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透過科學的眼睛看世界,也可以浪漫又熱血!——本文摘自《晨讀10分鐘:科學跟你想的不一樣》

親子天下_96
・2019/07/18 ・1182字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 488 ・五年級

文/雷雅淇

「我們DNA 裡的氮元素、牙齒裡的鈣元素、血液裡的鐵元素,還有我們所吃食物裡的碳元素,都是曾經大爆炸時的萬千星辰散落後組成的,所以我們每一個人都是星塵。」這是天文學家卡爾.薩根(Carl Sagan, 1934 -1996)曾說過的話,也讓我們感受到:科學家的眼中,是有另外一個浪漫宇宙的。

科學家眼中的宇宙,其實是很浪漫的。圖/pixabay

說到科學,總讓人感覺理性、冰冷、不留情面;科學家直面的是物質世界,而科學的目的即是藉由觀察和實驗,去了解世界各種現象背後的原理,並透過不斷的累積,然後歸納、化約成定律。接著再去探尋下一個現象,然後再試圖解釋,並一直重複這個循環的過程。

科學思考是違反直覺的,我們必須要去壓抑想要馬上解釋並得到答案的衝動,經由相對客觀的觀察與實驗去歸納出規則,儘管這可能不一定是最終的解答,對科學家來說仍是眾多心血,又或是一輩子、甚至是好幾個世代的共同探尋。

而這樣對自然炙熱的眼光,所看出去世界其實是相當浪漫的!這個章節的選文,讓我們試著去看看科學怎麼熱血的去回答你我身邊都有可能會碰到的問題。比如說,貝氏定理的實踐不只在課堂,在〈情人的加分扣分,請遵守貝氏定理〉裡我們來看看他如何有機會在你與人相遇、去算他是不是你真命天子或天女的機率!

湯圓浮起來跟糊化反應有關喔。圖/wikimedia

還有還有,爸媽老是會說煮熟的湯圓會浮起來,但你知道這跟糊化反應有關嗎?〈煮熟的湯圓為什麼會浮起來?〉裡會告訴我們,在廚房裡,它有除了煮湯圓水餃之外更廣的應用。

身而為人我很抱歉我會挑食,不過也不用太有罪惡感。〈「它根本不是人吃的東西!」這是大腦在面對討厭食物時的內心吶喊〉裡介紹了科學家做的有關挑食的研究,發現對於挑食的人們來說,大腦看到這些食物的時候根本就不把它當作食物。

諸如此類在我們看球賽、日劇的時候,又或是在我們面對生活的時候,科學知識其實是調味料。人們很早就在仰望星空,或許這就是人類最早對於自然的觀察吧!而逐漸的,透過科學家的追尋,我們從星空中逐漸知道了宇宙的誕生,構成你我的分子是如何而來的,這是我所能想到最浪漫的事了。

讓我們從這些直面科學的人、跟科學共處的人,去看看他們眼中浪漫的世界吧!

 

——本文摘自《晨讀10分鐘:科學跟你想的不一樣》,2019 年 6 月,親子天下出版

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以科學為本!從 DNA 探索大未來——百濟神州(BeiGene)Kids Science 生物科學營,為小小醫生科學家鋪路!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/27 ・3668字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 百濟神州(BeiGene) 委託,泛科學企劃執行。

「小朋友們,當爸媽或家人生病時,你的心情如何?擔心、焦慮、想辦法讓他們好過一點?」

「希望家人最好不要生病」、「吃藥看醫生才能快快恢復」這是來自孩子們最純真直接的回應。

全球前 50 大生技製藥大廠百濟神州(BeiGene)副總裁暨細胞治療研發中心負責人黃士銘,日前率近 20 位企業志工和家人們一起至坪林國小,在泛科學協助下,舉辦「Kids Science 小小生物科學營」。課堂上,身為生物科學家的他,首次擔綱一日業師,在活動一開始即拋出了上述這個情境題,引導孩子們思考生物科學,其實是一門很有意義的學問,不僅貼近日常所需、更能真實地幫助許多人。

黃士銘表示:「BeiGene 是一家以科學為本,專注於創新癌症藥物研發,我們與全球各地科學家及醫師緊密合作,以病人至上的精神,致力為全世界患者帶來可近性及可負擔的高品質藥物。」身為一位科學家,我們相信『改變治癒未來』(Change is the Cure)。先進科學改變人類生活,而醫療科學為人類帶來治癒的力量。因此,在台灣,我們與這塊土地最頂尖的科學人才共同努力,專注於細胞治療在癌症醫學領域的研發,也因為台灣向來是生技產業人才搖籃,這更讓我們重視到,科學教育從小紮根的重要性,讓小朋友從早期開始培養科學核心素養,豐富孩子們的知識和視野,希望啟發他們對於生物科學的興趣。我們很期待透過 BeiGene 「Kids Science 小小生物科學營」,拋磚引玉,讓更多人重視科學教育的環境,挹注多元教學資源,發揮共好影響力,為台灣培育更多優秀的生技人才。

BeiGene 副總裁暨細胞治療研發中心負責人黃士銘,率近 20 位企業志工和家人們前進坪林國小,讓偏鄉小朋友從小開始培養科學核心素養。圖/BeiGene

有鑑於此,秉持以科學為本、病人至上的 BeiGene,致力「培育未來生物科學人才」作為品牌 ESG 關鍵的當責行動。於是乎,當觀察到台灣偏鄉科學教育資源與師資分配不均的狀況,便與全台最大科學知識社群–「泛科學」聯手,舉辦「 Kids Science 小小生物科學營」,BeiGene 企業志工於假日帶著家人們,前進新北市坪林國小進行教學活動,為偏鄉學童種下科學教育種子,希望藉由對生物科學的體驗與實驗過程,提升偏鄉學童對於環境觀察的敏感度與科學的認識基礎。

BeiGene 「Kids Science 小小生物科學營」,為學童打造出「適齡、適性」、結合理論與手作的生物科學探索課程活動。圖/BeiGene

生物科學樂趣多! 啟發學童對科學創造的想像

小學階段是最適合紮根科學教育的時期,但偏遠地區的學校由於交通不便與地理人文環境特殊,造成師資、設備、資源不足等情況。若能引進多元的教學資源,開啟偏鄉孩子們不一樣的視野,便能在科學的啟蒙之路上,燃起他們的學習熱情、啟發學童對科學創造的想像!

引導孩子們思考生物科學,其實是一門很有意義的學問,不僅貼近日常所需、更能真實地幫助許多人。圖/BeiGene

坪林國小校長王珮君表示:「科學是生活,舉凡食、衣、住、行都隱含著許多科學知識與原理,非常感謝 BeiGene,看見偏鄉孩子在專科教育學習資源的需求,舉辦『Kids Science 小小生物科學營』, 讓孩子從做中學習。藉由豐富有趣的課程,帶領學校的孩子不僅能從學習中獲得更多與醫學相關的科學知識,同時也能啟發他們擁有像『科學家』一樣地邏輯思考,像『醫師』一樣地解決問題!永保好奇心,持續不斷的創新與探索。」

坪林國小校長王珮君致力提供學生更好的學習資源,感謝 BeiGene 帶來豐富多彩的 STEM 教育課程。圖/BeiGene

親子共學玩實驗夯: 水果DNA切切樂、手作仿生鳥

身為全台最大科學知識社群——「泛科學」知識長鄭國威表示,孩子學習科學的目的,除了開拓視野外,更重要的是培養科學思辨的精神與態度!在這個以社群力=影響力的時代,泛科學希望與各界企業一起『加乘、共好』,透過彼此的核心職能,讓下一代對科學產生興趣。

孩子學習科學的目的,除了開拓視野外,更重要的是培養科學思辨的精神與態度。圖/BeiGene
利用簡單易操作的實驗一窺水果 DNA 的樣貌。圖/BeiGene

這次的課程,特別邀請到曾獲教育部殊榮的生物老師──簡志祥「阿簡老師」,帶領學童認識水果 DNA,利用簡單易操作的實驗一窺 DNA 的樣貌,了解生命細胞最初始的模樣;也體驗了解仿生科技在醫療上及生活上的應用,透過「仿生鳥手作實驗」引導學童思考有哪些生活用品是從仿生科學啟發而得來,並從手作實驗中獲得更多靈感與樂趣,最後的「仿生鳥飛行競賽」,讓學童用自己親手做的成品互相比拚,進一步體驗空氣動力原理,邊玩邊學、小朋友無一不感到新奇與有趣。

透過生活周邊常見產品實例,了解仿生科技在醫療上及生活上的應用。圖/BeiGene
透過「仿生鳥手作實驗」引導學童思考有哪些生活用品是從仿生科學啟發而得來。圖/BeiGene
「仿生鳥飛行競賽」,讓學童用自己親手做的成品互相比拚,進一步體驗空氣動力原理,邊玩邊學、小朋友無一不感到新奇與有趣。圖/BeiGene

本次課程活動獲得很好的迴響,孩子們邊玩邊學,不僅輕鬆提升專注力,同時對生物科學產生興趣。各位家長們,想要帶著孩子自己動手體驗 Kids Science 科學課程嗎? 以下分享 DIY 簡單步驟跟著做,親子共學樂趣多: 

【水果切切樂】

藉此實驗了解細胞各構造的特性,如清潔劑可溶解細胞膜的脂質,破壞細胞膜。 高濃度食鹽水可使 DNA 溶解在溶液中,DNA 不溶於酒精中,所以使用酒精萃取出 DNA。由於實驗材料簡單,且方法易操作,對生物科技有興趣的學習者也可以自行操作實驗不同水果的差異性。

教學影片。影/Youtube

材料:
萃取液(食鹽、水、清潔劑)冰棒棍、牙籤、離心管、塑膠杯、塑膠袋、紗布、竹籤、切塊水果、酒精

方法:
準備萃取液,內容是 1/3 杯的水、1/2 匙鹽和 1 匙的清潔劑混合。把切塊水果放進塑膠杯裡,倒進萃取液,能夠蓋住水果的量就夠了,用冰棒棍把水果攪爛。
把紗布鋪在另一個塑膠杯上,將攪爛的水果倒入紗布上,收集濾下的液體。
把酒精倒入液體中,過幾分鐘就會在上層的酒精裡看到白色的絲狀物。恭喜你,你拿到了這些水果的 DNA 了。拿牙籤輕輕攪拌這些 DNA,把它們收集到離心管裡頭吧。

原理:
為什麼這些材料就可以萃取出 DNA 呢?當你把水果攪爛和萃取液混合時,會破壞水果的細胞,清潔劑可以破壞水果細胞的細胞膜和核膜,而加入鹽則可以讓 DNA 溶解在萃取液內。最後加入的冰酒精,則會讓 DNA 從溶解的狀態被析出來,就成了你看到的白色絲狀物。

【手作仿生鳥】

結構仿生設計學主要研究生物體和自然界物質存在的內部結構原理在設計中的應用問題,適用與產品設計和建築設計。研究最多的是植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、骨骼的結構。本課程從生活中引導小朋友去思考有哪些生活用品是從「仿生科學」啟發得來的。並從手作實驗中得到更多靈感與啟發!

仿生學小知識:

仿生學是模仿生物特殊本領的科學,目的在了解生物的結構和功能原理,來研發新的機械和技術,將大自然的智慧轉化成人類可操控的技術,可以說是「向大自然學習」的一門科學,例如達文西的「撲翼機手稿」就是藉由研究鳥類與昆蟲飛行所設計出來的。

像是出淤泥而不染的「蓮花葉」,除了表面上有蠟等物質可以防水,也發現葉面上有奈米等級的絨毛結構,這些結構使得水滴不易被戳破,讓水滴能在葉面上自由滾動,正是屬於仿生學的範疇,而這個發現也運用在現在的防水塗料上。此外,模仿蜘蛛絲做成的線非常強韌,可以拿來做防彈衣,這些都屬於仿生學的研究成果。

教學影片。影/Youtube

方法:
確認你的配件,包括翅膀、尾巴、木條、三條橡皮筋,將翅膀配件靠內的桿子套上右邊鐵鉤,靠外的桿子套上左邊鐵鉤,將木條插入翅膀的孔,另一端插入尾巴的孔,接著將橡皮筋套進兩端的掛勾,最後一步驟只要扭轉橡皮筋就可以飛行了。

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雨後天空總是特別清澈,是什麼汙染了我們的天空?科學家化身「空污偵探」,把它們通通寫上名單!
研之有物│中央研究院_96
・2022/09/04 ・4755字 ・閱讀時間約 9 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|陳儀珈
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

空污從哪來?我們又要如何追查它的行蹤?

陽光、空氣和水是生存的三大要素,而空氣品質在工業快速發展過程中,逐漸受到世界各國重視。空氣污染中的懸浮微粒(particulate matter, PM),已被國際癌症研究署(International Agency for Research on Cancer, IARC)列為第一級致癌物。人體長期暴露在高污染的環境中,將可能增加罹患肺癌風險。空污從哪來?如何追蹤污染流向?中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光,看科學家如何捕捉空氣污染物的行蹤。

把污染通通寫下來!每三年更新一次的「空氣污染排放清冊」

如果要瞭解並管制空氣污染,必須先知道:到底是什麼污染了空氣?

每隔三年,環境保護署會公布最新的「臺灣空氣污染物排放量清冊」(Taiwan Emission Data System, TEDS),收錄全國各種來源的空氣污染物排放,而中研院環變中心的空氣品質專題中心任務之一,就是持續發展新的技術,獨立驗證這個排放清冊,進而提供環保署做為改善的基礎。

空氣污染排放清冊將排放量數據分為四大類。圖/研之有物(資料來源:空氣品質改善維護資訊網

周崇光提到,空氣污染源在排放清冊中分為「點源」、「線源」、「面源」和「生物源」,這四類來源的監測、管制辦法都不同。

點源,例如工廠的煙囪、通風口等;線源,如道路交通工具的機車、汽車等;面源則像是火災、農業活動、河川揚塵、大陸沙塵暴等一整面的污染源;生物源,是指植物排放的揮發性有機物,例如大家很喜歡的芬多精,其實是反應性非常強的一大群化學物質,很容易在空氣中發生化學反應並衍生出臭氧或是懸浮微粒

空氣要如何計算?空氣被污染了多少算的出來嗎?

以點源為例,若我們想知道點源的污染排放量,最精準可靠的方式就是「直接量」。

例如,研究人員可以直接在火力發電廠的煙囪上裝設偵測器,長期或定期監測氮氧化物的排放量,獲得最準確的排放量數據。

可惜的是,許多污染物的排放量沒辦法用儀器直接測,例如火力發電廠的煙囪中,明明二氧化硫、氮氧化物都可以直接測,但我們卻無法準確測得細懸浮微粒(粒徑小於或等於 2.5 µm 的懸浮微粒,又稱 PM2.5) 的數據。

周崇光說,電廠煙囪內部環境相當嚴苛,水氣高、溫度也高,礙於當前儀器的技術, PM2.5 的偵測器非常難以在攝氏溫度高達 100 多度的煙囪中穩定地運作,也因此造成 PM2.5 監測資料的不足。

倘若沒有辦法直接監測,周崇光提到,研究人員可以算出「排放係數」,藉此推估多少的原料會產生多少的污染物,例如燃燒一公噸的煤,會產生多少公斤的懸浮微粒。

再退而求其次的話,則可以透過「質量平衡法」,以揮發性有機污染物為例,利用製程或化學反應式計算反應物的質量、能量進出,推估出污染物的大致排放量。

從直接的監測資料到質量平衡法,依照排放量的可靠度被列等為 A 級至 D 級,並將排放來源不明確的資料列為 U 級。

空氣污染排放清冊中,除了將排放分為點源、線源、面源和生物源以外,又可依照數據的可靠度,細分為 A、B、C、D、U 五類,A 數據可靠度最高,B 次之,以此類推。圖為臺灣空氣污染物排放量清冊(TEDS)第 11 版的點源排放量分布。圖/研之有物

在上圖第 11 版的臺灣空氣污染物排放數據中,屬於點源的總懸浮微粒(TSP)僅有極少的資料是直接且連續的監測數據,有 43% 左右的數據來自定期的管道檢測、56% 來自質量平衡法的推估。

由此可知,總懸浮微粒的數據背後具有一定的誤差,而相對的,硫氧化物(SOx)有三分之一的數據來自直接量測,較為精準。

從排放量的計算和推估中,其實可以看得出來,礙於技術和環境條件,空氣污染排放清冊存在不小的誤差。因此,當前科學家不斷致力改善儀器,或用其他可靠方式驗證這些排放量資料。

「看到了!」,用衛星捕捉污染物的流向!

空品專題中心的「臺灣中西部空氣污染之診斷與歸因研究」,為中央研究院 110 年度的關鍵突破研究計畫之一,在周崇光的帶領下,團隊致力破解中西部的空污謎題。此計畫中的其中一項子計畫,即是透過人造衛星的遙測技術,來協助驗證排放量和推估關鍵污染源。

衛星數據為 2021 年臺灣上空的二氧化氮(NO2)年平均柱密度(column density),表示單位面積懸浮在臺灣上空的 NO2 總量。圖/研之有物

研究團隊使用歐洲太空總署(ESA)發射的哨兵 5 號衛星的儀器,藉由分子光譜的特徵描繪出二氧化氮在臺灣的空間分布。

過往衛星對這些污染物的解析度僅有 20 x 20 公里左右,在這樣的解析度下,根本難以確認如火力發電廠般污染源的影響程度,但哨兵 5 號上的大氣觀測儀器(The TROPOspheric Monitoring Instrument,簡稱為 TROPOMI) 已經可以做到 7 x 3.5 公里的高解析圖像,讓研究人員得以大致推估出這些關鍵污染源的影響力。

由於衛星是從太空望向地球,因此單靠分析分子光譜只能獲得垂直的、像是柱子一樣的濃度數據,研究人員必須透過大氣方程式並考量化學反應的狀況「回推」,一個一個網格計算出二氧化氮的分布。

歐洲太空總署的哨兵 5 號衛星與下方展開的大氣觀測儀器 TROPOMI。圖/ESA/ATG medialab

排放清冊的排放量,是研究人員到各個污染源收資料、整理工廠申報資料,全部加總後,再算出空污排放量,是一種像是金字塔般的「bottom-up」(由下而上)作法。

而人造衛星與「到處收資料」的方式不同,衛星觀測是一種「top-down」(從上到下)作法,先從觀測了解某處增加了多少空氣污染物,再想辦法去回推污染源和各地參數的互動關係。

結合「top-down」和「bottom-up」,科學家可以將兩者相互搭配並驗證資料,確認空氣污染物的排放量與傳播途徑。

周崇光提到,以工業區或港口碼頭為例,柴油貨車每年進出的次數高達數萬趟,排放出大量的交通廢氣,但礙於技術,目前仍然沒有辦法精準定量這些污染並申報給環保署,推估排放量和真實污染量之間可能存在很大的誤差。因此,若能搭配人造衛星這種獨立且不受影響的偵測技術,就能夠更公正、更準確的驗證排放資料是否有誤。

最快的了解就是融入!特務 F 混入電廠的煙囪,破解空污來源

除了檢視排放量,了解空氣污染物「怎麼飛」,也是非常重要的課題。

為了找出空氣污染物的傳輸路徑,周崇光帶領的團隊曾經在 2018 年的時候和德國布萊梅大學的 EMeRGe-Asia 團隊合作,透過研究飛機「HALO」和特殊追蹤劑,調查臺中火力發電廠污染物的傳播途徑。

在一般的大氣環境中,即使研究人員確定了某地點的污染物濃度非常高,他們也很難判斷當地污染物的來源,到底是來自隔壁 A 工廠?還是從 B 電廠飄過來?

再來,其實研究人員也很難隨時掌握空氣污染源的流向,例如火力發電廠煙囪排出的污染物到底飄去哪裡了?

因此,在這次的跨國合作中,研究團隊使用了「全氟甲基環己烷」(Perfluoromethylcyclohexane, PMCH) 當作「追蹤劑」,就像是空氣污染物中的特務 F,被放入臺中火力發電廠的煙囪中,隨著煙囪中的空氣污染物一起被噴向天空、隨風飄散。

由於 PMCH 無論在自然環境或是工業污染中均相當少見,環境的背景濃度非常低,加上全氟化合物有不容易和其它物質反應的化學惰性,又可以在實驗室進行極低濃度偵測,因此非常適合當追蹤劑。

當時研究團隊在臺中火力發電廠的煙囪中投入了 10 公斤的 PMCH 後,分別以研究飛機和地面採樣站進行觀測,並跟著煙流的可能路徑針對不同的污染物進行採樣,調查中火污染煙流的傳輸路徑。

圖為德國航太中心的大氣研究飛機「HALO」(High Altitude and LOng Range Research Aircraft)。圖/flickr

研究結果發現:當東北季風盛行時,由臺中火力發電廠煙囪排出的空氣污染物主要會向南飄散,空氣樣品中 PMCH 、氮氧化物、二氧化碳和一氧化碳濃度同步的變化(見下圖),證實了大氣模式所描繪的污染路徑。

但可惜的是,這種研究方法只能當作一種「逼不得已的手段」,畢竟任何特殊的化學品都可以被視為一種污染,尤其全氟化合物吸收紅外線的能力非常強,是屬於國際公約列出的主要溫室氣體之一,因此只能在非常必要的時刻下使用。

周崇光表示,臺中火力發電廠的煙囪高達 250 公尺,加上排氣的動能和熱浮力,空氣污染物可以很快地上升到 500 公尺,甚至更高的空中,然後隨著大氣環流擴散和稀釋,傳統的高煙囪策略就是以此降低工業污染對鄰近地區空氣品質的衝擊。

然而在這次的調查中,研究團隊卻發現,臺灣附近的大氣環流非常不利於污染物擴散,以致於上午排出的污染物到下午還滯留在中南部的空中,許多原本預期會向外飄散的污染物最終仍然下沉,並對中南部的空氣品質造成衝擊。這次的實驗結果讓周崇光團隊獲得啟發,更加投入對臺灣邊界層環流的調查研究。

同時周崇光也強調,中研院空品專題中心非常感謝臺中火力發電廠協助這次的實驗,這個空污滯留現象是整個西南部區域的大氣特性,只是在這次研究藉由臺中火力發電廠案例表現出來。這表示臺灣西南部的大氣條件不利擴散,使得我們面對空氣污染的衝擊格外地脆弱。

2018 年周崇光團隊和 EMeRGe-Asia 團隊合作,使用研究飛機和追蹤劑 PMCH,調查臺中火力發電廠污染煙流的傳輸路徑,圖中可看到 PMCH 從臺中擴散到整個中南部的濃度趨勢,地點 1 為布袋附近,地點 2 為北港附近。從地點 2 的污染物數據,可看到 PMCH 、氮氧化物、二氧化碳和一氧化碳濃度有相同的變化趨勢。
圖/研之有物

以上,中研院空品專題中心致力解決臺灣空氣污染防制的瓶頸,首要第一步就是持續驗證空氣污染物排放清單。由於技術和環境限制,排放清單資料有一定誤差;因此需要透過衛星觀測做交叉檢驗,確認污染物的排放量與傳播途徑。有了排放清單的基礎之後,下一步就是研究造成臺灣西南部空氣擴散不佳的根本原因,以及深入探討都市區空污的主角「衍生型 PM2.5」。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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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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