2

15
0

文字

分享

2
15
0

從小到大,我們科學教育最缺乏的就是科學精神……

阿樹_96
・2015/12/07 ・3998字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

(本文內容以泛科知識節的同名主題短講修改後發表)

這標題好像很嗆,嗆到好像不把我們過往的自然老師擺在眼裡。但我想批判的不是針對老師,體制內的老師已經夠辛苦了,而我也不是要把大眾科學素養不足完全歸因於科教問題,而是把一個現在顯而易見的事實拿出來談:從社會上數不清的偽科學、核電爭論、食安議題……等社會性科學議題來看,我們的科學教育似乎沒有照著我們想像中的達到增進科學素養、理性對話的效果。或許把這些科教的病灶抓出來,再來看學校教育、科普傳播有沒有什麼著力點,才是我更深遠的期待。

關於地震的成因……

在今年(2015)的梅雨季來臨時,流傳著這麼一句話:「下雨,土鬆,地震會變多?」現在把這件事情挖出來講,並非在批判藝人有無基本的知識常識,我在意的並不是他知不知道,而是「為什麼他不知道」?在新聞出現前,許多網友都能明顯的看出地震與天氣並沒有什麼關聯性,甚至也還能糾正臉書po文中的錯誤。

圖片取自中央社報導(http://www.cna.com.tw/news/firstnews/201504215014-1.aspx)
圖片取自中央社報導

原本想由此為出發點來探討現今社會偽科學的錯誤部分,有沒有存在過去本來該習得的知識,卻沒有學好、學滿的問題,但在與另位泛科作者廖公英凱閒聊「地震成因」的話題時,卻發現了更令人意外的問題:

我:「大多數的地震活動與板塊運動有關,那麼板塊又是浮在什麼東西上面運動?」

廖:「就我的印象中,板塊下面的東西好像是液態的,類似岩漿吧……」

我:「我想你說的是軟流圈,但說它液態還差得遠,真正能算液態的是外地核……」

廖:「什麼!」(不可置信貌)

板塊構造運動示意,圖片來自維基公共領域,Jose F. Vigil. USGS
板塊構造運動示意,圖片來自維基公共領域,Jose F. Vigil. USGS

在評斷這個知識是否重要之前,不如先看看我們如何學習這些知識。地球科學的課程中,「地震與板塊運動」算是一個頗為重要的內容,畢竟我們身處地震頻繁的區域,了解腳下發生的事情,不僅僅是地球科學,也算是防災教育重要的一環,而學校課本在這些內容的著墨,看似佔了不少篇幅,卻仍有許多語焉不詳之處。板塊之所以能運動,有很大的因素與板塊下方的「軟流圈」有關,國中課本多半會告訴學生,接近地表的堅硬岩石圈可分為許多的板塊,而軟流圈(或是地函)中有觀察到熱對流,至於板塊的運動與熱對流的方向大體是一致的,至於「軟流圈到底是什麼?」除非是有心發問的學生,不然則會留至高中才分曉。

不過高中課本又怎麼說?多半會用「部分熔融」這個名詞來描述軟流圈的性質,部分熔融是怎麼回事?多半還是會提到一些證據,譬如「波速降低」來說明科學家推測這邊的物質具有可塑性,然而現實上教學現場的學子已根深蒂固的認為它和岩漿相去無幾,並未細思它的性質。就筆者學習經驗而言,多數也用背誦的方式記憶這件事,至於對軟流圈的性質疑惑、震波在這邊是為什麼會變慢……這些問題直到大學時期的老師以「尺度」的方式來比喻,才稍稍了解到,在短時間的尺度下,軟流圈的物質仍屬於固態,故地震波中的剪力波能順利穿透,但放大到數十萬百萬年的尺度下,它便是一個具有流動性的物質。以我們熟悉的東西來比喻,就有點像是黏土一般,不過這也僅止於觀測資料所得的「推論」。

板塊運動和教育問題的關聯在哪?

問題不在於你我懂不懂板塊運動的內涵,而是「課本擺這些內容做什麼?」以及「課本概然有意圖要告訴我們這些知識,但為什麼我們最終仍然一知半解?」不敢說所有科學,但至少我對地球科學的教學上一直有個疑惑:為什麼很多事情要分這麼多段學習,美其名為「考量學生認知能力進展的編排」,但實際上國小的自然觀察國中未必記得,國中生心中浮現的問題卻得先用自己的方式理解,等到高中大學才得以解惑(說不定還無法解惑)。這不過只是其中一個例子,無論天體運行、岩石性質、天氣現象…我們把許多科學知識打散放在小學、國中、高中裡,卻一點都串不起來。

一件事情出現問題,我們可以去探討是「質」還是「量」出了問題,我們還是講地科好了,以量來說其實是非常悲觀的一件事,國中只有國三每週一堂課,全國的地科老師也是理化老師的十分之一不到(102年的統計資料)。不過抱怨這件事也不會有什麼幫助,況且這也不像是問題的根源,在此我們改從科教的「質」來發想切入。

我們回頭看看國中怎麼教板塊學說的?會從韋格納的大陸漂移說提起,但事實上他也不能算是第一個提出這個想法的人。再來我們還會從海底擴張說知道它有一些可以說明大陸漂移的證據,一直到板塊學說形成的過程中,學會理論是需要不斷被修正的。再接下來呢?我們幾乎就開始學板塊學說的各種機制和現象。

或許這個脈絡,感覺可以帶著孩子學會科學的精神。但是實際我們常在教科書那一章的最後面或是書商的投影片、參考書中看到這些整理結果:德國人韋格納在1912年提出大陸漂移說,內容是兩億多年前大陸是一塊盤古大陸,然後有這些證據。接著海斯在1960年……。不對啊!這東西怎麼會是科學呢?老師也想有脈絡性的教學生這些知識,但在有限的時間下總是無法實施,而坊間的「參考書」更是不科學啊!

1108-2

考試領導教學的問題

感覺我們好像很「重視」考試,但是,我們有教過題目中經常看到的限制和原因嗎?沒有,我們的學生看到「常溫常壓」只會直覺反應寫一大氣壓,溫度300K,然後接著算體積、莫耳數,或者是把理想氣體方程式搬出來用。在地科以外的問題,像是理化著重計算的方式也會改變整個教學的策略和脈絡。就筆者的求學經驗而言,考試高分的重點不只是把科目內容熟悉,還得搭配上所謂的「作答技巧」,也就是遇到沒看過的內容還能極盡可能的「猜」中答案或是「湊」出答案。這還是好一點的情況,起碼作答還會推理分析,但離真正平常也能用的科學技能還差的遠啊……(更多題目的探討請參閱一點都不科學的科學教育

有許多老師、研究者多少也意識到教育、科教的問題。也常嘗試去做,這些方式不外乎是外加許多新的媒材、科技來融入教學。但會運用翻轉教室、帶學生參加科普活動、做實驗,就能做到改變嗎?我一直覺得像教育的改變貴在教師的心態調整,而非形式上的改變,假若這些方式有設計出很好的議題脈絡,會有很好的效果,但若僅流於形式,僅僅是讓學生多做點事、老師多做很多的事而已。那麼心態該如何改變?1108-1

怎麼教/寫科學?

我沒有教學經驗,但我一樣希望能從測驗研究與科普寫作出發的觀點,分享個人對「教與寫科學」的看法。我對科學素養的詮釋是:能理解並運用「從觀察現象為出發點,提出個人的解釋,並透過合理的歸納提出支持自己論點的假說,而透過求證與驗證來證實。」的能力。若以此為出發點,除了一些基礎核心的知識外,重要的部分都不該是科學知識本身,而是讓孩子從小就形塑出求真求實的精神,這就是我的答案。1108-5

我們再舉一個更加普遍常見的實驗:「悶熄蠟燭後,水位上升的原因」來討論。(在知識節時使用這個例子的影片,源自於師大附中洪逸文老師在論證教學模組使用的教材。)針對這個實驗我們可以提出一個問題作為出發點:為什麼水位會上升?

若在教學現場,這是可以作為一個很好的開放題目,也可以作為探究實作的發想,像是激發討論、實驗設計探討皆是不錯的切入點,或許刺激學生探究以下各種可能性:熱脹冷縮、氧氧燒光、水氣凝結…等等。假如論點是氧氣燒盡使水位上升的話,就得解釋二氧化碳跑哪去、在水中的溶解程度,若論點是熱脹冷縮,就可能需要設計實驗探討,水氣凝結或許是一小部分原因,但量可能極少;在這個實驗討論到最終很有可能會得到一個結論:各種原因可能對水位上升都有貢獻,而透過分析或是實驗可能才會知道各自的影響。

從以上的歷程來看,學生多少都會經歷了觀察、聆聽、討論、尋找共識等不同的理性解決問的方式,比起科學知識或答案本身,至少我們可以說在未來的人生中一定會有機會用到這種技能。而這樣的技能是不分城鄉的,有人可能會說「離開了都會區,學生沒有學習動機。」就我看來這些孩子更需要這些技能,或許他們沒有興趣翻開課本、連用心想完一個選擇題都沒有動力,那為何要勉強他們?把重要的技能在他們有興趣的地方偷渡進去,總是比勉強的硬灌他們沒有學習動機的知識來的實際吧?在此提供這樣的論點,意不在強迫老師在教學上作修正,而是提出一個看法:在教導科學時,我們是否讓學生明白到,「科學的進展是一個不斷修正的過程」,而今天的科技發展,是來自過去慢慢建構起來的巨人肩膀,而我們是否又能以不斷客觀微調修正以求進步的方式,來看待我們的教育呢?

最後,再提出兩個簡單的思考方向:

1.學生畢業多年後,還能記得多少的「自然」或「科學」?

2.除了辨析偽科學,學生有沒有能力面對「社會性科學議題」(能源、食安、防災與開發等議題)?

從頭到尾,這個主題都是一個極為沉重、需要反思的議題,最後我們來用地球科學的角度來看一個問題好了:「臺灣的未來在哪裡?」

「成為『大陸』的一部分。」

哈哈,這真的是以地球科學而言來看,從前述的板塊學說來推測未來大陸漂移的方向,在30億年後全世界的陸塊又再度合體。提出這個極為跳tone的話題,無非是提醒自己與聽眾讀者,在面對教育時我們總是沉重批判,但今天我們若想改變的是科學教育,科學家的樂觀、創意、積極的思考,或許才是良方妙藥吧!

延伸閱讀:

文章難易度
所有討論 2
阿樹_96
72 篇文章 ・ 16 位粉絲
地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。


2

6
0

文字

分享

2
6
0

地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

所有討論 2
Mia_96
156 篇文章 ・ 375 位粉絲
喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策