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從資訊教育出發,創新高中教育

活躍星系核_96
・2016/07/20 ・2631字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 489 ・五年級

本文為作者 2016 年 7 月 7 日在逢甲大學舉辦的「高中課程創新教育論壇」擔任與談人,當場以此為題對現場的高中主管們做的 10 分鐘意見分享。

文/洪士灝|台灣大學資訊工程學系

首先我發表免責聲明:

● 大學教授未必充分理解高中教育現場,我所提出的想法或建議列入參考就好,各位需要做進一步思辨。就算是中研院院士的話,也不是聖人之言,不要緊抓著不放。

● 台大是研究型大學,而且沒有教育學院,對於高中教育的貢獻是有限的。坦白說,台大只想要最好的學生,而台灣大部分最好的學生都會到台大,所以請不要期待大多數的台大教授會致力於普及教育,他們有很多自身的教學研究工作要忙。

那我來這裡做甚麼?(笑)

身為台大教授,我能做的是突破框架

我可能稍微另類一點……雖然另類的程度遠遠不及葉丙成教授,頭髮也沒有他長,但我們以各自的方式對國民教育提出一些建言。我個人覺得台大對國民教育不能置身事外,因為國教的品質與大學教育息息相關,有些教授抱怨大學生素質每況愈下,或許可以出來為中學教育做點事情。

其實我覺得台大教授雖然不甚瞭解高中教育現場,但應該可以在創新方面注入一些能量。不是教育科班出身的好處是,我們的著眼點和思考比較不會被現有的教育框架所限制住,對於如何翻轉和創新中學教育這件事,或許可以較為天馬行空地做腦力激盪,或許可以因此激盪出一些火花。

如我在免責聲明所說的,各位不要把我們當成教育專家,而我們談創新中學教育,真正需要的是激發在座每一位教育專家的創意和創新的企圖心,才能有自發的改革和創新,而不是一直處於保守的上行下效的框架裡。

在這個時代,標準化教育面臨考驗

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圖/By Flickr user enixii. – flickr, CC BY-SA 2.0, wikipedia commons.

有人可能會問,保守有甚麼錯?

現在的教育體制,源於西方工業革命之後對於大量專業人力的需求,因此開辦學校,制定標準教材,舉辦學位或技能檢定考試,讓業界得以有效率的雇用人力。然而,業界已經進化到高度自動化的工業 4.0,以及所謂人工智慧的時代,而教育的形式也受到資訊網路和線上學習的影響,許多國家已經在重新檢視標準化教育的意義性。

各位為人師長的,是否知道這社會十年後職場上所需要的能力?很會背書、記公式、考高分的學生,是否能適應未來的社會?從我教大學生以及與業界合作的經驗,好學生未必懂得自學、團隊合作、求新求變,而這些能力到了大學再練習是否太晚?

很抱歉,各位先進從過去照本宣科、數十年如一日的教學生涯,轉為現在這種需要翻轉和創新的日子,罪魁禍首是我們這些搞資訊科技的,但我們自己也得在這個的潮流中日新又新,而且潮流影響所及,各行各業也都從數位化、網路化,進到自動化、智慧化,不斷有新的挑戰,也不斷有新的機會。

所以,資訊科技教育應該做什麼改變?

因此,資訊科技和資訊教育實在太重要了,但千頭萬緒,在有限的時間內,我想摘要幾個我所認為的重點與各位分享:

● 教育如何善用資訊科技?

● 如何以資訊教育啟發學生新時代所需的能力?

● 資訊科技是提升數理人文各領域的利器!

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圖/photograph by Greg Anderson, college.library@flickr.

首先,教育如何善用資訊科技?方式很多,以下只是幾個例子:

翻轉教學、線上學習:老師不需要重複教同樣的課,學生可以按自己的進度學習,透過網路與世界接軌。

蒐集資訊、分析資料、跨領域學習:各個學門都可以結合資訊科技做資料的蒐集與分析,進行專題研究。

數位校園、個人化學習:根據每位學生的學習狀況,提供適合的課程與進度。

其次,如何以資訊教育啟發學生新時代所需的能力?

資訊教育不是教工具的使用,不是教用電腦做簡報、也不是教用電腦畫圖……而是讓學生在資訊科技改變人類生活的時刻,理解其幕後的原理和現象,可以巨觀和微觀去看待資訊科技與人類的互動,這是所謂的計算思維。

由寫程式入門去了解計算思維,是一種方法,但不是唯一的方法。好比我們教數學,如果不會列方程式,如何學習用數學解應用問題?但光會解方程式,並不是學數學的目的,但我們因為要應付考試,往往過度強調解題技巧;同樣的道理,在中學教育中,學習寫程式只是敲門磚,如果我們過度強調程式寫作,也會迷失了焦點。

中學資訊教育絕對不是為了培養資訊專業人才,重點在於具體訓練「語言理解與表達能力」、「抽象思考」、「解決問題」等能力。我們不要重蹈覆轍,像某些科系以自我本位的想法把過多的材料塞進中學教育裡面,造成學生貪多嚼不爛、因噎廢食的結果。

資訊科技教育不只是為了培養資訊人才

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新時代所需的能力有很多,包括:

● 自學的能力

● 跨學門解決問題的能力

● 在開放原始碼的時代同中求異的能力

● 在人工智慧時代尋找出路的能力

最後,除了啟發上述能力之外,資訊科技是提升理工人文各領域的利器,所以現在台大許多科系都希望學生能夠寫程式、做資料分析。例如台大正在成立資料科學(Data Science)學程,而台大也逐步加強計算設備,因為計算模擬和資料分析對學術研究越來越重要。

幾年前,我到台大理學院、到教育部的課綱委員會談中學資訊教育,必須花力氣向與會人士解釋推動中學資訊教育不是資訊系的私心,還好這幾年進步了,我不用多說大家也懂了。剛才有先進提到考招聯動,我想將來不少科系可能採計資訊課程,不會只是資訊系。

舉個現成的例子,來台中的路上,我看到網路上有一則用機器學習技術分析紅樓夢八十回前後差異的文章。這個例子告訴我們,文學的研究也可以有創新的做法,而使用資訊科技做跨領域研究可以產生很多創新和突破,這也是為何我說資訊科技可以幫助老師和學生在中學階段進行跨領域的教學研究。

最後,我想再次強調,中學資訊課程不是為培養資訊人才而設,不是幫資訊科老師搶飯碗,應該是學校主管和所有科目的老師都需要關心的事。資訊課程的重要性與日俱增,我們在教學場域中,看的應該不僅是現在的需求,我們必須看遠、創新,研究如何為了學生的未來而教。

本文轉載自洪士灝老師臉書


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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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