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化工系在做什麼?念化工不只是學知識,更要有解決問題的能力!

洪皓哲
・2015/04/14 ・3339字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

文/洪皓哲,黃子洋

我(洪皓哲)身為一個從化工叛逃到建築的過來人,每想到過去滿滿的實驗和必修人生依然充滿感慨。畢業後,對於自己受的化工教育有了不少反思,但擔心自己太魯蛇沒什麼說服力,特地找了卷哥朋友黃子洋,一同整理我們對化工教育的感想,希望能分享給一樣迷惘的同學或是學弟妹們,如果你們也曾念得很掙扎,你們並不孤單(淚)。

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Photo Credit: C&EN @Flickr

從實驗課程談起

如果回想一下大學四年最熟悉實用的知識技能,相信不少化工系學生的腦袋會浮出Word、Excel、PowerPoint。想起來超弔詭,化工系學到最多的竟是文書處理軟體?這可以歸功於四年來實驗預報(預習報告)與結報(結果報告)的無限輪迴,已經成為現今化工教育底下學生的共同記憶。

目前的實驗課多是在驗證主修科目理論,導致實驗時沒有想要解決問題的動力,最終流於高度制式化、彈性極低的實驗報告寫作訓練。過程中也許能培養對於實驗數據的分析能力(所謂工程師對於數字曲線的敏感度),但更多時候卻是在努力想出誤差來源,沒有真正理解這些實驗單元或器材在解決問題時能扮演的角色,只是在按照實驗步驟熟練操作過程罷了。

議題導向教育

作為工程師,最重要的是解決問題的能力:當問題出現時,如何去判別、定義問題、再依照既有的知識嘗試解決。實驗和現行主修科目若能部分改成議題導向的實作課程,便能讓學生在執行專案(project)時,自行摸索思考,而不是像目前的考試,僅以計算題或是背誦為主,在一個封閉的框架去驗證是否對定理公式理解,但實則無法落實在現實情境下。

日前聽指導教授吳乃立老師分享女兒在比利時求學的故事,我們覺得是議題導向實作的一個很好的例子:那裡的有機化學實驗課每學期有不同的主題與目標,染料(dye)是老師女兒在那學期的議題。各組選擇一種特定的顏色後就正式開始整個學期的實驗課程 ── 目標只有一個,那就是想辦法合成出選定顏色的染料。

實驗課本沒有化學藥品劑量、也不會告訴你實驗步驟,學生要自己試著查文獻、找出製備方式、設計實驗;助教和教授不會教你怎麼利用他人設計好的實驗驗證已知理論,而是學生主動找他們討論實驗怎麼安排,他們給建議、評估可能性、告知藥品器材的限制。期末報告變得像展示會場一般,各種五顏六色的染料(甚至嘗試染到布料)擺出來,除了分享實驗過程,順利合成染料的組別能夠分析品質與產率,未能有好結果的組別則討論可能原因和改進之道。

議題導向實作中遇到的問題我們不太可能都學過,但至少能觸發想要解決的動機,自發學習或與老師求助。當未來課程學習到相關知識時,這些知識就不再只是與自己不相干的論述,而成為與過去經驗契合的解決問題重點。

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Photo Credit: ૐ Didi ૐ @Flickr

學非所用的困惑

「學了這門課,以後會用到嗎?」許多人從中學時期帶著這個疑惑一路上了大學,因為高中老師說專心念書考上好大學之後就會得到答案;無奈的是,當教授在大學裡認真教化學工程的重要理論時,我們還是不懂為何要學。

我們如同瞎子摸象般的學習,教授強調的總是我們所摸到大象器官的功能性,卻常忘了或太晚描述大象的全貌;(厲害的)學生懂得解各種微分方程式、記誦無數多的無因次群,卻要三年的必修課程學完才能開始有課程將這一切組織在一起。

化工系並不是沒有議題導向的課程,程序設計就是扮演這樣的角色,將不同的專業科目作串接,並對化工的整體面貌有更清楚的認識,效果也很好,只是要到大四才有這樣的機會來整合,有些太晚。這樣課程安排也許用意在於札實地建立起背景知識,但許多人的興趣及熱情早在之前就被必修課程學習上的挫敗感,以及不知到底為何而學的茫然給消磨殆盡。

理論與實務的隔閡

過去四年的學習經驗給我們的心得是:目前大學教育的終點指向是教授多過於工程師。但畢業生成為教授的少,工程師反而是多數。當現行教育是為了培養研究人才時,就會導致理論比例過重而實務導向不足。學生無法在理論鑽研中得到熱情,可能自我否定認為自己沒興趣,更甚著覺得自己不適合唸化工。

最近已有畢業學長姊和在學生共同成立的NTU ChEers組織,嘗試將業界和國外留學的校友資源導回校園,幫助學生在求職或是繼續升學抉擇時,對於自己與外界的需求有更明確的了解,避免走錯方向多花時間成本,並且NTU ChEers也積極推行實習媒合,協助弭平實務與理論的隔閡。這是我們在大學四年沒來得及享有的良好資源!如果能把議題導向課程落實在教育中,結合NTU ChEers的資源,相信能幫助目前在學學生更了解化工教育的本質,也讓大家對於未來少了很多迷惘和恐懼。

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Photo Credit: NTU ChEers

創新創業

當這個時代大家都在談論創業與創新,為何化工似乎缺席?被稱為萬能工程師的化學工程師,若要論跨領域,我們學了很多其他科系的基礎課,本身在四年級也學了整合性思考的程序設計,我們理解工程和化學,還能以成本效益評估工廠,我們理當能在這強調創新的世代中扮演重要的角色。是否正因為我們能參與的領域太多,我們在既有的選擇上太過充分, 所以我們只需要在既定的選項中選擇,而不需要掙扎、迷惘和突破。

最近在泛科學實習,收集新知時看到了下面兩篇文章(案例一、案例二)。當我看到這些國外創新案例時,我直覺想到的是,這都是化工的專業呀,完全是我們可以做的!以化工的背景,我們一定也能做出類似的創新,改變我們的生活。

案例一:從自來水管產生的電力新來源

Photo Credit: Fast Company

利用水管中水流的位能差和渦流發電作為一個穩定的能源來源,將這電力回饋到建築物或是路旁電燈。並且利用這新的裝置當做感測器來偵測管線是否外洩,以快速維護。

以我們化工質能平衡的角度來看,其實就是工程師觀察到現有問題:在自來水管線的進口端(山上的水壩,input)與出口端(家中的水龍頭,output)間有相當高的自然重力位能差被浪費,於是將渦輪裝入管線中適度地消耗掉(consumption)過多的位能差,進一步轉換成可利用的電能。

資料來源:Portlands New Pipes Harvest Power From Drinking Water

案例二:沙漠智慧,會收集露水的溫室

Photo Credit: 創客窩

溫室能在白天留住陽光的熱量,土壤及植物表面上的水氣蒸發充滿溫室,確保溫室濕度不會散失,利於作物生長;到了晚上,農民可以手動拉繩將上蓋開啟,令溫室降溫,水氣遇到冷空氣凝結成露水,沿著集露網流進收集容器。收集來的水一方面可以重新用來灌溉植物,更能進一步供人飲用!

這項設計聰明之處在於白天利用溫室維持一定的蒸氣壓、防止植物與土壤水分過度蒸散,而也因為水的蒸氣壓夠高,不需要非常低溫就能夠達到露點(dew point),所以晚上利用環境自然降溫即可順利回收露水,是個熱力學上簡單巧妙的應用。

資料來源:沙漠智慧,會收集露水的溫室

大學時我時常在想,為何化工和消費者、使用者離得這麼遠?我們的存在是否真的有對他人產生價值?可能有人會說,去台GG做出來的東西是全球手機都會需要的零件!去台塑很多也是生產民生必需品的原料啊!但是在這些產業裡總給我一種「少我一個也沒差」的印象。到底經歷了這麼多的學習,我能貢獻的是什麼?

在大家都在談Maker和創新的年代,製作新產品的成本已經遠比過去低廉很多,我們有機會不仰賴大資本,不用到工廠也能發揮我們所學,不用繼續到大公司當個按按儀器、轉轉旋鈕的螺絲釘,而是可以到Makerspace、Fablab等空間,拿起工具、用電腦軟體就能開始設計新的產品。這是化工人能產生價值的絕佳時刻!不是只有會coding的可以改變世界,我們也可以。為何現在HackNTU和圖書館合作如何改善地下自習室的系統時,我們只能在實驗室等蒸餾塔沸騰?

知識、應用、想像

目前的化工教育過分偏重既有知識的傳授使得我們深陷傳統框架中的泥淖,難以跳脫與創新。我們所期待的化工教育應為知識、應用與想像三者兼備,避免學生成為徒有化工知識的工匠,培養能夠以創新思維解決問題的工程師。

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Photo Credit: Virtueel Platform @Flickr

文章難易度
洪皓哲
3 篇文章 ・ 0 位粉絲
台大化工系畢業,卻對建築情有獨鍾。熱愛聊天分享,前一句科學後一句人文,喜歡把看起來艱澀的事情試著講得簡單好玩。生性矛盾,愛出外旅遊又愛掛網看文章狂轉貼。若有意和我聊天,歡迎餵食,請勿拍打。


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逼近 50% 的癌症研究實驗無法被重現? RPCB 耗時 8 年點出「再現性危機」

Yiting
・2022/01/14 ・2367字 ・閱讀時間約 4 分鐘

你聽過科學研究的「再現性」(reproducibility)嗎?如果一個科學研究結果具有再現性,代表它可以被另一個研究團隊,以同樣的控制條件、操作步驟進行重複測量,並獲得與前人相近的結果。這也代表著這項實驗是可以被驗證的,該研究的可信度也越高。

近年來,許多領域都開始重視科學研究的再現性問題,例如 2015 年由科學開放平台(Open Science Framework, OSF)發表在《科學》(Science)的一篇心理學實驗再現性的研究,就重複了三個重要的心理學期刊,包括 Psychological ScienceJournal of Personality and Social PsychologyJournal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition 在 2008 年間發表的 100 個研究,結果顯示僅有 36%的研究具有統計顯著性[1]

而在 2016 年刊載於《自然》(Nature)的一篇報導中,團隊以線上問卷調查了 1576 位研究者,發現有超過 70% 的研究者,無法重現其他科學家曾經做過的研究結果;更有超過 50% 研究者無法重現「自己的」研究結果[2]

再現研究論文時,會遇到哪些困難?

同樣的科學研究再現性驗證也出現在生醫領域。一項由 RPCB(Reproducibility Project: Cancer Biology)團隊耗資 200 萬美元、歷時 8 年,嘗試複製各大具影響力的臨床前癌症研究,其結果於去年(2021)12 月發表於 eLife[3]

在看這項研究結果之前,或許我們可以先了解 RPCB 究竟是何方神聖?RPCB 是一個由非營利組織「開放科學中心」(Center for Open Science)與學術平台「科學交流」(Science Exchange),在 2013 年開始合作執行的一項計畫。團隊期望能系統性地重現出 53 篇於 2010~2012 年間,刊登在知名期刊《自然》、《科學》、《細胞》(Cell)中的臨床前癌症相關研究。

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非營利組織「開放科學中心」的標誌。圖/RPCB

即使一開始團隊預計重複 53 篇論文中共 193 項實驗,但最終能成功執行的僅有來自 23 篇論文裡的 50 個實驗,且仍使該計畫延宕了五年才完成。為什麼理想這麼豐滿,現實卻如此骨感?研究團隊在論文中提到了幾項實驗再現的困難與挑戰,例如:

  1. 許多原始論文缺少敘述統計(descriptive statistics)和推論統計(inferential statistics)的關鍵數據,像是效果量(effect size)、統計檢定力(power)等資訊,儘管團隊聯繫了原始論文的作者,仍有 68% 的數據無法取得。
  2. 在這 193 項實驗中,沒有一個具有足夠詳細的說明,令團隊能設計出重複的實驗步驟。這使得他們不得不轉向論文原始作者,以尋求更進一步的實驗建議,而在詢問的過程中,約 26% 作者給了極大的幫助,而有約 32% 作者對實驗完全沒幫助(或是無任何回應)。

癌症研究實驗的再現性僅 46%?

在缺乏合作、需要詳細檢查並調整實驗步驟的情況下,研究團隊平均需要花費 197 週的時間才能複製出一項實驗。此外,每複製一次實驗的成本高達 5 萬 3000 美元——大約是原先預估花費的兩倍,因此再現 193 項實驗的雄心壯志終究無法達成。

那麼這項耗時 8 年、斥資百萬的實驗再現性研究,給了我們什麼結果呢?

根據團隊在 eLife 發布的第二篇論文顯示,這些臨床前癌症相關研究的實驗再現性僅有 46%,且平均的統計效果量也比原始論文低了 85%[4]

在這些被再現的實驗中,原始研究效果量大的往往更容易被複製,而動物實驗則是再現性最差的,這可能是因為在生物體內(in vivo)實驗的效果量,大多低於體外(in vitro)實驗。

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RPCB 團隊發現,再現一個實驗需要將近四年的時間,且成本是預想中的兩倍,無法完成 193 項實驗。圖/Pexels

只做一次的再現實驗,公信力足夠嗎?

發表在知名期刊上的臨床前癌症研究論文,其實驗再現性居然不到一半,這對於生物醫學相關領域的研究者來說,無疑是一項沉重的打擊。

不過僅憑一次的再現實驗,就評斷一項研究的公信力,對這些研究者來說公平嗎?其中一位研究無法被 RPCB 再現的學者就表示:「他無法確定這些一次性實驗有多少價值。」而那些被選中重現的實驗,當中也不乏已經開始進行第二期藥物臨床試驗的研究。同時也有研究者指出,RPCB 在複製實驗時使用了與原研究不同的細胞株(cell line),也並未在實驗中進行三重複確認最終結果[5]

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若能使用相同細胞株並進行三重複,應該能減少再現實驗的誤差。圖/Pixabay

針對這些指控,RPCB 說明這項計畫的目的,並非藉此斷言某些特定研究是無用,或需要被停止的,而是為了點出現今研究的再現性危機(reproducibility crisis),以期望找出相對應的解方。目前也有一些提升研究再現性的方法被提出,像是以盲性研究(blinding)進行體外實驗或動物實驗、採用更大的樣本量、更嚴謹的統計分析方法,以及研究計畫的預先註冊制度(preregistration)〔註 1〕

雖然這項大型研究充滿著許多爭議,但也提醒了各領域的研究人員:對於自身研究的每個步驟、統計方法等,都應更加詳盡、仔細的記錄。除了能使後人有辦法針對已發表的內容,進行深入探討外,亦可以提升該實驗被再現的可能性,增加研究的公信力。

而看完文章的你,對於科學研究的再現性又有什麼看法呢?

註解

註 1:研究計畫的預註冊是指研究者在進行科學研究之前,先對他提出的假設、方法、分析方式上傳到註冊機構,經由該單位的期刊編輯、同儕審查通過後,再進行研究的一種做法。

參考資料

  1. Open Science Collaboration, Estimating the reproducibility of psychological science, Science, Vol 349, Issue 6251, 2015. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aac4716
  2. Monya Baker, 1,500 scientists lift the lid on reproducibility, Nature, volume 533, pages452–454, 2016. https://www.nature.com/articles/533452a
  3. Timothy M Errington et al., Reproducibility in Cancer Biology: Challenges for assessing replicability in preclinical cancer biology, eLife, 2021. https://elifesciences.org/articles/67995
  4. Timothy M Errington et al.,Investigating the replicability of preclinical cancer biology, eLife, 2021. https://elifesciences.org/articles/71601
  5. Asher Mullard, Half of top cancer studies fail high-profile reproducibility effort, Nature, 09 December 2021. https://www.nature.com/articles/d41586-021-03691-0

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Yiting
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在鳳梨田裡唸生科的人類,畢業後意外走上了科普路,目前還在緩慢前行中。喜歡有趣怪知識、諧音爛笑話,還有床。