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屬於自己的科學旅程

Write Science
・2013/11/24 ・3125字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

11 月 10 日是著名天文學家、天體物理學家與科普作家卡爾‧薩根 (Carl Sagan) 的 79 歲冥誕。從他撒手人世、回歸人類起源的星塵之後,迄今已將近十七年了。我第一次接觸到卡爾,是 1980 年的秋天,就在我過完十一歲生日沒幾周後。那年秋天,他主持的《宇宙》(Cosmos) 節目首次播出,我爸媽當時不知怎麼想到的,讓我坐到家裡那台四四方方的電視機前面收看節目。卡爾對於現在、過去和未來的一切事物,都有一股充滿詩意的激昂熱情,讓我深深著迷。

《宇宙》並不像我們大部分人印象中的自然課那樣,充滿枯燥艱澀的內容。卡爾善於揭曉科學的奧妙,而且似乎完全不怕表達內心對自然世界之美的驚喜讚嘆。他用天賦才華和翩翩風度,帶領我們一同踏上他自己的科學旅程。我那些研究科學的同僚之中,很多人認為《宇宙》那種抒情的敘述方式令人厭煩、不夠真誠。他們認為《宇宙》小看了科學,忽略了我們致力探索自然之謎的部份深刻意義。但對我而言,我覺得這個節目相當令人振奮,能夠鼓舞精神;時至今日,《宇宙》仍然有股讓我陶醉入迷的魔力。語言就和科學一樣,是通往人心的門戶,也是我們唯一能對其他人傳達宇宙奇異奧妙之處的管道。我這樣說可不是在誇大;這句充滿熱忱的話,是要說明大自然的啟迪與奧妙影響深遠,是如何促使了我們踏上科學家一途。

若要說看了《宇宙》對我有什麼實際的影響,那就是往後我閱讀任何有關科學的作品,腦海中響起的都是卡爾的聲音。當我的教授重重地甩了我耳光、當我對於美國現今的科學素養感到洩氣,或是當我需要一點心靈慰藉,我都會求助於《宇宙》,它能讓我振奮起來,提醒我自己是為了什麼投入這個領域、為什麼獻身於科學,提醒自己那最開始的初衷。就許多方面而言,《宇宙》也是我每個月在這個部落格撰寫文章的原因。我盼望自己也能提供一種機制,讓誰能夠藉此發現科學的樂趣,就像卡爾讓我明白科學之樂一樣。

所以,為了紀念卡爾的生日,讓我來跟你們談談科學的錦繡萬象之中,一根小小的織線。這個故事在我心中激起了一點對自然世界的好奇之心,也讓我驚異於年輕科學家們豐沛的好奇心所帶來的創新能力。這個故事,是有關我們如何發現物質那宛如寶石的美麗結構。

現代科學的奇蹟之一,就是我們大幅拓展了自己的能力,遠遠超出十億年來的進化過程中大自然給予我們的感官,讓我們可以見識到原本看不見的事物。好奇心帶領著我們探索種種未知,而這些事物原本是我們自身的感官無法辨識的範疇,大至瞭望廣闊無垠的宇宙,小至深入觀察這世界上的微觀構造,皆是如此。在這兩個領域,我們都發明了能用來觀測的科學技術。

如果深入觀察物質內部,我們周遭的物質是由什麼組成的?又是以什麼結構組成的?物質的微觀性質,跟我肉眼所能看見的絨毛兔子拖鞋、玻璃酒杯還有蒼蠅拍這些東西,是否也有關呢?我們大多都在學校學過,這個世界是由「原子」組成的,還會學畫那個經典的示意圖,把原子畫成一個點 (原子核),周圍環繞著許多由其他小圓點 (電子) 串成的橢圓形。我們學到的另一個定理是,世界上的物質其實是由一組組連結在一起的電子構成的,這樣連接在一起的一組電子稱為「分子」。我們是怎麼知道這些事情的呢?

圖片1
食鹽結晶呈現立方對稱 (cubic symmetry,左圖),而雪花呈現六角對稱 (hexagonal symmetry,右圖)。

物質具有基礎結構這一點,在你觀察某些物體的時候其實就很明顯了。食鹽結晶擁有極為標準的立方對稱;雪花則精準地呈現了六角對稱。許多物質狀態會形成規律的結構,物理學家稱之為「晶格」。晶格實際的形狀和排列方式,依組成的原子性質而定。食鹽結晶是由鈉原子與氯原子交替排列組成的。原子將電子當成鉤子一樣,用來與其他原子連結 (我們化學界的朋友稱之為「價鍵」(valence bond)),而這些鉤子的位置,就會影響原子所組成的分子形狀。鈉原子和氯原子能夠以直線連結,堆疊在一起時自然就形成矩形。

圖片2
食鹽的晶格模型 (氯化鈉,左圖) 與水分子的模型 (右圖)。

相反地,雪花是由水分子所組成,水分子則是由一個氧原子與兩個氫原子結合而成。氧原子的鉤子結構,會讓氫原子無法以直線連結,所以最後形成的分子會以 120 度的角度彎曲,而這個角度正是六角形的一個對稱角!當你把水分子放在一起組成雪花的冰晶,它們會自然而然地形成著名的六角對稱,因為這是它們最容易結合的方式。

聽起來頭頭是道,但我們究竟是怎麼知道的?原子和分子實在過於微小,無法用肉眼分辨,但我們師法自然,瞭解到如何借助其他物理現象進行探測,藉此揭開我們單憑肉眼辨識無法解讀的謎團。光線就是我們可以拿來運用的現象之一,尤其是我們無法看到的光,像是 X 光。X 光的能量很強,而且可以進入非常小的空間中 (比方說原子之間的空間!)。如果有人用 X 光照射一個物體,例如食鹽結晶,光線會穿透原子之間的空間,然後穿出結晶體,與其他從結晶體不同地方穿出的光線結合。結果就是出現排列成陣的閃亮光點,這些光點排列出來的間距和幾何圖形,就反映了出這個結晶體的結構。

圖片3
食鹽結晶 (左圖) 被 X 光照射時,會出現代表結晶體基礎結構的幾何圖形。

你可以自己在家中用 CD 和雷射筆做做看類似的實驗。如果你把雷射筆照射在 CD 表面,再看看反射在牆上的光,就會看到一排光點,光點的間距會依據 CD 上面燒錄歌曲的軌跡結構而定。

圖片4
在家裡就能用雷射筆研究 CD 的結構。這個圖樣稱為「繞射圖樣」(diffraction pattern)。

用這種技術拍攝物質的照片當中,最著名也最具啟發性的圖片,大概就是「第 51 號照片」(Photo 51) 。這是在 1952 年,由一位名叫羅莎琳·富蘭克林 (Rosalind Franklin) 的年輕科學家和她的研究生雷蒙·葛斯林 (Raymond Gosling) 一起拍攝的。這是首度拍攝到 DNA 的照片,而 DNA 就是組成地球上所有生命型態最主要的分子。在富蘭克林的研究之前,都還沒有人知道 DNA 的雙股螺旋結構。

圖片5
羅莎琳·富蘭克林 (左圖) 與揭露 DNA 雙股螺旋結構的「第 51 號照片」(右圖)。

當時 DNA 的結構已有跡可循,但還不清楚是什麼樣的幾何圖案與外形。富蘭克林首先意識到雙股螺旋骨幹上的核苷酸鹼基是朝內的,她曾親自向法蘭西斯·克里克 (Francis Crick) 和詹姆斯·華生 (James Watson) 提到這個事實。在富蘭克林不知情的狀況下,華生看到了「第 51 號照片」,這成了一個轉捩點,讓華生和克里克最終推論出雙股螺旋結構。1953 年,《自然》(Nature) 期刊同時登出三篇 DNA 結構研究論文,其中一篇就是富蘭克林和葛斯林的論文。富蘭克林後來繼續進行成像研究,特別是研究脊髓灰白質炎病毒的分類。令人惋惜的是,她在 1958 年死於卵巢癌,逝世時年僅 37 歲。華生和克里克,以及他們的同事莫里斯·魏爾金斯 (Maurice Wilkinson),因為發現 DNA 結構的貢獻,在 1962 年共同獲頒諾貝爾獎。

富蘭克林的故事,就和許多科學發現背後的故事軼聞一樣,不復為人所知,隨著她的死亡一同消散。我們無法得知,當初她和葛斯林看到雙股螺旋的影像在底片上逐漸浮現時究竟是如何驚奇,但我們可以試著去想像。在科學發現的光芒早已褪去的現在,重要的就是這樣的想像力。想像在一場屬於你個人的漫長旅程之後,終於找到新發現的純粹喜悅;想像那樣珍貴難得的片刻,世上只有你一個人參透了深藏在自然中的秘密,沒有別人知道。那是對人類意義重大的時刻,當我們科學理性的內心充滿了令人快樂的腦內啡,被新發現所帶來的喜悅完全淹沒——就是這樣的時刻,我們就是為此存在的。

*譯註:原文寫作時間為 2012 年 11 月 10 日,有鑑於與譯文刊登時間相隔一年,文中已做相應修改。卡爾‧薩根逝於 1996 年 12 月 20 日。

原文〈A Personal Voyage〉刊登於 2012 年 11 月 10 日 作者:Shane L. Larson
翻譯:Ankh Huang 黃于薇,現為兼職譯者(ankhmeow@gmail.com

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這是真的嗎?傳說級的暴龍之血,引起古生物學家的學術攻防戰!──《 誰讓恐龍有了羽毛? 》
臉譜出版_96
・2022/08/17 ・4514字 ・閱讀時間約 9 分鐘

流傳了六千萬年的血液!找到疑似暴龍的血管和細胞

體認到 DNA 不能持續存在個幾千年,讓大家失望不已。也因此,所有那些聲稱找到數百萬年前昆蟲、植物和細菌 DNA 的投稿文章,最後全都被學術期刊拒絕。

千萬年下來,DNA 幾乎無法保存良好,使得古生物學家難以藉此完全破解恐龍的秘密。圖/Pixabay

然而,要是恐龍化石中存在有其他種類的蛋白質呢?好比說骨骼中特定的蛋白質?一九九七年發表了一篇發現恐龍血跡的文章,又為大家帶來新希望。

由瑪麗.史懷哲(Mary Schweitzer)領導的蒙大拿州立大學(Montana State University)的研究團隊表示,他們已經從保存完好的暴龍骨骼中抽取出蛋白質和血液化合物。

若真是如此,這將使我們對恐龍的生理學有更進一步的認識——它們的血紅蛋白結構可能會提供攜氧能力的線索,解決恐龍是否為溫血動物的爭議。

瑪麗.史懷哲因為受到一具保存異常完好的暴龍骨架所啟發,而展開她尋找古代蛋白質的探尋。「就某些方面來看,它幾乎與現代骨骼相同,並沒有受到礦物質的填充,」她說。

外面一層緻密的骨層似乎阻止了水分進入,所以內部的骨骼看來和新鮮的一樣。史懷哲鑑定出這些內部區域的蛋白質和可能的 DNA。她這樣描述當時的興奮之情:

實驗室裡充滿了驚奇的低語聲,因為我注意到血管內有一些我們以前從未注意到的東西:微小的圓形物體,呈半透明的紅色,中間則是黑色的。

然後一位同事過來看了看,大喊道:「你找到紅血球。你找到紅血球了!這看起來就跟一塊現代骨骼一樣。

但是,當然,我無法相信。我問實驗室的技術員:「這骨骼畢竟有六千五百萬年的歷史。紅血球怎麼可能保存那麼久?」

瑪麗.史懷哲的研究團隊可能在暴龍的骨骼中,找到了牠們的血管以及細胞。圖/Science

然後我們對這根可能含有紅血球的骨骼進行測試。骨骼中似乎確實含有血紅素,這是血液中的血紅蛋白分子上負責攜帶氧氣的那部分。

血紅素呈紅色,這也是血液呈紅色的原因,因為這當中富含鐵,在與氧氣結合時就會呈現紅色,這有點類似鐵生鏽時會出現顏色變化的原理。

質疑:這些是恐龍本身的組織,還是外來汙染?

然而,許多其他科學家質疑這些報告,並認為骨骼中富含鐵的痕跡與血液或血液製品無關,可能只是這動物在遭到掩埋很長時間後進入骨骼的鐵質。

在受到許多評論——有些公平,有些可能不公平——後,瑪麗.史懷哲和她的團隊在二〇〇五年又在《科學》雜誌上發表了一篇後續文章,題為「暴龍的軟組織血管和細胞保存」(Soft-tissue vessels and cellular preservation in Tyrannosaurus rex)。

她的團隊溶解掉一些四肢部位堅硬骨骼的磷酸鈣,留下了由狹窄的血管組成的殘留物,其中包含可以擠出的圓形物體。

從圖 A 中可以發現,脫礦的骨骼基質具有彈性,在箭頭處,拉伸後仍然可以恢復,而在圖 C 箭頭處可以看到纖維狀的特徵。圖/Science

脫礦後的骨骼基質是纖維狀的,並保留了一些原始彈性——在一根將近有七千萬年的化石上,這是非常驚人的。

在後來針對相同材料的研究中,史懷哲和她的同事進行了一系列生化測試,試圖證明這些彈性纖維線是由膠原蛋白組成,就像在原始骨骼中那樣。

骨骼通常由兩種主要材料組成:磷灰石礦化針,這是一種磷酸鈣,會嵌入在纖維性的膠原蛋白中。正是這種彈性蛋白質和硬礦物質的結合,賦予活體骨骼有趣的特性,讓骨骼能夠彎曲(在某個角度範圍內),但彎太大還是會脆裂折斷。

在沒有磷灰石晶體的地方,膠原蛋白形成軟骨,這種柔軟的材料讓我們的耳朵和鼻子變硬,也是鯊魚骨骼的主要成分。

不久之後,在二〇〇八年,托馬斯.凱耶(Thomas Kaye)及其同僚將重新解釋所有這些化石發現,指出這全是人為因素所造成的。他們說,這個疑似血管的構造可能是細菌膜,而所謂的紅血球只是黃鐵礦晶體,是一種硫化鐵礦物。

反轉、反轉再反轉,究竟誰比較靠近真相?

瑪麗.史懷哲對這些批評並不買單,到了二〇一五年,她的研究似乎得到了另一個研究團隊的證實,他們表示從八塊白堊紀時代的恐龍骨骼中取得膠原蛋白和紅血球。

然而,到了二〇一七年,又有一篇文章發表,曼徹斯特的麥克.巴克萊(Michael Buckley)及其同事顯示,這些暴龍的膠原蛋白主要是由實驗室汙染物、土壤細菌以及鳥類血紅蛋白和膠原蛋白所組成的。

他們特別指出,那個所謂的恐龍蛋白質與現代鴕鳥的序列相吻合——這是很容易出錯的地方,若是在分析化石材料的實驗室中,也處理這些現代生物的樣本,就會出現這樣的錯誤。

然後,情況變得比較明朗。在二〇一八年的一篇論文中,耶魯大學的博士生亞斯米娜.偉曼恩(Jasmina Wiemann)帶領的一個小組再次研究了那些去除所有礦物質後的化石骨骼中的血管和其他褐色物質。

她進行了一連串複雜的測試,發現這些血管和組織都是真的,但其組成已經不是最初的蛋白質,可能只有膠原蛋白還保持原樣。

其他的成分都已腐爛,轉變成另一種形式,稱為N-雜環聚合物(N-heterocyclic polymers)——所以事實上,瑪麗.史懷哲是對的,她發現的確實是血管、皮膚細胞和神經末梢的一部分,只是在化石化的過程中,蛋白質發生本質上的轉變。

原始的膠原蛋白有可能被保存下來,但處理時必須格外小心,確保它沒有受到汙染。在一九九二年,荷蘭研究人員傑哈德.麥瑟(Gerard Muyzer)從兩隻白堊紀恐龍的骨骼中找到另一種骨蛋白,稱為骨鈣素(osteocalcin)。

有可能是骨鈣素(osteocalcin)讓恐龍骨頭組織可以逃離腐化的命運。圖/Wikipedia

骨鈣素存在於所有脊椎動物的骨骼中,其作用類似於荷爾蒙,可以刺激骨骼修復以及其他生理功能。骨鈣素是一種堅韌的蛋白質,可以非常牢固地與骨礦物質結合,正是因為如此,似乎可以逃過腐化的命運。

它也是一種相對較小的蛋白質,由大約五十個胺基酸組成。在二〇〇二年,曾經為一隻五萬五千年前的野牛化石的骨鈣素分子進行完整定序。也許有一天,我們也可以幫恐龍的骨鈣素定序。

雌、雄恐龍長得到底一不一樣?

長久以來古生物學家一直認為,恐龍具有雌雄二形性,也就是兩性的外觀不同,至少有些種類是如此,就如同之前在第四章中看到的。

在過去,有人曾認為晚白堊世長角的角龍類和長冠的鴨龍類這些植食性動物是如此,牠們的骨架組成大同小異,只是頭上頂著的冠或角不同。

但若根據這種說法,奇怪的案例就出現了:所有的雄性會在一個時期都生活在一個地方,而所有的雌性,也就是頭骨稍微有些差異的個體,則碰巧在另一個時期生活在另一個地方。

這個例子讓假設完全無法成立!

然而,近來恐龍的雌雄二型性再度成為焦點,因為現在我們可以辨識一些羽毛顏色和圖案細節。

有許多動物的雄性、雌性具有非常迥異的外表,恐龍是否也有類似的現象?圖/Wikipedia

現在普遍認為,許多恐龍的羽毛可能是用於展示,而條紋和頭冠則暗示著雄性在交配前的求偶展示,就跟多數鳥類一樣,而這正是性擇在恐龍演化中扮演的關鍵作用,如之前在第四章所提到的。

髓質骨,也許是破解恐龍性別的關鍵!

最棒的是,我們或許能夠根據這些明確的證據來辨別某些恐龍的性別。

大多數的雌鳥都長有一種特殊的骨骼叫做髓質骨(medullary bone),這是一種填充髓腔的海綿狀骨骼,會出現在某些肢體骨骼的核心。

在現代鳥類中,最初是一九三四年在鴿子身上注意到,然後在麻雀、鴨子和雞的骨架中也有觀察到。鳥的身體可以很快生成髓質骨,也可以很快地將其拆解回收,算是一種鈣質的儲藏庫,在需要形成蛋殼時可以快速釋出原料。

後來的研究發現,所有的現代鳥類都是如此。

生理實驗顯示,在雌鳥開始產卵時,髓質骨會在整套骨架的許多骨骼核心累積,然後隨著鈣進入發育中的蛋殼而減少。髓質骨的發育和轉移會隨著季節而出現週期性的變化,主要是受到雌激素(Oestrogen)和其他與繁殖週期相關的荷爾蒙所控制。

二〇〇五年,瑪麗.史懷哲首次在現代鳥類之外的暴龍身上發現髓質骨。從那時起,也陸續在其他獸腳類恐龍和鳥臀目中的腱龍(見隔頁)和難捕龍(Dysalotosaurus),以及已滅絕的孔子鳥和企鵝(Pinguinis)中發現。

由位於開普敦的南非博物館的阿努蘇亞.欽薩米-圖蘭(Anusuya Chinsamy-Turan)及其同僚所發表的一篇關於孔子鳥的研究特別有說服力,因為他們證明鑑定出髓質骨的化石都是雌性標本(參見下圖)。

白色箭頭處,即為雌孔子鳥的髓骨。圖/臉譜出版

在中國博物館蒐集到的數千個烏鴉大小的孔子鳥標本中,已經確定出雌雄兩性的形態。

有一個非常經典的標本是在同一塊石板上同時有雄鳥雌鳥——推測是雄鳥的那隻,長有旗桿般的長尾羽,而假設是雌鳥的那隻則沒有。

因此,就跟現代鳥類一樣,雄性長有荒謬的裝飾品,以便向較為敏感但外表單調的雌性炫耀,試圖展現牠強韌的特性,暗示牠將會是一個好父親。

欽薩米-圖蘭及其同僚在一個顯微切片中發現了位於內腔的髓質骨,其海綿狀的骨組織與一般較為規則和緻密的骨骼完全不同。髓質骨只有在雌性身上發現,從來沒有在雄性身上發現——雖然也不是所有的雌性都有,因為牠們死時並非都處於繁殖季。

不過,在其他例子中對於髓質骨的功能則還有爭議,比方說有研究指出在暴龍和異特龍等大型恐龍身上也有發現髓質骨。他們提出另一種解釋,認為些大型恐龍中之所以有海綿骨,可能與生長突增(growth spurt)有關。

有些體形較大的恐龍,生長速度非常快,幾個月內,體重可增加數百公斤,因此會需要快速取得和調動鈣質,我們將在第六章談這類恐龍。

在現生鳥類,甚至是化石鳥類中,髓質骨的存在是為了繁殖,這一點毋庸置疑,但只有在小型恐龍身上發現這類骨骼,也許是因為產卵對牠們來說是一項巨大工程,就像對今天的鳥類一樣。

從這一對孔子鳥的化石可以看見明顯的雌雄二型性。圖/臉譜出版

深入研究恐龍骨骼,認識牠們的生理機能和交配行為是一回事,但我們到底能不能一如本章開頭的主題所問的,設計出一隻活生生的恐龍呢?

——本文摘自《誰讓恐龍有了羽毛? 》,2022 年 7 月,臉譜出版

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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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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

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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