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高中生就成為第一作者!?難道發現新物種很容易嗎?——以華萊士命名的新種象鼻蟲

蕭昀_96
・2018/07/17 ・4243字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

不曉得大家的高中生活怎麼過的呢?以筆者來說,我的高中生活不外乎就是上課、讀書、考試、被念的四階段循環,然後不知不覺地就上了大學,高中生有可能參與一個科學研究並正式發表嗎?

高中生有可能參與一個科學研究並正式發表嗎?《男子高校生的日常》劇照。 圖/IMDb

話說從頭,筆者歷經了「失落的四個月」後,去年(2017)退伍那天回系上找柯俊成老師敘舊,一進實驗室看到一個陌生男孩,還以為才消失四個月實驗室的人都不認識了。後來老師介紹說這是正要升高三的學生曾偉哲同學,想要來實驗室以昆蟲分類學做一個專題。他受研究象鼻蟲的徐振輔同學指導,而後我也加入協助這個研究。經過了接近一年的形態研究和論文寫作,今年 6 月 22 日以曾偉哲同學為第一作者,順利將研究成果刊載國際動物學期刊《Zootaxa》(動物分類群),這個研究的重點之一,就是提出了一個象鼻蟲的新種。

華萊士圓榕象鼻蟲 Omophorus (Sinomophorus) wallacei 發表資訊頁。 圖/Zootaxa 論文原文

新種圓榕象鼻蟲:華萊士圓榕象鼻蟲與亞屬修訂

那麼這個華萊士圓榕象鼻蟲 Omophorus (Sinomophorus) wallacei 是什麼呢?首先這個新物種隸屬於象鼻蟲(Weevils),也就是象鼻蟲總科(Curculionoidea)的通稱,是甲蟲中多樣性最高的類群。典型的象鼻蟲頭部有著象鼻狀的構造,如同長了一根長鼻子;蘭嶼和綠島上有著天青色條紋或斑點,並且因翅膀退化、翅鞘癒合,進而無法飛行的球背象鼻蟲就是象鼻蟲家族的成員喔!

而這個來自婆羅洲馬來西亞屬沙巴州的新種象鼻蟲則是隸屬於圓榕象鼻蟲屬(Omophorus)的成員,這個屬別的象鼻蟲外型渾圓,體表有粗糙點刻且體側和腹面表面有著淡黃色蠟狀物質,本屬跟桑科榕屬植物伴生關係密切,而非洲的種類(O. stomachosus)有危害無花果樹而造成未成熟的果實提早落果的紀錄,本屬分為三個亞屬共七個物種,間斷分布於撒哈拉以南非洲、中國西南、巴布亞紐幾內亞。

中華圓榕象鼻蟲 Omophorus Sinomophorusrongshu Wang et al., 2011  圖/ Zookeys 論文原文

透過比較形態學以及動物地理分布等資訊,華萊士圓榕象鼻蟲被認為屬於 2011 年發表的中華圓榕象鼻蟲亞屬(Sinomophorus)[1],這個亞屬目前僅知其模式種中華圓榕象鼻蟲 O. (S.) rongshu(種小名就是「榕樹」發音)。值得額外一提的是,一般而言對於屬(亞屬)的定義往往需要由比較複數個成員間的形態而來,藉由比較支系中不同物種的形態來找出屬級單位的鑑定特徵;也就是說,只有一個種類的屬級會由於缺乏比較基礎,會無法區分出此屬的共有特徵。可以想見,當一個單模屬別在日後發現其餘成員時,也就是本次中華圓榕象鼻蟲亞屬Sinomophorus 遭遇的情況,極有可能一併發現當初所界定的特徵不適用的情形。而在這次的研究中,進行形態比對時我們也發現了如前述的特徵衝突,因此發表時也重新對本亞屬的鑑定特徵進行了修訂。

其實分類學家的工作除了探索發現未知的生物,持續對於現有鑑定系統的改進訂正也是很重要的喔!

新種圓榕象鼻蟲──華萊士圓榕象鼻蟲 Omophorus (Sinomophoruswallacei 圖/原始論文

新種圓榕象鼻蟲種小名為 “wallacei“,以阿爾弗雷德.羅素.華萊士(Alfred Russel Wallace)命名。華萊士曾深入馬來群島進行物種踏查和採集,以構想演化論而聞名 (與達爾文一同發表相關論文),同時為生物地理學的權威,被譽為「生物地理學之父」。獻名給華萊士,除了本種為東印度群島的物種外,更是因為圓榕象鼻蟲屬擁有特殊的生物地理學分布,與身為生物地理學的先行者的華萊士有相得益彰之妙。

華萊士 圖/wikipedia

圓榕象鼻蟲屬的衣索匹亞區和東方區的間斷分布

間斷分布意為親緣關係接近的類群,卻擁有著大範圍隔離的分布格局。這樣的情況出現在很多的昆蟲類群,例如跨洋分布的  Limnogonus 屬水黽 [2];亞洲東部 – 北美間斷的長扁朽木蟲(請見「冷門中的大冷門、甲蟲大家族中小支系的「長扁朽木蟲」有什麼新發現呢?」一文);地中海─南非間斷的 Scarabaeus 屬糞金龜 [3];歐洲大陸─中美洲間斷的 Eubria 屬扁泥蟲 [4];以及衣索匹亞區 – 東方區的間斷分布的寄生性蜂類 Eupetersia 屬 [5]。

而圓榕象鼻蟲屬便是主要以非洲衣索匹亞區和亞洲東方區呈現間斷分布,屬於所謂的岡瓦那式格局分布

在這種分布格局來說,早前一些岡瓦那分布的生物類群的相關研究如石蠅、蘋果螺、 鸚鵡 [6] [7] [8] 顯示這種分布可能與岡瓦那大陸起源有關,尤其圓榕象鼻蟲屬在撒哈拉以南非洲的物種多樣性又是最高的。順便一提,閱讀相關研究時也發現關係緊密的榕屬也有著岡瓦那起源的祖先,而 Rocha (2017) [9]未發表的博士論文也發現圓榕象鼻蟲所屬的這個族分歧時間約在 97.0 Mya,跟晚白堊紀東岡瓦那陸塊的分離的時間約相當呢!

不過呀,除了岡瓦那的割裂造成的隔離分化(Vicariance)其實還有很多原因會造成間斷分布的現象。例如「長距離傳播」(Long-distance dispersal),象鼻蟲雖然看起來小小圓圓笨笨的,但意外在遷移上很有一套;圓榕象鼻蟲所屬的魔喙象鼻蟲亞科(Molytinae)中的知名害蟲棉子象鼻蟲就被發現有著長距離傳播現象 [10],而有些不會飛如球背象鼻蟲、Rhyncogonus 屬種類甚至會用跳島方式在島嶼間 Bon! Bon! Bon! 的傳播呢 [11] [12]。此外還有「區域性滅絕」(Localized extinction),也可以解釋現今看起來是間斷分布的類群,實際上在遠古時代是廣泛連續性分布的;化石證據往往能提供這部分佐證(請見「逝者如斯,但昆蟲化石仍在生物地理學的研究中不捨晝夜」一文),如同樣呈現岡瓦那分布的澳洲蕈蟲科(Boganiidae),近日就被發現了中侏儸紀道虎溝生物群的化石物種,也就是該科在過去的分布顯然更加廣袤 [13]。

最後,基礎分類研究工作的不足,也會造成這種「看似」的間斷分布;因此圓榕象鼻蟲屬的間斷分布到底是怎麼回事?這個議題實際上相當複雜,未來還有很長一段路要走。

圓榕象鼻蟲屬 Omophorus 的全球分布圖。 圖/原始論文

高中生當第一作者,所以發現一個新物種很簡單嗎?

話說,本篇研究的第一作者曾偉哲是個高中生,所以額外得到不少注意力。不熟悉物種發表的夥伴可能因此會有疑問:發現一個新物種是不是很簡單?從發現到發表需要多久呢?

發現新物種的過程並不是表象的這麼簡單,並非是玩玩沙子就挖到新種了。

不,通常不是這樣發現的。圖/《哆啦 A 夢》劇照

大部分情況下,科學家在野外考察發現值得研究的物種時,得先把它們帶回博物館或標本室,然後必須詳細檢索文獻和比對模式標本(模式標本詳見:分類學家偵探事件簿:不存在的某櫛角菊虎?),確保之前沒人已經發現過這個物種,確認後撰寫文章並投稿至專業學術期刊讓專家同行審批,最終才得以發表刊登。前述這段時間將耗費數年,甚至數十年的時間,《當代生物學(Current Biology)》 的一篇文章就指出物種從第一次樣本採集到正式命名發表,平均需要 21 年時間 [14],可見得發現物種並非表面來的簡易迅速,綜觀發表新物種的要素主要包含了以下三點:

  1. 取得研究樣本,採不到就是採不到(當你在穿山越嶺的另一邊,我在孤獨的路上沒有盡頭 QAQ);
  2. 仔細檢視、解剖,甄別差異,確認新種,驀然回首,那蟲卻早已被發表(是什麼讓我不再懷疑自己?是什麼讓我不再害怕失去? QAQ);
  3. 論文撰寫,通過審批而刊登專業期刊,審查時間天長地久,等到花兒也謝了(直到現在我還默默的等待 QAQ)

在三大難題的包圍下,團隊分工合作在分類學研究上顯然是必須的。舉例在這次的發表中,樣本的發現者,也是共同通訊作者之一的徐振輔扮演了開拓者的角色,並且在研究前期注意到本種的形態差異,指導象鼻蟲在形態分類學上的細節技術;我在中後期協助科學文章的撰寫修改以及投稿事宜;而曾偉哲同學無疑是執行、完成這個研究工作不可或缺的核心。除了耗費時間的細部檢視解剖,文獻和模式標本的比對,為此曾偉哲同學並曾主動向肯亞、匈牙利和瑞典的博物館聯繫請求協助,以及文章初稿寫作工作和訂正;此間顯然除了一定的語言能力外,還需要有相當的毅力和耐性。如果不是真正有興趣而只是蜻蜓點水,甚至只為取得升學甄試的備審經歷,想必是不能完成此成果的。

新物種的發表並沒有想像中容易,而高中生要能有如此成果,更是相當難得。(掌聲下!)

參考文獻:

  1. Wang, Z.-L.; Alonso-Zarazaga, M.A.; Ren, L. & Zhang, R.-Z. (2011) New subgenus and new species of Oriental Omophorus (Coleoptera, Curculionidae, Molytinae, Metatygini). ZooKeys 85: 41–59.
  2. Ye, Z.; Zhen, Y.-H.; Zhou, Y.-Y. & Bu, W.-J. (2017) Out of Africa: Biogeography and diversification of the pantropical pond skater genus Limnogonus Stål, 1868 (Hemiptera: Gerridae). Ecology and Evolution 7: 793–802.
  3. Carpaneto, G.M. (2008) The Mediterranean-southern African disjunct distribution pattern in the scarab beetles: a review (Coleoptera Scarabaeoidea). Biogeographia 29: 67–79.
  4. Barr, C.B. & Shepard, W.D. (2017) Eubria mesoamericana Barr and Shepard (Coleoptera: Psephenidae: Eubriinae), a New Psephenid Species from Central America with an Enigmatic Generic Distribution. The Coleopterists Bulletin 71: 437–444.
  5. Pauly, A. (2012) Three new species of Eupetersia Blüthgen, 1928 (Hymenoptera, Halictidae) from the Oriental Region. European Journal of Taxonomy 14: 1–12.
  6. Wright, T.F.; Schirtzinger, E.E.; Matsumoto, T.; Eberhard, J.R.; Graves, G.R.; Sanchez, J.J.; Capelli, S.; Müller, H.; Scharpegge, J.; Chambers, G.K. & Fleischer, R.C. (2008) A Multilocus Molecular Phylogeny of the Parrots (Psittaciformes): Support for a Gondwanan Origin during the Cretaceous. Molecular Biology and Evolution 25: 2141–2156.
  7. Hayes, K.A.; Cowie, R.H. & Thiengo, S.C. (2009) A global phylogeny of apple snails: Gondwanan origin, generic relationships, and the influence of outgroup choice (Caenogastropoda: Ampullariidae). Biological Journal of the Linnean Society 98: 61–76.
  8. McCulloch, G.A.; Wallis, G.P. & Waters, J.M. (2016) A time-calibrated phylogeny of southern hemisphere stoneflies: Testing for Gondwanan origins. Molecular Phylogenetics and Evolution 96: 150–160.
  9. Rocha, L. P. (2017) Sistemática e biogeografia de besouros curculionídeos (Curculionoidea; Coleoptera) associados a figueiras (Ficus; Moracae). PhD Thesis, University of São Paulo, São Paulo, Brazil: 116 pp. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59131/tde-21062017-174238/ (accessed 24 Jun 2018).
  10. Kim, K.S. & Sappington, T.W. (2013) Population genetics strategies to characterize long-distance dispersal of insects. Journal of Asia-Pacific Entomology 16: 87–97.
  11. Claridge, E.M.; Gillespie, R.G.; Brewer, M.S. & Roderick, G.K. (2017) Stepping-stones across space and time: repeated radiation of Pacific flightless broad-nosed weevils (Coleoptera: Curculionidae: Entiminae: Rhyncogonus). Journal of Biogeography 44: 784–796.
  12. Tseng, H.-Y.; Huang, W.-S.; Jeng, M.-L.; Villanueva, R.J.T.; Nuñeza, O.M. & Lin, C.-P. (2018) Complex inter-island colonization and peripatric founder speciation promote diversification of flightless Pachyrhynchus weevils in the Taiwan–Luzon volcanic belt. Journal of Biogeography 45: 89–100.
  13. Liu, Z.-H.; Ślipiński, A.; Lawrence, J.F.; Ren, D. & Pang, H. (2018) Palaeoboganium gen. nov. from the Middle Jurassic of China (Coleoptera: Cucujoidea: Boganiidae): the first cycad pollinators? Journal of Systematic Palaeontology 16: 351–360.
  14. Fontaine, B., Perrard, A., Bouchet, P. (2012). 21 years of shelf life between discovery and description of new species. Current Biology 22: pR943–R944.





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蕭昀_96
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澳洲國立大學生物學研究院和聯邦科學與工業研究組織─澳洲國立昆蟲標本館聯合培養博士生,國立臺灣大學昆蟲學系學士,中研院臺灣生命大百科(TaiEOL)編輯人員、泛科學專欄作者,曾任科博館昆蟲學組蒐藏助理。研究興趣為鞘翅目(甲蟲)系統分類學和古昆蟲學,博士研究主題聚焦在澳洲蘇鐵授粉象鼻蟲的系統分類及演化生物學,其餘研究題目包括菊虎科(Cantharidae)、長扁朽木蟲科(Synchroidae)、擬步總科(Tenebrionoidea)等,不時發現命名新物種,研究論文發表散見於國內外學術期刊 。因為攻讀博士所以持續焦慮中。

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SmartReading 科普閱讀力大賽——打造新世代自主閱讀指標,培養學子適性成長!第三屆頒獎典禮暨第四屆賽事啟動!
PanSci_96
・2022/09/26 ・3811字 ・閱讀時間約 7 分鐘

108 課綱開啟全新閱讀素養時代。

科學素養不再侷限於考試的解題方法,學生閱讀科學讀物時,如何在氾濫資訊中找到高品質、適合學習程度的科學素材,是教育現場至關重要的課題。

臺灣師範大學 SmartReading 團隊將 AI 讀物難度分級技術,透過測驗、選書、閱讀、讀後回饋四大功能,完整記錄孩子的學習歷程,提升中小學生科普閱讀動機,成為自律自主的科普學習者。

臺灣師範大學於 110 年至 111 年間,與國科會、新北市、臺中市等單位合作,連續辦理三屆「SmartReading 科普閱讀力大賽」,每屆競賽歷時半年。競賽組別以國小三年級至高中一年級共分七個組別。參賽學校涵蓋臺北市、新北市、臺中市、臺南市、高雄市、花東等十九縣市,報名參賽人數累計八千餘人。

國立臺灣師範大學第四屆科普賽將擴大辦理,邀請PanMedia泛科學馮瑞麒總經理、數感實驗室賴以威教授、臺大科教中心賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章。圖/國立臺灣師範大學

由系統建置適合學生閱讀的兩千多本科普讀物

競賽期間,參賽學生使用「SmartReading 適性閱讀」系統,透過精準快速的中文閱讀能力診斷,將閱讀程度與讀物難度適配。藉由系統已建置,適合國小三年級至高中一年級的 2,180 餘本科普讀物,不僅能激勵其學習動機,更可有效提升選擇的效率,降低科學閱讀恐懼。第三屆科普閱讀力大賽不受疫情波擾,採實體與線上兩種施測方式,於 111 年 5 月份圓滿完成賽事。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。圖/國立臺灣師範大學

臺師大宋曜廷副校長表示,數位閱讀邁向新時代,團隊使用「SmartReading 適性閱讀」系統作為科普賽競賽平台,期望在知識爆炸的時代,藉由測驗、選書、規劃的「智慧閱讀三步驟」,培養學子的跨領域閱讀力與閱讀習慣,讓學生們手握知識大門的鑰匙,成為自律自主的「SmartReader」。

科普閱讀競賽的三大特色

一、適配閱讀能力與圖書難度,擴增多元書籍與文章素材

參賽學生首先須參加中文適性閱讀能力診斷(DACC),依據診斷結果,配合其當前閱讀能力的科普推薦書單,讓學生選書有依據、個人化。本競賽目前共有「推薦書單」、「推薦文章」等 2 種閱讀素材,主題包含植物/動物、數學、天文地科、物理/化學等 8 大類別。「推薦文章」功能,則與「PanSci 泛科學」及「數感實驗室 Numeracy Lab」合作評選,當前提供 600 餘篇線上科普短文,競賽期間提供已超過 4,000 人次的瀏覽次數。

二、綜合性閱讀五力分數,開啟學生全方位閱讀力

本競賽賽程為期半年,學生透過「前測、閱讀任務挑戰、後測」三個階段。競賽期間,系統詳細記錄每週閱讀歷程,並產出線上「閱讀五力分數」報表。自主規劃閱讀期間計算為「規劃力」;讀後評量填答結果計算為「執行力」;閱讀多元書籍類別的結果計算為「博學力」;閱讀單一書籍類別的深化成果則計算為「精進力」;前後測成長結果計算為「成長力」。將閱讀能力數據化、可視化。

三、閱讀任務徽章,深化學生文化素養與科普閱讀興趣

本競賽內建徽章蒐集系統,參賽者於指定時間依據提示完成閱讀任務,即可獲得期間限定的特色科普徽章。任務內容包含閱讀指定的書單及文章類別、世界性科普節日、科學家生辰、台灣重要節慶與其他隱藏任務。本屆各年級累計獲得徽章達 20423 枚,因設計活潑及任務類型多樣,大受參賽者好評。

競賽結果發現學生的閱讀偏好

一、科普閱讀參與,國小男性最踴躍

活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。以不同學習階段來看;國小參賽者整體閱讀平均本數為 24 本,男生平均閱讀本數為 28 本,女生平均閱讀本數為 20 本。國、高中參賽者因科普讀本難度較高,需要較長的閱讀時間及一定的科學基礎知識,國中參賽者整體平均閱讀書籍數為 10 本;高中參賽者中女性平均閱讀本數多於男性,整體平均閱讀書籍數為 7 本。

總閱讀量/本人數平均閱讀量/本
全體學生21,1531,10019
8,05150516
13,10259522
國小學生17,47971624
6,47432520
11,00539128
國中學生3,45935510
1,4611669
1,99818911
高中學生215297
116148
99157
活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。表/國立臺灣師範大學

二、學生偏好閱讀動物/寵物類與地球生態/天文類書籍

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類(男生 28.19%、女生 27.91%)最能引起學生的閱讀興趣(如:《昆蟲老師上課了!:吳沁婕的超級生物課》、《小島上的貓頭鷹》、《神奇樹屋》等系列)。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍(男生 15.20%、女生 16.87%)。

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類最能引起學生的閱讀興趣。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍。圖/國立臺灣師範大學

三、參賽學生閱讀歷程的質與量均佳,表現令人驚豔

本次參賽學生皆積極參與競賽。

以三年級組第一名得主,臺北市立大同國小的林靖軒同學為例,競賽期間閱讀書籍本數高達 383 本,書籍讀後評量的通過率更高達 95%,書籍不僅讀得多,更是能讀得要領。

四年級組第一名為第二次參賽的新北市信義國小謝秉言同學,本次競賽期間共閱讀 427 本書。

其中五年級組為本次競爭最激烈的一組,臺北市立長春國小的黃葦川同學以及高雄市立集美國小的吳勁毅同學,兩者僅以極小的分數差距位居第一及第二名。

此外,第一次參與競賽的高雄市立正義國小的孫政遠,競賽期間閱讀 281 本書籍,通過率達到 97%。

四、教育主管機關、學校師長及家長支持鼓勵,帶動學生優異表現

新北市教育局致力於推動智慧閱讀教育,不遺餘力,成果豐碩。本屆競賽全台共 2,104 人報名參與,全國賽獎項獲獎學生共計 36 人,其中新北市得獎學生便囊括 14 位,表現相當亮眼。

家長與學校師長共同陪伴,使得學生能專注於本次競賽,並有相當卓越的成果,例如新北市康橋國際學校、臺中市明道中學、臺中市葳格國際學校、臺北市東山中學等校,皆因全力推廣閱讀活動,才能有優異的競賽成果。以新北市康橋國際學校國中部為例,此次七年級組參賽者,全國賽前5名得主中,康橋中學就獲有 3 名的佳績。

臺師大華語文與科技研究中心洪嘉馡教授說明第三屆科普閱讀力大賽成果。圖/國立臺灣師範大學

第四屆科普閱讀力大賽即將開跑

延續前三屆廣受好評之科普賽事,第四屆科普賽將擴大辦理,邀請「PanMedia 泛科知識股份有限公司」馮瑞麒總經理、「數感實驗室 Numeracy Lab」賴以威教授、「國立臺灣大學科學教育發展中心」賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章,預期第四屆科普閱讀力大賽將能讓全球讀者有更高品質的閱讀體驗和更充實的閱讀收穫。

活動詳情請參閱官方網站
新聞聯絡人:高等教育深耕計畫辦公室——鄭德蓉 02-2366-0916 #111

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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

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)。