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倫理難道不重要?基因編輯的爭議性在哪?——《上帝的手術刀》(中)

PanSci_96
・2019/04/09 ・3152字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

自古以來,主流價值總是滯於科學發現

到了今天,相信不會再有任何有理性思維的人還會仇視屍體解剖,或否定屍體解剖在醫學研究和臨床教育中的作用。與之類似,許多我們現在耳熟能詳、習以為常的事物,在誕生之初也經受過倫理層面的非議,從扼殺生命的保險套到製造生命的試管嬰兒,從洗澡導致的鼠疫到只有下等人才吃的牛肉,從割斷龍脈的火車到攝取靈魂的相機……滴水穿石、繩鋸木斷,我們在歷史中看到的是人類社會的進步,緩慢而毫不猶豫地挑戰、摧毀或重塑固有的倫理判斷。而科學進步在其中發揮了重要作用。

圖/publicdomainpictures

那麼,今天的我們是不是應該樂觀地相信,現今圍繞著基因編輯的倫理衝突,未來的某一天也會進入人類的日常生活,甚至變成人類主流價值觀的一部分呢?

不得不說,倫理觀總是滯後於科學發現,甚至也滯後於社會變化本身。原因其實並不奇怪,所謂倫理,大致上代表的是對事物「對」「錯」的判斷,這種判斷必然源自於某時、某地、某個群體中主流的生活方式和價值觀。而主流人群的生活方式和價值觀的變化總是緩慢的,滯後於科學發現的。

比如說,在中世紀歐洲鼠疫肆虐的陰影下,驚慌失措的歐洲市民將鼠疫傳播歸咎於洗澡以及疾病會從皮膚滲入,從而形成了洗澡的禁忌,其背後的心理和社會基礎大可以理解。而這一社會倫理觀念的變化,則要等到歐洲人對鼠疫發病機轉逐漸有所瞭解以後。如果試圖用一把「放之四海而皆準」的倫理尺去衡量,在太陽王路易十四一輩子只洗 7 次澡的時代,宣稱洗澡無害有益,甚至公開鼓動洗澡大概就是觸犯「倫理紅線」、值得天下共討之的叛逆舉動吧?

吾一生只洗七次澡。圖/wikipedia

也就是說,如果科學和人類價值觀出現衝突的時候,請別忙著扣帽子或者亂棍追打,我們可以給科學一點耐心和寬容。如果證明科學有益無害,最後一定會成為人類價值觀的一部分。

那是不是說科學最大,科學面前我們完全不需要顧忌倫理呢?也不是。

倫理存在的必要性與其灰色地帶

雖然說科學進步在歷史上確實經常挑戰和重塑人類價值觀,但在某時某地的某個具體場合,倫理不是可以「任人打扮的小女孩」。有些價值觀範疇的「紅線」,確實是包括科學研究在內的人類活動所需要遵循的。舉例來說,有一條底線我想讀者們應該不會反對:

科學研究的底線,是不傷害其他人類個體。

但是單就基因編輯和基因治療的問題上,如何界定「其他人類個體」,又如何定義「不傷害」,並沒有那麼容易!
先說「其他人類個體」的定義吧。不分國界、性別和種族,你們應該都認同彼此是其他人類個體。然而這個概念只要稍微往外延伸,就馬上會碰到倫理和法律的灰色地帶。

墮胎合法化的訴求。圖/flickr

在 1973 年羅訴韋德案的判決中(Roe vs. Wade),美國最高法院認定孕婦流產權受到憲法第十四修正案「人的自由」條款的保護,這等於認定胎兒並不受到同為第十四修正案中關於「人的生命」的相關條款的保護。依照這個精神,「胎兒」並不等同於「人類個體」。而與此同時,最高法院判決中又照孕期長度將胎兒分為三類,孕期最後三個月的胎兒即使離開母體也有很高的存活可能率,因此最高法院允許美國各州自行決定此期間是否需要禁止墮胎(見下圖)。綜上所述,一個人類胎兒是否被當成「人類個體」事實上就存在極其複雜的判斷標準,不僅取決於他/她有多大,還取決於他/她的母親身處哪個年代,又居住在哪個國家哪個州!

美國各州墮胎法律的區別(2013 年資料) 圖中深紅色標識的州禁止在孕期最後三個月中墮胎,除了孕婦生命和健康受威脅的情形以外。圖/大寫出版

而現代生物醫學技術的發展又進一步把問題複雜化了。

舉例來說,雖然各國對胎兒地位的法律界定有所差別,但通常來說都允許基於醫學原因的流產。舉例來說,如孕期唐氏症篩檢呈陽性,母親是可以選擇流產的。那麼是不是說發現有遺傳病風險的胎兒和未發現遺傳病的胎兒可以被區分為「人」和「非人」?這種區分的法律和倫理基礎是什麼?我們還可以繼續循著這條線索提出疑問,未受精的人類生殖細胞(精子和卵子)是不是「人類個體」?體外受精的受精卵算不算「人類個體」?在體外發育到哪個階段的受精卵算是「人類個體」?如果它們可以被認為是「人類個體」,那麼在體外進行包括人工受精和篩選在內的操作合乎倫理嗎?如果它們不是「人類個體」,那麼「人類個體」在科學意義上到底是否具有可操作性的判斷標準(例如,發育到哪一天哪一秒,或者幾個細胞狀態的胚胎具有「人類個體」的地位)?

未受精的人類生殖細胞(精子和卵子)是不是「人類個體」?圖/wikimedia

可以想見,把「人類個體」的紅線劃在其中任何一個地方都會引發巨大爭議,而且身處不同時代、不同國家、不同文化中的人們對這條「紅線」位置的容忍度也會有巨大差別。非要用某時某地的標準強行套在他時他地的科學研究中,則可能有刻舟求劍的嫌疑。

所謂的「不傷害」,又該如何定義?

我們再來說「不傷害」。如果一種行為對其他人類個體帶來了單純的負面影響,當然可以認為是違反了「不傷害」紅線。但是人類行為本身是高度複雜的,如果一種行為既有傷害性又有益處該如何界定呢?比如說拔牙。在現實社會中,解決方案相對簡單──當事人的知情同意是很關鍵的衡量因素。但是我們一旦把討論範疇擴大到生物醫學前端,法律實踐就立刻顯得毫無用武之地。

圖/pixabay

很顯然,不管是體外受精、胎兒唐氏症篩檢,還是利用 CRISPR/cas9 技術編輯人類生殖細胞或人類胚胎,當事「人」都不可能表達意見。我們甚至可以虛構出這個情景來:依我們目前對 CRISPR/cas9 技術的掌握,很難 100%避免修改致病基因的同時,又對基因體其他無關位點進行非特異性的修飾(脫靶效應)。換句話說,CRISPR/cas9 技術在做治療遺傳病的「好事」時,確實也存在亂改基因體(做「壞事」)的可能。那麼這樣的治療方案有沒有違反「不傷害」的「紅線」?

我們也同樣可以反過來發問:

如果我們有在胚胎階段修改致病基因的能力而沒有這樣做,患病嬰兒出生後,是否可以反過來譴責我們的不作為違反了「不傷害」的底線呢?

將「不傷害」的原則再延伸一下會更加複雜。我們已經討論過治療、預防和改善的區別。治療一種疾病是做「好事」,這一點相信大多數人都會認同。

圖/pixabay

但是,如果可以預防疾病而不預防(比如我們討論過的,透過修改 CCR5 基因預防愛滋病),算不算是在「傷害」懵懂無知的胎兒,尤其是如果他/她將在愛滋病高危的環境裡出生?更有甚者,如果有一天人類社會真的普遍接受了修改人類胚胎,孩子們變得更聰明、更強壯,也更漂亮了,那麼堅信「人類不應該隨意修改自身」的父母們會不會是在「傷害」自己的孩子呢?

 

 

 

 

 

本文摘自《上帝的手術刀》,2019 年 1 月,大寫出版

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凡事都想知道「為什麼」,是踏入科學探究的第一步——《教出科學探究力》
親子天下_96
・2022/08/14 ・2566字 ・閱讀時間約 5 分鐘

在某個燠熱難耐的夏日午後,你打開電風扇,卻發現吹出來的風好像比印象中來得小。你眉頭一皺,覺得案情並不單純。就在走近電風扇的那幾步裡,好幾種可能性閃過心頭:

「會不會是按錯按鈕了?」、「會不會是扇葉太髒了?」、「會不會是轉軸黏住了?」、「會不會是⋯⋯?」這些猜想背後,都是根據你對電風扇原理的一些些認識才會做出的假設。

當你打開電風扇卻發現吹出來的風好像比印象中來得小,心中會冒出許多假設。圖/Pexels

在提出疑問和假設之後,尋找問題的答案

靠近電扇之後,你看到按鈕確實是按下了「強」。接著你切斷風扇電源,看了看扇葉,發現確實有點髒,於是把電風扇拆洗後裝回去,再按下按鈕。結果風吹起來,就如同你印象中的那麼涼了。這證實了你的第二個猜想,並且解決你所關心的問題。

上述這樣的過程,其實就是「察覺差異,提出問題」、「根據理論,連結現象」、「提出假設,進行驗證」、「預測結果」等等的探究過程。

再舉個例子。

我有一天走在馬路上,看到白色分隔標線的一端閃著黃色的光。我心想:「難道馬路地上埋了一顆黃色的燈?是要作為交通警示用途嗎?」

我覺得奇怪,記得前幾天沒看到這裡有燈。接著我把視野放大,往左往右看了看周圍。發現有一台車停在遠處,車頭開啟方向燈,燈是黃色的,而且還在閃爍。然後我馬上注意到,兩者閃爍的頻率是相同的。

於是我有了新的猜想:「地上的神祕閃光,非常可能來自於汽車閃爍的方向燈的反光。」

但是柏油路面怎麼會反光呢?

仔細一看,地上似乎有一小灘水。汽車的方向燈發出來的光,剛好通過那一小灘水的反光進到我眼睛,讓我覺得地面在發光。接著馬上一台車經過,就擋在方向燈和積水的中間。我看到的亮光馬上消失,證實我的第二個猜想是正確的。

你可能會猜想:「地上的閃光,可能來自於汽車方向燈的反光。」但是柏油路面怎麼會反光呢?圖/Pexels

「哪裡怪怪的」這個念頭,會帶領我們尋找答案

像這樣的心智活動,在我們的生活中無時無刻都在進行著。只要我們發現「哪裡怪怪的」,腦袋幾乎就會立刻啟動探究的機制:

  • 廚房怎麼那麼多螞蟻?(察覺問題)
  • 是不是有食物殘渣沒有清理乾淨?(根據理論提出假設)
  • 仔細觀察一下,發現⋯⋯(得到結論)

既然這些能力是我們原本就自然會的,那又為什麼要學呢?因為我們雖然很習慣對於意料之外的事情展開探索,但是以直覺來進行思考及解決問題的方式,往往並不太科學。

抓住內心的每次疑惑,成為具有好奇心和探究心的人吧!圖/Pixabay

古人說的「地牛翻身」,其實也是一種探究的精神

古人在觀察自然現象的時候,會提出自己的解釋。例如面對地震的時候,台灣民俗的說法是「地牛翻身」,日本民俗的說法則是「棲息在地底的大鯰魚搖動身體」;至於日食在中國的傳說中是「天上的狗把太陽吃掉了」。

於是後人也會根據這些「理論」來規劃解決問題的方法。例如,綠島人認為地牛不只一隻,還會彼此打架,所以地震時要敲打金屬臉盆來分開牠們;同樣的,古時候的中國人看到日食,也會敲鑼打鼓、放鞭炮來趕走天狗。

有趣的是,根據這些「理論」採取的「實驗」,還真的每一次都會成功喔!一代又一代的人反覆進行著下圖這樣的實驗,所以千年來人們始終對這些「理論」深信不疑。

如果你是一位受過基礎科學教育的公民,這時候可能就會提出質疑,認為這樣的實驗並沒有對照組。

例如下一次出現日食的時候,如果不要敲鑼、打鼓、放鞭炮,日食是不是也會結束?如果不這麼做,日食仍然會結束的話,那麼用敲鑼打鼓的方式趕走天狗的假說就會受到挑戰了。

當然,在一個深信天狗傳說的社會中,沒有人會膽敢拒絕敲鑼打鼓,不然萬一太陽真的就被吃掉而永遠消失了,這責任誰負擔得起?用這個角度來看會發現,有時候要突破傳統,其實是一件非常困難的事情。

恐懼源自於未知:想消除恐懼,需要探究未知

人對於未解的現象,往往會用隨意的想像與歸因來尋求解釋,用很直覺的方式來建立對自然現象的理解,也是人類天生的習慣。

直到距今兩千六百多年前,古希臘哲學家泰利斯才撥開直覺的迷霧,主張應該拒絕再用人格化的神祇來解釋自然現象,而是要藉由理性的假說來理解和解釋自然現象。但即使西方在兩千六百多年前已經出現這樣的思想,但近代科學真正臻至蓬勃發展,還是近半個世紀內的事情。

正由於科學的研究和思考方法並不直覺、並不符合人類的天生習慣,所以必須透過後天的教育與訓練,才能慢慢熟練並妥善運用在生活之中。

雖然探究是我們的天性,但是具有科學素養的探究卻不是天性,無法一蹴可幾。就像科學家需要訓練有素的探究技術,才能做好自己的研究。

一般公民也需要具備科學探究的素養,來幫助自己在面對生活中諸多不熟悉的現象時,能運用一套思考和研究的方式來做判斷,特別是幫助我們更加注意到生活中不尋常的現象,能對許多直覺、缺乏事實支持的歸因有更高的警覺。

正因為我們的生活離不開探究,所以更應該透過學習來提升探究品質。這正是國民教育自然課程中所應教會每個公民的事情。

——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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不要過度指導!如何兼顧規矩與探索,才不會扼殺孩子的與生俱來的探究之心?——《教出科學探究力》
親子天下_96
・2022/08/13 ・3039字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

孩子天生就充滿好奇心:看到就想摸、摸到就想吃

觀察是探究之母。觀察是多面向的,每個孩子一出生、開始有知覺感受,就展開他的觀察旅程。他們會用手去抓身邊的任何東西,也常常會把東西放進嘴裡。

他們總是很想知道,身邊這些東西是「什麼」?

等孩子長大一點之後,也都會經歷一段破壞力很強的階段,拿到筆就想亂畫,拿到什麼裝置就想把它拆開看看,在外面看到車子就會想摸一下,看到水坑就想踩下去。直到父母對他們說過無數次「不可以」之後,他們才慢慢「變乖」。不再亂畫,也不再亂摸、亂踩。

孩子大一點之後會經歷一段破壞力很強的階段,拿到筆就想亂畫,拿到什麼裝置就想把它拆開看看。圖/Pexels

放心讓孩子探索世界吧!會飛快的成長

當然,好奇心會殺死貓,也會造成危險。我不是說小孩做任何事都該被鼓勵,不需要被教育,他們當然需要被指導去適應安全和社會規範,慢慢的學習做出適當與安全的行為。

許多時候父母心無餘力,只能用最快速、有效的方式告訴孩子:「不行」,讓他們快速學會某些規範。

然而當大人對於孩子所有的探索,給予的回應一律都是「不行」,就可能會讓孩子失去許多探索與發現的機會,因此,大人需要多花一點心思,讓孩子在合適的情況下進行探索。

如何在「讓孩子盡情探索」和「維護孩子安全與家庭整潔」的拉扯之間進行權衡,是相當考驗家長智慧的事,不過我想提醒的是:許多小小孩的遊戲,像是那些亂摸、亂咬、亂拍,常常是他們的「實驗方式」,只要在安全的前提下,有時候家長不妨放手讓他們試試看。

大人需要多花一點心思,讓孩子在合適的情況下進行探索。圖/Pexels

平時家長如果心有餘力,不妨在家裡準備一面牆,告訴孩子:「在這裡,你畫什麼都可以。」當孩子用手觸摸路上的車子時,可以停下來請他看看手指說:「你看看手指上有什麼?」然後幫他擦一擦,繼續往前走;偶爾可以在下雨時,幫孩子穿上雨褲、雨鞋,告訴他:「你今天可以盡情踩。」在確定水坑不深、安全的情況下,踩水坑是很過癮的。

這些看起來不受控的孩子亂玩行為的背後,潛藏的是孩子不受局限、對世界充滿好奇的心靈。

孩子對世界的各種探索與觀察,一開始或許的確看不出什麼「成果」,但長期下來就會累積非常多的經驗,成為更多、更深入觀察的基礎,逐漸將觀察結果轉化為一個個疑問的素材。

避免 Emotional Damage!試著不過度干涉

等待小小孩長大一點,口語、繪圖、書寫等能力更好一點時,他們就會用說的、畫的或寫的,把他們觀察到的有趣事物記錄下來。家長其實只需要扮演跟小孩對話的角色就行了,多跟他們聊聊他們說的、畫的、寫出來的東西。

除非他們來求助,說他想要描述某件事物,但是一直做不好,希望父母幫他想想辦法,否則大人無須給他們太多的指導規定。藉由一些對話,有時當父母表達一些閱聽之後不理解的點,對孩子來說就能提供許多幫助,因此不需要太過積極的過度指導。

「過度指導」一直是我觀察到台灣父母容易犯的教養錯誤。

父母常常沒辦法忍受孩子的作品太過幼稚,於是忍不住過度指導、甚至直接插手協助。例如我的孩子小時候,曾發生一件讓我印象深刻的事。

有一年放寒假前,幼兒園發給每個小朋友一個白色的紙燈籠,讓他們回家完成彩繪,作品將在元宵節那天掛在幼兒園裡展覽。我們讓孩子依自己的想法創作,想當然,成品就是一個沒有受過訓練的中班小孩能畫出來的樣子。

但到了元宵節當天,我們卻在幼兒園看到一盞比一盞更精美的燈籠。

幼兒園舉辦燈籠彩繪的活動,原想讓孩子們自由發揮,但到了元宵節當天,我們卻在幼兒園看到一盞比一盞更精美的燈籠。圖/Pexels

台灣父母對於這種會產生公開比較,或甚至會有比賽名次的場合,似乎極端敏感,常會希望自己的孩子在那些場合中展現出「神童等級」的作品,而不是符合那個年紀的孩子、真正屬於孩子的作品。

父母彷彿等不及孩子能在一夕之間長大,展現羨煞旁人的天賦,交出一份大人眼中「成熟」的作品。

但請別忘了,長大需要時間,成熟必經歷練,等待與陪伴的耐性,是台灣父母必須學習的功課。

學會放手!讓孩子探索出更多的「為什麼」

等到孩子的能力更成熟一點,當然就可以指導他們用不同的技巧有系統的進行記錄。

我們總是會把觀察到的許多現象納入自己大腦的經驗庫中,也會將讀到的知識一併納入。我們常會自動合理化許多現象,也必然會把觀察到的現象進行分類、歸納、推理。

但只要累積得夠多,就一定會發現許多新的現象和原本認定的分類方式或推理有矛盾,或是對現存知識產生無法理解的現象。這些無法理解或矛盾的訊息,就會促使我們提出一個「為什麼」的問題。

許多孩子成長到某個階段,都會開始瘋狂的問「為什麼」,這段時間也常常是父母最難招架的時期。大人面對孩子的「為什麼」問題時,常常直覺想到的回應就是直接告訴孩子自己腦中記得的答案,如果不清楚的話,就打開電腦查一下 Google 就行。

大部分情況下,我認為家庭裡若能出現這樣的對話與互動是很好的。不過有時候,我們可以對那些「答案」提出一些質疑:「這個答案是真的嗎?」、「我們有辦法證明嗎?」、「他們怎麼知道的?」、「有其他可能性嗎?」有時候我們也可以和孩子一起,試著尋找屬於自己的答案。

別強硬灌輸「權威式」答案!以顏色吸熱能力為例

我們家的小朋友在幼兒園時期,有一次聽到老師偶然提到「黑色的東西比較會吸熱」,當時老師等於提供了這個權威的答案。

小朋友回家提到這件事情,我就問他說:「這是真的嗎?我們來想個辦法實驗一下吧。」我隨手拿了一張白紙和黑布,蓋在兩支溫度計上,然後打開一盞 100W 的白熾燈泡照在上面,過幾分鐘,果然觀察到黑布下的溫度計溫度上升得較多。

「黑色物品較容易吸熱」在孩子的眼中可能會有別於常人的「其他可能性」。圖/Pexels

正當我自我感覺良好,一招實驗就讓小朋友心服口服時,他馬上提出問題:「爸爸,可是我覺得是因為黑布上有很多洞,但是白紙上面沒有洞,所以黑布才會比較熱。」

喔,我的天!原本想說小朋友好騙,隨便弄個實驗就想糊弄過去的結果,就是馬上被打臉啊!一給小朋友機會,他也馬上提出「有其他可能性嗎?」的問題。讓我只能馬上拿另一張白紙,在上面塗黑之後,再做一次實驗,小朋友才心滿意足的相信。

——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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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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