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數學不會就是不會?——先別怕!培養「數感」可解答生活中的大小事

科技大觀園_96
・2021/11/15 ・2819字 ・閱讀時間約 5 分鐘

「長期在壓抑的情況下,其實他(學生)不喜歡數學,是很正常的。」嘉義大學數理教育研究所終身特聘教授,兼任副校長的楊德清表示。 

嘉義大學數理教育研究所教授楊德清。圖/陳亭瑋攝

最近有句網路流行語獲得許多人共鳴:「人生會背叛你,但數學不會,數學不會就是不會。」從一句話就可以看出來,數學是很多人求學階段的挫折經驗。困難的學科有很多,為什麼在臺灣,數學特別容易得到「困難」、「聽不懂」的標籤呢?

楊德清長年投入數學教育領域,研發「數常識電腦化診斷測驗」,兩度獲得科技部傑出研究獎。長年推廣「數感」(亦稱「數常識」)的楊德清觀察,臺灣學生常年對於數學的排斥感,除了教材因素,更多與難以擺脫的升學壓力有關。許多家長認為,數學成績好才能在未來有好的課業表現,因此早在國小階段對於數學成績就非常看重,急著送孩子進補習班,反而讓孩子沒辦法好好享受數學所能提供的邏輯與思考的趣味。而學校課程與評量的安排,也受限於考試領導教學,讓數學流於偏重計算與記憶。

過往偏重抽象計算的教學內容,也讓學生容易誤認為數學只有抽象的做題、沒有實用價值。由此的反思,掀起了一波對於「數感」的推廣。數感是什麼呢?「對數字有很好的理解,而能夠把這種理解實際的應用在生活當中,彈性、靈活地解決生活中的問題。」數學是人類理解世界最重要的工具,我們每天的生活環境不管有沒有意識到,都會遭遇到與數學有關的問題,從在菜市場買菜估算身上的錢夠不夠,到金融投資選擇保險、基金、儲蓄險要衡量損益,都會運用到數學的概念。 

楊德清認為,數感是「對數字有很好的理解,而能夠把這種理解實際的應用在生活當中,彈性、靈活地解決生活中的問題」。圖/fatcat11 繪

借鑑國外教科書,讓數學更貼近生活

臺灣的數學教育向來在國小國中階段,可以獲得不錯的成績,但是學生對於數學的興趣與自信心卻相對低落。楊德清率領團隊進行跨國研究,比較新加坡、芬蘭、美國的數學課本,後來還配合南向政策,加入馬來西亞、印尼等國,希望透過探究教材上的差異,了解是什麼因素讓有些國家的學生,既有好成績,也不致嚴重磨損學習熱情。

「芬蘭的教科書非常強調與生活情境的連結,內容非常『寫實』。」芬蘭的數學課本會提供非常具體的例子,作為教材也應用於學生的練習。像是給國小的課本,講到比例就會以實際的昆蟲放大縮小來舉例;上到時間判讀,就直接拿出全球的時區來上課。這樣的教材內容除了生活化,也讓學生可以非常快速認識實際應用場景。 

芬蘭的教科書非常強調與生活情境的連結,例如上到「時間判讀」,就直接拿出全球的時區來上課。圖/楊德清研究室提供

臺灣過去國小的數學教材,相對重視背誦、記憶與計算。讓很多孩子不知其所以然,不知道為什麼要回答這些問題,這些原因都會造成學生不喜歡數學。重視計算之餘,國小教材也很早就引入「直式算則」,教學生使用特定計算方法、得到單一解答。而受限於教學現場,老師也沒有時間鼓勵發展創新多元的解法。這在國小階段相當可惜,沒有機會提供學生與數學一同玩耍、訓練思考、發展創新的機會。

不只是選擇題、計算題、應用題等只有單一答案的問題,楊德清認為,國小數學也可以發展開放式的問題,來了解學生的學習理解。楊德清舉例:「什麼是周長?」就是開放式的問題,每個孩子的回答可以都不相同,例如孩子可以回答:繞著我們家附近的池塘走一圈,那一圈的距離就是那個池塘的周長。透過這樣的提問與回答,可以觀察到學生是不是真正了解數學的觀念、是不是存在哪些迷思,也可以提供學生進一步思考數學概念的機會。 

「什麼是周長?」每個孩子的回答可以都不相同,例如:繞著我們家附近的池塘走一圈,那一圈的距離就是那個池塘的周長。圖/Pixabay

善用科技,診斷學習迷思、提供補救教學

楊德清在 2014 年與 2020 年兩次獲得「科技部傑出研究獎」,研究的重心就與數學的「迷思概念」息息相關。他率領團隊完成可以在線上執行的「數常識電腦化診斷測驗」,透過網路測驗系統,取代傳統的紙筆測驗或面對面訪談,針對國小四到六年級的學生,了解學生的數學程度,也診斷迷思概念。而學生評量完,除了可以快速獲得測驗結果,幾個比較常見的迷思概念也可以直接透過「數常識電腦數位動畫學習活動」獲得補救教學。

楊德清表示,現階段的診斷系統屬於「三階」的診斷,第一階詢問學生數學問題,第二階詢問學生「原因選項」,也就是選擇答案的原因,第三階「信心選項」更往下進一步詢問學生對於這個答案的「自信程度」。所有的問題都經過仔細設計,第二階「原因選項」更是經過多年詳細的訪談及紙筆測驗,扎扎實實收集資料,反映學生存在的迷思概念。現在還在進行的「四階」診斷,除了詢問對答案的自信程度,更詢問學生,對於「原因選項」的自信程度。線上的診斷系統除了針對數學教學研究能夠快速收集資料、進行分析,也可以提供學校老師作為教學與學生程度的參考。 

現階段的診斷系統屬於「三階」的診斷,其中第二階「原因選項」更是經過多年詳細的訪談及紙筆測驗,扎扎實實收集資料,反映學生存在的迷思概念。圖/Pixabay

對於診斷測驗系統下一階段的發展,楊德清充滿了想像,認為未來甚至可以加入人工智慧,讓學生進行測驗的時候,直接藉由人工智慧與學生進行互動、討論,提供回饋甚至是補救教學。另外一個還在構思中的研究,則是透過臉部辨識系統區辨學生的臉部表情與情緒,分析學生的學習狀況,在教學的現場就可以提供老師回饋與教學指引。

在臺灣的教育環境中,數學的課業壓力似乎短期內很難避免。焦慮或對數學缺乏自信的家長,又該怎麼做呢?楊德清提供的建議是:在早期階段,不需要急著給解答或資源,反而在孩子學習過程中,提供「陪伴」才是最重要的;其次是多給孩子一些空間,不要有太多限制。「(面對數學的時候)鼓勵他去想『要怎麼解決一個問題』、『為什麼要這樣做?』」楊德清認為,強求制式的解答或成績,容易導致孩子失去興趣或信心;讓孩子隨著自己的天性才能發展,適才適性才能有好的結果。

「要讓孩子學得更好,應該要鼓勵他在學習過程中去思考、用自己喜歡的方法解決問題、去想為什麼,因為這些才是真正(數學)核心的重點。」

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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》