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從「已知用火」到駕馭太陽 紀念光研究一千年

劉珈均
・2015/02/02 ・6349字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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奧芬堡大學媒體資訊傳播系學生為光之年製作的海報。 Christian Schaller© Offenburg University cc

一千年前的1015年,生於今日伊拉克南部的阿拉伯學者伊本海瑟姆(Ibn al-Haytham)寫了七冊《光學之書》(Kitab al-Manathir,英文Book of Optics),為人類首篇光學研究,敘述眼睛構造、視覺理論與光的物理特性。海瑟姆被視為第一個科學家,因其所得皆透過謹慎的實驗與紀錄而來。海瑟姆提出人能觀看,是因為光線照射到物體後反射至眼睛,而非過往認為的眼睛發出光線照亮物體;他也提出大氣使光偏折,研究出光在曲面折射的數學公式,並試圖做實驗解釋彩虹、日食與月食等現象。

一千年後,人類發明各種光源點亮夜晚、發射衛星捕捉星光、用光纖網路串聯起全世界,短短一百多年的時光,光學科技改造了人類的文明與生活,也改變了運作千萬年的地球生態。

一千多位科學家與各方人士1月19、20日齊聚「光之城」(City of Light)巴黎,正式為「國際光之年(International Year of Light, IYL)」拉開序幕。聯合國教科文組織(UNESCO)將2015定為國際光之年,以此紀念千年來人們在光領域的研究足跡及各種光技術的發展。2015恰逢許多光學里程碑的周年:1015誕生首篇光學研究、1815菲涅爾提出光的波動性、1865年馬克士威發表光電磁傳播理論、1905愛因斯坦提出光電效應與1915廣義相對論、1965彭齊亞斯與威爾遜測量到宇宙微波背景輻射。

包含台灣在內,全球共71個國家地區共襄盛舉光之年,用一整年時間舉行光學科技相關的演講與活動,提醒光在人類生活扮演的重大角色,並討論如何以光科技解決當前問題。

海瑟姆的光學之書。(圖:維基)
海瑟姆的光學之書。(圖:維基)

從「已知用火」到光纖網路、駕馭太陽:光科技與人類文明

夜幕降臨,華燈初上,人工光源徹底改變了人類的夜晚活動型態。在夜晚光源只有星星和月亮的年代,夜晚的可見度大約只有幾公尺,對人們而言,晚上意味著一天的勞動與社交互動告一段落,所有人都要從戶外回到屋內,會在外遊蕩的只有危險與不良份子。晚上出外遊走這件事最早可追溯到17世紀法王路易十四頒布法令,將巴黎街頭掛上燈籠,接下來的公共照明系統還有燃燒鯨魚油的燈具、19世紀出現的煤氣燈、刺眼的弧光燈,直至19世紀末電燈登場。隨著工商時代發展,漸漸地人們在夜晚工作、從事娛樂活動、發展各式24小時服務。

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photo credit: prashant maxsteel [ read profile ] via photopin cc

LED是另一波照明革命,三位日本科學家赤崎勇、天野浩與中村修二於1990年代開發出高品質藍光LED,在此之前的半世紀只有紅光與綠光LED,藍光的加入得以配製出白光LED,延伸應用於照明、液晶螢幕、手機面板螢幕的背光晶片等。LED照明節省了90% 的能源,發光效率可達每瓦200流明,壽命可輕而易舉達到幾萬小時,遠遠長於其他照明技術(一般白熾燈泡發光效率約每瓦24流明,平均壽命約1000小時),三位科學家也因此貢獻共同獲得2014諾貝爾獎。

「醫學影像技術的突破從光學開始。」台大光電工程所教授孫啟光說,光學望遠鏡讓人類往天空探索,從此知道地球非宇宙中心;而光學顯微鏡是第一個醫學影像儀器,讓人開始了解人的內部組成,也造就了細胞病理診斷。醫學影像技術讓醫師觀察人體內部構造、協助診斷與分析病情,其他常見的醫學影像儀器還有核磁共振、X光、電磁斷層掃描(CT)等等,除核磁共振外,也都與光有關,只是並非一般所看到的可見光。

1960年梅曼(Theodore Harold Maiman)製出第一台雷射,雷射發明逾半世紀,在醫療到消費性電子產品、通訊、軍事科技等領域皆扮演舉足輕重的角色,例如運用雷射治療眼科、皮膚科與牙科疾病;常見的用品如DVD播放器、條碼讀取機;軍事武器以雷射標定瞄準等。雷射也是尖端研究的重要工具,目前有十幾位諾貝爾獎得主的研究與雷射有關,除了雷射本身,還有全像片、雷射冷卻、玻色─愛因斯坦凝聚態。

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photo credit: Twistiti via photopin cc

現代生活大量依賴的網路、雲端服務,就靠光纖傳送大量訊息,1966年高錕研究發現,減少玻璃雜質,便能解決光藉著玻璃全反射傳送的途中,訊號嚴重衰減的問題,進而達到長程通訊,此研究克服了光通訊長久以來的障礙。光纖具有體積小、訊號衰減低的優點,且光纖不受電磁干擾,每條光纖可用不同波長的頻段獨立傳送訊息,因此光纜能傳送的訊號大量而準確,被譽為光纖之父的高錕獲2009諾貝爾獎。

人類一直嘗試駕馭太陽的能量,早在1839年,法國物理學家貝克雷(Alexandre-Edmond Becquerel)就發現了光伏效應,即某些材料照到光時會產生微小電流,但要等到一百多年後的1954,三位貝爾實驗室的科學家才發明出第一個能有效將太陽能轉換為電能的矽基太陽能電池,當時該電池在太陽直射下的效率只有6%左右,現在先進的太陽能電池已可達到40%。太陽能發電的應用觸角開始延展,例如太陽能車、海水淡化系統等。現今太陽能應用尚未成為主流,但氣候變遷的威脅愈來愈緊迫,帶動替代能源的需求,國際能源總署(IEA)估計,到2060年,太陽能科技可望提供世界三分之一的能源。

情歌與舞蹈的顏色:光與藝術

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photo credit: Sam Breach via photopin cc

光也撩撥著人們的情感。畫家以光影描繪情感的氛圍與張力;自4世紀開始,彩繪玻璃將自然光化為燦爛奪目的藝術品,教堂、古蹟、清真寺常以彩繪玻璃述說古老的傳說故事,光彷彿是具有生命的精靈,觸碰人們靈魂深處的悸動;演唱會、主題樂園,常見雷射光激發高昂情緒與驚呼聲;攝影與電影捕捉當下的光,讓時空與光線永恆駐足。而若要說以玩弄光影為業、融會各種藝術元素的魔術師,大概莫過於劇場燈光設計師,自15世紀的文藝復興時期,便開始有藝術家認知燈光設計的重要,利用燈光調節影響觀眾情緒。

「其實我比較看重的是影子,未必是光,」劇場燈光設計師車克謙說:「光的角度或是光在物件上造成的陰影對我吸引力比較大。我觀察影子的構成,去發現光源是什麼。」車克謙經驗豐富,曾操刀高雄世界運動會主場的開閉幕式、幾米音樂劇《向左走,向右走》、《地下鐵》等各式戲劇與大型戶外展演。

「光可以幫助一個物件,也可以毀了它。」而燈光設計就是讓觀眾看到想讓他看見的細節,隱藏不想讓人注意到的地方。運用燈光的亮度與色澤導引、加強觀眾的情緒是設計師的基本功。舞台上的演員在說故事,燈光也在說故事,燈光協助帶出戲劇的動線,有時也暗示戲劇的隱喻與伏筆,車克謙笑著說:「有時候燈光還要克制表演慾,不要太『愛講話』。」過多過強的光會失去焦點,或讓觀眾一片昏花,什麼也看不到。不同展演需要的光不一樣,如舞蹈表演大部分只有簡單布幕,幾乎全靠光影創造出山林、海洋、竹林等意象,帶領舞者與觀眾穿梭不同空間。

車克謙說,平常會強迫把眼睛當照相機,從環境中記錄光的狀態和屬性,如冬天的光、紐約城市的光、午後咖啡店的光。對聲音的感受也是創作靈感來源,聽著旋律,車克謙便不自覺在腦中編織場景的顏色與氛圍,他舉例,例如搖滾樂大概就是紅色、黃色、橙色加上一些閃爍效果,情歌則要看是男聲或女聲、或熱戀或憂鬱,紫色、藍色、粉色都有可能。

「No light, there is no space.(少了光,就沒有空間存在)」知名劇場設計師羅伯˙威爾森(Robert Wilson)常將這句話掛在嘴邊。他認為,「因為有光,黑暗才真的變黑。因為黑暗,才感受得到光線的明亮。這就是空間的基本概念,也是空間的原理。」光決定了許多事物,形成敘事結構與節奏,「它可以跟音樂合作或是對抗,讓事物變得明顯或晦暗,為動作定下秩序。」[1]

全球光害地圖的反思:我們正在失去夜晚

夜晚地球(2)
夜晚的地球。photo credit: NASA Goddard Photo and Video via photopin cc

燈光點亮了人類的文明與生活方式,我們用人造燈光點亮夜晚至今不過一百多年,已顛覆了人類與生態經過千萬年演化而適應日夜交替的習性,人工照明改變人類生活型態,但也帶來各種問題,一些國際組織與研究單位發起各式活動呼籲大眾正視光汙染。

國際暗空協會(International Dark-Sky Association, IDA)致力於保護夜間環境、推動適當照明,IDA將光害定義為:「所有人工照明的負面影響,包括天空輝光(sky glow)、刺眼的強光(glare)、無端闖入的光線(light trespass)、雜亂的光線(light clutter)、夜晚受損的能見度以及浪費的能源等。」光汙染的影響層面不只是我們再也看不到經典老歌所唱的「Starry Starry Night」,光害也代表著浪費能源、干擾生態,全世界至少有三成左右的脊椎動物、六成左右的非脊椎動物屬於夜行性,再加上習於暮色或清晨出沒的生物,就不難想像光害的影響層面有多廣闊。[2]

IDA製作的影片〈Losing the Dark〉:

美國國家光學天文台(National Optical Astronomy Observatory, NOAO)也發起國際性的公民科學家活動「全球光害地圖計畫(Global at Night)」,介面有20幾種語言,號召全球公民上傳資料,描述自己所在地區的夜空明亮度、天氣狀況,藉此蒐集全球光汙染資料。去年2014共有來自94個國家、17,500次的觀測數據,八年下來已從115個國家累積了近十萬筆觀測數據。[3]

中央大學光電系教授孫慶成說,照明的服務對象是眼睛,但我們現在有許多照明發出的光都是不必要的,而這些多餘的光就四處亂竄,闖入夜空、干擾視線等,例如一般路燈,有五分之一的光浪費在打往水平或天空方向,造成天空輝光。要解決光害其實沒那麼困難,孫慶成說,要達到適度照明,透過調整照明裝置設計就能改善,孫慶成帶領的中央大學團隊設計的LED照明可讓98%的光與能源都貢獻於照亮街道,而非照亮夜空,節能達40%至60%。孫慶成認為,良好的照明應該是:「照亮回家的路,也將天空留給星辰。」

照明設計對照
(上)一般常見的路燈照明;(下)改良後的照明。(圖/孫慶成提供)

現實生活中也有類似例子,國立科學博物館植物園的燈光造景即是一例,每天入夜後兩個小時半,植物園外的LED燈將七彩變幻光芒投射到八層樓高的溫室桁架與玻璃帷幕,周末的燈光秀以234組燈具將植物園妝點為光雕藝術品。這些LED燈來自回收燈具,一天電費不超過新台幣35元,且燈光照射角度經過設計,光線只落在建築物上,不會進入夜空,也不會進入溫室影響植物作息;舊金山一家叫作民間暮光(Civil Twilight)的公司讓路燈隨月亮光線而自動調節亮度,讓夜間的亮度維持平衡,尋回夜晚自然氛圍,並減少四分之三的照明費用。

讓光更人性:光對人體的影響

光之年海報(2)
奧芬堡大學媒體資訊傳播系學生為光之年製作的海報。photo credit:Waldemar Schmidt © Offenburg University cc

「光對人類有直接、長遠、且重要的影響,光無所不在。」孫啟光說,首先就是視覺,人類如何看到萬物便是藉由光線照射物體後,反射進入眼睛的視網膜、視神經,到大腦解讀。他開玩笑地說,他不清楚一般人如何感受光,他自己被太陽曬的時候就很有感覺。

孫啟光研究專長為非侵入式的生醫影像,他說,開發光電醫材必須確認許多事情,才能進到臨床實驗、對病人負責。現在許多生醫影像技術使用的是與雷射手術差不多波段的光源,但作為非侵入式觀測人體與動手術(破壞組織的)的光源應該要分開,使用不同顏色(波段)的光。「身為一個科學家,我想要了解更多人與光的互動關係。」孫啟光對於光和人體的互動特別感興趣,光如何影響人體?有的光波段會傷害人體,有的不會,劑量也可能造成差別;不同組織對光的反應也不同,例如光可以穿透眼球到達視網膜,卻不能穿透人體其他部分,我們的基因演化設計了不同器官對光有不同反應,目的又是什麼?

工研院光電所設有台灣首座國際級的人因照明實驗室,研究在不同情境與時間下,各種光線配置對人的清醒程度、情緒、工作效率、神經系統等生心理影響,探討適合的人因照明參數。市售照明光源常見眩光與LED藍害問題,當眼角餘光直接或經物體反射看到光源(如書頁上的小光點),刺目的燈光導致無法清晰的觀看物體,此干擾為眩光,眩光會讓眼睛不適,易疲勞、注意力不集中;藍害則會讓視網膜變質,甚至造成白內障,為不可逆的傷害,但相反的,藍光也可用於治療季節性憂鬱,端看如何適切地使用光源。光源閃爍也漸受重視,有研究指出閃爍的燈光可能造成偏頭痛,也有較為極端的例子,日本曾有光敏癲癇症患者因看了神奇寶貝卡通,承受不住皮卡丘放電時劇烈的光線變化而送醫。

工研院光電所工程師趙偉成說,光對人的影響主要可分為視覺、心理、生理、生物四個層面,視覺是指對於眼睛的影響,例如藍害與眩光;心理與生理層面是人體照光後的「生理回饋」,如心跳、血壓、皮膚阻抗、腦波訊號等,與神經系統有關;生物層面則是對賀爾蒙的影響,如現在常見學者研究照明對褪黑激素、生理時鐘的影響。後三者難以完全切割,不過生物效應與生心理層面之間的交互影響、運作機制尚未有充足的研究。

良好的光線對人如此重要,在某些地區,照明是急待解決的經濟與健康議題,世界上約有15億人口依賴蠟燭或是會產生對人體有害氣體的煤油燈度過漫漫長夜,這些人口多為發展中國家的居民,夜晚缺乏足夠照明使得白天須工作貼補家計的孩童無法夜晚學習讀寫,學業落後,甚至醫院也無法於夜晚運作。UNESCO光之年的重要計畫之一便是在這些地區推廣可攜式的太陽能LED照明,以期打破當地的惡性循環。

光科技的未來

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孫慶成說,未來光電科技將與物聯網、雲端的概念合流。(圖:維基)

「台灣的光電產業產值大約占了全世界五分之一!」兼任光電學會副理事長的孫慶成說,台灣的光電產業舉足輕重,其中又以LED照明、顯示器、太陽能為主。對於光科技的發展趨勢,孫慶成勾勒一連串的藍圖:「未來大概是眼睛張開所看到的一切東西都與光相關!」光科技深入資訊(含顯示與感測)、能源、照明領域,光既是能量來源,也是訊號。試著想像這些場景:或許車子不再需要人為駕駛,而是雲端控制;可能所有資訊濃縮於一副眼鏡上;可能手機只有一片指甲般大小,這些藍圖必須利用無數感測器以及取得、傳輸、顯示、儲存大量資訊的技術,這便是奠基在光電技術之上,與物聯網、雲端的概念合流。

孫啟光希望,國際光之年能喚起大家對光的重視,了解光的多面向,特別是光對人的影響,也希望台灣能進一步發展更多人本應用之光電產業。光電學會以提出光電效應的{“type”:”block”,”srcClientIds”:[“3499b1ad-7165-43f2-8256-e5dd5686e0a6″],”srcRootClientId”:””}愛因斯坦為主角,設計了光之年主燈擺在三月台中的元宵燈會。光電學會秘書長黃建璋說,接下來的一年會舉行50至100場巡迴演講,並與各大學光電系所合作辦營隊。台北天文科學教育館一月底也舉辦為期七個月的「光的奧秘」特展,內容包括以LED與投影建構模擬宇宙大霹靂的通道、展出太陽能應用與福衛五號的光學望遠鏡,也有利用光線折射、反射原理設計的視覺遊戲。

1999諾貝爾化學獎得主阿米德˙齊威爾(Ahmed Zewail)在巴黎光之年開幕式上呼籲大家對話以解決世界的需求。歐洲物理協會會長、IYL策劃委員會會長約翰˙杜德里則說,光科技在生活中的角色如此重要,這是光學與光電社群與大眾交流知識的機會,「我們只有一次機會,舉行慶祝很不錯,不過我們得盡快開始工作了!」

備註

  1. 耿一偉,《羅伯˙威爾森──光的無限力量》,台北:國立中正文化中心,2009。
  2. Paul Bogard,陳以禮譯,《夜的盡頭》,台北:時報文化,2014。
  3. 全球光害地圖計畫中文版介面的光害地圖

訪問之外的參考資料

  1. UNESCO 國際光之年官網
  2. Optical Society,〈New LED Streetlight Design Curbs Light Pollution〉,2013
  3. Clifford A. Pickover,顏誠廷譯《物理之書》,台北:時報文化,2013。
  4. 光之年巴黎開幕報導編譯來源:〈Light Is Power, Inspiration, Source, Say International Year of Light Speakers〉〈Solutions enabled by light inspire at International Year of Light celebration〉
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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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SmartReading 科普閱讀力大賽——打造新世代自主閱讀指標,培養學子適性成長!第三屆頒獎典禮暨第四屆賽事啟動!
PanSci_96
・2022/09/26 ・3811字 ・閱讀時間約 7 分鐘

108 課綱開啟全新閱讀素養時代。

科學素養不再侷限於考試的解題方法,學生閱讀科學讀物時,如何在氾濫資訊中找到高品質、適合學習程度的科學素材,是教育現場至關重要的課題。

臺灣師範大學 SmartReading 團隊將 AI 讀物難度分級技術,透過測驗、選書、閱讀、讀後回饋四大功能,完整記錄孩子的學習歷程,提升中小學生科普閱讀動機,成為自律自主的科普學習者。

臺灣師範大學於 110 年至 111 年間,與國科會、新北市、臺中市等單位合作,連續辦理三屆「SmartReading 科普閱讀力大賽」,每屆競賽歷時半年。競賽組別以國小三年級至高中一年級共分七個組別。參賽學校涵蓋臺北市、新北市、臺中市、臺南市、高雄市、花東等十九縣市,報名參賽人數累計八千餘人。

國立臺灣師範大學第四屆科普賽將擴大辦理,邀請PanMedia泛科學馮瑞麒總經理、數感實驗室賴以威教授、臺大科教中心賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章。圖/國立臺灣師範大學

由系統建置適合學生閱讀的兩千多本科普讀物

競賽期間,參賽學生使用「SmartReading 適性閱讀」系統,透過精準快速的中文閱讀能力診斷,將閱讀程度與讀物難度適配。藉由系統已建置,適合國小三年級至高中一年級的 2,180 餘本科普讀物,不僅能激勵其學習動機,更可有效提升選擇的效率,降低科學閱讀恐懼。第三屆科普閱讀力大賽不受疫情波擾,採實體與線上兩種施測方式,於 111 年 5 月份圓滿完成賽事。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。圖/國立臺灣師範大學

臺師大宋曜廷副校長表示,數位閱讀邁向新時代,團隊使用「SmartReading 適性閱讀」系統作為科普賽競賽平台,期望在知識爆炸的時代,藉由測驗、選書、規劃的「智慧閱讀三步驟」,培養學子的跨領域閱讀力與閱讀習慣,讓學生們手握知識大門的鑰匙,成為自律自主的「SmartReader」。

科普閱讀競賽的三大特色

一、適配閱讀能力與圖書難度,擴增多元書籍與文章素材

參賽學生首先須參加中文適性閱讀能力診斷(DACC),依據診斷結果,配合其當前閱讀能力的科普推薦書單,讓學生選書有依據、個人化。本競賽目前共有「推薦書單」、「推薦文章」等 2 種閱讀素材,主題包含植物/動物、數學、天文地科、物理/化學等 8 大類別。「推薦文章」功能,則與「PanSci 泛科學」及「數感實驗室 Numeracy Lab」合作評選,當前提供 600 餘篇線上科普短文,競賽期間提供已超過 4,000 人次的瀏覽次數。

二、綜合性閱讀五力分數,開啟學生全方位閱讀力

本競賽賽程為期半年,學生透過「前測、閱讀任務挑戰、後測」三個階段。競賽期間,系統詳細記錄每週閱讀歷程,並產出線上「閱讀五力分數」報表。自主規劃閱讀期間計算為「規劃力」;讀後評量填答結果計算為「執行力」;閱讀多元書籍類別的結果計算為「博學力」;閱讀單一書籍類別的深化成果則計算為「精進力」;前後測成長結果計算為「成長力」。將閱讀能力數據化、可視化。

三、閱讀任務徽章,深化學生文化素養與科普閱讀興趣

本競賽內建徽章蒐集系統,參賽者於指定時間依據提示完成閱讀任務,即可獲得期間限定的特色科普徽章。任務內容包含閱讀指定的書單及文章類別、世界性科普節日、科學家生辰、台灣重要節慶與其他隱藏任務。本屆各年級累計獲得徽章達 20423 枚,因設計活潑及任務類型多樣,大受參賽者好評。

競賽結果發現學生的閱讀偏好

一、科普閱讀參與,國小男性最踴躍

活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。以不同學習階段來看;國小參賽者整體閱讀平均本數為 24 本,男生平均閱讀本數為 28 本,女生平均閱讀本數為 20 本。國、高中參賽者因科普讀本難度較高,需要較長的閱讀時間及一定的科學基礎知識,國中參賽者整體平均閱讀書籍數為 10 本;高中參賽者中女性平均閱讀本數多於男性,整體平均閱讀書籍數為 7 本。

總閱讀量/本人數平均閱讀量/本
全體學生21,1531,10019
8,05150516
13,10259522
國小學生17,47971624
6,47432520
11,00539128
國中學生3,45935510
1,4611669
1,99818911
高中學生215297
116148
99157
活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。表/國立臺灣師範大學

二、學生偏好閱讀動物/寵物類與地球生態/天文類書籍

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類(男生 28.19%、女生 27.91%)最能引起學生的閱讀興趣(如:《昆蟲老師上課了!:吳沁婕的超級生物課》、《小島上的貓頭鷹》、《神奇樹屋》等系列)。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍(男生 15.20%、女生 16.87%)。

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類最能引起學生的閱讀興趣。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍。圖/國立臺灣師範大學

三、參賽學生閱讀歷程的質與量均佳,表現令人驚豔

本次參賽學生皆積極參與競賽。

以三年級組第一名得主,臺北市立大同國小的林靖軒同學為例,競賽期間閱讀書籍本數高達 383 本,書籍讀後評量的通過率更高達 95%,書籍不僅讀得多,更是能讀得要領。

四年級組第一名為第二次參賽的新北市信義國小謝秉言同學,本次競賽期間共閱讀 427 本書。

其中五年級組為本次競爭最激烈的一組,臺北市立長春國小的黃葦川同學以及高雄市立集美國小的吳勁毅同學,兩者僅以極小的分數差距位居第一及第二名。

此外,第一次參與競賽的高雄市立正義國小的孫政遠,競賽期間閱讀 281 本書籍,通過率達到 97%。

四、教育主管機關、學校師長及家長支持鼓勵,帶動學生優異表現

新北市教育局致力於推動智慧閱讀教育,不遺餘力,成果豐碩。本屆競賽全台共 2,104 人報名參與,全國賽獎項獲獎學生共計 36 人,其中新北市得獎學生便囊括 14 位,表現相當亮眼。

家長與學校師長共同陪伴,使得學生能專注於本次競賽,並有相當卓越的成果,例如新北市康橋國際學校、臺中市明道中學、臺中市葳格國際學校、臺北市東山中學等校,皆因全力推廣閱讀活動,才能有優異的競賽成果。以新北市康橋國際學校國中部為例,此次七年級組參賽者,全國賽前5名得主中,康橋中學就獲有 3 名的佳績。

臺師大華語文與科技研究中心洪嘉馡教授說明第三屆科普閱讀力大賽成果。圖/國立臺灣師範大學

第四屆科普閱讀力大賽即將開跑

延續前三屆廣受好評之科普賽事,第四屆科普賽將擴大辦理,邀請「PanMedia 泛科知識股份有限公司」馮瑞麒總經理、「數感實驗室 Numeracy Lab」賴以威教授、「國立臺灣大學科學教育發展中心」賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章,預期第四屆科普閱讀力大賽將能讓全球讀者有更高品質的閱讀體驗和更充實的閱讀收穫。

活動詳情請參閱官方網站
新聞聯絡人:高等教育深耕計畫辦公室——鄭德蓉 02-2366-0916 #111

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頭髮禿禿該怎辦?國外研究有一種療程是以「低能量雷射療法(LLLT)」來照射頭皮
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/09/19 ・1752字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 蓓麗嘉國際 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳彥諺,皮膚專科陳昱璁醫師

看似無用的頭髮,除了防曬、保暖的功能外,還有外表上的美觀作用。「美觀」雖然乍看之下並不實用,但是,如果生得一張好看的臉,偏偏頂上荒涼,好看的外貌卻極容易因此而消減幾分。

以往在治療禿頭上,有四種主要方法:改善作息、塗抹含有米諾地爾(Minoxidil)成分的生髮水、口服抗雄性禿之藥物、植髮手術。不過,隨著科技進步,科學家們也不斷地探索著新方法!

目前除了上述四種常見方法外,還有另一種安全且可居家執行的療程,是以「低能量雷射療法(LLLT)」來照射頭皮,進而達到讓落髮毛囊重回生長期的方式。

毛囊(hair follicle)是毛髮生長的搖籃。圖/Wikipedia

什麼是低能量雷射療法(LLLT)?

低能量雷射療法,全名叫做 Low-Level laser(light) therapy。這是一種運用低功率雷射(通常是紅外線)來治療特定症狀的治療方式。低能量雷射與傳統雷射並不相同,傳統雷射是高能量的雷射,常用單位是瓦特(Watt),大多用在切割或止血等大手術上。然而,低能量雷射是能量較低的雷射,具有安全性外,用途也更加廣泛,常用於減輕疼痛、治癒傷口、神經再生等。

不過,會發現低能量雷射也許能增生毛髮,其實完全是歪打正著的結果,為何會這樣說呢?有個故事小插曲是發生在 1960 年代後期,匈牙利醫生恩德雷・梅斯特(Endre Mester)原本在進行一系列實驗,想證明雷射光到底會不會致癌。

他將小鼠背部毛髮剃光,再使用低功率紅寶石雷射光(694nm)照射,結果,小鼠並沒有因為照射雷射光而得到癌症,出乎他的預料,雷射光的照射,反而改善了小鼠背部剃毛區域的毛髮生長狀況。

恩德雷・梅斯特發現雷射光可以改善小鼠的毛髮生長狀況。圖/Wikipedia

這項發現,也引起了學界對於 LLLT 治療禿頭的關注。近年來,實際研究成果中也指出了患有雄性禿症狀的患者,在經過定時定量的低能量雷射照射下,能有效改善部分受試者的禿頭狀況。

雷射光與 LED 的差異

LED 光源就是家裡的省電燈泡,這些燈泡發出的光,波長較雷射光廣泛,也沒有特定方向性,此外由於光波的相位並不統一,會互相干擾影響光波的能量。

雷射光源的產生是來自雷射二極體,通過電流產生光後會在共振腔中共振,產生更多同波長的光。因此,雷射光源的波長較為單一,具有高度指向性,且相位一致,更容易控制能量。而這些性能也反映在價格上,雷射光源每 nW 的成本,更是高於 LED 光源近 100 倍。

皮膚專科陳昱璁醫師表示:「造成落髮常見的因素包括:雄性禿、壓力、產後落髮甚至是打完疫苗或確診後的副作用都有可能引發落髮,目前通過台灣衛福部核准改善落髮的治療方式有生髮水、口服藥、低能量雷射與植髮手術,而低能量雷射的優點是非侵入、無顯著副作用、可居家使用的生髮器材,不過,若雷射波長不同會造成波長干擾,建議民眾使用 650nm 單一雷射光,至於適合用什麼樣的方式治療建議民眾到門診由專業醫師評估。」

衛生福利部雙和醫院皮膚科主治醫師陳昱璁。圖/衛生福利部雙和醫院

在傳統的髮療法當中,皆存在著潛在的副作用風險,比如,使用含米諾地爾的生髮水,有可能會造成頭皮刺激不適,初期使用也可能有掉髮增加的情形,女性也偶有出現臉部多毛症的狀況;而口服藥常見副作用包含性慾減低、勃起異常、不孕等副作用。

陳昱璁醫師也提到:「雷射生髮帽屬醫療器材,若不當使用仍會造成傷害之虞,因此不鼓勵民眾自行購買,若有異常落髮徵兆,建議尋求專業醫師諮詢,才能對症下藥,找到符合自身需求的療程。」

所以頭髮禿禿別害怕!遇到落髮難題,不要遲疑,及早開啟適合的療程,才能盡早回歸頂上的繁榮景象。

※ 以上屬醫療資訊分享,任何療程效果與副作用因人而異,如有需求請以專業醫師建議為主。

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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

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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