音並不是造成不適感的主因。接續 Halpern 等人在企圖尋求答案時,意外發現刮黑板的聲音頻譜圖跟靈長類猴子的警告叫聲非常相似,因而大膽推測這個不適感並非高頻音造成的,而是源於人類祖先的記憶。

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人類對特定頻率區間的聲音感知最敏感,加上跨感官的連結,讓人聽到某些音就不適

可惜,到底是不是來自老祖先的智慧傳承,這點未獲得後續研究的支持。另一方面,Kumar 等人(2008)進一步以聲學分析探究是否是因特定頻率導致聆聽的不適感時,發現聲音中涵蓋 2500-5500 赫茲這個頻率區間的聲學頻率似乎特別容易引起聽者的不適感 [2]

有沒有哪一個聲音會讓你全身起雞皮疙瘩,想要用手摀住耳朵?圖/Pexels

他們推測這可能是因為這個頻率範圍的聲音感知上最為強烈,同時也具有最高的能量,因此使得聽覺系統特別對這些頻率的聲音敏感。

但是,我們平常聊天談話中也涵蓋了這個頻率範圍的聲音,除了頻率之外,是不是還有其他因素造成對某些聲音的不適感呢?

Ro 等人(2013)發現當聽到聲音時,聲音進入大腦的聽覺皮質同時,會傳遞訊號到觸覺感官系統,啟動了觸覺感官,讓聽者聽到聲音時,「感覺」到自己的皮膚彷彿被指甲刮的刺痛感 [3]

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聽聲音會啟動身體觸覺感官系統並非只存在刮黑板這類聲音,有些人在聽到音樂聲,像是聽到低音貝斯的聲音時,也會感覺到自己的身體也在震動,甚至感受到皮膚的不適感 [4、5]

也許因為這個跨感官的訊號傳遞,讓身體的其他部位也出現不適的感受,才會讓聽者對於這些聲音感到不適。

當感知到令人不適的聲音,杏仁核會依據習得經驗,決定是否啟動保護機制!

Zald 與 Pardo(2002)發現當聽到讓人感到不適的聲音刺激時,大腦中的杏仁核(amygdala)會高度活化 [6],而杏仁核在大腦中負責掌控恐懼、焦慮、害怕等負面情緒,換句話說,當聲音訊息抵達杏仁核時,它會誘發情緒反應,進而導致我們做出不同行為反應 [7]

杏仁核的啟動是大腦的一種保護機制,透過過往的經驗連結學習會對讓人不適的聲音發出警報[8] ,當聽者遇到可能危及安全的聲音時,杏仁核就會發出警報。

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例如,當聽到車子緊急剎車的聲音時,這個聲音傳送到杏仁核,會進而引起我們想要逃離的反應,或者產生對駕駛者行為的憤怒反應。

由於杏仁核在聆聽這些聲音時會高度活化,Kumar 等人(2012)進一步試圖了解在聆聽令人不適的聲音時,杏仁核在大腦中扮演著怎樣的角色,以及聲音資訊如何被傳遞到杏仁核。

他們的研究結果顯示,聲音刺激會最先傳送到聽覺皮質(auditory cortex)進行聲學訊息處理和分析,解碼聲音所代表的意義,例如,聽到「ㄍㄧ」的剎車聲,解碼出來的是來自汽車或者腳踏車的剎車聲。聽覺皮質處理完畢後,將資訊傳遞到杏仁核,當杏仁核接收到來自聽覺皮質的訊號後,依據這些訊息及過去經驗發出警報 [8],誘發恐懼、焦慮或憤怒等負面情緒,並可能促使進一步的行為反應,像是尖叫、摀住耳朵,或逃離現場。

舉例來說,如果是汽車的剎車聲,基於過去的經驗,可能存在危險,因此可能會誘發恐懼情緒,並引發立馬逃離現場的行為舉動。

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有些人基於過去的經驗,聽到汽車的剎車聲,可能會誘發恐懼情緒。圖/Pexels

然而,如果解碼後的聲音是腳踏車的剎車聲,根據過去的經驗,可能不會有危及生命的危險,因此即便會觸發閃躲的動作行為,但負面情緒可能不如汽車剎車聲來的強烈,可能只會憤怒的罵騎車的人不長眼。

聽到某些聲音,讓人立馬想逃或想戰,也許這個過往的經驗是來自遠古時代祖先的傳承,但更可能是因為聽到這些聲音時,觸覺感官系統被啟動了,身體上「感覺」到不適,所以當不適的聲音再次出現時,杏仁核的活化反應就更增強,讓我們除了單純的接收到聲音之外,也產生了身體及情緒上的反應。

參考文獻

  1. Halpern, D. L., Blake, R., & Hillenbrand, J. (1986). Psychoacoustics of a chilling sound. Perception & Psychophysics39, 77-80.
  2. Kumar, S., Forster, H. M., Bailey, P., & Griffiths, T. D. (2008). Mapping unpleasantness of sounds to their auditory representation. The Journal of the Acoustical Society of America124(6), 3810-3817.
  3. Ro, T., Ellmore, T. M., & Beauchamp, M. S. (2013). A neural link between feeling and hearing. Cerebral cortex, 23(7), 1724-1730.
  4. Koenig, L., & Ro, T. (2022). Sound Frequency Predicts the Bodily Location of Auditory-Induced Tactile Sensations in Synesthetic and Ordinary Perception. bioRxiv.
  5. Lad, D., Wilkins, A., Johnstone, E., Vuong, Q.C. (2022). Feeling the music: The feel and sound of songs attenuate pain. British Journal of Pain, 16(5), 518-527. 
  6. Zald, D. H., & Pardo, J. V. (2002). The neural correlates of aversive auditory stimulation. Neuroimage16(3), 746-753.
  7. LeDoux, J. E. (2000). Emotion circuits in the brain. Annual review of neuroscience23(1), 155-184.
  8. Kumar, S., von Kriegstein, K., Friston, K., & Griffiths, T. D. (2012). Features versus feelings: dissociable representations of the acoustic features and valence of aversive sounds. Journal of Neuroscience, 32(41), 14184-14192.
雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。