2

0
0

文字

分享

2
0
0

當「科學家」遇到「小孩」?

大海子
・2011/06/07 ・5665字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

截圖來自海生館兒童網站 http://kids.nmmba.gov.tw/

教育、展示、典藏與研究是博物館的四大基本任務。展示是教育的一種方式,典藏品同時是研究與展示的素材,研究成果最後仍透過教育推廣方式,讓社會大眾認識並瞭解科學的新發現與科技發展,由此可知教育在博物館任務有著不可或缺的地位。

社會大眾與科學家之間總是隔著一道深深的鴻溝,教育推廣者的責任就是在兩者之間搭建一座橋樑,讓橋兩端的人,可以相互流通,推廣者猶如建橋工程師一樣,臨淵拉索、遇水造橋,並扮演幕後的推手,拉近兩者的距離,這看似容易的工作,其中卻大有學問,絕非三言兩語所能道盡。

球員 vs. 教練

大多數的研究經費都是來自納稅人,社會大眾有權力瞭解當代科學研究的進度與成果,分享研究成果是科學家回饋社會的方式之一,但每位科學家分享的方式卻各異其趣。如何將艱澀難懂的科學自然現象,告訴一個幾乎沒有科學專業背景、或是已有根深蒂固錯誤觀念、或是「有迷信」的大眾,是一種學問,也是一種挑戰,這並不是每位研究人員都可以勝任的工作。就像美國職業籃球賽超級明星球員麥克約旦(Michael Jordan),雖然球藝技冠群雄,卻不見得可以勝任教練,訓練球員,進而督軍作戰並贏得比賽。曾贏得全美大學籃球聯賽冠軍的杜克大學(Duke University)籃球隊的教練是一位身高僅166公分的「高人」,且非明星籃球員出身,但卻可以帶領高頭大馬的球員四處征戰,凱旋而歸。知名導演吳念真曾說「通俗是一種功力」,能否將艱澀難懂的科學,轉變成一般人簡單易懂的知識,就成為每位科學家的挑戰;筆者認為「通俗」更是一種從事教育推廣者都必須學習的技巧,且需要透過多次教育活動實務中持續不斷磨練的能力,單單擁有龐大的專業知識,並不能保證推廣活動的成功。就像是好的商品,若沒有搭配適合的行銷宣傳手段,並不會受到市場的青睞一樣,因為顧客無法感受商品神奇之處。

來者何人?

推廣活動設計的首要原則,就是從大眾的角度觀看專業知識的樣貌,進而由此找到適當的角度與「地點」,建立起雙方溝通的橋樑。然而一樣米養百樣人,當對象不同時,所要建的橋樑種類就不同,「工程」當然就不一樣了;就如同要與小孩說話前,成人必須先蹲下來與他同高,才能從孩童的觀點看世界,以便瞭解孩童眼中世界的真實情況。科學家往往是專業領域中的「巨人」,引領先驅的科學研究,然而社會大眾多半是一知半解的「小孩」,當一位受過專業訓練的科學家要將滿腹經綸告訴大眾時,若是不加以包裝、調整使其深入淺出,而以平舖直敘方式表達出來時,往往就會看到觀眾一臉狐疑的表情-你在說啥米碗糕?當科學家遇到小孩時,雙方互動的方式是否合宜,往往是影響最終的教育推廣效益的關鍵因素。

近幾年來,國家科學委員會有感科普教育的重要,開始推展科普節目計畫補助,鼓勵各類媒體製作科普節目並邀請科學領域的大師進行科普演講,對象就是一般社會大眾,有時候甚至是國小學童,讓民眾瞭解科學的進展與背後的社會意涵。這些大師面臨的最大挑戰就是千奇百怪的觀眾;尤其是受邀到國小演講時,更是感到惶恐無比,因為他們要面對的正是一群幾乎可以稱為「科學白痴」的小孩,而且小孩注意力往往只有15分鐘,若演講內容太過學術,艱澀難懂,難以引起興趣的話,小孩們會用那無奈的表情與天真無邪又無辜的眼光很真誠地告訴講者:「你說得很明白,但是我聽不懂」。這也是筆者進行教育推廣所面臨的最大挑戰–複雜的觀眾屬性

以海生館為例,根據我們長年來的調查發現,來本館參觀的觀眾只有三成左右會有學習海洋生物相關知識的意願,另外三成的動機則是純娛樂的-講白了就是來玩的而已,其餘剩下的三成的觀眾則介乎其間-若有機會學習新的知識也好,不然單純玩玩也不錯。這些會來參與科教活動的觀眾多屬於親子,就是父母親帶孩子來參加的,而且多以國小學童或學齡前的幼童為主,只有舉辦節慶特別活動且獎品豐厚的狀況下,如元宵節猜燈謎活動,成人才會看在獎品的份上參與活動。面對觀眾的不同屬性,科教活動就應導入「客製化」的觀念,為特殊觀眾群量身訂做,而非一視同仁。

讓科學走出象牙塔 走進尋常百姓家

科普教育的對象是社會大眾,科普教育也不是畢業必修的學分,更不是人生必修的學分(例如養生等),觀眾是不受拘束的,來去自如,推廣者無法以紀律或考試來威脅社會大眾參與活動。在教育推廣的主從關係中,社會大眾才是主人,如果沒有這樣的認知,那推廣者就會面臨一些窘境。在本館舉辦教師研習會或是工作坊的時候,就會發現本館有些研究同仁進行專題演講,講述自己多年的研究發現,講得舌燦蓮花、天花亂墬,筆者覺得頗有學術知識上的收穫,但是觀眾卻頻頻點頭、呼呼大睡,只差一點沒有打呼出聲而已。這種情況也發生在海生館研究人員前往社區大學授課時,一個兩小時的解說員訓練課程中間會有10分鐘的休息;若是講師上課的內容不佳或是過於艱深,無法引起學生的迴響時,下課時學生便會紛紛翹課,一去不回,沒有離開的可能是需要關燈關門的值日生或是班長,其他人會趁著講師轉身寫黑板時,默默地從後門離開。學生不會直接向老師抱怨,但會私底下批評老師課程內容艱深、無趣、不實用。如何引起觀眾的學習興趣是推廣教育活動設計中不可忽視的因素。

當我剛到海生館時看到這樣得情景,我開始問我自己一個重要的課題:來館觀眾的屬性是什麼?如何去進行我的推廣工作?與觀眾進行互動溝通時需要什麼媒介?觀眾的背景如何?甚至具有什麼錯誤的知識?參觀目的?什麼動機?他們的生活經驗是什麼?從何觀點切入?笑話嗎?社會新聞嗎?八卦新聞嗎?政治事件?環保議題嗎?……從這些多重的觀點研究觀眾特性,就會發現因觀眾與專家學者觀點差異而產生的趣味性。

舉例來說,解說員曾在企鵝缸旁邊指著企鵝請問觀眾說:「企鵝的背為何是黑色的,腹部卻是白色的呢?」小朋友說:「企鵝的手(翅膀)比較短,洗澡時洗不到背只能洗肚子,所以背部是黑的,肚子是白的。」小朋友充滿童趣的回答是可以諒解,因為他們欠缺科學知識,答案來自於生活經驗中憑空的想像。大人的答案亦是千奇百怪,令人啼笑皆非。有人說:「因為企鵝去海裡游泳,背部常被太陽曬,所以比較黑。」答案仍源自生活經驗-曬太陽-皮膚會變黑;有個人甚至開玩笑的說:「因為企鵝腹部有擦SK II,所以……」,答案一出,引發一陣哄堂大笑。

海生館另外一個有名的例子是,解說員請問遊客說:「大洋池展示缸有五十多種魚,請問大致可以分成兩大類,請問是哪兩大類?」
有人說:「公的和母的?」
有人說:「大魚和小魚?」
有人說:「有毒的與沒有毒的?」
有人說:「咬人與不咬人的?」
有位大哥說:「清蒸的與紅燒的?」給答案的人當時不是飢腸轆轆,要不然就是職業廚師或是美食家,三句不離本行。

這個問題的標準答案是軟骨魚與硬骨魚兩大類,軟骨魚就是鯊鮫與魟魚類,其他就是硬骨魚,如吳郭魚、石斑、蝶魚類等。對海洋生物學家,這個問題很簡單,但是對社會大眾卻被轉化成一個腦筋急轉彎的問題,答案可以來自天馬行空的自由想像,因為答錯也不會受罰!從以上觀眾反應的有趣案例發現,遊客學習新的科學知識,其推理基礎植基於生活經驗,並不完全是科學素養,或是邏輯推理,這點與科學家理解新知的切入觀點截然不同,可是科學家對觀眾學習過程有這樣的認知嗎?答案是大部分人是沒有的,因為這些知識對於科學家而言,尤其是海洋生物背景的人,是再簡單不過的知識,但是不要忘記一點: 科學家是訓練有素的專家,但社會大眾卻不是!

道,一以貫之

科普教育除了傳授正確的科學知識之外,還有一個常被忽略的重點,就是科普內容的呈現方式,是否能進一步啟發觀眾返家之後繼續的學習相關的知識?美國人在演講過後的結語就常會給一個重點訊息,稱之為「take home message」,這類性質的訊息就是演講精髓所在,但同時也是鼓勵聽眾事後去瞭解深入內容的切入點。這就是科普教育推廣的重要原則之一:讓觀眾將活動中所學到的重要訊息帶回家。

社會大眾不需要大量的科學知識,而是「概念式」的科學觀念;科學事實的功能在說明概念的例證知識與導引,而非學習主體。舉例來說,解說單一種魚類的所有生態知識之前,首先要引導觀眾察覺該種魚生態趣味之處,相關的知識則留給觀眾自行去探索。簡單來說,以基礎的知識所形成的概念當成一把通往知識寶庫的鑰匙,用以打開更多的知識寶箱。因此教育活動之前,應加強知識的整理歸類,刪除過於艱深難懂的專業術語,如魚類的內部結構-鰓耙;並挑選簡單有趣的例子為引子,點出重要概念,以引發學習興趣。再以比較招潮蟹名字在東西文化上差別為例,先指出因對揮動大螯意義認定上的差別,讓西方人稱招潮蟹為提琴手蟹,最後才會是對濕地螃蟹生態保育的呼籲。不僅如此,若能同時由此歸納出一些簡單易懂的原則作為合適的切入點,就能帶領觀眾進入更廣更深的科學的領域,享受其中的趣味性。

以認識海洋生物名稱為例來說,無論新任的解說員或一般遊客,甚至具有專業背景的專業人士,若要熟悉海洋生物名字,都需要曠日費時的努力。就水族館的生態缸的導覽來說,缸中的魚群無法如文史美術館中的藝術作品一樣固定不動的,而是到處游來游去的,因此要讓觀眾能在解說的瞬間聽懂解說員所提的名字並與在缸中游動的生物作連結,可說是件困難的事。但是如果能訂出一些簡單的規則,並將名字依此分門別類,讓人可以瞭解的名字背後的命名規則,無論是解說員或是觀眾只要學會這些簡單的原則,便容易記住海洋生物的名字,因為有規則可循,不必死背,聽解說的人亦容易理解解說員所指何物。

教得多不如教得巧

另外一點就是傳授實務上的技巧,以利工作上的需求,簡單來說,除了舉例說明之外,還要告訴他們一些撇步,如硬骨魚與軟骨魚如何區分的技巧:軟骨魚的尾鰭是上下不對稱的歪形尾(如鯊魚類)或是演變成一條細長的尾巴(如魟魚類),而硬骨魚的尾巴大多數是對稱的;另外硬骨魚會有明顯的鰓蓋,而軟骨魚類會有5-6條的鰓裂。這樣的觀察技巧有助於讓遊客區分辨別軟硬骨魚類,說明透過對不同類別的魚類外型特徵觀察的方式,就是回應解說員工作上實務的需要技巧之一。

生活為導 深入淺出

回想生活經驗中,只有當我們在組隊報名參加比賽取隊名時,我們才會稍微注意一下取名字的重要性,於是每隊根據自己的屬性與觀點取了隊名。無論隊名為何,每個隊名總隱含一個意涵。海洋生物的命名方式亦不例外,因此若能瞭解海洋生物命名原則,那麼就比較容易記住這些海洋生物的名字了。以生活經驗中取名的有趣方式作為學習的鷹架,歸納出海洋生物取名字的規則,透過有趣的圖片與講解,引起觀眾的興趣與學習動機,一般大眾對於海洋生物名稱的由來與意義,自然印象深刻。學習有趣的事情,總會令人興奮不已,更何況這些規則是具有實用價值的知識,可藉此認識更多的生物。總而言之,教會一個人掌握釣魚的秘訣後,日後是不用擔心他會餓肚子的。

水能載舟 亦能覆舟

在影音多媒體發達的時代,卡通式的動畫是很普及的,只要在任何入口網站搜尋動畫,就會得到數以萬計的結果,等著你去看,這些聲光效果都精彩的動畫很受歡迎,許多博物館的網站,尤其是兒童網站上的故事動畫更是如此,但是大多數的動畫都採用單向輸入的方式播放,觀眾只能被動地接受訊息,無法有任何的參與;有些則採取遊戲形態,以計分的方式鼓勵兒童去玩動畫、學知識,但是兒童往往著重遊戲的趣味性高低,遊戲過後只留下激情與分數,完全漠視動畫所要傳達的教育意義。

以多媒體特效為主的教育動畫至今依然盛行,因為普遍相信只要是透過動畫的方式,兒童就會看就會學習其中的知識,事實不然,這只是一種對多媒體教育的迷思。在海底總動員的迪士尼動畫影片中,小丑魚尼莫是由廁所中馬桶被沖出公寓的水管,逃回到大海之中。這樣的場景讓一個西方國家的小孩如法泡製,將家中的金魚放生,結果可憐的金魚並沒有回如願到大海,而是進入公共化糞池中「臭死」了。

動畫本身的誇張的影音效果並不是原罪,原罪在於設計者並沒有正確地使用他們,反而讓瀏覽者缺乏思考與判斷,只感受到表面誇張的多媒體影音劇情效果,無視內涵中真正的教育意義,因此才會產生如此的惡果。科學家可以透過理性的邏輯判斷,輕易判別出誇張的動畫劇情節中所包含的客觀事實或媒體效應,但對於盲目的社會大眾容易引起誤解,這是教育推廣工作者使用多媒體當作活動媒介時,需要審慎省思的考量。

學習者是主人

如何激發瀏覽者的思考能力,誘導他在觀看動畫時,去思考其中的狀況,判斷問題的關鍵,並架構出理論假說,驗證自己的判斷對錯與否,這或許是在推廣科學教育所要考慮的一個重點-培養獨立思考的能力。舉例來說,筆者在設計「認識魚體形狀與生存環境有關」的概念動畫-行不行,就是以說故事的方式,提供一些先備知識與概念,讓學習者面臨不同魚體抉擇時,能發揮獨立思考的能力,藉由多媒體之助進行測試,達到瞭解魚體形狀與生存環境之間關係的抽象概念之目的。由此過程刺激學習者的思考與判斷力,進而由探索體認正確的科學原理,有效傳達科學知識與概念,同時避免反客為主的狀況,學習者只看到多媒體的特效,而非教育內容。簡單來說,就是以「學習者中心」的出發,讓觀眾參與其中,並引發主動思考之能力是重要的關鍵。筆者認為「聽別人說的,都還是別人的,唯有自己動手作過,或體驗過才會是自己的」,讓觀眾身與心都能參與其中的動畫,是教育動畫設計的一個必需考慮的因素。

真誠的熱情是活動的好開始

從事教育推廣工作者最需要的就是要有工作熱情,願意分享,推廣工作不似研究工作,可以關起門來自己過活;反之,它需要常常與人接觸,沒有一個遊客會去參與一個面無表情人的活動。雖然便利店或是加油站常聽到服務生大聲對顧客說歡迎光臨,謝謝光臨的說詞,但是顧客往往感受不到一絲的誠意。因為那個招呼聲只是環境噪音之一,一個客觀無情的物理訊號而已,顧客沒有感受到店員發自內心的熱情;店員如是說,乃身不由己,只是應付公司的規定而已。深究其因,就會發現其實許多店員認為那只是一份糊口的工作而已,缺乏熱情,無法享受(enjoy)工作中的酸甜苦辣,所以才會如此機械人的反應。任何教育推廣活動的規畫者、設計者與執行者,都需要一份熱情,才能做出令人感動的活動,獲得觀眾的熱烈回應,這一點是永遠都不會改變的教育推廣的金科玉律。

文章難易度
所有討論 2
大海子
53 篇文章 ・ 0 位粉絲
希望以人文關懷的觀點,將海洋生物世界中的驚奇與奧妙, 透過多媒體的設計與展現,分享個人心得給社會大眾, 期望能引起更多人關心海洋的公共議題, 為保護海洋略盡一份心力。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
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

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
12 篇文章 ・ 5 位粉絲
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。

1

6
4

文字

分享

1
6
4
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

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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」。

延伸閱讀

所有討論 1
研之有物│中央研究院_96
248 篇文章 ・ 2046 位粉絲
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

1

1
1

文字

分享

1
1
1
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。

所有討論 1
親子天下_96
24 篇文章 ・ 21 位粉絲
【親子天下】起源於雜誌媒體和書籍出版,進而擴大成為華文圈影響力最大的教育教養品牌,也是最值得信賴的親子社群平台:www.parenting.com.tw。我們希望,從線上(online)到實體(offline),分齡分眾供應華人地區親子家庭和學校最合身體貼的優質內容、活動、產品與服務。