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粉塵爆炸,老師講過有沒有在聽?

活躍星系核_96
・2015/07/04 ・4956字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

文/葉宏仁(國立東華大學課程系科學教育碩博班碩士生)

民國104年6月27日,適逢金曲獎第26屆頒獎典禮。暫時放下手邊「死線(deadline)」在即的論文(老師對不起),跑到朋友家與好友們一同觀賞現場直播。當典禮進行到一半時,瞥見社群網站上,突然出現一則與金曲獎不同的訊息-八仙樂園驚傳爆炸意外。點開新聞連結後迅速瀏覽內文,發現可能是粉塵爆炸惹禍。

由於日前曾於教學現場教授過相關課程內容,初見此訊息,只是熟練的將其分享至自己的科學教育分享社團,與幾位好友隨意討論一下,便不以為意。隨著時間過去,愈來愈多現場影片在網路上披露,且聽聞鄰近分院即時啟動333大量傷病患機制,才驚覺這爆炸所造成的傷害非同小可。隨著典禮結束之後,大家的焦點開始轉到此一事件,更多的資訊在網路上瘋傳,人們才發現這是一樁需要啟動雙北市EOC(緊急醫療應變中心),並且讓國軍一同加入救災的大型公共安全災害。究竟粉塵爆炸是什麼樣的情形?看似不起眼的玉米粉,為何能瞬間造成如此重大的傷亡?

Dust explosion. source:Wiki
Dust explosion. source:Wiki

什麼是塵爆?

爆炸,是物質迅速的反應時,能量集中釋放的現象;常伴高熱、強光與噪音。甚至會造成周圍空氣,或反應本身所生的氣體因熱而急速膨脹,形成極大的壓力,擠壓周圍環境空氣而傷人。當物質濃度在其爆炸極限(Explosive limit)時,就有爆炸的可能。

爆炸極限有所謂的爆炸下限LEL(Lower Explosive Limit)和爆炸上限UEL(Upper Explosive Limit),通常是以可燃性物質在空氣中所佔百分比表示。低於下限或高於上限均不易引發爆炸:氣體濃度太低,燃料不足以維持爆炸;而氣體濃度太高時,則是沒有足夠的氧氣供應燃燒。反之則可能引起爆炸。而爆炸範圍,就是能夠引起爆炸的區域大小,可以概括的想像成爆炸本身會造成殺傷的範圍大小。

粉塵爆炸,或稱「塵爆」,粉末狀的可燃性「固體」與空氣形成易燃混合物,當供給熱能時則起爆炸。消防單位至各級學校進行火災宣導時,都會再三強調「燃燒三要素[註1]」-可燃物、助燃物、熱。其實,木屑、澱粉(玉米粉是即是玉米澱粉)、加油站的油氣、甚至是鋁粉(金屬粉末,不要懷疑)等都是非常危險的可燃物。

當不易揮發的液體如重油等,霧化後與空氣混合,一樣能形成與粉塵相同的易爆狀態。此時空氣中的易燃物狀態,已經和瓦斯外洩時,那些瀰漫在空氣中的瓦斯無異。與油氣或瓦斯不同的是,人們常對這類固體物質掉以輕心。認為它們雖然燒得起來,但應該不致於迅速燃燒,甚至造成爆炸的結果。

但其實粉塵爆炸與氣體混合物爆炸相比,前者甚至更加危險。因為粉塵爆炸的過程中,爆炸所造成的壓力上升速度雖然較遲緩,也就是爆炸產生時的火球擴散的速度較慢,但可達到的最大壓力卻不輸給瓦斯氣爆,甚至有超越的可能;倘若粉塵中含有金屬或合金粒子時,一旦爆炸後其發熱量更高,造成的危害更大。

而空氣中雖然氮氣佔了近八成,氧氣已經被稀釋到只剩下兩成,但當粉塵與空氣的混合比率達到其爆炸上下限之間時,不需要很大的火,只需要夠高的「溫度」-諸如火柴、煙蒂、甚至是靜電,就會引發爆炸發生;甚至造成燃燒物質飛散附著於周圍可燃物,引發另一場火災。

在美國就曾發生過,存放玉米或小麥的穀倉,無故發生大爆炸。麵粉工廠、肥料工廠等會利用管線輸送粉末的工業,其輸送過程都必須做好防靜電措施;煤礦礦坑,加油站,木材或金屬加工廠,甚或是國內高職的金屬工廠等,之所以要「嚴禁煙火」,都是這些道理(筆者大學時代在加油站打工時,曾遇過叼著香菸騎車進來加油的顧客,當下狂抖)。

但看現在,「安全」的重要性,似乎比不上「潮流」。只要夠潮,一切煩惱均能拋在腦後。於是,主辦單位「宣稱」不同於國外「化學染劑(看到這個就有氣,好像任何物品跟化學掛勾就都有害似的)」所製造的色粉,是屬於食用級的安全色粉,被大量的噴灑在空氣中。不論是本次在水上樂園主辦的「Color Play Asia」-參加者身著泳衣,暴露在高度易燃風險的環境中;或是風靡全球,在臺灣也造成大跟風的路跑活動「Color Run」-跑者們邊咳嗽邊路跑,掩住口鼻的毛巾沾滿了七彩的粉末,臉上的墨鏡滿是厚厚的粉塵;善後的過程總是讓人詬病。

關於塵爆,學校真的教過嗎?

此次的意外,緊急送醫者超過百人,二到三級灼傷者眾多,其中不乏許多吸入性灼傷患者。而活動總監卻只是說「疑似是風太大而起火」,完全沒有預料到活動過程中具備的危險性,也就不難想像現場根本不會有任何預防措施,如滅火器或防火毯等消防設備。看著網路上流傳活動會場中火舌蔓延的影片,除了痛心疾首之外,也再次慚愧地反省,自己在教學現場中所教的東西,到底有多少孩子聽了進去?還是他們只當我上課的內容是一場「秀」而已?

九年一貫自然與生活領域課綱中,課程目標有提到:「學習科學與技術的探究方法和基本知能,並能應用所學於當前和未來的生活」,有關學習領域要點中亦說明「……(前略)自然與生活科技學習領域主要內涵包含物質與能……等科學與技術認知學習,並著重科學與科學研究知能及態度……,同時應能將此能力轉化、實踐於日常生活中,終身學習……(後略)」。在這樣的想法下,國中化學反應次主題中提到,有關反應速率的教學內容:「知道能影響化學反應快慢的因素,及催化劑(或觸媒)改變化學反應速率的功能」。

所以,在國中自然與生活科技,八年級下學期第二次段考內容,「反應速率與平衡」的章節中提到「反應速率與接觸面積」的關係,並舉例如同質量灰石,粉末狀較塊狀反應劇烈;肉塊較肉絲不易熟,火媒棒的製作等。過去課本教材內容雖未直接說明粉塵爆炸,但現今版本略已修正,粉塵爆炸的名詞已出現在若干版本課本中。

IMG_1123 (1)

普通高級中學必修科目「基礎化學」課程綱要中,應修內容及其說明,亦明確寫出「影響反應速率的因素,為濃度、壓力、接觸面積、溫度與催化劑」等字樣。過往國立編譯館版本中提到「非勻相反應中,反應速率和反應物間接觸面積有很大的關係。將同樣大的木塊,一塊刨成木屑,則與空氣接觸面積增加,燃燒速率加快」。而小學高年級的自然科教材內容,也有提到燃燒三要素,以及火災發生時的處理方法、應變措施及常見滅火原理。

IMG_1119

真的是老師在教,學生沒在聽嗎?

在提倡多媒體融入教學的現在,很多自然科老師早已開始大量使用各類影片,做為教學示範輔助。更別提 Youtube 上隨手可得國內外網路謠言澄清類節目,以及消防弟兄的宣導影片,均對此一議題做過探究。可是不少社群網站上,很多人還是不知道「粉塵爆炸」的危險性;媒體甚至以「閃燃」來報導本次事件,殊不知這兩者完全不同啊。或許重點不是「老師在說有沒有在聽」,而是聽了以後有沒有了解和意識到與自身的關係。

國內科學教育學者認為,臺灣社會普遍充斥迷信而不理性的行為,不利於國民科學素養的提升;尤其是國內媒體對不理性事物總是大加渲染,但符合科學理性的內容卻不做報導。且我國通識教育雖然提供包羅萬象的知識,卻沒有機會讓學生思考知識的本質及其如何產生。臺灣學校教育普遍為升學考試而準備,以致學習多為片段知識,缺乏過程技能及情意目標之養成,致使知識與日常生活脫節。一如以下這些例子:

  • 一公克的物質可轉換出1014J數量級的能量,而粉塵爆炸約需10-2~10-3J的能量[註2]
  • 職棒球員用的木棒平均重約850-950公克之間,而一顆以每秒41.7公尺行進的速球,只需要0.44秒就會從投手手中直達本壘板[註3]
  • 當地震發生時,會同時放出P波與S波,在地殼中傳遞[註4]

看完這些內容,你感受到了什麼?你會覺得他和自身有什麼關聯嗎?

source:wikimedia
source:wikimedia

筆者在國中理化與高中化學科教學現場,以課本教材內容搭配自編教材,以及自以為「精彩」的說學逗唱,載浮載沉也近十年。最深刻的感受,莫過於每屆總有可愛的學生,拿著考了八、九十分的理化段考考卷問我:「老師,這些東西到底要幹嘛?我每一題都會算,可是我對它沒有感覺!我算它做什麼啊?」。班上成績相對較優秀的同學都無法體會老師自編教材的內涵。那其他同學呢?雖說考試成績與科學素養不一定呈現正相關,但是我想這樣的疑慮,應該很多自然科老師心有戚戚焉。

於是,總是被學生們用這種問題考倒的我,下定決心要做個「天橋底下說書人」。用「說故事」的方式,將知識內容包裝在生活現象中,希望讓他們體會,當課本內容到了現實生活,會是什麼樣子。我天真的以為,學完國中自然與生活科技的內容,生活中絕大部分自然現象,人們均能了然於胸;甚至可以提出「雖不中,但亦不遠已」的解釋,但事實好像事與願違。上完課之後,學生只當它是一場「秀」,甚至常聽學生說「老師你唬爛,況且哪有那麼衰的啦?」是啊,不出事的時候就是唬爛,一出事就是大事。

我們的學生很勤勞,但勤於讀書疏於動手操作;長於理論,卻不善於設計。2006年臺灣參加PISA成果報告中提到,臺灣學生在受測的OECD國家中科學素養平均表現高居第四名,僅次於芬蘭、香港與加拿大;而我們的孩子對環境議題覺知的百分比,更是世界第一[註5]。當年的受測學生,如今正是25歲左右的年齡層。但他們現在依然有當時那樣驚人的表現嗎?

一直以來,培養學生對科學的興趣是很多教育現場的自然科老師最在意的事情。我們很害怕加強了攸關計算的知識內容時,學生都會跑光光,大家不再喜歡自然科:這是很可惜的一件事情。我們真的很期望,學生能透過我們的引導,看到自然的「美」,進而學會謙卑,學會尊敬自然,尊敬彼此,尊重不同人文精神與價值觀。期望未來,畢業多年的學生回來找我聊天時,能夠告訴我說「老師,我能瞭解你的明白」。

最後,願傷者能得到最好的照顧,願悲者能平安走出傷痛。

~記於104年,盛夏之夜~

備註:

  • 註1:近來燃燒三要素的概念,漸由「火三角」轉變成「火四面體」。前者即人們熟悉的燃料、氧氣與熱量;後者則多了「鏈式反應(chain reaction,與核反應不同)」觀念。有興趣者請自行上網參閱。
  •  註2:這是E=mc2的內容。
  • 註3:此例其實是時速150公里的速球,從投手丘到本壘板的速度。打者在看到球之後到決定如何揮棒,只剩下0.25秒揮棒擊中球的反應時間;必須要揮動一根近1公斤重,頭重腳輕的木棒,以棒頭下方15公分的圓形木棒中心,準確的擊中球心。
  • 註4:地震時會有「先上下再左右」,或「先左右再上下」的感受,就是P波與S波在地殼中的傳遞。P波較快,S波較慢,也就是物理學的縱波與橫波。
  • 註5:2006年PISA的科學環境議題是「濫伐森林、酸雨、全球暖化、核廢料、基因改造生物之使用(GMO)」。
  • 註6:衛福部健保署表示,八仙塵爆傷者病情時常變化,就醫有495人,病危人數有184人、非病危287人,死亡已有2人,目前傷者在全國41家醫院中,有241人住在加護病房或燒燙傷病房。請民眾目前如無急症需求盡量無前往台北、新北、桃園、基隆等縣市之大醫院求診,以俾利醫院醫護人員集中能量處置傷患。
  • 註7:臺灣從來沒有「同時」有這麼多的燒燙傷病患,就算是上次的高雄氣爆也不曾經歷到。而臺灣健保有登記的燒燙傷病床,僅不到90床。

特別感謝花蓮縣宜昌國中,自然科全體教師群;以及陳必榮老師、林建毅老師、黃克理學長,還有催生這篇文章的朋友們,感謝各位。

參考資料及文獻:

  1. 粉塵爆炸:國立臺灣師範大學化學系 粉塵爆炸介紹網頁
  2. 爆炸(Explosion):科學online-科技部高瞻自然科學教學資源平台
  3. 火三角與火四面體-燃燒三要素:維基百科
  4. Color Play官方聲明-粉塵爆炸之可能性:西子灣彩色節音樂派對Color Play Party 臉書官方粉絲頁
  5. 靳知勤(2007)。科學教育應如何提升學生的科學素養-台灣學術菁英的看法。科學教育學刊,2007,第十五卷第六期,627-646
  6. 國民中小學九年一貫自然與生活科技課程綱要,教育部,2008
  7. 國民中小學九年一貫健康與體育課程綱要,教育部,2008
  8. 普通高級中學必修科目「基礎化學」課程綱要,教育部,2010
  9. 普通高級中學必修科目「健康與護理」課程綱要,教育部,2010
  10. 高中物理課本,第一冊,龍騰版,2010
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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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

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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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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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親子天下_96
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可愛的品客蜘蛛!我真的可以這麼叫你嗎?
李鍾旻_96
・2022/08/09 ・2444字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

在亞洲有一種蜘蛛,一直以來很多人都說,牠身上的圖案像極了知名洋芋片品牌「品客」(Pringles)的招牌標誌——圓臉留著兩撇八字鬍的大叔。

什麼蜘蛛長得這麼特別?牠叫作「黑綠鬼蛛」(Bijoaraneus mitificus;英文俗名為 Kidney Garden Spider)[註]。這種蜘蛛體長約在 0.5~1 公分上下,渾圓的腹部背面呈白色調,常可見近似「V 字」的深色條紋,以及兩個凹陷的深色小圓點,構成一張類似長著眼睛與鬍子人臉,顯得相當逗趣。

黑綠鬼蛛腹部背面的圖案,有如一張人臉。圖/作者提供

官方發起活動:千人連署改名「品客蜘蛛」

蜘蛛與商標形象「撞臉」,意外成為非官方吉祥物,這檔事傳來傳去,終於有一天,品客這家來自美國的品牌決定「認真」看待這件事。2022 年 6 月底,品客的官方網站上發布了一項前所未有的連署活動:為蜘蛛請願改名。據《CNN》報導,品客美國經銷負責人詹金斯(Mauricio Jenkins)表示:「此前我們不曉得,原來有個生物一直默默散播對品客的愛。」

品客洋芋片罐子上的招牌圖案。圖/作者提供

這項活動的主旨,就是希望能讓這種蜘蛛的英文俗名正式更改為「品客蜘蛛」(Pringles Spider),同時獲得國際上蛛形綱相關的學術研究團體認可。官網上也做出承諾,如果在當年 10 月 31 日前至少有任一個研究團體表示認同接納「品客蜘蛛」之名,作為回報,參與這項連署的前 1500 名民眾將可以免費獲得一罐品客洋芋片。在同年 8 月初時,已經有超過 7300 人響應參與連署。

不僅如此,品客官網還同步舉辦了蜘蛛的「領養活動」,大眾可以在他們的網站上領養虛擬的黑綠鬼蛛,並下載「領養證書」。

當然,全球各地的媒體紛紛報導了品客洋芋片為蜘蛛連署改名的消息。有些國內新聞報導也指出,身為主角的黑綠鬼蛛「分布在東南亞國家,例如泰國、新加坡和越南等」。看來,有些人顯然忽略了牠近在眼前的事實呢!

我們不用虛擬認養,台灣就有原生的黑綠鬼蛛

事實上這種蜘蛛可見於亞洲多個國家,在台灣也有分布。台灣的低海拔環境,從北到南都有牠的蹤跡,一些郊山、都會區的公園便有機會找到牠。所以身在台灣的我們,哪裡需要透過網路去領養什麼虛擬的個體?如果想看這種蜘蛛,還不如到戶外走走吧!

公園裡的黑綠鬼蛛網,表面碰巧黏了一些行道樹木棉花的棉絮。圖/作者提供

黑綠鬼蛛通常會在樹木間造網,同時在網附近的枝葉上另造一個供自身躲藏的薄紗狀巢,網與巢之間有細絲線相連接。通常,依靠結網捕捉獵物的蜘蛛視力普遍不佳,黑綠鬼蛛也不例外,不過牠們對於震動相當敏感。一旦有昆蟲等獵物撞上其所結的網,察覺到震動的黑綠鬼蛛便會從巢裡衝出,將獵物拖進巢內,再慢慢取食。

黑綠鬼蛛在樹木葉片上所構築的薄紗狀巢。圖/作者提供

筆者便曾在台北市羅斯福路上的公園見過這黑綠鬼蛛。而且,與一些常見的中小型蜘蛛相比,黑綠鬼蛛分泌製造出的絲,手指摸起來的觸感真是讓人感到意外的堅韌且黏。

生物學名用嚴謹的方式替生物命名

其實,關於幫蜘蛛改名這件事,或許製造歡樂、替品牌形象宣傳,才是活動的主要用意。

畢竟,所謂「約定俗成」,不管是英文還是中文,俗名本身便是民間所流傳的非正式名稱。在生物學上,拉丁文所組成的「生物學名」,才是不能隨意更改,而是需要遵守嚴格學術規範的國際正式名稱。

黑綠鬼蛛的腹部末端有大塊黑斑及放射狀的深色細條紋。圖/作者提供

黑綠鬼蛛不可怕,甚至還有點可愛

話說,有些人看到可愛的黑綠鬼蛛,內心仍然會有點怕怕的吧?確實,許多人對蜘蛛的印象就是「有毒」、「恐怖」,可是人們往往過度高估了蜘蛛的危險性。事實上,蜘蛛的口器都具有用來攻擊獵物的毒牙,當咬住獵物時,毒牙能注射蛋白質毒液讓對方失去行動力或死亡。

不過我們並不需要對這類節肢動物過度害怕,因為大部分蜘蛛的毒液對人類幾乎不會造成影響,在未遭受人為騷擾的情況下,蜘蛛更不會主動去攻擊人。當然,黑綠鬼蛛本身便不會對人體造成威脅,屬於無害的動物。

黑綠鬼蛛的頭胸部可見 8 個黑色的單眼。圖/作者提供

台灣目前已知的蜘蛛種類至少超過了700種,不光是外觀滑稽有趣的「品客蜘蛛」,本土蜘蛛中還有許多外觀特殊、引人注目的種類。不管是住家周圍,還是山林野地,有機會不妨多觀察看看身邊有哪些特殊的蜘蛛吧!附帶一提,2006年的美國電影《夏綠蒂的網》(Charlotte’s Web),劇中身為主角的蜘蛛夏綠蒂,在現實中是俗稱「穀倉蜘蛛」(Araneus cavaticus;英文俗名為Barn Spider)的一種北美洲常見蜘蛛,牠與本文介紹的黑綠鬼蛛同為金蛛科的種類。

備註

黑綠鬼蛛以往被歸類在金蛛科鬼蛛屬(Araneus),然而 2021 年分類學者主張將之移入媛圓蛛屬(Bijoaraneus),本文仍使用其在台灣較普遍的中文俗名「黑綠鬼蛛」。本種亦可稱「黑斑媛圓蛛」、「黑綠圓蛛」,在中國則通常稱其為「黑斑園蛛」。

幾種生活在台灣低海拔山區,外表特別的金蛛科蜘蛛。
(左)尖鼻蛛(Poltys sp.)、(右上)紅鳥糞蛛(Cyrtarachne yunoharuensis)、(右下)對馬瓢蛛(Paraplectana tsushimensis)。圖/作者提供

參考資料

  1. Pringles wants a spider named after it
  2. MAKE THE PRINGLES® SPIDER OFFICIAL
  3. 陳世煌。2001。臺灣常見蜘蛛圖鑑。行政院農業委員會。

李鍾旻_96
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目前大部分時間都在觀察、寫作和拍照,曾獲金鼎獎兒童及少年圖書獎、世界華人科普新秀獎、人與自然科普寫作桂冠獎等。著作:《台灣常見室內節肢動物圖鑑》(2021)、《自然老師沒教的事6:都市昆蟲記》(2015)。