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我們如何學習

Y. M. Huang
・2013/09/04 ・1737字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 453 ・五年級

6980320402_ebee919b71又到了開學的季節,Scientific American及Scientific American:MIND都分別有跟教育有關的特別報導,之前已經介紹過Scientific American的特別報導:「數位時代的學習」,這次要介紹的是Scientific American:MIND中的特刊:我們如何學習 How we learn

這個特刊中有三篇文章:

Psychologists identify the best ways to study

這篇文章的作者回顧了跟學習有關的700的多篇文獻,然後整理出來一些證實在多數情境下都有效的學習技巧。

金牌等級的有:

  1. 自我測試:也就是要自己出題目來測驗自己。近年來研究已經指出,考試對於學習的重要性,自我測試也是一種考試,涉及了主動提取的過程,所以對於學習是有幫助的。
  2. 分散練習:如果你只有一個小時的時間可以讀某個科目,那應該分成多次,例如分成兩天,每天讀半小時。分散練習能夠讓學習者獲得不同的情境線索,也可以降低因為長時間學習造成的疲勞等。

銀牌等級的有:

  1. 闡述式的審問 (elaborated interrogation):也就是說面對一個問題時,不應該立即被動的接受訊息,而是應該去思索,這個訊息是否正確。
  2. 自我解釋:去探索這個訊息和自身的關係,用自己的方式去了解訊息,才能深刻地把訊息記起來。
  3. 混合式練習:如果要學習多個不同的科目,可以交錯學習,因為在學A的時候,可能會誘發自己在學習B時沒有想到的點,促進兩個科目的學習。

不建議使用的技巧有:

  1. 盲目的畫重點:作者們並非要全盤推翻畫重點的重要性,而是認為若不正確使用,其實畫重點對於學習是沒有幫助的
  2. 被動式閱讀:很多學生在學習時會重複去閱讀、記憶書本或筆記,但這樣的做法其實不如上述介紹的好方法有效。
  3. 心象學習:心象學習有時候是有幫助的,利用影像的方式來輔助學習,但如果太多訊息都是用聯想的,反而會造成混淆
  4. 重點歸結:這個也是大家可能常用的方式,但目前不確定究竟是這方法有效,還是因為歸結後的內容比較少,所以有助於學習
  5. 關鍵詞記憶術:在學習新詞彙時,利用聯想個方式來做學習,有點類似心象學習,所遭遇的問題也和心象學習類似

大家可以想想自己用了哪些不建議的技巧,以後可能要更審慎的使用;至於那些推薦的技巧,建議可以評估是否適合自己的學習方式,再選擇使用。

The science of handwriting

這篇文章在討論,書寫對於學習、認知的影響。隨著科技的進步,人們越來越不需要書寫,美國甚至有些州已經不再有專門的課程教學生寫字,那書寫到底有甚麼用?

最主要的影響就是在書寫時,我們有較多的肌肉運動、同時間需要進行較多的視覺空間處理,這些都是用鍵盤打字時較少需要的能力。裡面也提到了腦對於文字的辨識並非像對於顏色、動作一樣那麼原始,而是需要學習的。書寫的練習會影響文字辨識系統的形成。

雖然文章中提到不少證據,說明書寫相較於打鍵盤,會有一些好處,但我們處在一個回不去的時代,以後可能連鍵盤都不用打了,而是用口語輸入的方式。所以,書寫是重要的,但書寫可能需要轉變型態,這個能力才會繼續被傳遞下去。

New techniques make math fun for all

數學對很多人來說是相當頭痛的科目,在歐美國家尤其是如此,這個作者John Mighton本身創立了一個數學學習的課程 JUMP (Junior Undiscovered Math Prodigies)。在這個課程中強調了利下列的技巧來幫助學生學習數學:

  • 練習
  • 立即回饋
  • 數學解題策略
  • 將問題拆解

很多人面對數學的問題,其實是來自於小時候被標籤化的過程,如果從小被認定是不聰明的,就會覺得數學很難,是自己學不會的科目。而數學這個科目,如果錯過了一小段,則就會很難追上進度,所以很多學生特別有數學學習上的困難。

JUMP這個計畫和強調探索式學習的方式有些不同,作者認為過度探索式的學習,可能會造成過高的認知負荷,造成學生疲憊而無法習得該學習的數學能力。所以JUMP強調將問題支解,並且用循序漸進的方式,讓學童可以不害怕數學,進而習得數學能力。

這樣的教學方式已經廣泛在加拿大被使用,美國及歐洲地區也有國家陸續採用這樣的學習方式,研究的成果也顯示這樣的教學法,能夠有效地提升學生的數學能力。所以,台灣或許也應該考慮這樣的教學法,連美國人都覺得有問題的建構式數學,繼續在教學界,絕對不是好事情。

回顧去年Scientific American:MIND的特刊:我們該給孩子甚麼樣的教育

 

文章難易度
Y. M. Huang
96 篇文章 ・ 2 位粉絲
輔大心理系副教授,主要研究領域:探討情緒與認知之間的關係、老化對認知功能的影響、以及如何在生活中落實認知心理學的研究成果。 部落格網址:認知與情緒新聞網 (http://cogemonews.com)


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隱翅蟲的毒液生化武器,演化上如何組裝而成?

寒波_96
・2022/01/17 ・3910字 ・閱讀時間約 8 分鐘

隱翅蟲是一群小型甲蟲的總稱;牠們以毒聞名,卻不見得都具有毒性。有些隱翅蟲會生產毒液儲存在身體裡,需要時噴射攻擊。毒液不只是嚇唬人的工具,像是跟螞蟻搶地盤這類場合,生化武器能發揮實在的優勢。

本文沒有真實隱翅蟲的圖像,閱讀時不用擔心。

隱翅蟲毒液的用途之一:攻擊螞蟻。圖/參考資料 1

隱翅蟲的毒液包含毒素和溶劑兩部分,有意思的是,兩者是獨立生產;溶劑本身沒有毒,毒素單獨存在也沒多少毒性。兩者極為依賴彼此,生產線卻是獨立運作,此一狀況是怎麼形成的?一項新研究投入大筆資源,便探討其演化過程。

「毒」加「液」才有毒液

這項研究探討的隱翅蟲叫作 Dalotia coriaria,為求簡化,本文之後稱之為「隱翅蟲」。它的毒素並非導致隱翅蟲皮膚炎的隱翅蟲素 (pederin) ,切莫混淆。

隱翅蟲的毒液發射器位於背上,體節的 A6、A7 之間,這兒有部分表皮細胞特化成儲存囊壁,並分泌脂肪酸衍生物作為溶劑。而毒素為配備苯環的化學物質 benzoquinone(苯醌),簡稱 BQ;另有一群細胞專門生產 BQ,再運送到儲存囊,和其中的脂肪酸衍生物混合後形成毒液。

生產毒素和溶劑的細胞,是兩類完全不一樣的細胞,各有不同的演化歷史。隱翅蟲的祖先,沒有毒素也沒有溶劑,兩者都可謂演化上的創新 (novelty) 。

一類細胞製毒,另一類細胞產液,兩者合作才有毒液。圖/參考資料 1

論文將生產溶劑的細胞稱為「溶劑細胞」;分析成分得知溶劑總共有 4 種,是碳數介於 10 到 12 的脂肪酸衍生物。合成脂肪酸,本來就是各種生物的必備技能,但是溶劑細胞製作的脂肪酸衍生物,原料並非一般常見的脂肪酸。

脂肪酸的合成,都是以 2 個碳的基礎材料開始,作為類似 PCR 中引子 (primer) 的角色,然後由 FAS(全名 fatty acid synthase)這類酵素一次加上 2 個碳,2、4、6、8 碳一直加上去。人類的 FAS 通常會製作長度為 16 碳的棕櫚酸,昆蟲則會造出 14、16、18 碳的最終產物。

隱翅蟲的溶劑細胞中,脂肪酸衍生物只有 10 到 12 個碳,比 FAS 一般的產物更短。奇妙的是,這兒的脂肪酸並非由 14 或 16 個碳縮短而來,而是溶劑細胞內 FAS 的最終產物直接就是 12 個碳。

隱翅蟲毒液的組成物,碳鏈長度介於 10 到 12 個碳,4 種脂肪酸加工而成的衍生物作為溶劑;3 種 BQ 作為毒素。圖/參考資料 1

改造脂肪酸合成線路,製作溶劑

要闡明其中奧妙,必需先稍微認識昆蟲的脂肪酸合成系統。昆蟲有一群特殊的脂肪酸衍生物,稱為「表皮碳氫化合物(cuticular hydrocarbon,簡稱 CHC)」,具有防止水分散失、費洛蒙等作用。

表皮碳氫化合物多半由 oenocyte 所製造(類似人類的肝細胞),在 FAS 酵素催化形成 14 到 18 個碳長的脂肪酸以後,繼續由延長酶 (elongase) 增加長度,去飽和酶 (desaturase) 加上雙鍵,最後經過兩道尾端的還原手續,分別由 FAR(全名 fatty acyl-CoA reductase)和 CYP4G(全名 cytochrome p450 family 4 subfamily G)兩類酵素執行,產生通常介於 20 到 40 個碳長的產物。

隱翅蟲溶劑細胞和 oenocyte 的脂肪酸生產線的比較,兩邊多數酵素種類是重複的,但是每一類酵素都有好幾個,兩邊各自使用的酵素不一樣。圖/參考資料 1

隱翅蟲和其他昆蟲一樣,oenocyte 細胞內有完整的表皮碳氫化合物生產線,每一步驟的酵素一應俱全。比對可知,溶劑細胞內也有一條脂肪酸衍生物的產線,顯然是由表皮碳氫化合物的生產線改版而成。

隱翅蟲至少有 4 個 FAS 基因,3 個負責製作一般的脂肪酸和表皮碳氫化合物,只有一個特定的 FAS 參與溶劑生產,專職在溶劑細胞中大量表現,製造 12 碳的脂肪酸,最後也由 FAR 和 CYP4G 收尾形成衍生物。值得一提,已知產物長度為 12 碳的 FAS 酵素相當罕見。

溶劑細胞和表皮碳氫化合物的生產線,兩者都有 FAS、FAR、CYP4G 三類酵素,但是在溶劑細胞作用的三種酵素,都不管其他細胞的脂肪酸合成。除此之外,有時候還有另一種酵素 α-esterase 的參與。依靠這些專門在溶劑細胞工作的酵素們,隱翅蟲能生成 4 種溶劑。

溶劑細胞內,4 種脂肪酸衍生物的合成過程。acetyl-CoA 作為引子,由 FAS 以 malonyl-CoA 為材料,一次加上 2 個碳,再分別經還原酶或 α-esterase 加工。圖/參考資料 1

演化上,隱翅蟲並沒有捨棄原本的脂肪酸生產線,整套都還存在;相對地,隱翅蟲在少數特定細胞新增一條產線,不影響原本的重要部門。這是隱翅蟲在遺傳和細胞層次的演化創新。

改造粒線體代謝線路,生產毒素

類似的狀況,也在毒素生產線觀察到。隱翅蟲的毒素,也是由原本有重要功能的古老生產線,調整再改版而成。

論文將生產毒素的細胞稱為「BQ 細胞」,這部分沒有溶劑細胞了解的那麼詳盡,不過經由碳的穩定同位素追蹤,還是得知毒素原料來自食物中的氨基酸:酪胺酸 (tyrosine) ,經過一系列加工後形成 BQ。

這條生產線上有個關鍵酵素叫作 laccase,它一般的功能是參與 Coenzyme Q10,也就是 ubiquinone 的合成。這是粒線體有氧代謝中的重要成分,對生存不可或缺。和其他甲蟲相比,隱翅蟲多出一個 laccase 酵素,專門在 BQ 細胞表現,將 HQ (hydroquinone) 催化成 BQ 作為毒素。

由此看來,隱翅蟲祖先演化出溶劑和毒素的道理是一樣的。

溶劑方面,以舊的表皮碳氫化合物生產線為基底,改用多個新酵素基因,形成新的生產線。毒素方面,源自古老的粒線體代謝線路,同樣加入新的酵素基因,改版後變成毒素產線。兩者各自皆為遺傳與細胞層次的新玩意,合在一起則衍生出功能上的演化創新。

由粒線體代謝線路改版而成的 BQ 毒素生產線,有一個專職生產毒素的 laccase(Dmd)酵素參與。圖/參考資料 1

組合新功能,一步一步累積有利變異

這項研究有許多潛在的討論方向,有興趣的讀者可以自行鑽研。像是生物學研究者能估計所有實驗耗資多少,感受自己的微渺(例如為了分辨不同細胞的作用,論文使用大量昂貴的「單細胞轉錄組 single cell transcriptome」進行分析)。這邊只提兩點。

第一點有趣的問題是:隱翅蟲的溶劑和毒素要同時存在才有效果,可是演化上是哪個先出現呢?論文推測是溶劑細胞先出現。

假如只有 BQ 這類毒素存在,殺傷效果非常差(論文用果蠅幼蟲做實驗),但是溶劑細胞的產物,即使不作為 BQ 的溶劑,脂肪酸衍生物也可以有其他用途,像是潤滑油之類的,或是扮演別種物質的溶劑。

想來新的脂肪酸生產線比較可能先出現,扮演某些不是太重要的角色,接著再加入 BQ;毒素加上溶劑,兩者合體產生新的強大功能,脂肪酸生產線又由於獲得新功能而調整優化,最終形成現在的樣貌。

替隱翅蟲帶來優勢的毒液,由兩個原本獨立的部門組合而成。圖/參考資料 1

第二點有趣的是,這回發現產物為 12 碳的 FAS 酵素。乍看沒什麼,影響卻很關鍵。

FAS 這類酵素的差異,在於催化生成的脂肪酸最終產物有幾個碳(或是說,可以加到幾個碳那麼長);已知幾乎皆為 14、16、18 個碳,隱翅蟲的溶劑細胞表現的 FAS 卻是 12 個碳。好像只差一點,然而實際測試發現,脂肪酸衍生物超過 13 個碳,作為 BQ 溶劑的效果便會差一大截。

也就是說,隱翅蟲倘若沒有脂肪酸產物僅 12 碳長的 FAS,儘管仍然可以生成溶劑,毒性將弱化不少。由此推想,隱翅蟲如今威力強大的毒液,並非透過少數變化一次到位,而是逐漸累積有利變異的結果。

想得更遠一點,由兩種細胞合作衍生而成的毒液,可以視為由多種細胞合夥,複雜器官的最簡單版本。原本不相關的各式細胞們,持續累積一個一個微小的改變,也有機會組合發展成複雜的組織或器官。

延伸閱讀

參考資料

  1. Evolutionary assembly of cooperating cell types in an animal chemical defense system.
  2. A beetle chemical defense gland offers clues about how complex organs evolve

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

 

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。