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微波爐的誕生|科學史上的今天:10/8

張瑞棋_96
・2015/10/08 ・947字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

1945年初夏,二次大戰正酣。美國雷神公司(Raytheon)的實驗室內,磁控管部門主管史賓塞(Percy Spencer, 1894-1970)忙著測試一台雷達設備。美國軍方的雷達設備中,用以產生微波無線電信號的磁控管都是由他的部門負責製造,責任重大。

微波爐及其發明人史賓塞。圖片來源:pinterest

事實上,史賓塞從沒受過電學方面的正規教育。他七歲時就因為唯一扶養他的叔父過世而不得不輟學,靠打工賺錢養活自己。十六歲時,他聽說當地一家紙廠打算使用電力;在緬因州的偏遠小鎮長大,從未見過電的史賓塞躍躍欲試,他趕緊囫圇吞棗,塞進電力的相關知識,如願應徵上技術員的職缺。兩年後,他加入海軍,藉由努力自學與實務操作,很快成為無線電技術的專家。1925年,他退役後加入雷神公司一直至今。

史賓塞做完測試後,走出實驗室,想要拿出口袋中的巧克力棒解飢,才發現巧克力竟然融化了。史賓塞愣了幾秒鐘,唯一能想到的可能性就只有磁控管發射出的微波所造成的。微波會讓巧克力棒中的水分子來回旋轉,千萬個水分子彼此摩擦生熱,因此融化了巧克力。他拿玉米、雞蛋來做實驗,發現磁控管的微波加熱食物的效率極佳,於是他進一步做了個鐵箱子將磁控管包圍起來,前面用加了鐵網的玻璃門,讓微波在箱內無法逸出(微波的波長超過12公分,所以無法穿過鐵網),並加了可調整功率大小的開關,史上第一台微波爐於焉誕生。

史賓塞於1945年10月8日申請微波爐專利;一年半後,雷神公司推出第一部商用微波爐,高一米八、重340公斤,還得用水冷卻,主要在餐廳、火車、郵輪上使用。隨著技術演進,微波爐的體積與價格逐漸縮小,得以從1980年代開始走入家庭,如今已經幾乎是家家戶戶必備的家電產品。不過可別以為史賓塞因此發明而賺了多少授權金,他只有拿到公司給他象徵性的獎勵──2美元;這是雷神公司給予所有提出發明的正職員工一視同仁的獎勵標準,專利權就歸公司所有。

史賓塞先後一共取得三百項專利,後來還當上雷神公司的副總裁與董事。不過最大的肯定或許是麻州大學頒給他的榮譽博士學位,彌補了他幾乎從未受過正式教育的缺憾。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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唱片之父:貝利納與他的唱盤留聲機——《資訊大歷史》
azothbooks_96
・2022/07/02 ・3145字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

埃米爾.貝利納

埃米爾.貝利納(Emil Berliner),1851 年 5 月 20 日至 1929 年 8 月 3 日。

如果你是一位古典音樂發燒友,那麼一定聽過德意志唱片公司的鼎鼎大名。這家公司成立於 1898 年,是世界上最早的古典音樂廠商,它的創始人正是唱盤留聲機的發明者——埃米爾.貝利納。貝利納是出色的發明家兼企業家,是當之無愧的「唱片之父」。到目前為止,世界最知名的幾大唱片商標幾乎都與他有關聯。

愛迪生是個具有商業頭腦的發明家,他很在意一項發明的商業前景,因此根本不會花精力去推廣那個音質不太好、用幾次就壞的留聲機。這和他大力推廣照明系統形成了鮮明的對比。

不過,在研究錄音和揚聲裝置的過程中,愛迪生不斷改進揚聲器的語音品質,並將很多的專利授權給了做電話的貝爾。雖然貝爾對留聲機比較感興趣,也改進過愛迪生發明的留聲機,但效果也不是十分理想。

延伸閱讀:愛迪生誕辰|科學史上的今天:2/11

要製造出一種實用的、大家真正願意購買的留聲機,就需要搞清楚聲音中到底包含了哪些資訊,然後將它們不失真地記錄下來;同時,還需要把記錄下來的聲音資訊大量複製,賣給大眾。

早在十七世紀,伽利略就發現聲音和振動相關,這種機械振動在空氣中以波的形式傳播,傳入我們的耳朵,就是聲音。振動的頻率越高,我們聽到的聲音就越高,人們甚至可以通過調整琴弦振動的頻率,發出不同的音高。但是人們並不知道為什麼每個語音聽起來都不一樣,為什麼 a 聽起來是 a,不會是 o。到了十九世紀初,法國數學家和流體力學家傅立葉(Jean Baptiste Joseph Fourier)發明了傅立葉轉換,它可以將任何波動信號變成很多單一頻率的波動信號(正弦波)的組合。

延伸閱讀:無所不能的傅立葉轉換:傅立葉誕辰|科學史上的今天:3/21

這其實揭示了各種複雜聲音的本質,就是各種單一頻率聲音的組合。a 的聲音和 o 的聲音裡面都包含了很多相同頻率的波動信號,但是它們的組合方式不同。a 在某個頻率上音量特別大,而在另外一些頻率音量特別小;相反的,o 在另外一些頻率上音量比較大,因此它們聽起來並不相同。

要想清晰完整記錄聲音的資訊,記錄聲音振動的儀器就需要足夠精確地把不同頻率聲音的變化都記錄下來。同樣的,要想讓揚聲器播放的聲音十分逼真,就需要它振動的頻率範圍和人發音的頻率範圍一致。愛迪生其實僅解決了第二個問題,但是沒能很好地解決第一個問題,即他不能準確地把這種頻率的聲音都記錄下來。

解決第一個問題的,是美籍德裔發明家貝利納(Emile Berliner)。一八七○年,十九歲的貝利納為了躲避普法戰爭,隨著父母全家移民到了美國。貝利納剛到美國時做的是收入最低的工作,包括洗碗和送報。但是出於對發明的興趣,他很快就在電話和留聲設備研發方面嶄露頭角。他改進了電話話筒,並因此獲得專利。這個專利被貝爾買走,隨後他也就順理成章成為貝爾電話公司的一名工程師。

一八八六年,貝利納開始研究留聲機。他把一個圓盤均勻塗上石蠟,然後用一根針在石蠟上記錄聲音的振動。由於圓盤的旋轉比圓筒要穩定許多,而且堅硬的細針在石蠟上劃過時,可以準確記錄下各種頻率聲音振動時的細節,因此從一開始,貝利納研製的留聲機的聲音品質就比愛迪生的好很多。更重要的是,圓盤很容易生產,這種留聲機記錄聲音的材料成本要比愛迪生的低得多。

愛迪生是一個在發明權方面從不讓步的人。他和貝利納打了一場曠日持久的官司,最終獲勝。然而,他的那種圓筒式留聲機雖然後來也改進了聲音品質,但實在不便於普及,很快就在市場上消失了。

在和愛迪生打官司期間,貝利納在柏林開辦了一家唱片公司,這就是著名的「德意志留聲機公司」(Deutsche Gramophone)。直到今天這家公司的黃色商標,依然被音樂發燒友視為唱片高品質的象徵。

德意志留聲機公司(Deutsche Gramophone)的商標。 圖/wikimedia

貝利納還發明了一種大量複製唱片的方法。他在圓形鋅片上塗上石蠟,在錄音時,聲音振動控制的錄音針就會劃去鋅片上的石蠟,然後將鋅片用酸腐蝕,被劃掉石蠟的部分就會被腐蝕出聲道。這樣就得到了唱片的母盤,之後就能大量地複製唱片了,唱片的成本低到工薪階層的家庭完全能夠支付得起。

進入二十世紀,馬可尼在無線電報上的成功讓一些發明家開始嘗試使用無線電傳輸語音和音樂信號。人們將聲音的頻率和振幅載入到固定頻率的無線電波上,並隨著無線電波一同被發送到遠方。在接收端,接收機再將聲音信號從無線電波中分離出來。

一九○六年十二月,美國發明家和企業家費森登(Reginald Fessenden)開始了無線電廣播業務,播放音樂和一些音訊節目。但是由於沒有很好的接收機,這種廣播失真嚴重,而且一台接收機只能接收很低頻率的信號,因此也無法普及。

貝利納研製的留聲機。圖/Wikipedia

人們在進行無線電廣播時認識到,在資訊傳輸中存在一個必須解決的大問題,那就是信號的失真和被干擾。雖然在進行有線傳輸或者無線電報發送時,資訊失真的問題也普遍存在,但是大家對它的認識只局限於信號「足夠好」或者「不太好」。如果是前一種情況,大家就認為此時能夠進行通信;如果是後一種情況,大家就認為此時通信中斷了。

但是到了無線電廣播時,人們發現,儘管收到的語音能夠辨識,但是和說話人的語音聽起來完全不同。至於干擾,有線通信是不容易被干擾的,因為每個設備之間都有自己專用的線路;但是無線通訊則不同,電磁波在經過大氣時,會被自然界本身的電磁波干擾,接收到的信號中混有大量雜訊,有時雜訊甚至比信號還強,以至無法準確辨識信號。

那時還沒有關於資訊失真和雜訊的理論,我們今天常說的失真率、信噪比,都是在資訊理論出來之後才被普遍接受的概念。當時的工程師只能靠摸索來消除失真和雜訊的影響,但是效果並不理想。

這種情況在兩個發明出現之後才得到有效的改善:一是一九○七年美國科學家德福里斯特(Lee de Forest)發明了電子三極管;二是一九一七年法國發明家萊維(Lucien Lévy)提出了超外差式接收原理。之後,馬可尼及時將業務轉移到無線電廣播上來,他在英美等國迅速建立起無線電臺,並在全世界銷售收音機。

一九二○年六月,英國馬可尼公司利用廣播轉播了音樂會的盛況。同年,美國西屋電氣公司的廣播站利用廣播報導了總統選舉的情況。

留聲機和無線電廣播的出現大幅度豐富了人們的生活,大眾可以藉由它們欣賞高水準的音樂和文藝節目,同時,人們獲取資訊的方式也從閱讀報刊書籍逐漸變為聽廣播。當然,人類也從此開始記錄文字以外的資訊。

今天,我們能夠聽到邱吉爾在二戰時的精彩演說,以及馬丁.路德在半個世紀前呼籲人權平等的聲音。那些聲音所傳達給人們的資訊,不僅包括演說的內容,還有他們豐富的情感,這是在留聲機出現前人們完全無法想像的。

當然,對人類來說,更豐富的資訊是在圖片中。

——本文摘自《資訊大歷史:人類如何消除對未知的不確定》,2022 年 6 月,漫遊者文化,未經同意請勿轉載。

azothbooks_96
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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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我已經鎖定你了!多頻譜影像處理演算法於軍事監測系統的應用
科技大觀園_96
・2021/11/04 ・2878字 ・閱讀時間約 5 分鐘

戰場上,分秒之差就能是決定勝敗生死的關鍵。因此如何更迅速捕捉敵軍的動向蹤跡,便成為國防軍備的一大研發重點。多頻譜影像技術能確切捕捉到物體反射的光譜資訊,並已在衛星、醫學、動植物辨識領域取得可行的成果。來自中正大學的研究團隊,便致力於建立多頻譜影響處理演算法的資料庫,期望能應用在軍事目標物的偵測追蹤上,為前線戰士助一臂之力!

掌握物體的「本色」:多頻譜影像技術

色差,是日常生活中會碰到的困擾:不管是印刷品的呈色與預想不符,或是網購的衣服顔色與想象中有所落差。這與傳統的色彩影像量測技術,如電腦電視使用的 RGB 三原色光模式及彩色印刷的 CMYK 四分色模式,在不同裝置上檢測及重現時出現的差異有關。但是,只要回歸到視覺與色彩形成的根本——光線,我們可以解決這些問題。

兩種模式最大的差異在於,三原色光模式的原理是紅、藍、綠的光線同時照射在視網膜上,我們眼睛會辨識成白光。四分色模式則是青色、洋紅、黃色顏料疊色後會變成黑色。RGB模式常用在螢幕等發光產品上,而CMYK模式則使用在印刷上。

大家都知道,光源照射物體後,會根據物體特性產生反射、吸收和透射等現象,人眼接收了物體反射的光線,會經由大腦分析視網膜收到的電子訊號,產生視覺色彩的感知。光線是一種電磁波,不同顔色的光有不同的頻率。而所謂的頻譜,就是物體的反射頻譜、投射頻譜或發光頻譜。頻譜影像,顧名思義即是每個畫素都帶有頻譜資訊的影像。

號稱可以捕捉物體本色的多頻譜影像技術(Multi-spectral imaging),厲害之處在於它可以直接擷取畫面頻譜的反射值。這個反射值是唯一值,不會受到不同廠牌的擷取技術或光源影響,因此是十分準確的影像資訊。一般頻譜影像的波段範圍落在可見光範圍(380 – 780nm),在定義上高光譜影像(hyper-spectrum)泛指使用儀器設備所拍攝到的多頻譜影像資料;超頻譜影像,則是以演算法將影像進行計算所得。其所具備的豐富影像資訊,也成為近年來醫學影像判識(如早期癌症病變的診斷)及衛星遙測的一大福音。

衛星遙測也可以使用多頻譜影像技術來提升影像資訊品質。圖/國家太空中心

從依靠人力,到交給演算法裝置代勞的自動目標識別演算法

自動辨識技術(Automatic target recognition,ATR)的源起,可以追溯至二戰前的雷達(註1)。雷達的操作原理,便是將電磁能量以定向方式發射至空間中,藉由接收空間中的物體所反射回來的電波,計算出物體的方向、高度及速度,並探測物體的形狀。過去的雷達偵測技術,仰賴訓練有素的操作員去解讀雷達訊號,如辨識戰機的大小、型號,以幫助戰場上的同胞第一時間掌握敵營的部署。

不過,人的經驗能力終究有限,因此軍方目標偵測系統也逐漸從人力辨識,逐步發展至交由演算法或裝置來代勞,即自動辨識技術 ATR。準確率更高、速度更快的 ATR,除了可辨識海陸空的軍武,也能偵測生物性目標如動物、人類和植被。目前軍事上通常僅利用一個波段,如近或遠紅外光的資訊來判別目標物,但利用多頻譜影像或超頻譜影像豐富的資訊來進行目標物識別,卻有待發展。

雷達能夠計算出物體的方向、高度及速度,並探測物體的形狀。圖/pixabay

利用多頻譜影像技術,打造鎖定目標的軍事鷹眼!

如果能將多頻譜影響處理演算法帶來的豐富影像資訊,與 ATR 結合,將有望能提升偵測目標的準確率,在戰場上占盡先機。但這不是一件簡單的事:首先,軍武裝載空間有限,因此需以極精簡的光學裝置,來擷取到光路相同的不同波段影像;再來,多頻譜影像資料龐大,因此需整合不同波段的影像特性,以精確辨識俊基、船艦、坦克和建築等目標物;而如何將複雜的演算法轉化成運算夠快的晶片,應用在真實的武器上,也考驗科學家的能耐。

作為影像辨識技術領域的專業,來自國立中正大學的王祥辰教授研究團隊,就志在建立一套適於分析不同目標物特性的超頻譜影像資料庫、開發目標物偵測的多頻譜演算法程式庫,並打造一個方便高效的模擬及演算平台,讓軍方研究者可以進一步建立合適的 ATR 偵測法則。

這項計劃包含三個子系統,子系統 1 是建立多光譜及高光譜拍攝影像的資料庫。就像過去的雷達系統,是依賴熟練的操作員調度腦中記憶的資訊,去與雷達訊號進行比對辨識。要訓練機器裝置去指認出目標物,首先就得提供它一個可靠的影像資料庫作為基礎。為此,研究團隊在不同的天候條件下,拍攝不同波段下的各種目標物如電塔、水泥建築、海面船艦及空中飛行物,來建立一個涵蓋陸、海、空特性的多頻譜與高光譜影像資料庫。

接著,上述涵蓋不同波段的影像,可以經過子系統 2,進行超頻譜展開運算。在子系統 2 時,為了減少計算量,使用者可設定挑選效果最好的數個頻帶,讓目標與其背景的差異達至最大化。這個過程如同指導電腦來玩「大家來找碴」的游戲,讓電腦可以學會如何在不同的場景、天氣條件下,快速辨識出指定的目標物。

子系統 2 將原本有限頻段的多頻譜影像,轉換為特定目標物適用的超頻譜影像,作為子系統 3 的輸入。在這個友善而直覺的圖形化人機介面,軍事研究人員可以在複雜的影像資料庫及法法則程式庫中不斷進行模擬,找出不同目標物的最佳化演算法則,縮短軍事研發所需的時間,提高所開發武器的效能。

如今,王教授的研究團隊已完成三個子系統的建設。此項研究成果,預計可以應用在各式對地、對空及對海飛彈,以及各式影像偵蒐系統的 ATR 設計開發上,成為新一代的鷹眼。而該研究的系統,也能幫助縮減開發測試的時間,對演算法和超頻譜頻帶最佳化都將有所助益。

【注解】

1.雷達(Radio Detection and Ranging,縮寫為 RADAR),是始於二戰前的偵測技術,其原理是利用將電磁能量以定向方式發射至空間中,藉由接收存在於空間中的物體所反射回來的電波,就可以計算出該物體的方向、高度及速度,並探測物體的形狀。

參考文獻

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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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科學素養重要嗎?就算知道原理,微波爐壞了還不是都送全國電子
黃俊儒
・2019/08/02 ・2308字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

    • 文/黃俊儒,中正大學通識教育中心教授

編按:透過教育,能帶領我們更快的認識世界。但在求學時期,卻是讓好多壓力推拉著我們前進。於是周遭的風景模糊,甚至不知道自己的目的地;直到徬徨地到站,還有些人不知自己身在哪裡、該往哪去。這真的是我們希望的教育嗎?
在108新課綱上線之際,本次《科學教育科科科》專題特別邀請黃俊儒老師討論關於「科學素養」。到底什麼是素養?有了素養的人生就會是彩色的嗎?微波爐壞掉,就不需要送全X電子和燦X了嗎?

我曾在課堂上有過一段有趣的經歷:那場景是在某個科技大學護理系的自然科學概論課,當時我在台上熱切地跟學生說明微波爐的原理,說著科學家是如何透過控制微波的電場震盪來震動食物裡的水分子,然後透過水分子摩擦所產生的熱能就讓食物熟了。

就當我感覺自己講解的生動程度已經直逼購物台的傑克時,有位學生百無聊賴地回了我一句:「老師,你家的微波爐壞了,還不是跟我一樣送全國電子?」同學的坦率,讓我突然間感覺像是從赤道掉進北極圈⋯⋯。

      • 「老師,你家的微波爐壞了,還不是跟我一樣送全國電子?」(等等,這還有得救嗎?XD)

所以我說那個素養呢?

隨著今年108課綱的正式上路,「素養」一詞突然成為街頭巷尾的一個火熱詞彙。在大家都還在琢磨它的真實意義時,有些坊間的補習班早已扛著素養的大旗招收學生;一夕之間,大家都努力地要讓自己的子弟變成劃時代的「素養人」。

但到底什麼是素養呢?一般我們常會使用的「素養」一詞,主要融合了知識、能力及態度等三方面的內涵。簡單來說,有了「知識」還要能夠使出來,並加以應用,這是「能力」的向度;如果能夠進一步樂於應用、想要積極地應用,這則是「態度」的向度。這三者兼備了,就具有好的「素養」。

我們過往側重升學考試,多數著重在靜態的知識面上:就算吸收了許多知識,也未必能夠在實際的生活場合使用,所以即使考試得了高分,卻也可能因為在學習過程中倒盡了胃口而討厭這些東西,這樣的下場就很難說是具備了素養。

若是在學習過程中倒盡了胃口而討厭所學,這樣的下場就很難說是具備了素養。圖/ken19991210@Pixabay

那你有聽過「科學素養」嗎?

那什麼又是科學素養呢?相同的邏輯,就是要具備一定程度的科學知識基礎,之後具有應用這些科學知識的能力,並且也一直保持著一種喜歡談科學、做科學、應用科學的態度。而在內涵上,科學素養是一個科學教育研究領域中已經探索許久的議題,隨著不同的時代背景與研究觀點,也經常有不一樣的詮釋角度。

過往最被大家所接受的說法,大概可以將各種科學素養的定義區分成兩種不同的面向[1]

一種界定是在科學活動的內部過程,以能夠瞭解科學發現的各種產物及形成過程為主。這比較是站在培養未來科學從業人員的立場考量,例如學習科學的知識及原理、對於科學議題進行探究與實作等。

另一種界定則是著重在科學活動所處的整體情境,以能夠在富含科學知識的問題情境中進行思考與決策為主。這個面向比較著重在培養有識科技社會公民的立場考量,例如科學議題如何與社會、政治、經濟等各種因素發生互動及交互影響、如何對於與自己生活息息相關的科技進行判讀與選擇。

或許科學素養能讓你了解如何對於與自己生活息息相關的科技進行判讀與選擇。圖/Pixource@Pixabay

也許有朝一日,科學會與我們更近

如果從課程總綱中所揭示的九項核心素養來看,理應同時含括了前述的這種科學素養的向度,這兩種不同的科學素養面向不僅都具有重要性,更會彼此互相增進與成長,都是一個現代公民需要具備的基本素養。

過往我們的教育體制中多僅重視科學知識的面向,對於科學內部的探究與實作過程、科學外部的社會情境脈絡都著墨有限,導致與現實生活經驗的斷裂,這經常是造成大家對於科學活動敬而遠之的一項重要因素。

如果新課綱實施後,有一天我們發現學生們比以前更喜歡談論與接觸科學,媒體中有了更多好的科學新聞、科學頻道、科學型 youtuber,流行文化中有了更多融入科學元素的電影、戲劇、文學及音樂,那大概就是這波課程改革有所成果的一天。

像是有著深厚科學底蘊的電影《星際效應》。圖/IMDb

微波爐的故事:關於你,也關於我

再回到一開始的那個微波爐吧,那位把我送進北極圈的同學是對的。

對於一個合格的社會公民來說,好的科學素養可能就不僅僅是對於科學原理的精熟及讚嘆,而是真正可以在自己的生活及問題情境中去落實關注這些問題,所以瞭解「什麼是微波爐的原理?」可能跟「如何選購一台好的微波爐?」同等的重要,因為當人們可以在一個與自身最相關的問題情境中進行思考,才會真正習得面對科學的知識、能力及態度。

所以除了瞭解微波爐的原理之外,還可以探究微波爐的產製過程、設計考量、定價原則、廣告策略、安全標準、維修成本等,直到可以自覺地選購一台合情、合理、合宜的微波爐,與科學發展出一套共存共榮的關係,這是科學素養。

圖/ Lisa Fotios@Pexels


    • [1] Troy D. Sadler & Dana L. Zeidler. Scientific Literacy, PISA, and Socioscientific Discourse: Assessment for Progressive Aims of Science Education. JOURNAL OF RESEARCH IN SCIENCE TEACHING.
黃俊儒
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中正大學通識教育中心教授。 長期關心科學傳播的工作,主張推廣科學不能只是上對下的關係,不能只是榮耀的崇拜,更不能只是逸樂化的軟柿子。 勉勵自己仔細地在各種不同的層面上,找出科學與一般大眾、市井小民、販夫走卒間,在生命上的共鳴與交會。 著有《別輕易相信!你必須知道的科學偽新聞》一書。