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【教育專題】談「科學」和「教科學」

PanSci_96
・2015/12/07 ・2410字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 479 ・五年級

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作者:季老師/生物老師

我是一個生物老師,一直被冠名在「自然科學教師」下,讓我常思考一個問題,科學是什麼?

什麼是「科學」?要怎麼「教科學」?

一開始我想的是,為什麼要把生物、物理、化學、地科這些東西列在「科學」的範疇裡面,對很多人來說,生物比較像是「背」的科目,但為什麼它還算是科學,這些科目的共通點是什麼?後來跟同事討論的時候,有個想法很有趣,科學家做實驗做推理,跟偵探蒐集資料做推理很像,為什麼上述這些科目包括生物會被列在科學,因為他們的共通點就是「真相只有一個」。

為了找出這個唯一的真相,科學家用科學的方法去尋找答案,有些其實不是歸納演繹來的,是事實,像是人類的精子跟卵子結合就是得到受精卵,會發育成個體,就像兇手訴說他的犯案手法,這沒有歸納,也沒有演繹,就是唯一的事實;有些只能用歸納還有演繹來找答案,像是生命的起源?演化?這就像兇手已經死了,死無對證,偵探唯一能做的就只是歸納跟演繹,永遠都不知道到底是不是真相,只能「接近」真相。

至於要怎麼去驗證真相?有些人說要有科學證據的,有些人說無法提出反證的。當然如果有直接證據是最好,但當兇手已經死無對證,無法有直接證據去看出真相的時候,我們只能去找到並接受最接近事實的說法,說服自己去相信,當幾年後有其他證據證明或推翻這個說法的時候,大家再去改變自己的觀念,去接受覺得更接近真實的概念,這就算是一種「概念改變」 (conceptual change)。

「概念改變」 (conceptual change)被許多科學教育家認為是學習科學一個非常關鍵的過程。這個「Change」指的改變,可以是從無到有的「擴充」,例如像接受新聞〈屠呦呦、William C. Campbell和Satoshi Omura榮獲2015年諾貝爾獎生理或醫學獎〉一樣,它就是個你本來不知道的事實;也可以是指從a到b的「取代」,例如達爾文從相信神創論到提出演化論。

要怎麼Change?

不同人對同一個真相,或多或少有不同的概念 (concept),今天有一個跟自己的概念不一樣的說法出現的時候,就要看新的概念能不能改變原本舊的概念的「地位」。怎麼改?要符合「有意義」「有理」「有用」這些原則,當新的概念
比舊有概念更能符合這些原則,地位就會轉換,新的概念就會取代舊有概念。所以,提出有利的證據是「增加」這個概念的「地位」,而提出反證則是「降低」。

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教科學的重點就在這裡,學生是「華生」,總是對真相有著自己先入為主的觀念,無法精確連結證據跟真相的關係,科學家是「福爾摩斯」,知道自己要觀察什麼、知道要蒐集什麼證據、做什麼樣的實驗,根據結果做最正確的判斷,老師比較像是「記者」,忠實傳遞福爾摩斯的發現給更多的華生。學生進到教室之前,有太多不同的原有概念,要怎麼用不同的方法去讓最接近真實的概念「取代」或是「擴充」到學生的腦袋裡?這就是身為一個「專業的」「科學教師」要做的事。你可以是個很懂生物這個「專門」的人,知道很多有關於生物這個領域的真相,但要當個「專業」的生物老師,必須要懂得用方法讓你的學生得到這個真相。
講述法、重現真相現場(做課本實驗)、討論、電動、遊戲、故事……這些都是方法。但是,不管是哪種方法,科學教師只要不要模糊焦點,自己的使命是要讓學生有至少最接近「真相」的概念,要讓學生覺得正確的概念更「有意義」、「有理」及「有用」,才有辦法提昇新概念的地位,進而「擴充」或「取代」原本錯誤或沒有的概念,老師只要根據自己的特性選擇最適合自己的方法,這幾個方法都可以達到這個效果。

「知道」科學難道就「會」科學了嗎?

但,這樣就夠了嗎?「知道」科學不代表「會」科學。差在哪?差在「華生」不是「福爾摩斯」,科學教育一個重大的課題──培養科學能力,就像是要想辦法培養「華生」成「福爾摩斯」,你可以是一個考試總是一百分的華生,但要成為福爾摩斯,就不是一件容易的事了。雖然這多少跟天份有關,但至少,用一些方法搞不好可以開發一點潛力。至於如何培養學生科學的能力,用上面哪些方法最有效呢?不曉得你是不是跟我一樣,看到這裡,然後也無言了。

科學方法的基本步驟是觀察、提出問題、蒐集資料、假設、設計實驗、實驗、分析、結論,這個內容出現在國民中學七年級自然與生活科技上冊的概論,緊接在目次後面而已,以12歲的年紀很容易背得滾瓜爛熟。而要培養學生科學能力的老師,大多會照著這樣步驟,帶領學生一步一步去探索真相,讓學生去實際「體驗」當科學家的感覺,進而去體驗發現真相是一件多麼好玩的事!我想這就是為什麼科展在中學的科學教育中這麼重要的原因。可惜的是,不是所有科學老師都有曾經體驗過「科學家」的經驗,即使有,也不見得都有「正向」的回憶或經驗,因此要帶領學生體驗科學的歷程,就像要沒去過Disney樂園的人要去跟別人說Disney樂園有多好玩的意思一樣,很容易歪掉,但這不能怪老師,畢竟我們不能要求記者要成為福爾摩斯。

台灣的科學教育面臨的問題,就像是好不容易教出了五十個考一百分的華生,卻教不出一個福爾摩斯一樣,但不能說這些沒有用,正確的科學知識還是必要的,可以幫助我們將科學知識連結在日常生活中,例如:傷口塗抹抗生素,可有效避免細菌感染;抹膠原蛋白在臉上並不能幫助我們的皮膚生成膠原蛋白;不能隨意放生外來生物會破壞生態環境……等。然而,就像是想要有說一口流利外文的能力,除了大量的單字背景和不斷地練習之外,還要有由內而外的動力。

「教他們造船之前,先讓他們渴望揚帆遠航」(摘錄自小王子作者Antoine de Saint Exupéry文章),在發展出探究真相的科學能力之前,除了擁有基本的科學知識,最重要的還是要先擁有探究真相的企圖和渴望。至於要如何點燃學生心中的好奇之火,並且在尋找真相的過程中,遇到失敗後仍然持續維持著,然後修正方法直到找到真相,是我認為培養科學能力最困難也最需要克服的關卡。而要當一個專業的科學教師,不管是用方法教學生正確的科學概念(就是讓他們發生Conceptual Change)或是培養學生的科學能力,都是一路上不能懈怠且需要持續精進的課題。

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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

CASE PRESS_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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