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燒大錢的大科學研究,應該嗎?

Gene Ng_96
・2013/09/11 ・2564字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

昨晚參加泛科學活動「微型點子對撞機(M.I.C. XIV):驚現」時,在介紹了大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)的大型科學實驗後,有來賓問講者,為何燒大錢來進行科學研究?為何不劫富濟貧地把大錢拿去救濟窮人?這類的問題,我們進行科學研究的人,其實真的蠻常聽到的,尤其是做基礎科學研究的人。

我當時腦袋發熱地也搶過麥克風時回答道,美國在小布希年代攻打伊拉克時,一天花費在戰場上的軍費平均高達七億鎂。歐洲核子研究組織(CERN)的LHC的 建造費用為80億鎂,美國當初在伊拉克戰場上燒掉的軍費,12天就夠再蓋一座LHC了!打一年可以蓋卅座LHC!美國國會當初停建的超導超級對撞機 (Superconducting Super Collider,SSC)經費預估是120億鎂,在伊拉克戰場只夠撐17天而已!現在SSC只剩在美國德州地下可恥的大洞〔有美國別州的人嘲笑,德州人 不是大就是美嗎?不如把一堆驢子(ass)丟進大洞,成就史上最大Asshole(混蛋)!〕。

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當然,打仗和科學研究是兩碼子事,而且有人說打伊拉克是為了石油,LHC可能對人類不見得直接有益。可是戰爭上打掉的彈藥、軍火、人命等寶貴資源是可以失 而復得的嗎?石油是燒不完的嗎?燒完產生的二氧化碳還會危害地球氣候!可是,科學知識相較之下,卻才是真正取之不盡、用之不竭的資源,科學知識可以全世界 共享;科學知識之間的交會能夠產生出更多科學知識;科學知識就像被下了複製咒,會愈用愈多!

不過,這也還沒真正回答到問題(我昨晚很累,講不下去了…講到一半還硬生生自己打斷…)。真正的問題是,把錢拿去救濟窮人,會不會更實際地用在刀口上。這個問題要分兩部分回答,一是富國國內的窮人需不需要用錢直接救濟,二是富國把錢救濟窮國不是更好嗎?

首先,富國燒大錢而不用錢直接救濟國內的窮人,這樣對嗎?

近卅年來美國的貧富不均在日益惡化中。看看以下這個圖吧。從1979年到2007年,美國收入前1%的富人,財富的增加是顯而易見的,可是中間60%和低 層的20%的收 入卻是持平的,這說明了收入前1%的瓜分所有的實質經濟成長,而中產階級和窮人的增加的收入全都被通貨膨脹給吃掉了!

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因此,即是是經濟成長趨緩的富國如美國,在過去卅年間還是有可觀的經濟成長,只是其果實並沒有全民共享,所以窮人才會變窮,台灣的狀況也一樣。因此,窮人真的需要用科研經費來救濟嗎?這是所得分配的政經問題。

再來,如果富國把科研經費用來救濟窮國呢?關於這個問題,我又要再介紹這本MIT學者戴倫.艾塞默魯(Daron Acemoglu)和哈佛學者詹姆斯.羅賓森(James A. Robinson)不可多得的好書-《國家為什麼會失敗:權力、富裕與貧困的根源》(Why Nations Fail: The Origins of Power, Prosperity, and Poverty)(請參見〈國敗論-國家為什麼會失敗?〉)。

《國家為什麼會失敗》指出,窮國之所以貧窮,不是由於命定的地理因素,也不是因為傳統文化作祟。糟糕的政策很可能不是因為執政者愚笨無知,而是他們刻意圖利支持其權力的特權菁 英,代價是整體社會的利益。繁榮富裕的關鍵在於這個社會採行何種經濟制度與政治制度。所以照他們說的,「笨蛋!問題在制度!」。

他們在《國家為什麼會失敗》中, 用了近五百頁的篇幅,反覆論證指出,在廣納型制度(inclusive institutions)下,一個社會若能將經濟機會與經濟利益開放給更多人分享、致力於保護個人權益,並且在政治上廣泛分配權力、建立制衡並鼓勵多元 思想,國家就會邁向繁榮富裕;反之,在榨取型制度(extractive institutions)下,經濟利益與政治權力若只由少數特權菁英把持,則國家必然走向衰敗,即使短期之內出現經濟成長,卻必定無法持續,因為特權階 級為了保有自身利益,會利用政治權力阻礙競爭,不但犧牲多數人的利益,也不利於創新,阻礙了整體社會進步。

《國家為什麼會失敗》作者坦白地提出,富國對窮國的援助,有許多早就消耗在層層的關卡中,到真正有需要的人手中寥寥無幾,很多錢不是在富國的行政機關或組織花在日常運作,就是被窮國掌權的即得利益者A走。這些援助雖然寥勝於無,不過僅是富國讓自己更好過些。

金援窮國甭說治標不治本,常常連標都治不好。和被援助卻仍貧窮的國家不同的,台灣當初經濟起飛成為亞洲四小龍的契機是啥?就是在退出聯合國和失去美援必須 置之死地而後生地自立自強之後!台灣什麼時候開始走下坡成為亞洲四小龍之墊底?就是在即得利益者浮濫徵後和炒作房地產之後!這篇〈救經濟,先打房〉值得一讀!

再來,如果真的要說的功利主義些,我們現在確實不知道這些高能物理學和粒子物理學的知識之實際用途,講者Tammy Cheng也提到就像當初正子被發現時不可能會想像到正子可以用作醫療用途當作正電子發射計算機斷層掃描(PET,positron emission tomography);當初在研究電學、量子力學等的時候,物理學家馬上就想像到雷達和核能發電之可能嗎?當初研究果蠅複眼發育時,發育生物學家也不會 曉得那些發育訊號傳遞和癌症產生的機制有所關連;研究果蠅遺傳演化的族群生物學家也許也不曉得,那些知識後來可以用來預測人類的疾病基因。

最後,我其實更想說的是,一個富足文明的社會,就是要有能力讓科學家來燒大錢取得不曉得有沒有實際用途的科學知識!是的,一個堪稱富裕的國家,就是要勇於 燒錢讓科學家創造!就像過去當農耕文明進展到一定程度後,就把多餘的糧食用作釀酒,還有把盛宴用在政治和宗教活動上,而暫時不需要在乎餓肚子的問題。文明 的高度發展後,人民也講究和溫飽無關的文化活動並且熱衷藝術和宗教創造,對自然界的認識的追求,不過就是文明的其中一環。

我們或許經濟發展太快,受儒家影響還太深,以致富足的社會上還有很多人還活在貧苦的過去,讀書學習知識,是為了討口飯吃以及功成名就,社會上還普遍不懂得發自內心欣賞科學和藝術之美(請參見〈國敗論之西方文明的4個黑盒子〉)。不像西方國家富裕了幾個世紀,慢慢學會懂得學習知識的真正樂趣,而不是還窮酸地不懂得單純欣賞知識之樂趣。不在乎科學知識的社會,也不會真正在 乎藝術和文創,也不會文明起來。

很多事物是環環相扣的。我們的社會太過在乎功利以及有形的財富,於是企業賺錢後,就把錢投入房地產,以為有土斯有財,結果忽略了無形的財富,沒有好好用心 強化企業的KNOW HOW以及投資未來提高研發的能量,結果不僅這廿年來平均薪資下滑,還拖累了企業的長遠競爭力,造就了今天的悶經濟!

 

本文原刊登於The Sky of Gene

文章難易度
Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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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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