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阿基米德與曹沖的交集是?──〈談科論幻話創意〉

葉李華
・2018/04/20 ・1556字 ・閱讀時間約 3 分鐘

把阿基米德與曹沖這兩個古人放在一起,你會聯想到什麼呢?想來想去,他倆唯一的交集應該就是浮力原理吧。阿基米德曾經利用浮力原理檢驗出王冠含有雜質,曹沖則是利用同樣的原理測出了大象的重量(雖然可能只是傳說)。但如果從另一個角度,也可以說他們的交集是巧妙地突破了嚴格的限制。阿基米德的限制是絕對不能損壞王冠,否則只需要刮下一些金粉來化驗;曹沖的限制則是不希望傷害大象,否則只要把大象支解,分成幾十次來秤就行了。

曹冲和阿基米德都應用了浮力的原理,突破了重重限制獲得他們需要的結果。圖/JosepMonter@pixabay

非破壞性檢測:侵入式與非侵入式

不論是阿基米德的王冠,或是曹沖的大象,在檢驗或測量過程中都沒有受到絲毫損傷,這就是如今所謂的非破壞性檢測

在科學界和工業界,檢測樣本的方式大多皆有破壞性和非破壞性兩種。比方說,石頭通常不太值錢,所以地質學的檢測幾乎都是破壞性的。然而,萬一樣本是非常珍貴的隕石,或是月球岩石(甚至若干年後的火星岩石),那就必須使用非破壞性的方法了。

非破壞性檢測大致又能分成兩種:侵入式與非侵入式。阿基米德的方法是標準的非侵入式,因為他僅僅把王冠放到水裡,以便測量它的體積。因此嚴格說來,浮力原理並沒有真正派上用場,它只是阿基米德研究王冠的副產品罷了。至於最簡單的非侵入式檢測,當然就是使用肉眼觀察──這正是所謂的「低科技永不落伍」,不管科技發展到什麼程度,你的五官、雙手、雙腳仍是不可或缺的重要工具。

不過相較之下,如今工程師所用的檢測大多是侵入式,也就是把某種能量射進樣本,等到能量被樣本反射(或透射樣本)之後,就會提供相關的資訊。由於射入的能量相當微弱,所以不會對樣本造成任何損傷。例如以 X 光尋找金屬材料的瑕疵,就是一種典型的侵入式非破壞性檢測。

X光進行的醫學檢測也是在種種限制下發展出的成果。圖/rawpixel@pixabay

醫學檢查的限制:減少對病人造成的不適

提到侵入與非侵入,或許會讓你聯想到醫學檢查的分類。不過請注意,醫學界對侵入的定義和工程師很不一樣,用最簡單的方式來說,如果會讓病人感到不舒服,那才算是侵入式。所以醫生會告訴你,X光並不是侵入式的檢查,甚至輕敲腹部也不是,但胃鏡和大腸鏡就是標準的侵入式了。

病人當然希望所有的檢查都不要太難受,這也正是長久以來醫學界努力的目標。比方說,剛才提到的胃鏡和大腸鏡,其實已經有非侵入式的替代品,那就是非常有科幻色彩、讓人聯想到「聯合縮小軍」這部電影的膠囊內視鏡。你只要將它當成藥丸吞下,膠囊內的鏡頭就會把你的消化道一覽無遺。這種膠囊內視鏡早已上市,只是因為價格昂貴,至今沒有非常普遍。但由於非侵入式檢查是大勢所趨,這種膠囊的普及想必是遲早的事。

不到三公分的膠囊內視鏡。圖/By No machine-readable author provided. Euchiasmus assumed (based on copyright claims). [Public domain], via Wikimedia Commons

從阿基米德的王冠,到吞服式的內視鏡,雖然相距兩千多年,但我們只要用心觀察,不難發現兩者之間存在著明顯的脈絡,那就是無論任何嚴苛的限制,都無法框住人類無窮的創意。

創意可以讓我們跨過無數嚴苛的限制。圖/music4life@pixabay
  • 本文同時刊載於《科普時報》專欄「談科論幻話創意」,原文標題〈阿基米德與曹冲

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葉李華
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1962年生於高雄,曾任交大科幻研究中心主任,現為自由作家;致力推廣中文科幻與通俗科學近三十年,成功過,失敗過,唯獨從未放棄過 …… 專欄:談科論幻話創意

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素養不是知識,是讓孩子像科學家一樣思考——LIS 創辦人嚴天浩專訪

PanSci_96
・2021/09/24 ・2101字 ・閱讀時間約 4 分鐘

近年來,在新課綱推行之下,「素養」這個詞成為熱門關鍵字,「對我來說,素養就是面對世界的行為模式,在面臨問題時,一個人會抱著什麼樣的態度去解決問題。而科學素養就是『像科學家一樣思考』」LIS 科學情境教材(台灣線上教育發展協會)創辦人嚴天浩這麼說。

嚴天浩在大學時開始製作教學影片,最初的動機來自上大學後體會到城鄉差距、資源落差,想藉由線上教材擴大影響力,然而觀看次數卻不如預期。

2013 年起,嚴天浩和夥伴到台東,向「孩子的書屋」負責人陳爸(陳俊朗)請益,並長期蹲點接觸孩子,發現學生們面臨最大的問題不在於「學什麼」,而在於「為什麼要學」,因此意識到若要改變孩子的學習狀態,不能只是單方面灌輸「老師想教的」,而要從學生的需求出發,了解「孩子想學什麼」。

七年來,LIS 拍攝超過 100 支線上科學影片,包括將科學家的思想歷程、時代背景融入角色劇情的科學史,以及結合時事、生活情境的科學實驗,目前已經超過 250 萬觀看人次,也成為全台許多中小學的教材。

這次,LIS 歷時三年研發出一套科學實境解謎遊戲,不只在玩遊戲的過程中學科學,也引導孩子練習「像科學家一樣思考」。

什麼是「像科學家一樣思考」?

過去,我們在國中課本裡學到的科學方法「觀察、提出假說、進行實驗、得到結論」,然而許多學生能對步驟琅琅上口,卻不見得理解背後的邏輯。LIS 分析百位科學家的思考歷程以及參考教育學者的理論,設計出適合培養國小學生科學思維的「科學推理階梯」,共有四個步驟,包括「發現問題」、「聯想原因」、「大膽假設」、「實際驗證」。

嚴天浩坦言,對於國小的孩子來說,他認為最難的在於——第一步「發現問題」,這取決於孩子過去是否累積足夠的觀察經驗,因此,如何訓練孩子觀察是培養探究學習的重點。然而,在沒有老師的引導下,要怎麼讓孩子能聚焦在實驗的現象上,成為開發遊戲過程中的一大考驗,後來,團隊想出了運用 RPG 中的角色對話,設計句子讓玩家將注意力集中在現象上的差異,「當孩子觀察到的與他原本的認知有所不同,產生衝突時才會進而發現問題。」嚴天浩說。

有適當的引導,才能從問題中學習

在發現問題之後,還須激發玩家思索問題的意願,因此在遊戲中便成為一個個解謎關卡,玩家為了破關、練等會主動尋找答案,在玩完遊戲後得到的成就感,會讓孩子對科學產生動機,在未來有自信用這樣的方式去思考、面對問題。

嚴天浩說:「大學時我修過教育學的課,設計課程的第一步往往是『引起動機』,但我們認為應該從遊戲開始到結束的每一個動作,都需要一個『引起動機』,目前玩過這套遊戲的孩子有持續玩過兩個小時以上,玩得越久代表引起的學習動機越強烈。」

了解背後的意義才是學科學

然而,有時在做完實驗後,學生只會記得當時看到的實驗結果或現象,卻沒有把背後的邏輯和原理帶走,關於這部分,嚴天浩分享,「玩實驗」和「學科學」最大的差別在於,是否了解每個步驟的意義,如同以往「食譜式實驗」,照著課本一步一步做,卻不知道為什麼這麼做。

因此,他們把演示型實驗設計成遊戲,將探究歷程拆分成關卡,透過與 NPC 對話帶領玩家思考,並預想玩家可能卡關的地方,就像是在蓋房子時的鷹架,一層層建構、支持,逐漸將學習的責任放回孩子身上,傳統課堂中搭鷹架的角色可能是老師,而在這個遊戲裡,是精心設計過的關卡提示。

讀到這裡,或許你會想問,在探究式的學習中,真的能夠學會「像科學家一樣思考」嗎?

「我認為探究學習中,知識其實只是附帶的。」嚴天浩解釋:「我們想告訴孩子的是,科學家最厲害的並不是他成功發現了什麼,而是他在失敗了那麼多次之後,還是願意繼續努力。」

如果現在的台灣是二十年前教育的結果,那麼 LIS 正在改變的是二十年後的台灣,那時的每個人在面對問題時都能有邏輯地看待、抱著自信的態度去解決,這是 LIS 的憧憬,也是我們對於台灣未來世代的期盼。


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