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咖啡老是灑出來?一起成為穩拿咖啡的溫拿吧!——2017搞笑諾貝爾流體力學獎

Rock Sun
・2017/10/25 ・3168字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

Jiwon Han:「來!根據流體力學,倒退走時拿咖啡的手勢就是這樣!」圖片來源:The 27th First Annual Ig Nobel Prize Ceremony

首先,先個大家分享得主Jiwon Han的得獎感言,如果你沒興趣看完整個論文或這篇文章,你看這些就夠了~~

「當我還在讀高中的時候,我有點太無聊,所以寫了一篇論文,總共15頁長討論拿咖啡這檔事。

在一長串的數學討論後,我發現了如何拿咖啡走路並不潑出來的方法:你抓住杯口,眼睛向前看,然後倒退走。

我知道你們想問什麼:這實際嗎?當然不!!

所以那些不想要咖啡潑出來的人,有種東西叫做杯蓋。」

  • 也可以直接跳到1:11:20看流體力學這一段。

馬克杯裡的風暴

要防止咖啡咖啡潑濺這件事,看似簡單,其實背後有很多原理要驗證和實驗,首先~我們需要了解潑濺這件事。

不想喝給我喝嘛~ (圖/GIPHY

當你在走路的時候,咖啡晃動有許多方向:前後、左右、上下,頻率並非單一,所以當晃動彼此疊合,就是你家的咖啡要噴出來的時候,這個就是這項研究最重要的前題。

咖啡搖晃的模式其實並不單純,研究者用了第一個實驗告訴我們。如果拿兩種容器做比較:紅酒杯和一般的馬克杯,把同量的液體倒入兩個容器中,並用儀器震動他們模擬人類行走的模式,在這種情況下,兩種杯子中的容器表現很不一樣。實驗中以 2 赫茲的頻率模擬人類行走的狀態,在這種情況下,紅酒杯中的液體劇烈搖晃,但馬克杯中的相對穩定;若把頻率提升為 4 赫茲,情況就完全相反,反而是馬克杯中的液體劇烈的搖晃。

晃啊晃啊晃啊~(圖/GIPHY

再提高晃動頻率其實沒有什麼意義,因為這反應的結果就跟跑步、跌倒或者撞到其他人一樣,打翻就變成是一件非常正常的事,想也知道拿咖啡的時候大家應該都是小心翼翼的,所以我們的重點並不在於防範這個。

(a,b為2赫茲的結果;c,d為4赫茲的結果。圖片來源: A Study on the Coffee Spilling Phenomena in the Low Impulse Regime

這個小實驗最重要的是證明杯子中的液體量並不是影響咖啡濺射的唯一原因,因為你當然也可以把所有杯子裝得滿滿滿的,但這樣就失去意義了(你就只裝 3 c.c. 的咖啡不就ok了)。簡單的說~不同的容器、頻率、拿法都有在潑濺咖啡上參一咖。

在進入整體實驗之前,有個大前提需要讓大家知道,是我們人體結構在簡化實驗上的幫忙。因為當你在走路的時候,不只是你的手對整個杯子+咖啡施力,咖啡晃動的時候也會對你的手施與反作用力,但幸好我們的手夠強壯,所以我們可以忽略後者的作用,簡化整個實驗過程,以更單純地方法找出咖啡的共振條件。

研究者使用了兩個方法尋找咖啡的晃動模式,第一個是運用圖像程式,試著捕捉液體晃動的程度,但在論文中表示這個方法後來作廢了,因為無法精確地判定位置。第二個方法不但有了結果,而且可能還簡單到你我都可以做,如下圖……

現在靠你的手機就能做很簡單的運動實驗囉~ (圖片來源: A Study on the Coffee Spilling Phenomena in the Low Impulse Regime)

現在大家的手機有很多功能,甚至包括下載紀錄手機本身運動、加速度、晃動頻率的 APP,所以這個實驗很簡單–把你的手機打開,然後蓋在杯體上。當你以這種方式行走的時候,手機不只會記下你的速度、晃動頻率,還包括這些運動的方向,在這實驗中,X 向為你的左右;Y 向為前後;Z 向為上下(不過事實上杯底還有黏一個檢測器校正用)。

從以下加速度/時間的圖我們可以看到,在40秒的實驗時間中,XYZ 向的加速度幅度,其中最關鍵的是 Z 向有著最大的震動程度,而 X 向則是相當穩定,近乎可以忽略。從另外一張圖(頻率與震幅)我們還能看出一個有趣的現象,就是 Z 向的震動發生在相對較低的頻率之下。

而從另一張頻率之於震幅的圖我們可以看出來一些其他事情。首先是 Y 向的晃動的頻率,跟我們預想的人類走路的晃動頻率(2赫茲)並不一樣,是落在1.7赫茲左右,而且在之後的頻率光譜中也出現了很多不同的共振情況,雖然晃動的幅度跟 Z 向的相比較弱,但這多重的共振結果就是更多造成咖啡潑濺的時機點,和 X 向晃動(和 Y 和 Z 相比,震動幅度超小)綜合起來,在杯緣形成漩渦。

簡單的說,就在這些頻率下,X、Y 向的晃動產生了不斷做渦旋運動的液體,而 Z 向的晃動讓咖啡潑了出來。

上圖:走路過程中,時間與杯體本身加速度的關係圖。下圖:XYZ 向分別的頻率之於振福圖(注意 Y 軸數字不太一樣喔)。(圖片來源: A Study on the Coffee Spilling Phenomena in the Low Impulse Regime)

如何讓咖啡~穩穩地

目前為止,我們知道了手拿咖啡的時造成潑濺的元凶–頻率及共振,發生在當我們踏出第一步的時候造成的反對稱震動和手部的人體結構,現在我們想知道的是如何防止潑出來? 為了根除這個現象,我們得從最源頭解決,也就是共振,而我們從變動晃動頻率和馬克杯的運動方式開始。

第一個建議~是改變我們走路的方式,也就是給予這個咖啡+手臂的系統晃動頻率的來源。藉由之前的實驗過程,我們發現用倒退走的方式很有效的減少 Y 向(你的身體的前後向)的晃動。跟正常走路相比,晃動更加均勻分布,許多之前會產生振動的頻率都消失了,有突然出現的晃動高峰更少,各個方向更加穩定。

倒退走路造成的改變。(圖片來源: A Study on the Coffee Spilling Phenomena in the Low Impulse Regime)

但是,向後走路也有很多壞處。幾次測試之後發現,雖然有效的抑制液體搖晃,但也極度增加與其他物體或人類碰撞的機率,後者甚至也可能正在使用同樣的走路方式,產生更大的晃動。

但我們還有第二種方法降低搖晃,也就是改變你手拿杯子的方式。經過測試之後我們建議的最佳拿馬克杯方式如圖,稱作爪子式。這種拿杯子的方式等於增加了一個額外的物體跟著杯子系統一起震動,分散晃動的程度,從圖像看來,結果跟倒退走的結果很類似。

就像這樣拿就對了~
虎爪(?)抓法的改變。(圖片來源: A Study on the Coffee Spilling Phenomena in the Low Impulse Regime)

另外一個可以減少咖啡濺射的方法是在液體表面有一層氣泡,在另一份研究中,他們證明了儘管是薄薄一層泡沫也可以減少咖啡晃動。

其他的方法還有一個,就是將同量的物體分散至更多、口徑更小的容器中,如下圖所示,分散震動產生的影響,只要你準備夠多的小容器,你也能裝進一樣多的咖啡,還能一個試管一個試管拿起來喝,真方便。

不懂是什麼意思嗎?就是像這樣,還能一管一管拿起來喝,均勻加熱,我喜歡。(圖片來源: A Study on the Coffee Spilling Phenomena in the Low Impulse Regime)

所以大家知道了,這就是手拿裝著咖啡時的最佳移動方式,建議趕快跟同事分享。這就能看到公司的人手抓杯緣、並且向後倒退走的奇景,在你到達位子上之前,你有很大機率不會濺出任何一滴咖啡,但同時也有大的機率,你會撞上某位同樣倒退走的同事,並發現反駁或衍生這篇論文的契機喔~~

(但比起寫一篇論文「利用電腦模擬探討人類倒退走的最小碰撞機率及程度」,大家還是乖乖蓋著杯蓋就好了;或者在自己桌上放咖啡機。)

(R編後記:使用虎爪抓法拿杯子和泡麵真的有差,但是倒退走就免了。)

原論文:A Study on the Coffee Spilling Phenomena in the Low Impulse Regime

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Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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【2022 年搞笑諾貝爾藝術史獎】浣腸也搞儀式感!藥理學家的馬雅考古
寒波_96
・2022/09/21 ・5148字 ・閱讀時間約 10 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

搞笑諾貝爾獎每年都是新的開始,2022 年也不例外。今年「第 32 次第一屆搞笑諾貝爾獎」一共頒發 10 個獎項,藝術史獎 2 位學者的得獎理由是:

「以跨領域手法研究古代馬雅陶器畫面的儀式性浣腸(A Multidisciplinary Approach to Ritual Enema Scenes on Ancient Maya Pottery)」。

浣腸場景的馬雅陶器,盡在不言中。圖/取自 mayavase

2022 年,肛門或成最大贏家!

浣腸(enema)別名灌腸,就是直接向肛門注入液體,刺激排泄。灌腸也指稱香腸的作法,浣腸讀起來比較有儀式感,本文之後就採用浣腸稱呼。

今年的生物學獎也和肛門有關,肛門或成最大贏家!有種蠍子斷尾求生後,連肛門都會一起脫落,而且無法再生,再也無法排泄,最終便秘致死。好在即使屁股沒惹一半,還可以再活幾個月,完成傳宗接代的蠍生大事。

同時看到馬雅人的浣腸研究,想說能不能幫斷尾的蠍子也浣腸一下,解決便秘問題……馬上想到它們已經沒有屁股,不再有機會享受浣腸的樂趣,嗚嗚。 😭

有趣的是(疑似贅句,本文應該沒有無趣的事),2022 年受到表揚的藝術史獎來自 1986 年發表的論文,本身就很有考古精神,36 年過去,如今得獎者都老惹。

大部分搞笑諾貝爾獎頒給近幾年的研究。但是一查之下大吃一驚,穿越歲月的表揚很少,卻不算罕見:

2022 年的藝術史獎頒給 1986 年的研究,時隔 36 年。

2021 年的昆蟲學獎頒給 1971 年的研究,時隔 50 年。

2013 年的安全工程獎頒給 1972 年的研究,時隔 41 年。

2013 年的公共衛生獎頒給 1983 年的研究,時隔 30 年。

2011 年的公共安全獎頒給 1967 年的研究,時隔 44 年。

2011 年的生物學獎頒給 1983 年的研究,時隔 28 年。

2010 年的公共衛生獎頒給 1967 年的研究,時隔 43 年。

2008 年的化學獎頒給 1985 年的研究,時隔 23 年。
……

中間是考古學家地獄慕斯(Nicholas Hellmuth),右下是藥理學家德史密特(Peter A.G.M. de Smet)。圖/取自 頒獎影片

研究民族藥物的藥理學家:一個博士不夠,就再讀一個!

今年等待 36 年的 2 位得獎者,是什麼來頭呢?馬雅是個位於中美洲,有數千年歷史的文化,如今依然有數百萬馬雅人樸實地生活著,儘管不如古代輝煌。研究馬雅考古的人,應該是考古學家吧!其中一位地獄慕斯(Nicholas Hellmuth)確實符合想像,他正是探索古馬雅的考古學家。

然而,另一位德史密特(Peter A.G.M. de Smet)不是考古學家,而是藥理學家。這項探討馬雅浣腸的研究,源自他博士論文中的一部分,而且這是他的第二個博士學位。

德史密特是荷蘭人,就讀烏特勒支大學(Utrecht University),公元 1979 年取得「藥學博士(Doctor of Pharmacy)」,具有一流的藥理學專業。後來他對民族藥物,也就是各地的草藥、菸草等傳統藥物產生興趣,於是 1981 年起又深造數年,1985 年再取得一個 PhD 博士。

他的博士題目叫作《美洲的儀式性浣腸與鼻菸(Ritual enemas and snuffs in the Americas)》,這段期間他幹勁十足地完成多達 11 篇論文!這麼多素材都被整合進博士論文,後來有出書。

德史密特出版過好幾本書,有亞馬遜作者頁面。圖/取自 亞馬遜網頁

這位藥學博士在第二個博士論文中(第 13 頁),一整個理組嗆文組的 fu:

「儀式性用藥的資料中,不當使用藥理學數據,是驚人的常見錯誤。實際上這不太意外,因為這個領域中的作者,往往缺乏藥理學背景。」

初出茅廬的德史密特,整理當時藥理學、民族學、考古學的多方資訊,加上自己的實驗,探討美洲原住民在浣腸、吸菸兩項行為的材料、手法、效果,使他成為以現代科學探討民族藥理學(ethnopharmacology)的先驅。

40 年來他身兼藥理學家、民族藥物學家的雙重身份,兩個領域都頗有建樹,總共發表上百篇論文,有些引用數相當可觀。2011 年還出過一本書,由 20 世紀初的明信片討論各地的民族藥物。

出現浣腸場面的馬雅陶器畫面,中間有位睡蓮美洲豹。圖/取自 Here are the winners of the 2022 Ig Nobel Prizes

藥理學×考古學:馬雅人為什麼浣腸?

馬雅人為什麼浣腸?馬雅世界後來成為歐洲人殖民地,早在殖民時期便有紀錄,馬雅人以浣腸行醫療用途。這也是當今受過醫學訓練的醫師、護理師之基本專業。

然而,1977 年重現於世的古代陶器,上頭的浣腸畫面卻不像醫療,而是某種儀式的場景。此後累積愈來愈多證據,現在可以肯定馬雅人不只為了醫療浣腸,還會在儀式性的場子中浣腸,有搞別人屁股,也可以自己搞自己屁股,還有互相浣腸的。

馬雅浣腸是德史密特的博士論文中,少數有關考古的題材,他不懂考古學,因此找到前輩地獄慕斯助拳。地獄慕斯搜藏不少馬雅小本本(主要是 6 到 9 世紀的古典期晚期),在其協助下,德史密特能充分發揮藥理學專業,跨領域探討古代馬雅人的浣腸學問。

出現浣腸注射器的馬雅陶器畫像。馬雅人長相並不奇怪,畫面中人只是戴著面具喝酒。圖/取自〈【食慾流動】今晚我想來點中美洲烈酒

「儀式(ritual)」的目的千變萬化(很多人類學家不知道怎樣解釋就說是儀式,老套路),馬雅浣腸的目的是什麼?德史密特認為一項意義可能是「淨化」。浣腸就是人為強制排出消化道中的廢物,在淨化儀式中適合作為象徵。

有些浣腸的目是追求快感,馬雅人應該也不例外,畢竟有些浣腸儀式的畫面,看起來就是派對。在儀式中使用藥物、興奮劑助興,不論古今都很常見。馬雅浣腸多半也是令參與者愉悅的儀式。還有人浣腸的目的是保健,像是現在也有人提倡咖啡浣腸。由此推敲,浣腸儀式能達到綜合性的目的。

浣腸跨越時空。福大命大的法蘭西大皇帝「太陽王」路易十四,便以喜愛浣腸聞名,別稱「大腸王」,據說一生浣腸超過 2000 次。當時浣腸和放血一樣,是流行的醫療與保健手段,不過懂玩的路易十四,想必也從中獲得不少快感。

提醒各位讀者,浣腸未必會傷害人體,但是一定有風險。不論目的是醫療、愉悅或保健,都要審慎進行,一旦碰到狀況,快點尋求醫療協助。尤其千萬不要用屁股直接喝酒或興奮劑!肛門、腸道細胞的吸收效果好,恐怕會不知不覺地中毒。

大腸王路易十四一邊浣腸,一邊接見外賓的歷史畫面。圖/取自 wiki 公共領域

實驗精神,注入!

注入肛門的液體是浣腸關鍵,浣腸液的配方、用量大有學問。幾乎可以確定馬雅人會用酒精浣腸,畫像中便能見到稱為「balché」的含酒精發酵飲料。

一堆博士牲讀的要死要活,即使僥倖畢業,也常常像 Long COVID 後遺症般,罹患遺憾終生的 Long PhD。德史密特的博士生涯卻充滿趣味,他拿自己的屁股做實驗,測試不同濃度與用量,讓讀者也猝不及防地上車。

讓人享受快感的浣腸,要將浣腸液留在腸道一段時間,不能馬上排出,所以不能注入太多。

德史密特在博士論文第 57 頁寫到,現代西醫操作下,超過 200 cc 只作為刺激排泄使用。古代藝術品中,有些看起來 size 很大大大的注射器,能注入不少浣腸液,其目的看似為快速大爆射的淨化功能,而非慢慢醞釀,體驗灌腸的愉悅感。

然而,德史密特又指出,他用自己屁股做實驗發現,即使注入 500 cc 的酒精灌腸液,也能輕易地維持不會大爆射。因此不能說注射器比較大支,就一定無法享受快感。

大腸王路易十四直呼內行:這荷蘭仔,懂玩!

攻打荷蘭的太陽王路易十四畫像。圖/取自 wiki 公共領域

浣腸液除了酒精,馬雅人還有哪些素材?

酒精以外,德史密特還測試過 DMT(dimethyltryptamine,N,N-二甲基色胺)浣腸,沒什麼特別感覺,不過他謹慎使用的劑量非常低。致幻劑 DMT 可以調製死藤水(ayahuasca)等迷幻藥,吃多會出人命,千萬不要胡亂嘗試。

作為藥理學家,德史密特討論多款可能的成分,不過沒有自稱試用過。像是咖啡因、尼古丁、迷幻蘑菇(psilocybian mushroom)、毒蠅傘(fly agaric,學名 Amanita muscaria)、睡蓮(water lily)、柯拉豆屬植物的蟾毒色胺(Anadenanthera alkaloid bufotenin,巴西植物 paricá 的種子)等等。

德史密特認為,他探討的大部分化學物質都不適合用於浣腸液,或是有機會被馬雅人使用。稀釋的咖啡因、尼古丁溶液肯定能用來浣腸,而且效果不錯。可是沒有馬雅人使用咖啡因、尼古丁浣腸的鐵證。

還有睡蓮值得一提。有些陶器畫面上出現睡蓮,可能作為儀式用途;而某些種類的睡蓮中又含有可作為致幻劑(hallucinogen)的成分,這才懷疑到睡蓮。但是睡蓮是否用於浣腸,至今仍缺乏可靠的證據。

這些研究看似搞笑,有什麼意義呢?不少人類學家、民族學家、考古學家,歷史學家做研究時,會接觸藥物與儀式,卻時常缺乏足夠的藥學知識,對於目的、用法、用量、效果等問題無法深入探討。人類學家 David J. Minderhout 在 1987 年的書評提到,德史密特以藥理學的視角切入,能彌補人類學、民族學的不足,對藥用植物感興趣的人,這類研究頗有參考價值。

總之就是,叔叔有練過,大家不要模仿。浣腸是有風險的行為,不論出於什麼目的,都要謹慎操作。

2022 年搞笑諾貝爾獎頒獎典禮影片(藝術史獎從 47:50 開始):

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

延伸閱讀

參考資料

  1. 2022 年搞笑諾貝爾獎得獎名單
  2. Here are the winners of the 2022 Ig Nobel Prizes
  3. 德史密特在 WHO 旗下 International Classification of Traditional Medicine(ICTM)的網頁
  4. 德史密特 1985 年的博士論文《Ritual enemas and snuffs in the Americas》
  5. de Smet, P. A., & Hellmuth, N. M. (1986). A multidisciplinary approach to ritual enema scenes on ancient Maya pottery. Journal of ethnopharmacology, 16(2-3), 213-262.
  6. Minderhout, D. J. (1987). Ritual Enemas and Snuffs in the Americas. Peter AGM de Smet.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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相輔相成的數學與科學,誰才真的是「科學的起點」?或許,它們都不是最好的答案——《教出科學探究力》
親子天下_96
・2022/08/12 ・3626字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

數學絕對是科學上非常重要的工具,當科學面對重大疑難雜症時,往往確實是由數學來解決問題。歷史上有很多例子,可以用來說明科學家遇到科學問題時,發明數學工具來解決問題。

例如我們知道,一個物體如果維持每秒鐘 30 公尺的速度前進,那麼 100 秒之後,它會前進 3,000 公尺。但如果這個物體的速度是會穩定減少,平均每一秒鐘還會穩定的減少每秒 10 公尺,也就是一秒後它的速度就變成 20m/s、兩秒之後變成 10m/s,以此類推。

這樣的話,我們知道它 3 秒之後會停下來,但你能知道它前進的距離總共有多少嗎?

為了解決這個問題,牛頓發明「微積分」這個數學工具。

現代微積分是由牛頓與萊布尼茲所發展而成的重要工具。圖/Pixabay

先有雞還是先有蛋?先有科學還是先有數學?

物理學家為了要處理像是「位移」、「力」、「速度」這類問題,也發明「向量」這樣的數學工具來幫助物理學家解決問題。

這樣看起來,好像應該說「科學是數學之母」才對?

也有的時候,科學家為了精準簡潔的描述自然界規則,運用數學語言來作為描述的方式。

例如我們知道,兩物體之間永遠存在一個互相吸引的萬有引力,萬有引力的大小和兩物體的質量大小乘積成正比,和兩物體的距離平方成反比。這麼一大段落落長的描述,如果用數學符號來表達,就會變成:

\(F = G \frac{m_{1}m_{2}}{r^{2}}\)

這樣的表達既簡潔又精準,當然是很不錯的描述方式,很受科學人的喜愛。數學是科學中重要的工具,可以幫助科學解決很多問題。在學習科學或發展科學的某些階段,數學更是不可或缺的工具,沒有數學便跨越不了某些門檻。

即便如此,數學好像也說不上是「科學之母」。

科學始於好奇心,每個孩子都是天生的科學家

我總覺得「科學之母」的意思,應該是科學的產生者。那什麼才是科學的產生者?我認為是「觀察」。

觀察與好奇心促成科學的動機觀察的意思不是觀看,不是說用眼睛看到些什麼東西就是觀察。觀察是會產生疑問的,會勾起你的好奇心。看到一些「怪怪的」、好像跟平常不一樣的事物時,你可能會留心的多看個兩眼,腦袋裡想著:「昨天跟今天看到的太陽升起位置,是不是有什麼不一樣?」、「上次釀的酒跟這一次喝起來好像不一樣?」

察覺這些差異之後,你的好奇心可能就會接手,開始思考如何解釋這樣的差異。

如果你認真一點的話,可能會對現象進行系統化的描述記錄,將那些雜亂的事物根據相同處、相異處進行比較並分類,有時候或許能從中發現一些現象的規律性或者因果性。

例如我們的祖先們長期觀看著海,把每天看的海水高度做了記錄,時間一長就慢慢看出一些規律性,發現每天海水高度變化跟月亮的位置有關:滿月的那天,當潮水最高的時候就是在正中午。

我們的祖先們長期觀看著海,把每天看的海水高度做了記錄,時間一長就慢慢看出一些規律性。圖/Pexels

進而發現不同的月相和漲退潮的時間,有某種特定的關係。等蒐集到夠多的事實之後,很可能就可以發現規律性。

察覺這些規律性、相同處、相異處之後,有些人會興起強烈的好奇心,想要一探這些現象背後的完整詳細規則,或是探詢造成這些規則背後的原因,這時,科學的動機就出現了。

自文明誕生以來,有很長一段時間,人們只是用神話的方式來解釋自然,直到近幾百年才發展出有系統的科學方法,以極端嚴謹的態度來檢視心中的答案。雖然科學是近代產物,但產生科學的動機卻是每個人都天生具備的,那就是「觀察」和「好奇心」。

每個孩子天生就很愛問問題,這也是為什麼許多科學家會說:「每個孩子都是天生的科學家」,不過這句話的下一句是:「直到 XX 歲為止」。

為什麼等到我們長大以後,就不會提問了呢?

身為老師的我們都曾發現,學生到了國中之後,似乎就變得很不愛問問題。

我相信造成這個結果的原因有很多,例如我們的科學教材教法往往是去情境化、去脈絡化的;我們的考題有許多是脫離現實的;我們的課程也經常不是以學生親身觀察而產生的探究問題作為出發點。

此外,大量意義不明的數學練習,恐怕也是重要的原因之一。

天生的科學家們為什麼長大後就不發問了呢?造成這個結果的原因有很多。圖/Pexels

既然數學題目難以避免,我們該怎麼讓這些練習對學生而言,變得更有意義、更具有科學教育的價值呢?

數學在科學課堂上扮演的角色在科學的學習中,數學作為一種工具,其存在是必要且適當的。但我們應該注意的是:工具的使用必有其特定的使用動機和情境。

如何讓學生知道自己在幹嘛?以燃素說、氧化說為例

例如拉瓦節(Antoine Lavoisier)並不是一開始就在實驗室裡面計算數學,因而發現燃燒的本質是物質的氧化。他是因為用定性分析方式無法成功反駁當時主流的「燃素說」,才進一步使用量化實驗、測量精準的數據,得到足以駁倒「燃素說」的證據。

讓學生具備動機和情境後,在適當的難度下,引進必要的數學就會覺得理所當然。如果學生知道自己正在處理什麼問題,也知道為什麼需要運用這個工具的情況下,那麼在自然科裡面學習數學是沒有問題的。

需要透過有設計的教學,才可以激發學生思考、知道自己在處理什麼問題。圖/Pixabay

於是我在燃燒的單元中,設計了讓學生閱讀並比較史塔爾(Georg Ernst Stahl)提出的「燃素說」和拉瓦節的「氧化說」。兩個學說都是在描述學生熟悉的燃燒現象,但卻有著截然不同的解釋方式。

史塔爾的「燃素說」認為:

因為物質燃燒時,物質裡面的可燃成分(燃素),會從物質內逃逸出來與空氣結合,從而發光發熱,這就是火。並且因為燃素從物質中釋放出來,重量就變輕了,釋放燃素的物質只剩下灰。

但有些物質,像是金屬,它們內部的空隙就像容器一樣,裡面充滿燃素。燃素與金屬分離後,空出來的容器會被空氣填滿,容器裝著比燃素重的空氣,重量自然就變重了。

而且物質在加熱時,燃素並不能自動分解出來,必須藉空氣來吸收燃素,才能將燃素釋放出來,而且愈好的空氣吸收燃素的效果愈好。

拉瓦節的「氧化說」則主張:

物質燃燒時,不是物質內部的燃素釋放出來,而是物質和空氣中的氧氣結合。結合的過程中會發光發熱。

結合之後的物質,稱為氧化物。氧化物如果是氣體或者變成飛灰離開了物體本身,質量就會變小,就像紙張燃燒一樣。

如果物質氧化物和物質是依附在一起的,那就會看到質量變重,就像金屬的燃燒一樣。

你會發現兩者的說法看起來都能完美的解釋燃燒現象,如果只是觀察各種燃燒的現象,並不足以判別誰說的才對。這時,用量化方式精準測量燃燒過程中各階段物質的質量變化,就變成判別是非的關鍵所在。

量化實驗當然是比定性實驗更加困難,但當我們對於某個事件產生興趣時,這些困難就會瞬間變成讓人興致高昂、願意去挑戰和克服的關卡。

「燃素說」和「氧化說」的說法看起來都能完美的解釋燃燒現象,這時便需要科學的力量。圖/Pexels

數學的工具也是如此,所以我在運動學的課程設計中,利用交通安全宣導影片中常出現的「未維持安全距離」下產生的交通事故,讓學生感受到危險,並且產生「安全距離是怎麼計算出來的」的疑惑,激發學生解決問題的動機。

動機產生之後,我們就可以把待解問題轉化為比較嚴謹的文字敘述:「車子以 108km/hr 的速度行駛在高速公路上,因前方發生事故而緊急煞車。若車子能在 X 秒鐘之內停下來,我們的煞車距離有多少?」這就變成大家熟悉的考題了。

此時不管是使用公式也好,圖形法也好,學習起來就會比較自然而然、順理成章。在課堂上營造動機與脈絡,讓解決這些數學問題變成必要的過程,就是我們在課程設計上可以努力的方向。

——本文摘自《教出科學探究力》,2021 年 8 月,親子天下 ,未經同意請勿轉載。

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親子天下_96
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可愛的品客蜘蛛!我真的可以這麼叫你嗎?
李鍾旻_96
・2022/08/09 ・2444字 ・閱讀時間約 5 分鐘

在亞洲有一種蜘蛛,一直以來很多人都說,牠身上的圖案像極了知名洋芋片品牌「品客」(Pringles)的招牌標誌——圓臉留著兩撇八字鬍的大叔。

什麼蜘蛛長得這麼特別?牠叫作「黑綠鬼蛛」(Bijoaraneus mitificus;英文俗名為 Kidney Garden Spider)[註]。這種蜘蛛體長約在 0.5~1 公分上下,渾圓的腹部背面呈白色調,常可見近似「V 字」的深色條紋,以及兩個凹陷的深色小圓點,構成一張類似長著眼睛與鬍子人臉,顯得相當逗趣。

黑綠鬼蛛腹部背面的圖案,有如一張人臉。圖/作者提供

官方發起活動:千人連署改名「品客蜘蛛」

蜘蛛與商標形象「撞臉」,意外成為非官方吉祥物,這檔事傳來傳去,終於有一天,品客這家來自美國的品牌決定「認真」看待這件事。2022 年 6 月底,品客的官方網站上發布了一項前所未有的連署活動:為蜘蛛請願改名。據《CNN》報導,品客美國經銷負責人詹金斯(Mauricio Jenkins)表示:「此前我們不曉得,原來有個生物一直默默散播對品客的愛。」

品客洋芋片罐子上的招牌圖案。圖/作者提供

這項活動的主旨,就是希望能讓這種蜘蛛的英文俗名正式更改為「品客蜘蛛」(Pringles Spider),同時獲得國際上蛛形綱相關的學術研究團體認可。官網上也做出承諾,如果在當年 10 月 31 日前至少有任一個研究團體表示認同接納「品客蜘蛛」之名,作為回報,參與這項連署的前 1500 名民眾將可以免費獲得一罐品客洋芋片。在同年 8 月初時,已經有超過 7300 人響應參與連署。

不僅如此,品客官網還同步舉辦了蜘蛛的「領養活動」,大眾可以在他們的網站上領養虛擬的黑綠鬼蛛,並下載「領養證書」。

當然,全球各地的媒體紛紛報導了品客洋芋片為蜘蛛連署改名的消息。有些國內新聞報導也指出,身為主角的黑綠鬼蛛「分布在東南亞國家,例如泰國、新加坡和越南等」。看來,有些人顯然忽略了牠近在眼前的事實呢!

我們不用虛擬認養,台灣就有原生的黑綠鬼蛛

事實上這種蜘蛛可見於亞洲多個國家,在台灣也有分布。台灣的低海拔環境,從北到南都有牠的蹤跡,一些郊山、都會區的公園便有機會找到牠。所以身在台灣的我們,哪裡需要透過網路去領養什麼虛擬的個體?如果想看這種蜘蛛,還不如到戶外走走吧!

公園裡的黑綠鬼蛛網,表面碰巧黏了一些行道樹木棉花的棉絮。圖/作者提供

黑綠鬼蛛通常會在樹木間造網,同時在網附近的枝葉上另造一個供自身躲藏的薄紗狀巢,網與巢之間有細絲線相連接。通常,依靠結網捕捉獵物的蜘蛛視力普遍不佳,黑綠鬼蛛也不例外,不過牠們對於震動相當敏感。一旦有昆蟲等獵物撞上其所結的網,察覺到震動的黑綠鬼蛛便會從巢裡衝出,將獵物拖進巢內,再慢慢取食。

黑綠鬼蛛在樹木葉片上所構築的薄紗狀巢。圖/作者提供

筆者便曾在台北市羅斯福路上的公園見過這黑綠鬼蛛。而且,與一些常見的中小型蜘蛛相比,黑綠鬼蛛分泌製造出的絲,手指摸起來的觸感真是讓人感到意外的堅韌且黏。

生物學名用嚴謹的方式替生物命名

其實,關於幫蜘蛛改名這件事,或許製造歡樂、替品牌形象宣傳,才是活動的主要用意。

畢竟,所謂「約定俗成」,不管是英文還是中文,俗名本身便是民間所流傳的非正式名稱。在生物學上,拉丁文所組成的「生物學名」,才是不能隨意更改,而是需要遵守嚴格學術規範的國際正式名稱。

黑綠鬼蛛的腹部末端有大塊黑斑及放射狀的深色細條紋。圖/作者提供

黑綠鬼蛛不可怕,甚至還有點可愛

話說,有些人看到可愛的黑綠鬼蛛,內心仍然會有點怕怕的吧?確實,許多人對蜘蛛的印象就是「有毒」、「恐怖」,可是人們往往過度高估了蜘蛛的危險性。事實上,蜘蛛的口器都具有用來攻擊獵物的毒牙,當咬住獵物時,毒牙能注射蛋白質毒液讓對方失去行動力或死亡。

不過我們並不需要對這類節肢動物過度害怕,因為大部分蜘蛛的毒液對人類幾乎不會造成影響,在未遭受人為騷擾的情況下,蜘蛛更不會主動去攻擊人。當然,黑綠鬼蛛本身便不會對人體造成威脅,屬於無害的動物。

黑綠鬼蛛的頭胸部可見 8 個黑色的單眼。圖/作者提供

台灣目前已知的蜘蛛種類至少超過了700種,不光是外觀滑稽有趣的「品客蜘蛛」,本土蜘蛛中還有許多外觀特殊、引人注目的種類。不管是住家周圍,還是山林野地,有機會不妨多觀察看看身邊有哪些特殊的蜘蛛吧!附帶一提,2006年的美國電影《夏綠蒂的網》(Charlotte’s Web),劇中身為主角的蜘蛛夏綠蒂,在現實中是俗稱「穀倉蜘蛛」(Araneus cavaticus;英文俗名為Barn Spider)的一種北美洲常見蜘蛛,牠與本文介紹的黑綠鬼蛛同為金蛛科的種類。

備註

黑綠鬼蛛以往被歸類在金蛛科鬼蛛屬(Araneus),然而 2021 年分類學者主張將之移入媛圓蛛屬(Bijoaraneus),本文仍使用其在台灣較普遍的中文俗名「黑綠鬼蛛」。本種亦可稱「黑斑媛圓蛛」、「黑綠圓蛛」,在中國則通常稱其為「黑斑園蛛」。

幾種生活在台灣低海拔山區,外表特別的金蛛科蜘蛛。
(左)尖鼻蛛(Poltys sp.)、(右上)紅鳥糞蛛(Cyrtarachne yunoharuensis)、(右下)對馬瓢蛛(Paraplectana tsushimensis)。圖/作者提供

參考資料

  1. Pringles wants a spider named after it
  2. MAKE THE PRINGLES® SPIDER OFFICIAL
  3. 陳世煌。2001。臺灣常見蜘蛛圖鑑。行政院農業委員會。

李鍾旻_96
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目前大部分時間都在觀察、寫作和拍照,曾獲金鼎獎兒童及少年圖書獎、世界華人科普新秀獎、人與自然科普寫作桂冠獎等。著作:《台灣常見室內節肢動物圖鑑》(2021)、《自然老師沒教的事6:都市昆蟲記》(2015)。