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能源議題僅僅是科學議題嗎?能源政策制定過程中的科學角色──〈能源政策橋接與溝通論壇〉講座紀錄

valerie hung
・2018/09/06 ・3111字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

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本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

面對能源、食安及農藥殘留等公共政策議題,有些人認為討論與決策該建立於「科學事實」之上,否則將流於理盲濫情的民粹;也有人認為「科學專業不該成為一種霸權」,畢竟純粹的科學框架難以完整處理公共政策爭議。

8 月 14 日〈能源政策橋接與溝通論壇〉中,廖英凱以「能源政策制定過程中的科學角色」為題,邀請大家思考「能源議題是科學議題嗎?」

雖然能源議題中包含著科學,但它扮演的角色是什麼?我們知道科學重要,但究竟多重要?我們該以什麼樣的角度對待科學呢?

廖英凱認為,科學教育中有一個詞彙「社會性科學議題(Socio-Scientific Issue)」,是此題最適合的答案,其簡單定義是隨著科學與科技發展,與社會上具有不確定性、爭議性、相對性或開放性的議題有關,同時,因為科學與社會關注點的差異,這些爭議難以透過實驗方法重現,並因每個人的知識背景、價值觀不同,而難有簡單明確的答案或結論。

《看見不潔之物:工業社會中知識權威的文化實作》

世新大學陳信行教授在《看見不潔之物》書中提過,工業社會有三種嚴重影響生活的社會性科學議題,分別是環境污染、食品安全及職業災害。其中,職業災害影響的人數最少,多半展現在當事人與廠商在法院上的攻防;環境污染可能影響到數個村落或縣市,並催生出地方或全國性社群,倡議人士有機會與政治人物結盟或自己投入政治;食品安全的影響可能波及到全國,一旦爆發幾乎人人都會高度關注,甚至引發政治危機。

廖英凱認為,如果把所有科學知識當作一個區塊,外部為非科學(此處定義為社會),上述這些議題都落在「科學與社會的邊界」上。如果想降低議題發生的情況,我們可以從三方面進行:

  1. 在科學領域進行科學教育、普及與傳播。
  2. 在科學與社會的邊界上,嘗試消除科學實證與價值觀拉鋸的衝突。
  3. 在社會領域中,理解社會性科學議題具有不確定性為基礎,建立重視科學本質的治理架構。

從科學教育帶出科學素養與科學思維

市面上的各家科普媒體嘗試透過多元的素材及觀點,向大眾傳達科學新聞,但科學教育、普及與傳播的目的,只是讓人吸收與了解知識,然後更貼近科學家的思考領域嗎?並非如此。

廖英凱以經濟部能源局 106 年度的「輔導學校推動能源教育計畫」為例,其目的分成四個層面,從確立國小學生對能源知識的認知、傳達正確能源使用與節約觀念,培養節能減碳的生活習慣,以及提升全民了解節約節能的重要性與實踐性。從中可以看出「獲得知識」只是科學教育的第一步,接下來更著重學習者「如何妥善應用知識」、「有無應用知識的企圖心」,進而創造全民科學素養並建立大眾的科學思維。

根據 OECD(經濟合作暨發展組織)的教育體系,科學素養讓人能將自身的知識化為對世界有益的行動。而素養的建立來自於三個東西,分別是「知識」、獲得知識及運用知識的「能力」,以及運用知識該有的「態度」。

接著,廖英凱引用現任副總統,也是國際知名流行病學家陳建仁,在 2009 年的一段文字:

「我們常常高估無法自我管控的風險,像飛機失事、焚化爐排放戴奧辛、核電廠輻射外洩等,而感到恐懼害怕;但是對於可以自我管控的風險,像戒菸、戒酒、戒檳榔、騎機車戴安全帽而不超載、開車繫安全帶而不超速等,反而常常加以低估而不自覺。」──《販賣恐懼:脫軌的風險判斷》推薦序

為何大腦對風險判斷有這般奇怪的標準?科學家在 1990 與 2001 年的研究中發現,大腦下決策的過程來自兩個部位,一個是掌管理性與邏輯的前額葉,另一個是掌管情緒與感覺的大腦邊緣系統。一旦理性與感性發生分歧,情緒往往會凌駕於理性認知,導致人們感受到的風險與實際上的風險並無正相關,並對不熟悉事物產生過大的恐懼感。

如果大腦天生如此,我們又如何建立科學思維呢?部份科教界人士相信:「提供充分的知識與資訊能減緩人們的焦慮。」如果民眾在看到情緒渲染的新聞頭條前,能先知道該議題相關的科技知識或運作原理,或許能緩和焦慮與害怕情緒會比較緩和,進而有機會撐開理性討論與溝通的空間。

如何在科學實證與預警性原則中找到平衡?

當一個議題同時牽涉科學與社會價值,常常會演變成「重視科學實證」與「預警性原則 」兩派互相鬥爭的論述。例如「美國牛」議題中,想出口美國牛的美國政府基於科學實證原則,認為歐盟應提出證據證明其有害,而歐盟政府則基於預警性原則,認為美國政府應提出證據證明其無害。

這兩個原則並非哪一方絕對正確,政府機構或倡議團體可能在不同議題上選用不同立場,但這兩種原則持續對立並不是件好事,有沒有辦法融合科學實證與預警性原則的論點,幫助眾人做出更好的決策?

廖英凱認為「農藥殘留標準」的機制值得參考,這是由科學家提出數據,由立法委員制定在法規內的標準。法規明定業者超過就會受罰的「行政裁量標準」, 數字應小於綜合各方科學證據與考量,所估算出的「最大殘留安全容許量(Maximum Residue Level,簡稱 MRL)」。但這個數值是怎麼來的?

首先,科學家根據動物實驗(科學實證),找到一個統計上「未觀察到任何不良反應」的最大劑量,稱為「無可見有害作用劑量(No-Observed-Adverse Effect Level,簡稱 NOAEL)」。然後假設人體比實驗動物脆弱十分之一或百分之一,作為安全係數(預警性原則),兩個數值相乘後,得出人類每天可承受的安全劑量:「每日容許攝取量(Acceptable Daily Intake,簡稱 ADI)。」

圖片來源:「食安基本功」講座陳宏彰老師簡報

政府單位在設定 MRL 時,會參考國人日常的飲食習慣、國際組織標準等,以確保每日人體的「預估總曝露量」遠低於經實驗與計算而得的 ADI。這套公式讓執法人員有標準可循,同時證明,看似相衝突的科學實證與預警性原則在實務上是可以結合的。

如何在社會中建立起重視科學本質的治理架構?

風險分析三要素 圖/ILSI

廖英凱提出台大毒理學​姜至剛的風險分析圖,其中包含三大要素,分別是基於科學證據,通常由科學家與工程師進行的「風險評估」,考慮到科學、法律、經濟與社會等多種結果進行的「風險管理」,以及時時刻刻交流資訊與意見的「風險溝通」。而歐盟在食品安全議題上應用風險分析的成功案例值得參考。

歐洲食安架構下,有一個由科學家組成的機構名為歐洲食安局,其角色類似台灣衛福部國家衛生研究院。這群科學家負責進行科學實驗(風險評估)和傳播科普(風險溝通)。

當歐盟執委會收到歐洲食安局提交的科學報告與技術文件後,會根據歐盟自身的價值觀(例如基於預警性原則反對基改食物)、會員國的經濟狀況、國際政治情勢等要素,進行價值觀的判斷和選擇,(風險管理與風險溝通),做出屬於歐盟的政策,再交由底下會員國的食安管理機構去執行。

從科學研究到政策制定,如何走得更順暢?

談到制定與科學相關的政策時,大多數的人會太快跳到法條制定、利害關係人等後端環節,但從科學研究到政策制定之間,我們還有太多工作要做,包含把研究成果轉譯成大眾能理解的科學普及、透過多元素材擴散的科學傳播,建立民眾科學思維的科學教育,促成公民的參與討論等,這段過程兼具事實認定與價值判斷,兩者缺一不可。

最後,廖英凱總結出社會全體在面對社會性科學議題的三個重點:

  1. 理解社會性科學議題具有不確定性,以及基於知識建構與認知功能的知識傳播,而非認為把知識單方面塞給民眾就會被吸收。
  2. 讓風險溝通、科學傳播成為政策的標準配備,而非等政策出台後才開始宣傳。
  3. 設計出兼容科學實證與預警性原則的體制。

本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

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valerie hung
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興趣多多,書籍雜食者,喜歡問為什麼,偶爾也愛動手嘗試。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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大科學人專訪|泛科學共同創辦人 鄭國威:科學素養的第一步是勇敢地承認自己並不知道
LIS_96
・2022/09/29 ・2930字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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他是鄭國威,在社群網路上大家都叫他 Portnoy,是 PanSci 泛科學的共同創辦人。Portnoy 從關注媒體改革開始,一路走到成立全台最大科學網站社群。但你可能會很意外,鄭國威在國、高中時期也曾對數理非常排斥,最後選擇文組是為了逃避學不好的數理。直到在研究所接觸「啟發性」教學,才正式開啟鄭國威挖掘科學知識的興趣,以及創辦國內最大科普網站的動機。科學是生活,舉凡食、衣、住、行、育、樂,都可以看見科學的影子。鄭國威正透過網路平台、社群內容和實體線下活動,拉近你我與科學的距離。

關於 Portnoy 的求學歷程故事與教育觀點,邀請你一起往下閱讀>>>

曾是一位透過考試來定義自己的孩子

Q:在國小、國中、高中有遇過什麼「有成就感」以及「特別挫折」的經驗?

鄭國威:我小時候其實是還滿擅長讀書,但到了國中,國一下學期我的數理科目成績一落千丈,一方面覺得學習受挫,自己的自尊心受到嚴重打擊。一方面因為我小學成績很好,因為還滿自傲的,所以變得有點無所適從,那是很複雜的情緒。後來就開始作弊,這段經歷我在很多演講場合都有分享過,國一下學期我竄改成績單,不想讓我的爸媽和我的同學感覺到我變成一個笨蛋,就一直偽裝和掩蓋事實,最後事情還是爆發,這段經歷是我學習上很大的挫折。

我唸研究所之前,都非常討厭數理科目。小時候我喜歡科學,是因為我很容易得到很好的成績,但是當我上了國中,成績不好、掌握不到學習方法,我開始自我懷疑,透過作弊逃避掩蓋沒有學好的事實。我並沒有思考如何讓自己更好,也因此抗拒數理學習,所以我選擇文組,我就是一個文科生,一直到大學唸讀的是外語系。

不過到了研究所,我有了新的學習狀態,因為選擇自己想要念的學科,學得比較主動積極,學習的步調也比較能自己控制。研究所的教法跟以前不太一樣,是很啟發性的教學法,漸漸找回我是「有能力去讀懂,可以學會很多東西的信心」。這段求學歷程對我現在做泛科學有很大的影響,我希望能讓更多跟我一樣國高中,特別是國中,因為數理不好放棄討厭科學的人,在長大後重新愛上科學、重新了解科學價值和重要性。

研究所的經歷,讓鄭國威對於「學習」的看法有很大的啟發。 圖/envato.elements

考試不是一張考卷而是一台體重機

Q:您覺得「考試」的意義的是什麼?

鄭國威:我們對「考試」其實都有錯誤的認識,可能是環境造成的錯誤認識,讓我們覺得沒有達到「某個成績」就是不好,也漸漸讓教育體制走向「考試領導教學」的模式。我覺得考試應該像是「量體重」,因為想要有健康的身體,我們會去量體重,但不會因為沒有達到幾公斤,就覺得自己錯了。

「測量的過程」是讓我們了解我們「目前的狀態」是什麼,考試應該是這樣的價值,是一種幫助我們了解現況的方式,每個考核的結果,並不代表我們是怎麼樣的人,反而是讓大家知道自己現在的狀態,進而能思考下一步應該做什麼。

如果環境能幫助學生了解考試的意義,考試還是很有價值的。

科學素養的第一步是勇敢地承認自己並不知道

鄭國威:小時候所遇到的學習挫折,可能都來自「學習要展現出我知道,考試也要展現出我知道」,其實科學的起源就是來自於「我不知道」。對於我不知道這件事情,應該要感到越來越興奮和期待,並且往更多的「我們不知道」去尋找,而不是一直證明自己是全知的。

我們活在複雜多變的時代,需要知識來建構安全感,我們很難避免這種一直覺得自己需要知道的狀態,自己要很快給出答案的衝動。當我們重新理解科學的價值,就會了解到:「其實這個世界並不缺一個人去唐突、武斷地說自己知道什麼,而是缺乏更多承認自己不知道什麼的人」。

如果不是現在的自己覺得自己會在哪裡

Q:如果可以回到學生時代的某一個時間點, 你最想對那時候的自己說什麼?或是做什麼不一樣的決定?

鄭國威: 所有的過去都塑造了現在的自已,如果可以我不希望變動什麼。我們都看過科幻電影,想回到過去改變缺憾,但所有科幻故事都告訴我們結果會很糟糕(笑),所以我不想做這 樣影響時間線的事情。

 這樣的假設有太多可能,可能是多元宇宙,可能是昆蟲、微生物,或可能我死掉了! 每個人的哲學觀會選擇要怎麼去回答這個問題,但如果是我的哲學觀,我會選擇不要為過去的 事情後悔,接受這些事情,我只活在這個時間線,我就好好活下去,不去期待別的時間線的自己。

成為孩子的知識共同體「以身作則」

Q:我們知道你還有一個角色就是家長,可以跟我們分享你的教育觀嗎?

鄭國威:很多人會問我是否給我女兒菁英教育、科學素養教育,但我唯一的原則是「成為她可以參考的知識共同體」,也就是「以身作則」這四個字。講比較完整是當我的孩子遇到猶豫、遇到挫折,她痛苦了,她能想想生活中遇到這個情況「她的爸爸會怎麼做」,這是我能給她最好的教養。如果我希望她養成閱讀習慣,我會天天閱讀,如果我希望她喜歡大自然、喜歡科學,那我自己就會去喜歡,從自己先做起。如果我希望孩子常常跟我分享學校的事情,我就要先分享我工作發生的事情,這是我唯一掌握的原則。

「成為她可以參考的知識共同體」,也就是以身作則,是鄭國威唯一的教育原則。 圖/envato.elements

聽到鄭國威的分享,讓我們想到世界上最有名的科學家之一理查費曼,他的父親是費曼的科學啟蒙老師。「將科學融入生活」是費曼父親的教育理念,尤其注重小費曼「科學思維」的培養。費曼的父親以身作則,給小費曼各式的實例和討論,激勵小費曼對所有科學領域的興趣和熱忱。

響應本次「LIS 第二季大科學計劃」, 鄭國威分享給我們的大科學人宣言:

❛❛ 科學的第一步,承認自己對許多事情都不知道 ❜❜ ── 鄭國威

這句話也呼應著科學素養的重點不在於考試考高分,而是質疑與發問精神的培養,擁有獨立思 辨、實事求事、問題解決的能力,這正是 LIS 情境科學教材正在努力的方向! 

邀請您一同成為各行各業中的大科學人,您的捐款將支持「科學公益教材」的穩定開發,一起 支持台灣科學教育,讓孩子從小開始像「科學家一樣思考」,帶著自信長大成為各行各業中「 永保好奇」、「邏輯思辨」的大科學人!

【LIS 大科學計畫 ✦ 第二季】|將於928教師節暖心上線 ▸▸▸▸▸▸▸

❛ 教育不只是老師的事,這是我們的任務,下一個世代的科學史,現在就得開始寫起! ❜

每月小額捐款,就能支持全台十萬名孩子都期待的科學教材:https://bit.ly/3rdbOlE

LIS_96
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LIS ( Learning in Science )情境科學教材,成立於2013年7月,是一個非營利組織,致力於為國中小自然教師及學生,設計有別於填鴨教育的科學教材,協助教師進行STEAM和科學素養導向的教學,讓教師更簡單地進行教學創新,幫助更多孩子找回對科學的學習動機,並培養解決問題的能力。 在 Youtube 頻道【LIS情境科學教材】上,我們會即時更新所有LIS教材的影片,而完整的教案、學習單,亦同步上傳於【LIS教材平台網】歡迎您前往瀏覽完整內容。

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廖英凱認為,如果把所有科學知識當作一個區塊,外部為非科學(此處定義為社會),上述這些議題都落在「科學與社會的邊界」上。如果想降低議題發生的情況,我們可以從三方面進行:

  1. 在科學領域進行科學教育、普及與傳播。
  2. 在科學與社會的邊界上,嘗試消除科學實證與價值觀拉鋸的衝突。
  3. 在社會領域中,理解社會性科學議題具有不確定性為基礎,建立重視科學本質的治理架構。

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接著,廖英凱引用現任副總統,也是國際知名流行病學家陳建仁,在 2009 年的一段文字:

「我們常常高估無法自我管控的風險,像飛機失事、焚化爐排放戴奧辛、核電廠輻射外洩等,而感到恐懼害怕;但是對於可以自我管控的風險,像戒菸、戒酒、戒檳榔、騎機車戴安全帽而不超載、開車繫安全帶而不超速等,反而常常加以低估而不自覺。」──《販賣恐懼:脫軌的風險判斷》推薦序

為何大腦對風險判斷有這般奇怪的標準?科學家在 1990 與 2001 年的研究中發現,大腦下決策的過程來自兩個部位,一個是掌管理性與邏輯的前額葉,另一個是掌管情緒與感覺的大腦邊緣系統。一旦理性與感性發生分歧,情緒往往會凌駕於理性認知,導致人們感受到的風險與實際上的風險並無正相關,並對不熟悉事物產生過大的恐懼感。

如果大腦天生如此,我們又如何建立科學思維呢?部份科教界人士相信:「提供充分的知識與資訊能減緩人們的焦慮。」如果民眾在看到情緒渲染的新聞頭條前,能先知道該議題相關的科技知識或運作原理,或許能緩和焦慮與害怕情緒會比較緩和,進而有機會撐開理性討論與溝通的空間。

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首先,科學家根據動物實驗(科學實證),找到一個統計上「未觀察到任何不良反應」的最大劑量,稱為「無可見有害作用劑量(No-Observed-Adverse Effect Level,簡稱 NOAEL)」。然後假設人體比實驗動物脆弱十分之一或百分之一,作為安全係數(預警性原則),兩個數值相乘後,得出人類每天可承受的安全劑量:「每日容許攝取量(Acceptable Daily Intake,簡稱 ADI)。」

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從科學研究到政策制定,如何走得更順暢?

談到制定與科學相關的政策時,大多數的人會太快跳到法條制定、利害關係人等後端環節,但從科學研究到政策制定之間,我們還有太多工作要做,包含把研究成果轉譯成大眾能理解的科學普及、透過多元素材擴散的科學傳播,建立民眾科學思維的科學教育,促成公民的參與討論等,這段過程兼具事實認定與價值判斷,兩者缺一不可。

最後,廖英凱總結出社會全體在面對社會性科學議題的三個重點:

  1. 理解社會性科學議題具有不確定性,以及基於知識建構與認知功能的知識傳播,而非認為把知識單方面塞給民眾就會被吸收。
  2. 讓風險溝通、科學傳播成為政策的標準配備,而非等政策出台後才開始宣傳。
  3. 設計出兼容科學實證與預警性原則的體制。

本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

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valerie hung
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興趣多多,書籍雜食者,喜歡問為什麼,偶爾也愛動手嘗試。

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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

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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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