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司法中的科學與偽科學:十個有用小指標幫你辨識偽科學(一)

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Shoeprint dusty" by Zalman992Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons.

作者 / 黃致豪 (執業律師;台大心理研究所博士生)

作為一個司法與科學的研究與實務工作者,相當苦惱的事情之一莫過於在辦案過程中,接收到來自當事人、法官、檢察官、警調、鑑定人甚至律師同道的善意誤解:

「指紋辨識當然是百分百可依賴的科學,沒錯吧?」(Fingerprint Analysis)

「這個簽名經過鑑識比對明明就是你當事人的,還在狡辯!難道科學會騙人嗎!」(Graphology)

「被告打了吐真劑,催眠講出來的也差不多,所講的當然是可信的吧?」(Truth Serum/Hypnosis – Induced Memory Enhancement)

「被告在兩次測謊當中,前面那一次沒過,後面過了;案重初供,謊重初測。因此第一次的結果當可採為對被告不利的科學證據。」(Polygraph)

「核被告所為,與調查局與警方先前掌握他案證據以及犯行態樣(modus operandi)一致,有關其落入調查局犯罪剖繪部分的鑑定報告,自非不得作為對被告不利證據。」(Criminal Profiling)

……好。我知道大家都愛看影集。但司法科學的世界,跟影集當中的世界真的差很多。我最怕的,莫過在司法場域遇到燃燒正義小宇宙的審檢辯想要用上述的「科學」手段來把被告定罪,這一類的事情。被正義感遮蔽的理性,加上對科學的誤解,正是冤案生成的絕佳環境。

先講前提吧:什麼是偽科學(pseudo-science)?

所謂「偽科學」,傳統上指的是徒具科學之型(外表),不具科學之實(內涵)的學科領域。這些領域,可能打著「科學」的偽裝系統性外衣,卻完全不遵守科學的基本原則與規範。

我舉個例子吧:占星術有沒有體系(黃道十二宮分布與代表意義)?有。有沒有類似規範性的論述方式(例如特定宮位與宮位之間夾角代表的既定意義)?有。有沒有內在一致性的論理方式(例如金星在逆衝年行到個人宮位的影響)?也有。

那它是科學嗎?不是。之所以否定,不是因為我們看不起占星術(許多占星老師賺的比律師多得多)。學科領域本身研究什麼現象與理論,不是決定科學與否的重點。

占星術不是科學,理由在於:它的論述所依據的證據方法,利用了非常多的消極證據(negative evidence)來支持其核心理念與論述,而這些消極證據,基本上無法透過建立信度(reliability)、效度(validity)、以及再現性(replicability;或同儕檢驗 peer review)來檢驗,也因此對於這個領域立論所依據的假說,根本無從證立其真偽。

白話說,就是:這一類的領域所主張的東西,根本上就是他「老師說了算」。要證明?沒有。要實驗?找不出方法,也不可能複製。

那麼,偽科學的手段,在司法程序當中一概不准使用嗎?那也…未必。

依照現代司法科學的概念,偽科學及其所得的證據能否使用,應該依據人權保障與正當程序的要求來判斷。這樣的標準下,司法科學Forensic Science大概可以分出兩類概念:

  1. 偵(調)查科學 (Investigative Science):重點在協助偵查機關有關案情方向的釐清與速效調查。因此有助開展偵查方向,廣納證據,建立案件架構(5W1H)的目的性很重要。
  2. 審判(法庭)科學 Court (Trial) Science:重點在當事人,尤其是面對國家機器的被告,人權的保障,以及正當法律程序的維護。

而以後者為真正狹義的司法科學(forensic science)。

按照這樣的區分方式,在偵查階段當中納入某些種類的偽科學手法以及證據,並非完全不可接受。但是在審判程序中納入偽科學及其證據,就會同時構成對於人權以及正當法律程序的嚴重侵害了。

(續)

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司法中的科學與偽科學:十個有用小指標幫你辨識偽科學(二)

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作者 / 黃致豪 (執業律師;台大心理研究所博士生)

(續上篇

圖片來自 Fickr 用戶CPOA,以CC-BY-SA條款使用

圖片來自 Fickr 用戶CPOA,以CC-BY-SA條款使用

所以,沒錯。科學確實有大小眼之分:在偵(調)查程序程序中,即便是與科學基本性質有所違背的技法,只要對案情方向的釐清以及嫌疑犯的排除有所助益,管你靈媒測謊超感應,只要被告同意,用了也無妨。但在審理程序中,則是不允許偽科學證據的介入。

前者,例如在美國就有許多警方在案件走入偵查死胡同時求助於玄秘力量或者靈媒的報導(案例:Top 10 Mysterious Police Cases Solved By Psychics)。

後者,則例如美國軍事審判證據法707(a)條明文禁止任何測謊相關證據在審理中使用,以及美國聯邦政府(是聯邦司法部喲!)的官方立場乃是為免冤案而致力於測謊證據在審理中的排除,且大多數州也採明文禁止立場(案例:262. Polygraphs—Introduction at Trial)。

所以,我們可以說:所謂偵查科學的範疇,可以包含了科學與偽科學同在。但審理(法庭)科學,原則上沒有偽科學存活的空間。

那麼,如何判斷某一個看起來很像科學(這正是偽科學的特色之一:令人迷惑的外表)的領域,究竟是否偽科學?由 Lilienfeld 與 Landfield 等所提供的下面十個指標,可以幫上忙。累計的指標越多,此領域屬於偽科學的風險越高:

指標1. 欠缺可證偽性,且有諸多刻意的操弄空間:

可證偽性(falsifiability),指的是意圖挑戰某一假說或者理論的人,可以透過科學方法找出相反證據,來試圖證明該理論或假說可能是假的,或者加以推翻。而這一個可證偽性的特質,乃是科學與偽科學最大的區別。

例如有人宣稱「神創造凡人與萬物」,這或許是真,或許是假。問題是:沒有人可以透過科學方式舉反證推翻此一論證。這就是可證偽性的欠缺。而這一類論證,往往也會伴隨刻意操弄的方式逃避檢驗。

司法科學領域中常見欠缺可證偽性的例子,例如指紋分析的準確性問題。許多研究(多少與執法機關相關)宣稱:指紋證據的辨識精準度幾乎到百分之百。那麼,如果有因為指紋證據辨識錯誤造成的冤案呢(請看:The Real Crime: 1,000 Errors in Fingerprint Matching Every Year)?此時指紋分析的支持者會事後宣稱:這是儀器出錯,或是人員訓練不足……等。但如果一開始就知道指紋分析有這些嚴重的問題,為何不在一開始就統一儀器標準,或只用世界級統一認證通過的指紋分析專家來檢驗?答案很簡單:因為不可能–儀器標準無法統一,也不會有世界級的指紋分析認證(請看:NYTIMES: Fingerprinting’s Reliability Draws Growing Court Challenges)。這正是指紋證據的完美精準度傳說某程度欠缺可證偽性,也常常透過操弄論述來遮掩的結果。

(續下篇)

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司法中的科學與偽科學:十個有用小指標幫你辨識偽科學(三)

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作者 / 黃致豪 (執業律師;台大心理研究所博士生)

(續上篇

指標2. 迴避同儕審查。

在科學領域當中,假說、理論或者實驗的結果,接受同領域同儕審查(無論是透過理論檢驗或者實驗再現的方式),是相當重要的特色,也是科學承認與面對假說不完美或錯誤之處的修正方法。

美國聯邦證據法從 Frye 所建立的同儕普遍接受 General Acceptance 法則,乃至於在 Daubert 一案進一步擴張的聯邦證據法有關科學證據驗真的的五項基本標準,其原理便在於:同儕審查或許不是驗真的完美機制,但通不過同儕審查的研究,往往都不完美

但偽科學往往會透過各種方式,迴避同儕審查。

例如:試圖透過筆跡分析來決定一個人的個性以及是否具備心理病態特質的這種偵查科學,也曾經風行一時(Beyerstein & Beyerstein, 1992)。

這一類的研究或意見發表時,多半不愛以正統學術論文的方式經過審查,而喜歡以出書著作,也欠缺引用科學證據的方式來立論。若偶爾引了證據,往往也是自己的「著作」或者同樣是「筆跡分析學」領域的著作。但日後若有科學家將這類著作的「案例」拿來加以調查,則常會發現:統計上根本就沒有發現這些筆跡特徵跟病態人格的任何關聯性。

指標3. 欠缺自我修正機制。

"Pentothal vintage package - truth serum" by eurok from Paris, France - PentothalUploaded by JohnnyMrNinja. Licensed under CC BY 2.0 via Commons.

Pentothal vintage package – truth serum" by eurok from Paris, France – PentothalUploaded by JohnnyMrNinja. Licensed under CC BY 2.0 via Commons.

原則上,科學各領域都具備自我修正的機制:在不斷提出的主張、假說、理論當中,後來者會不斷檢視先前存在者,然後透過證據加以修正或排除。因此,在科學領域當中,理論或者假說模型的快速修正與變遷,幾乎可以說是常態,也是科學演進的必然。

但偽科學,就沒有這種自我修正的機制。回到一開始的例子:占星術號稱在人類歷史存在的期間超過四千年以上,影響了許多人的生活。但四千年來這個古老的智慧在理論上修正的多少?幾乎沒有。連行星系統正式將冥王星除名,以及十二星座之外又加入「蛇夫座」的時候,也沒有。這正是偽科學的特色之一。

在司法系統中,最能彰顯此一指標的莫過於使用吐真劑(誠實藥水)讓被告講實話這件事。一般人以為吐真劑(基本上多屬於barbiturate或者benzodiazepine類型藥的變化)可以讓被施藥者無力抗拒而講出心中的秘密。但臨床實證研究早早就證明了這些「吐真劑」,根本上效果跟灌酒或施用鎮靜劑沒兩樣,只是會降低自我抑制機制而已。至於講的內容?當然是真偽難分。(莫非你也相信「酒後吐真言」?不如洗洗睡…)

但問題是,從吐真劑誤打誤撞在20世紀初被搞出來向情報機關騙取專案經費,到21世紀初的現在,還是有眾多的情報機關與法務機關寧可信其有,就不去想想:將近一百年了,如果真的已經發現可以逼人說實話的藥水的話,以科學修正與進化的速度,怎麼到今天還沒有正式推出上市,或者立法作為偵訊工具?會不會是人類說謊話的機制根本就沒有辦法被外力干預?

(續下篇

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司法中的科學與偽科學:十個有用小指標幫你辨識偽科學(四)

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作者 / 黃致豪 (執業律師;台大心理研究所博士生)

(續上篇

指標4. 欠缺防止確認偏誤的機制。

不管哪個領域的科學(或者非科學),都很競爭。也難免大家在發表理論或者做實驗的時候,一心會找的只有著眼在可以支持自己論點的證據上,而會有意無意地忽略或否定可能對自己論述不利的證據。

這就是確認偏誤(confirmation bias)造成的視野狹隘問題–我們只想相信我們想相信的,容不下客觀的證據。

檢警調的偵訊或會談,大幅度地反映了這樣的確認偏誤:即便現代的檢警調偵訊都已經號稱是科學辦案了,在警方詢問或檢方訊問的流程中,大量的複合式、誘導式問題乃至於直截了當的指控,隨處可見。

雖說檢察官基於刑事訴訟法的規定,「似乎」有客觀義務,不過實務上只要一個案件稍有立案的可能,鮮少看到有檢察官或調查局會針對被告有利的證據特別主動地加以查察。可見得所謂科學辦案的偵訊流程,事實上根本沒有防止檢警(特別是調查局)確認偏誤的機制。有多科學云云,聽聽就好。

日劇「Legal High 王牌大律師」劇照

日劇「Legal High 王牌大律師」劇照

指標5. 過度依賴質性的供述證據或者傳聞。

人的陳述,受到極多內部與外部,生理與心理因素的影響。從感官認知到供述輸出的流程,還無需討論主觀的惡意,當中只要有任何一個環節出問題,便可能給出與真實天差地遠的描述。事實上,有關供述證據可信度極低的研究,早在19世紀末、20世紀初就已經確立結論了。

直接基於個人所見所聞的供述,尚且如此,那你覺得傳聞,也就是:我告訴你我聽說隔壁老王聽林媽媽說她們對門張小三的兒子上個月折斷了城裡大戶張老五兒子的一根小指甲,可以準確到哪裡去?

當然,有關供述與傳聞的內容,作為偵查的方向,釐清案情的協助,那是沒問題的。但是,要有充足的物證去支持,才能建立被告「疑似」有罪的關聯性假說(correlational hypothesis),進而通過起訴門檻。

至於大量依賴陳述、供述與傳聞作為鑑定基礎一部份的司法精神/心理鑑定,如果只有這樣就拿來作為被告有罪起訴或者處刑的基礎論述(常見的,例如依據告訴人的主訴內容,直接在臨床症狀不足又沒物證的狀況下,以簡易鑑定的手法推斷有性侵害造成的PTSD),與科學的本質當然也是有相當程度的違背。

(續下篇

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司法中的科學與偽科學:十個有用小指標幫你辨識偽科學(六)

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作者 / 黃致豪 (執業律師;台大心理研究所博士生)

(續上篇

指標8. 「是你要證明我錯,不是我要證明我對」:舉證責任倒置

許多偽科學領域的共通特色是:先講先贏。我先丟一個理論或作法出來,在沒有人證明我有錯之前,我就是可以被接受的科學原則。

但科學不是這樣跑的(Science does not run like that.)。

科學家為甚麼每個都這麼辛苦,生活在無盡的理論實驗與數據之中,幹得要命?正是因為:科學理論建立的基本原則,就在於提出理論者必須透過各式的假說驗證、證據檢視、實驗結果等,來一步步的證立或修正他早先提出的理論。做不到?那就回家吃自己。理論進垃圾桶(念博士班之後特別有這種悲情感受…)。

但偽科學理論的倡議者或接受者往往不這樣想,他們不願意證明自己是對的,卻常要求別人要證明他們是錯的。

舉例來說吧:在國外因為鬧出諸多性侵冤案,已經漸漸被揚棄的指證娃娃(anatomically detailed doll)(見上圖),在台灣的使用正是方興未艾。

這樣的指證娃娃之所以被使用,乃是基於:疑似性侵被害者的兒少,或許因為年齡問題、智力問題、情緒問題或壓力問題,無法靠自己的陳述來指證被害的歷程之類的思維而生。因此,國內就有司法實務人士與學者支持:透過指證娃娃的利用,來協助兒少在性侵或家暴案件的陳述。

但當科學家或者辯護人依據心理學與邏輯指出:指證娃娃的利用可能不僅不容易透過「協助」取得接近正確的陳述,反而可能因為「誘導」(詢問者的言語加娃娃的利用),以及指證娃娃本身具備的意涵(與性相關的場域),而迫使指證者重新打造出原本不存在的記憶時,支持指證娃娃的人往往會說:小孩都自己指出來摸那裡了,難道會假嗎!那你們要證明使用這個娃娃有問題啊!要證明被告確實無罪啊!之類的說詞。

為什麼不是指證娃娃的支持者要提出理論與實務數據來支持這樣的做法確實有「協助回復記憶」的顯著性呢?我也不知道。

或許是因為,辯護人(就我啦,其他辯護人都很正義)永遠站在邪惡的一方之故吧。

(續下篇

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迎接「光世代」,Li-Fi 讓你有光就能上網

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此時此刻閱讀這篇網路文章的你,可能正在使用咖啡店的無線網路,或是偷用隔壁鄰居忘記設密碼的熱點,相信過去也經常為了龜速的網速,或者競爭有限的頻寬而感到十足不耐。

現在有越來越多的電子產品需要網際網路,網路塞車的現象將越趨明顯。為解決此一問題,愛丁堡大學哈洛德海斯(Harald Haas)教授想到,為什麼不用光線來傳輸資料呢?

光線如何變成高速網路線?

你大概沒想過 LED 燈除了節省電力,還能擔當起網路信號發射器的角色。只要在日常使用的 LED 燈中內置一顆微型晶片調整燈光,加上目前 LED 燈的普及,便可創造全新的上網途徑-「Li-Fi(Light-Fidelit)」,也被稱為「可見光通訊(Visible Light Communication, VLC)」。

Li-Fi 光通訊利用 LED 燈泡做為訊號的發射器,並裝設光電二極體(photodiode)作為接收器,當燈泡亮起即代表 1,熄滅代表 0,藉由光線編碼並傳輸資訊。由於燈泡閃爍速度極快,人類肉眼並無法察覺其變化。

利用光線來通訊的 Li-Fi,和 Wi-Fi 相比具備更大的頻寬、更快的傳輸速度,可能將為無線網路通訊技術帶來革命性的改變,解決無線網路傳輸技術當今的眾多侷限。

未來的LED燈除了照明功能,也能透過光線閃爍提供上網服務,速度比現在的Wi-fi更快。(圖片來源:Wikimedia Commons 作者:Alejosemejiagp)

德國、英國、台灣都在研究的光線傳輸能力

2012年德國柏林的研究團隊,在只有一個 LED 燈泡的情形下,達成每秒 500MB 的傳輸速度。倘若同時使用一排 LED 燈,或是使用不同顏色波段的燈泡,甚至就能傳送更大量的訊息。英國愛丁堡大學的哈洛德海斯(Harald Haas)教授說:「所有的元件跟機制都已經就定位,現在只要把他們放在一起、使之運作即可。」

台灣的研究團隊在可見光通訊領域中也佔有一席之地,如何改善現有技術、突破「傳輸速率」及「空氣中自由傳輸距離」限制,是各團隊努力的重點。國立臺北科技大學光電工程系呂海涵教授帶領的團隊,使用紅光雷射光作為光源,將技術推進到在一秒內傳輸 10 Gbps的資料,這代表一部 1.5 小時的高畫質電影只要 45 秒就能下載完成!同時,允許的資料傳輸距離也達到 17.5 公尺,突破一般白光 LED 燈 5 公尺的距離限制。

「網路光世代」,用光更加安全的上網

Li-Fi 跟 Wi-Fi 本質上都是電磁波的一種,只是波長不一樣。Li-Fi 所運用的肉眼可見光,波長介於 400 奈米至 700 奈米之間,波長較短、頻率也較高;而 Wi-Fi 所使用的微波,波長則約在1毫米至1公尺之間,容易受到無線電波干擾。Li-Fi 很可能突破因無線電波干擾造成的上網死區,例如飛機的客艙,或是醫院。只要光透得過去,甚至在水中也能有網路訊號。

由於 Wi-Fi 是微波、可以穿透牆壁等物體,因此只要進入到特定 Wi-Fi 的範圍就可能使用或盜取資料;然而 Li-Fi 使用的可見光線並無法穿透牆壁,因此得以限制資料傳輸的範圍,加強傳輸安全。

但,只要沒了光,Li-Fi 便無用武之處。也就是說,在戶外缺乏人工照明的地方,或者白天室內日光充足沒開燈的時候,都沒有辦法使用Li-Fi。 就現階段而言,Li-Fi距離要完全打敗Wi-Fi或是普及化,仍遭遇一些困難。

直視瓶頸,Li-Fi 必須兼顧傳輸速率與距離才能真正普及

台北科技大學光電工程系專案研究助理教授李忠益指出,目前可見光通訊使用之光源分為可見光雷射和 LED 兩種。雷射的指向性高、發散角小,所以不會受到其他光線的干擾及影響;然而 LED 因具有大的發散角,故容易受到強光、光線及陽光等影響。

為解決這項問題,可以在 Li-Fi 的發射端及接收端加入一些機制,如:發射端使用特定波長來進行光訊號的傳遞,接收端可於接收光訊號前加入濾波片,將不需要或多餘的光線(波長)濾除,只讓載有訊號的光(波長)通過,減少光線或強光等干擾。

此外,Li-Fi 若要真正打入市場,必須提供比過去的無線網路更為優異的傳輸表現,並且兼顧傳輸速率與距離。目前利用可見光雷射所建構之可見光通訊系統技術上已漸成熟,全面商用普及化不是問題。而以 LED 為光源所建構之可見光通訊系統,因 LED 先天頻率限制,要達到高傳輸速率需要更為複雜的調變方式,同時在光源發散情況下,傳輸速率越高,其傳輸距離就越短(僅剩約幾十公分),造成速率與距離無法兼具的情況,也是造成全面商用普及化的最大因素。

未來,Wi-Fi 可能與 Li-Fi 相輔相成,提供人們更便捷的網路通道。Li-Fi 已經成為光通訊研究領域相當亮眼的熱門主題,目前也有許多業者推出具有 Li-Fi 功能的電子產品,業者也預測,Li-Fi的傳輸速率將達到每秒 400Gbps。相信在不遠的未來,只要有光的地方,就能高速上網。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所
審校:陳妤寧

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

延伸學習:

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臉書CEO馬克·祖克柏送給女兒的禮物值得掌聲鼓勵,但背後的哲學值得商榷

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截圖取自 Mark Zuckerberg 臉書帳號

截圖取自 Mark Zuckerberg 臉書帳號

為了可愛女兒願意付出一切,替她爭取一個更好的未來,是正常父親的行為。

看完馬克·祖克柏A letter to our daughter」,不禁讓我想起從前讀過的麥克阿瑟〈為子祈禱文〉。然而兩篇文章在哲學上有很大的差異。

麥克阿瑟將軍希望他的兒子接受困難的磨練,在風暴中挺立,「學會對失敗的人加以同情」。而馬克·祖克柏希望他的女兒能發揮完全的潛能,因此決定捐出他持有臉書股票的99% (市值450億美金),創立 Chan Zuckerberg Initiative,把那些影響孩子發揮潛能的因素消除,像是健康問題與疾病、無法因材施教的制式教育、不穩定的家庭與環境、不公平與充滿歧視的社會…

這些都是非常重要,非常需要像祖克柏這樣成功的年輕企業家,以及每一個人都來參與改變的課題。在定義出這些問題上,我完全認同並佩服祖克柏的見識。但他的哲學我並不太認同,特別是「完全的潛能」這件事。

例如他寫道:

If you have an unhealthy childhood, it’s difficult to reach your full potential.

如果你有個不健康的童年,就很難發揮完全潛能。

If you have to wonder whether you’ll have food or rent, or worry about abuse or crime, then it’s difficult to reach your full potential.

如果你得擔心溫飽或居所,擔憂被虐待或遇到犯罪,就很難發揮完全潛能。

If you fear you’ll go to prison rather than college because of the color of your skin, or that your family will be deported because of your legal status, or that you may be a victim of violence because of your religion, sexual orientation or gender identity, then it’s difficult to reach your full potential.

如果你擔心自己因為膚色而會進監獄而不是上大學,或你的家庭可能會因為法律而被迫離開,或是你會因為宗教、性向、性別認同等因素而遭受暴力,那就很難發揮完全潛能。

顯然祖克柏不太認同孟子所說的「天將降大任於斯人也….」(我相信祖克柏中文那麼好,應該接觸過一些經典古文),他忽略了人之所以能夠做出偉大的事情,許多時候是因為被環境逼迫的。歷史上無數科學家、發明家、偉大人士為各種環境跟個人因素而苦,這些負面條件很可能才是他們成就的原因,去除這些負面條件不代表就可以「完全發揮潛能」,更可能是相反。(請見科學史上的今天

例如

出生於奧地利的都卜勒自小體弱多病,因此才不用承襲家族多年以來的石匠工作,得以繼續念書往教學研究發展。1842年,他發表了一篇論文探討雙星的星光顏色,主張當波源移動時,靜止的觀測者所接收到波的頻率會隨波源的運動方向而改變;朝觀測者而來時頻率會變高,遠離觀測者而去時頻率會變低。因此雙星各自在朝向或遠離地球的方向運行時,所發出的星光顏色會不一樣。

或是

野口英世出生於貧農家庭,一歲多時左手被火燒傷以致手指都黏在一起,但他並未因此自卑,反而積極向學,成績優異。後來小學的師生為他募款集資,才得以動手術,使左手恢復七成功能,野口因而立下懸壺濟世的志向。

或是

凡得瓦力的發現始自1873年的一篇博士論文;這篇論文的作者,荷蘭物理學家凡得瓦當時已經36歲,大概是在科學史上佔有一席之地的科學家之中,最晚取得博士學位的人。

凡得瓦因為家境因素,小學畢業後只能上專門培養小學師資的學校,而自19歲起成為小學教師。六年後,他想繼續進修,卻因為沒在一般中學學過希臘文與拉丁文而無法進入大學,只能前往旁聽。他先靠自學,於28歲取得中學教師資格;幾年後,古典語文的入學規定終於廢除,他才得以進入萊頓大學就讀。

還是

艾弗雷特應該會非常希望他的多重世界理論是真的,這樣他才可以想像有那麼一個平行宇宙,他與兒女的關係不會如此疏離、他的女兒不會精神分裂自殺身亡、他不會長期酗酒而早逝,可以活著看到學術界在他發表論文的五十週年舉辦研討會,嚴肅看待他的理論,並且看到有愈來愈多的物理學家認同他的主張。

還是

居禮夫人的母親在生下她沒多久後就感染肺結核。為了避免傳染,刻意與她疏離,她再也不曾像其他女孩得到媽媽的擁抱與親吻,母愛只是想像中的概念。在她11歲那年,母親終於因病過世,而三年以前她才目睹大姊感染傷寒而亡。

求學的道路也不順遂。雖然她自幼聰穎,成績總是名列前茅,但當時華沙被俄國佔領統治,女性不准念大學。而家中拮据的經濟條件也無法送她出國念書,於是她與二姊協議好由她先去工作,賺錢支持二姊前往巴黎念醫學院,待畢業後再回頭資助她讀大學。

其他像是史瓦西法拉第愛因斯坦…許多偉大的科學家就是在充滿挑戰的環境之下成長,創造出尋常人難以企及的成就。當然,我也不是說就該讓小孩經歷各種挫折,然後就會發揮潛能(又不是超級賽亞人…)。

其實祖克柏的舉動並不令人訝異,他早就承諾參與梅琳達與比爾蓋茲夫婦的倡議 The Giving Pledge,要捐出大部分財產。就在巴黎氣候變遷會議COP21啟動當天,也宣佈他創辦的突破獎要與蓋茲基金會一起投資可永續的能源事業。而在不久前的「臉書鄉民聚會」上,他就清楚地說過他希望他的女兒在16歲的時候「基本上就是個可以隨時學習到任何東西、愛的人就在身邊、沒有疾病、沒有無謂的折磨、戰爭,更平等的烏托邦。但他相信他女兒那代將會實現。」

當然,作為一個父親,我對祖克柏的慈善行動非常佩服,因為他試圖改變也有能力改變的是包括他的女兒 Max 與我的女兒的未來,創造一個沒有疾病、平等、互相連結的社會。但我認為他不該期待他的女兒因此能發揮完全的潛能。他在文中也寫道:

Children who face traumatic experiences early in life often develop less healthy minds and bodies. Studies show physical changes in brain development leading to lower cognitive ability.

祖克柏說的研究的確是事實,例如這篇關於霸凌與創傷後壓力症候群的報導就提到「學生持續受到痛苦經驗的侵擾、因此必須耗用大量的精力來抑制這些想法。這樣的學生很顯然在面對學校課業時會較難以專注。而最糟的是,這樣的狀況通常難以被觀察到,因為被霸凌者往往默默忍受著。」另外一篇也討論「童年創傷經驗與海馬迴萎縮的關聯」,而這篇則更直接地提到「打孩子的屁股與孩子智商下降有關」。但這些研究都是相關性研究,而且人體健康的研究總是充滿爭論,這樣的決定論忽略了大腦的可塑性,把「完全的潛能」限定在這種情形下才能實現,我認為非常侷限,也不甚正確。而且,另外也有研究認為幼時經歷某種程度的災變,是CEO勇於冒險的因素 (注意:這樣的效應非線性,請點進連結觀看)

講那麼多,只是一個比較無能的父親的有感而發。就如同身邊總是有人問我以後小孩要不要帶到台北來念書,要不要改讀私立雙語幼稚園,要不要趕快開始練習注音,不然上了小一跟其他小孩比起來什麼都不會…我完全同意,我們應該讓環境變得更好:我們該讓社會更平等、讓每個人都能獲得他想要的最好的教育、讓疾病跟災害、戰爭減少,但我真的不認為因此就該投注太多的期望在小孩身上,人的一生變數很多,那種認為「因為我都幫你準備好了,所以你就該做得很好」的想法,我真的比較不能認同啊。

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從小到大,我們科學教育最缺乏的就是科學精神……

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(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」。

一般高中教科書上常見地震波速、低速帶與軟流圈的關係示意

一般高中教科書上常見地震波速、低速帶與軟流圈的關係示意

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!

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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:

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2015年,科青們為誰在泛科學流連?–【OKAPI ╳ PanSci:讀者告訴我們的事】

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生活離不開科學,但說到科學,憶起的還是那條黑板上想破頭也解不開的方程式。科學與科技的發展無疑是帶動人類社會前進的動力,不論是生活常識、科技應用,乃至於對公共議題的思辨,都存在著對科學知識的大量需求;但在台灣,學界或是科研機構所積攢的能量,在我們的生活和網路世界中卻近乎真空。科學,到哪裡去了?

PanSci泛科學從2010年成立以來,將科學調理成一篇篇更滑順容易入口科普文章,更透過線上社群的經營,讓知識不只能被傳遞,也能隨著社群的互動提升討論高度和內容影響力。高爾基說:「科學是我們時代的神經系統。」藉由觀察社群所關注的科學議題,或許也能多少反映出我們身處於怎樣的時代。就跟著y編一起看看2015年那些在泛科學上駐足停留的腳步吧!

2015年,科青們為誰在泛科學流連?

2015/2/28發表的一篇文章,破了泛科學開站以來的最多瀏覽,至今這個紀錄仍未被打破。今年年初,全世界最潮的就是這件有白金有藍黑,每個人看顏色都不太一樣的洋裝;〈色彩恆常性:你看到什麼顏色的洋裝?〉,以大腦的「色彩恆常性」來解釋為什麼同一張圖片,顏色會看起來完全不一樣,而不是因為水星逆行到你的太陽宮。

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與其說這個時代的人類健忘,不如說有太多會吸眼球的東西,而人的注意力有限;「時事」成了最多人在追的那隻兔子。未來幾天颱風的動向影響著颱風假,你會開始想知道「路徑潛勢」是什麼意思、地震剛發生,不管是不是「地質系」都會想關心地震的成因、過年則會得一種「害怕被問畢業、工作、有沒有對象」的「春節恐慌症」……有些事件會週而復始,有些則是突發事件。些許令人欣慰的是,仍有許多人在意這些事件中的科學。

面對復興航空空難、八仙塵爆事件,人們關心面對這些事件時的心理狀態:〈人為疏失還是機械故障?你怎麼想,決定你對鬼島的希望〉、〈塵爆效應:為何傷這麼大,還要繼續罵?〉。還有有些事件本身科學佔了極重要的角色,卻不見得會被重視:連環爆的食安問題,若在政策或是結構中找不到解答,起碼在泛科學我們能一起從科學角度來談。

黑糖會不會致癌鉛水管對我們有什麼影響電子鍋會不會煮出毒飯牛奶有沒有添加物激素鳳梨吃多了會不會性早熟油品精鍊能不能讓大便變黃金……面對食安問題時我們都不是專家,但這些卻又是生活中會遭遇到,無法避免的一部分。

一般媒體在處理食安新聞時仍會時不時的使用驚悚的標題、容易煽動情緒的字眼來描述事件;這不僅無助於了解事件,反而更會引起恐慌。剖析食安的相關文章在泛科學一直都有不錯的點擊,或許正反映了大眾對食品安全的焦慮與不安,渴望瞭解更多的那份心情。

所以先別談食安了……(唉)

說到食安覺得肩頭很重?來點致癌鹽酥雞喝杯塑料珍奶壓壓驚,我們來談點輕鬆的。

今年有很多電影不只叫好叫座,其背後的科學內容也讓人津津樂道。《星際效應》於去年年底上映,熱潮一路燒到今年,被認為是繼《地心引力》後最「硬」的科幻電影。電影的科學顧問基普.索恩(Kip Thorne)讓很多奠基於現實科學的想像在電影裡成真(也大推索恩的著作,泛科學2015年5月選書《星際效應:電影幕後的科學事實、推測與想像》)。

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另一部讓科青們趨之若鶩的電影《絕地救援》,劇情內容也大多都符合科學:不論是火星之旅的所用到的科技,或是火星上的現況。不過為什麼麥特戴蒙為什麼總是那麼衰,可能就很難用科學解釋了。

y編在此私心大推泛科學上的絕地救援三部曲,篇篇精彩:

不只是科幻電影,蟻人腦筋急轉彎侏羅紀世界模仿遊戲等等其他電影也激起了相當有趣的科學討論。不只是好萊塢,英、美、日劇也都已經證明,「科學」不再是票房毒藥。在今年金鐘獎表現亮眼的《麻醉風暴》,劇組便請到真實的麻醉科醫師擔任醫療顧問;期待未來台灣每齣本土劇也都有科學顧問,就不會再發生心電圖亂亂貼管子亂亂插的窘況了。

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在諾貝爾的季節來臨之前,泛科學推出了「2015搞笑諾貝爾獎」專題。「大笑之後,發人深省」,集結科學家的玩心與認真大成的搞笑諾貝爾獎,你怎麼能錯過!

2015第25次第一屆搞笑諾貝爾獎得獎名單:

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會動的讓人難招架

現今在網路上有很多不同形式的優質內容,如果把它們比喻成後宮佳麗,下一個紅人會是誰?「影音」跳出來嫣然一笑,游刃有餘地說:「非我莫屬了。」在網路、社群媒體蓬勃發展的現在,資訊破碎、閱讀時間短、喜歡接受影像刺激等等的收視習慣都已經回不去了。

泛科學也開始推出科學動畫和短片,目前收視最好的一支動畫〈蟑螂哪有那麼噁心〉已經突破130萬瀏覽次數。不得不承認這樣的擴散力,是文字很難企及的。

「人類有了五種感官,開始探索四周浩瀚的宇宙,並稱這趟冒險之旅為『科學』。」科學帶來的感動是真切的,而在未來對於知識的需求會越來越飢渴且巨大。

PanSci泛科學希望能創造一個空間,讓不管是科學學術圈、科技產業、大眾、學生以及其他網路社群,都能放心在這裡談科學聊科學玩科學;不只傳遞值得信任的科學知識,也能從探究科學的過程中得到快樂,並互相分享科學曾帶給我們的感動。

所以不要再泛舟了,跟我們一起泛科學吧!

本文亦刊登於OKAPI閱讀生活誌的閱讀觀察總banner_640x320

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【教育專輯】趕課沒空上實驗怎麼辦?生物課可以這樣教……

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學生觀察動物頭骨。source:阿簡生物筆記

文/簡志祥

國中生物老師常常抱怨時間太少,課都上不完,經常都在趕課,以至於擠不出時間帶學生作實驗。其實課綱和課本的編排都是三節課的內容,可是老師們習慣補充再補充,覺得那些東西都好重要,一定要老師親口講過,學生才能學會。此外,還要搭配課前小考和測驗卷,因為老師相信一考再考了才能讓學生主動學習。

於是乎一週三節的生物課,既要講課還要考試,這樣就沒時間帶學生去做實驗了啊!但實驗的內容也包含在考試範圍內,這該怎麼辦呢?

沒有實驗的實驗課

乾脆先在教室黑板教學生作實驗吧!老師在黑板畫出實驗器材,講一遍實驗過程,最後再把結果寫在黑板,要學生抄起來、背起來,只要這麼作就能安心考試了。如果真要進行實驗,那就集中幾堂課,把所有實驗快速讓學生做過。沒時間作完?那就挑重要的作就好了,這樣也算是對學生有交代了(我們可都有作實驗,可不能說跟別人說,老師都沒帶你們作實驗喔。)

或者老師乾脆帶著實驗器材進教室,親自示範實驗,學生只要負責看就行了,只要有看過就當作是有做實驗了,既安全又快速。最後當然別忘了,活動紀錄簿的答案一定要寫在黑板上,從實驗結果到問題討論的答案,通通照著抄起來就行。活動紀錄簿學生也要好好寫,老師更要好好改,因為學校定期進行作業抽查,不只要檢察學生有沒有好好寫作業,也順便看看老師們有沒有好好帶實驗,有沒有好好改作業簿。

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source:wikipedia

我之所以敢這麼說,那是因為我以前也這麼用過這種教學方式。活動紀錄簿上一模一樣的答案,簡單好改,紅筆一個一個打勾,一兩節就可以改完好幾個班,頂多只要改改錯字就行了。但是這種千篇一律的答案,改起來卻非常無聊,我常想乾脆發明一台批改機器人來打勾改錯字就好了。

先上正課再做實驗?其實可以反過來!

其實教學時間並沒有不夠,那是因為我們常常把正課歸正課,活動(實驗)歸活動──在正課講的是學生沒有經驗的東西,然後在活動時又再花時間重新講一次同樣概念和內容。

其實活動應該融入正課,成為教學過程的一部份,而非教學過程之外的活動。因為課本裡的科學知識,是科學家透過觀察、實驗、推論、驗證等活動所得到的知識,但我們為了在短時間內快速而大量地教給學生那些知識,就會有人會用這種教學方式,直接擷取科學研究的最後結果,這也就造成正課教一大堆東西,但是卻沒時間進行活動的現象。

怎麼讓活動融入正課呢?那就是讓學生實際經歷那些科學研究過程,從結果中獲得知識。

活動其實都是課本原有的活動,只是老師要換個方式去帶領。以細胞的課程為例,老師如果按照教科書編排順序去教的話,就會是先教細胞的發現與構造、動植物細胞的比較,然後再帶學生去實驗室利用顯微鏡觀察細胞。

Suber cells and mimosa leaves. Robert Hooke, Micrographia, 1665. 圖片來源:Wikimedia 

但如果可以把整個教學流程反轉過來,變成以活動為主的課程,那狀況就會不一樣──學生所扮演的角色,要像是三百多年前的虎克(Robert Hooke,英國博物學家、發明家),在還不知道細胞是什麼的情況下,就去觀察動植物的顯微構造。使用的儀器可以學習雷文霍克(Antoni van Leeuwenhoek,荷蘭貿易商與科學家,有光學顯微鏡與微生物學之父的稱號)用一顆玻璃珠,自己親手做成單式顯微鏡來觀察,也可以用兩個凸透鏡和 PVC管組成複式顯微鏡,甚至也能使用雷射筆透鏡做成手機顯微鏡來觀察顯微構造。

讓學生經歷科學家探究的過程

學生成為自造者,做出自己的顯微觀察儀器、觀察了動植物的組織、歸納出細胞是一個個有規則的結構,並且親眼看到細胞裡面有細胞核、葉綠體之後。老師再利用學生的這些經驗,引導學生提出問題,最後才去教他們教科書裡的知識,這樣的學習才能在學生的心中產生意義,同時也讓學生經歷了科學家探究與學習的過程。

除了把正課和活動的順序反轉之外,還可以把活動用切割和重組的方法,重新安排在正課的教學之間。比如說教科書在血液循環的章節裡,有測量心搏、脈搏和觀察小魚尾鰭的活動。通常老師都是教完血液循環之後,再去實驗室用一節到兩節課同時完成這兩個活動。

但如果換個方式:讓學生先觀察小魚尾鰭血管、知道血液的組成,也知道血液流動是單向而不是雙向反覆來回流動的,再讓學生量自己脈搏和觀察自己的手部靜脈,了解血液和血管,再透過聽心音來認識自己的心臟,而活動之間再穿插著對於這些活動的解釋(就像正課講課一樣)。

學生使用iPad和uHandy觀察小魚尾鰭。

學生使用iPad和uHandy觀察小魚尾鰭。source:阿簡生物筆記

又譬如說要觀察花的構造,老師可以用此活動來講解植物的有性生殖,不需要正課講一次,實驗課又講一次。省去重複講解的時間,讓學生有更多時間能進行探索與獲取知識。因為活動本身就能詮釋那些知識了,不需要非得老師親口說出才行。

實驗室不夠用?記錄本不適合?換掉吧

這樣的課程當然還是有困難,其中一大阻礙是實驗器材和實驗室使用的問題,但教科書裡的活動都要進實驗室才能做嗎?如果老師願意擺脫實驗室,其實很多器材都可以替代實驗室的設備,甚至可以把實驗器材個人化、實驗材料微型化,例如利用點眼瓶裝碘液、封口袋代替試管、飲水機的熱水用來加熱……等。

即使是顯微鏡的課程,目前也有很多替代方案,像是手機顯微鏡,或是有種100多元的玩具顯微鏡,雖然叫做玩具,但基本結構和一般顯微鏡大致相同,也同樣可以觀看課程裡要觀察的細胞。老師花一點錢購買數組,就能夠擺脫實驗室和器材的限制,不一定非要進實驗室才能作活動。

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網路上也可以買到「紙做的」顯微鏡。source:阿簡生物筆記

把活動融入正課裡看起來好像不錯,但活動紀錄簿怎麼有時間寫?學生又要怎麼寫?回答這個問題前,倒是想想看,活動紀錄簿真的幫助學生學習活動如何記錄嗎?活動紀錄簿的存在難道只是為了寫下標準答案,然後讓老師批改作為平時的作業分數嗎?

況且,紀錄簿中的「問題與討論」很多都不是真的需要討論的問題,舉例來說,植物無性生殖的活動裡,提問了「黃金葛的芽和根會從哪裡長出來?」,這其實只是填充題而已,偌大的答案格,只要填「莖上的節」就夠了。

又或者觀察蛋的構造之後,提問「試推測已受精的蛋中,主要是由哪一個部位發育成新個體?」。其實活動進行後,學生只觀察到蛋黃上有小白點(胚盤),光靠這樣的證據,又怎麼可能進行推測?更不用說活動紀錄簿的表格都已經是設計好好的,學生只要照著填表就行,無法讓學生發展擷取資訊、統整與解釋的能力。

如果活動紀錄簿裡的設計不能滿足老師的需求,那就改掉它吧。從一開始只要求學生改寫不同的問題討論,後來加上要學生用白紙重新設計紀錄表格,然後就用整張學習單取代部份的活動紀錄,到後來乾脆砍掉重練。

自己設計的表格,學會科學訓練的理性思考

我希望讓活動和正課能緊密結合,所以就規劃了讓學生的筆記本從單純的上課筆記,成為科學的互動筆記本。學生的筆記本攤開來就像是一本書一樣,前面包含了數頁目錄,還有課程中所需要用到的圖形組織圖、圖表製作方法……等。隨後就是利用兩面同時呈現科學概念的紀錄,右頁是輸入的部份,利用各種組織圖整理的課堂筆記,左頁是輸出的部份,寫下相對應的活動紀錄。

活動紀錄中,學生必須自己利用示意圖畫出活動流程,並且自行設計紀錄表格,然後針對結果寫下其代表的意義。而部份活動之後有科學寫作,讓學生依據老師提供的科學引導句(我觀察了……,我發現……,OO和XX的的不同是……),用結構化的框架,半開放性地寫下實驗的結論,因此在互動筆記本裡就能呈現完整的科學學習與探究的歷程。

此外,再加上每章節末的學習小結,讓學生整理該章節容易混淆的概念,筆記本也就成為學生的學習歷程檔案。忠實反應學生個別化的學習過程,成為適合作為和家長溝通的媒介,讓家長了解小孩的學習狀況,當然也可以作為作業抽查的項目。

科學教育的目的

無論是改變教學流程,或是重新設計活動紀錄的模式,都不是為了要訓練學生成為科學家,或是為了要考試得高分,而是要訓練學生理性思考的能力,畢竟這些能力才是科學教育想要達成的目標。

【關於作者】

簡志祥
阿簡老師任教於新竹市光華國中,喜歡各種和科學相關的人事物,觀察的視野從屍體、便當到廚房,經營了一個部落格-阿簡生物筆記。雖然名為生物筆記,但發表的文章卻從課程紀錄到電子電路的DIY都有。
個人網站:阿簡生物筆記

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科學史上的每一天

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科學是人類史上最有意義的活動,是人類理性文明的極致。科學關注所有物質世界的各種問題,從小到基礎粒子、大到宇宙,有生命的、沒生命的,可用文字描述的、必須用數學描述的都有。

西方世界從阿拉伯世界找回古希臘的學術傳統,擺脫了中世紀的愚昧,進而產生了科學革命,從此改變了人類對整個世界的認知。科學在上個世界突飛猛進、一日千里、更上很多層樓,基礎科學讓我們對物質世界更加瞭解,讓人類可以應用知識和智慧設計出創新的科技,雖然乍看之下沒有直接的經濟效益,但是沒有電磁學和量子力學的知識,很多iPhone裡的元件永遠不會被發明,就不須低頭滑手機了。如果沒有基礎生命科學對細胞運作機轉的認識,很多抗癌藥物也不會被發明,更甭提瞭解癌症是怎麼一回事。

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Source: wikimedia

然而,儘管我們現在的社會對科學是有一定的信心,否則也不會讓國家投注大量的資源在數理的教育,可是一般大眾對科學的理解仍有限。甭說是非理工科出身的,連理工科出身的人,都未必能夠輕易瞭解非自己主修的科系以後的科系在幹啥,尤其是在專業高度分工的今天。可是天下合久必分、分久必合,跨科系合作和交流卻愈來愈成為趨勢。因此所謂的科普,哪裡只是對社會大眾傳播知識,連科學人之間都要用白話來互相傳播知識,尤其是在出了校園之後。

知識就是力量,可是不管任何學科都一樣,如果只是淺層的知道一些知識,那可能就只是佔了腦中一些記憶量而已。科學的發展當中,最重要的不是在問我們知識了什麼?這不是科學有別於其他知性活動之處,科學最關鍵在是在提問,試圖探討有什麼重要的事情是我們還不知道的?那些不知道的事情有可能有什麼道理?我們怎麼利用邏輯分析和實驗設計來為問題提供解答。要瞭解科學這理性的文明活動,除了知識現在我們有了什麼知識,更重要的是懂得歷史上為何會出現那些問題,過去的人們在不知識問題答案的情況下,誰提出了哪些問題,他們用了什麼方法來解開謎題。

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Source: uni-log

因此,學科學其實也要學科學史,這在西方的科學教育裡,是很重要的一環,我唸博班還有一門課「遺傳學史」(History of Genetics),要求我們閱讀經典的論文,上課討論為何他們當時會問那些問題,以及先賢在面對未知時是怎麼思考的。可惜,在亞洲的科學教育,科學史往往只是小點綴,很多大學科系連一門和該學科有關的歷史的課程都沒有。因為對科學問題的由來和解答的過程不解,所以在亞洲,連科學都能用填鴨的方式來教和學,我還遇到記憶超強的高手,連數學、物理的解題都是用背的。在這樣的情況下,科學怎麼紮根到理工科學生腦中呢?於是科學變成了課堂和實驗室中才需要面對的,在課堂以外的生活和科學不大有關。

也可能是過去歷史才注重背誦,也可能大家對科學家這些怪胎有刻板印象,大家覺得科學史是個冷門的領域。其實,如果我們的科學教育裡,愈早讓學生知道科學的發展史,我們是可能讓理性的科學在我們的社會紮得更穩。可惜考試不考的東西,老師要不要教,那就看老師的熱誠了,但熟誠這東西不科學啊。不過別灰心,現在都什麼時代了,教育還一定要靠校園和教師嗎?現在已開始是個人人都能在網路上找到教育資源的時代了,學校不教的,自己的知識自己學習,自己的智慧自己長!

全台最大的科學社群網站「泛科學 PanSci」,現在就成長到了在臉書有超過26萬粉絲了,很多和科學沾得上邊的議題,網友還聽主流媒體放屁鬼扯嗎?泛科學常常為大家獻上更可靠資訊,有趣程度不下新聞台的腥、羶、色,搞到現在誰是主流和非主流都已難說了!剛剛吃飯看到一個有趣的現象,新聞又在用YouTube的影片或者無關緊要的唬嚨人,餐館裡大家看了看,面露不耐就各自掏出手機邊吃邊滑了。說不定過不了多久,新聞台就會來向泛科學求救了吧。

泛科學臉書粉絲頁前陣子不知不覺多了一個每日的報導,稱作「科學史上的今天」,報導過去某年的同一天,科學史上發生的大事件,或者某位科學家的誕辰,這個小專欄受到大家的喜愛,有些重要的人物或事件,我的臉書朋友們就瘋傳。這個專欄用很淺白的文字為大家介紹了一整年的各種事件和科學家,那是張瑞棋(Richard)的貢獻,一年來的心血也由泛科學企畫集結成好書《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》

Richard非常熱心地提出「科學史上的今天」的專欄計畫,為了尋找每一天科學史上的重大事件和偉大科學家誕辰,他是絞盡了腦汁、作足了功課,全年無休地為「科學史上的今天」撰作文章,沒寫文章的時日,也在尋找資料的路上。他從科技業退休,原本可以享清福,他卻接了這吃力的工作,還出資讓大家有個好社群平台,這毅力和用心是令人非常欽佩的。

《科學史上的今天》有兩大冊,總共超過一千頁,為大家一次準備好一年份的「科學史上的今天」,裡頭的內容涵蓋幾乎所有科學領域!《科學史上的今天》可以讓我們一窺科學史上的百態,裡頭有各種各樣有趣的發現和發明,還有許許多多科學家的生平和豐功偉業!《科學史上的今天》不僅提供了科普知識,也讓大家能夠瞭解到,科學的發展有多麼不容易,是建築在許多有遠見的科學家的辛勤下的!

牛頓 Source: The guardian

偉大的牛頓(Sir Isaac Newton,1653-1727)說過:

「如果說我看得比別人遠些,那是因為我站在巨人的肩膀上。」

而我們如果能看得比牛頓更遠,是因為我們站在了許許多多站在巨人的肩膀上的巨人的肩膀。讀了《科學史上的今天》,我們是不是會看得更遠呢?

一年只有365天(閏年多一天),這本《科學史上的今天》也只有366篇文章。當然,科學史上的重大事件和偉大科學家絕對不止是書中這些,但是只要啟發了大家,今天,對,就是今天,也可能會有重大突破,而你生日當天也可能成為未來「科學史上的今天」的主角!所以還等什麼?趕快去買本回家向科學史上的重大事件和偉大科學家致敬和看齊吧!

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2015《Science》十大科學新聞

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(本文轉譯自《Science》The top 10 science news stories of 2015

每年都有上百則科學新聞來到《Science》網站上,我們真心地認為每則科學新聞都是有趣的,但總有一些新聞能造就成千上萬的讀者來一睹風采,這些新聞不外乎是非常有趣的、特別的,導致他們的瀏覽量十分驚艷。《Science》編輯群在這歲末時分,精心選出年度十大科學新聞,與您分享2015年最離奇的科學新聞。

如果您想了解今年度最重要的科學發現,可以參考另一篇年度突破的文章。

第十名-空調是你的辦公室女神!

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HANNAH PALLUBINSKY

無論天氣如何,你是不是在工作的時候都一直穿著外套呢?丹麥科學家Blame Povl Oel Fange在1960年代發展了一個預測室內溫度對上班族的舒適度模型,然而當時的「上班族」,指的是平均四十歲,穿著三件式套裝的男人。

這明顯與目前辦公室內的人口結構已很大的不同,辦公室早已不再是男性的天下。目前新的研究建構出一個更好的預測模型,以符合現代的人口結構與穿著習慣。

第九名-是自然天擇讓荷蘭人成為這個星球上最高的人嗎?

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VLIET/ISTOCKPHOTO

科學家終於解決這個神祕的問題。研究顯示,比較高的荷蘭人,其後代的平均數量比矮的多,而且生存率也比較高。這些發現讓科學家稱其為「一個人類進化的範例正在我眼前發生」。

這篇簡短且精彩的科學新聞從人口資料上看出端倪,不過後續還有許多研究要做,來了解更深層的原因,例如比較高的人孩子比較多,是不是高的人比較有吸引力,以及高的人生存率高,會不會是擁有某些特定基因,使他們獲得疾病抗性。

第八名-網路搜尋引擎也許會影響選戰

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BIDGEE/WIKIMEDIA/CREATIVE COMMONS (CC BY-SA 3.0)

「我們所在討論的,正意謂著大規模的心靈控制,這在過去人類歷史上從未出現過。」而這只是這個故事的開端,後面的事情將會越來越古怪。

這一篇透過一系列實驗來驗證「網路搜尋排名較前面的政治人物,選名越容易投票給他」。所有實驗都經由自行製作的假搜尋引擎「Kadoodle」來執行,實驗組的搜尋引擎會故意把某位候選人的訊息放在前面位置,控制組則沒有。

這一系列研究從美國的小規模樣本,一直到針對印度總統大選的中間選名,都發現中間選名會傾向投票給網路搜尋排名較前面的候選人。也許搜尋引擎的演算法就是現代心靈控制的機器。

第七名-小老鼠放棄巧克力去救即將溺死的夥伴

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SATO, N. ET AL., ANIMAL COGNITION (2015)

(可愛的mouse編又被拿來玩了?)

你有像小老鼠一樣為他人著想嗎?就算讓囓齒動物在巧克力與遭受困難的同類間做選擇,他們仍然會去幫助有困難的同類-也許這正象徵了不只有人類具有同情心。

先前研究顯示,小老鼠會幫助他人是因為渴望有人陪伴,而不是因為他們正遭受困難。今年日本關西學院大學做出兩個相當出色的研究成果,證明了小老鼠幫助別人確實是因為它人正在遭受困難。

下次罵那些沒血沒淚的傢伙時,你有更好的代名詞了。

第六名-暗物質殺了恐龍?

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SERGE BRUNIER/ESO

這可能是所有恐龍滅絕的假設中,最奇怪的一個了。一群科學家提出每三千萬年就會有神秘的暗物質滲入地球核心,引起大規模的火山爆發與大規模的板塊運動。

第五名-想影響這個世界?這張地圖揭露了最好說的語言。

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S. RONEN ET AL., PNAS EARLY EDITION (2014)

如果你想學中文作為你的第二語言,你也許也要考慮一下西班牙話。這項研究揭露,如果你想讓你的想法廣為人知,有些語言會更適合傳播你的想法。(本篇為2014年的文章,為去年名單的遺珠之憾)

圖片中點的大小代表有多少用戶正在使用該語言,連結線條粗細表示有多少篇文章從一種語言被翻譯成另外一種語言。如果你對這項研究有興趣,可以到Global Language Network網站,觀看他們的研究成果。

第四名-破碎染色體治癒女性的免疫性疾病

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EMBL/P. RIEDINGER

今年最令人著迷的生醫研究故事,是一名先天患有罕見免疫系統缺陷「WHIM綜合徵」(在第二對染色體上的CXCR4有基因突變,造成免疫細胞停留在骨髓,使身體容易受到感染)的女病人,在三十多歲的時候,竟突然痊癒!研究發現她的第二對染色體上的突變基因,因不明原因消失了,研究者推測只有「染色體破碎」(chromothripsis )能解釋這樣的現象

「染色體破碎」是指染色體被打散,重組成新染色體的現象。這種現象常與癌症及先天性疾病有關,今年六月,《Nature》以「染色體破碎」作為封面故事,試圖說明其背後的原理機制。

第三名-非洲稀有植物會標示出土讓下方的鑽石

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STEPHEN HAGGERTY

千萬不要忘記這棵植物長什麼樣子!有一天它會令你發財的!科學家在賴比瑞亞發現一種多刺、像棕櫚的植物只會長在含有鑽石的金伯利岩輸送帶上。不要懷疑了!趕快去挖吧!

第二名-科學家揭露古老壁畫上的「翅膀怪物」

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WHIT RICHARDSON/ALAMY

這是一隻飛龍,一隻會飛的爬蟲類,或者只是一種非常平凡的生物?一場由古老壁畫開啟的辯論,最終由考古學家贏得這場與年輕地球創造論者(young-Earth creationists)幾十年來的爭論。

年輕地球創造論(young-Earth creationism),這個學派起源於1940年代,起因是一名名叫John Simonson的人發現了一塊古老壁畫,上面有著一隻飛龍的圖案,但這個圖案對考古學家來說不是那麼精確,因為壁畫已經有點「粉化」(指圖案有點受損),不過有鑑於當時的科技並不容易修復或提出反駁,因此這個學派不斷使用這些相關數據,最終在1990年代來到高峰。

年輕地球創造論相信我們的地球年齡大約在6000到10000年之間,並且有一段時間人們跟飛龍是同時存在並生活在一起。(終於知道訓龍高手背後的根據!)

第一名-需要多久時間才能通過地洞,直達地球的另一端?

English: Historically excavating a brick-lined urban privy with The Manhattan Well Diggers (antique bottles and other items dating from 1855-1875). Comment: Visual example related to physics concept for Adrian's story on gravity tunnel.

OLESACHEM AT THE MANHATTAN WELL DIGGER/WIKIMEDIA/CREATIVE COMMONS

從兒童到物理學家,每個人都曾提出過這樣的問題。現在,科學家終於給出一個答案,或者說,「目前為止」最好的答案。

Pail W. Cooper在1966年的AAPT(American Association of Physics Teachers)上發表一篇名為〈Through the Earth in Forty Minutes 〉的文章,他假設地球的質量分布是均勻的,因此物體在穿越地洞時所受到的引力會與遠離地表的距離成線性關係,就跟描述彈簧受力的虎克定律F=-kx一樣,透過類比彈簧運動的方式,將問題簡化成「簡諧震盪」,而從地球的一端來到另一端,就是簡諧運動半個周期的時間。

當時算出來的時間大約是42分鐘,而新的答案是將地球不均勻的質量分布考慮進去,結果比原先的時間還要少4分鐘。

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【教育專題】談「科學」和「教科學」

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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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【教育專輯】 博士班是什麼?可以吃嗎?

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作者 / GJ(學在台灣,舉高雙手大喊「我要畢業!」的博士候選人)

博士班是什麼?可以吃嗎?

「你們博士班讀那麼久到底在學什麼?」

這是我在台灣就讀博士班常常被親朋好友問的問題,而這問題也每次都會讓我反覆思考良久。在台灣,從國小到大學一直接受著不同程度的科學教育,而博士班生涯中所學到的又跟以前所學有何不同?對於此問題,我認為 Dr. Matt Might的圖解有最好的說明:


圖片1

想像一個「圓」中包含了人類目前已知的所有知識。

圖片2

讀完小學時,你學到一點基礎的知識。

念完高中後,你又懂了更多一些。

念完高中後,你又懂了更多一些。

完成大學學業後,你不僅懂了更多也擁有自己的專業領域。

完成大學學業後,你不僅懂了更多也擁有自己的專業領域。

獲得碩士學位時,你在專業領域又跨了一大步。

獲得碩士學位時,你在專業領域又跨了一大步。

進入博士班後,藉由閱讀大量文獻而進一步探索專業知識的邊界。

進入博士班後,藉由閱讀大量文獻而進一步探索專業知識的邊界。

一旦你在現有的知識邊界,並專注于一個問題點之上。

一旦你在現有的知識邊界,並專注于一個問題點之上。

圖片8

在此經過數年的努力……

終於有一天,你將人類的知識範圍往外擴展了一個小點。

終於有一天,你將人類的知識範圍往外擴展了一個小點。

這時,你所拓展的這一點即成為你的Ph.D. (博士)

這時,你所拓展的這一點即成為你的Ph.D. (博士)

所以,別忘了知識原有的全貌……

當然,此時世界在你眼中已變得截然不同。

所以,別忘了知識原有的全貌……

所以,別忘了知識原有的全貌……

再接再厲


Dr. Might對於“什麼是博士?”做了非常生動的圖解。

我認為這個圖解也衍伸顯示了攻讀博士學位,重點不在於你將有足以撼動世界的貢獻,而在於訓練個人“發現問題”和“解決問題”的能力。

發現問題

發現問題,對於一般人來說可能不是一件好事,因為那往往說明了某件事物的缺陷。然而對於博士生來說,在自己的專業領域”發現問題”或者說發現一個值得努力數年的“好問題”,就像撿到寶一樣欣喜若狂。因為那不但代表找到一個知識邊界的突破點,更代表“可能”可以畢業了!

圖片13

對我而言,博士生“發現問題”是藉由以下綜合因素:


因為科學技術的限制,許多問題可能以目前的技術仍然無法解決,所以除了不斷的努力之外,選擇問題以及機運也十分重要。

實際情況?

現實往往跟理想有一段差距。因應不同領域而異,各個領域學生的自由度也不大相同。以理工背景而論,主要的影響原因可能有:經費時間和能力。

部分科學領域的研究需要大量經費,因此有些實驗室為了有效運用經費往往會將已有的計劃題目分派給學生,或者由較有經驗的博士後研究員帶領博士班學生完成計劃。而另外一方面,博士班大多有七至八年的修業年限,考量學生的能力以及時間,部分指導教授也可能會直接給予題目。在這些情況下,台灣的博士班學生不一定有機會嘗試發現問題或者是自由的選擇自己的研究題目。解決的方法或許能夠利用博士課程進行補足。部分的博士班課程會請學生針對不同的主題提出小型的計劃來訓練學生發現問題以及設計實驗的能力。此外,有些博士班學程也會要求學生在兩年內通過博士資格考,且資格考內容包含提出”Non-thesis proposal”。Non-thesis proposal所指的是跟自己實驗室研究內容八竿子打不著的研究計劃,亦即博士班學生必須自己發現一個新的問題並且提出可行的研究計劃與教授們進行答辯。利用這些不同的方式來訓練博士班學生獨立思考和發現問題的能力。

解決問題

圖片15

「發現問題後就要嘗試解決阿,不然要幹嘛?」source:張吉吟 – 泛舟哥 粉絲團

雖然解決問題的能力是各行各業都需要的,但是一般職場需要解決的往往是“人”的問題。而在面對科學問題時,博士生解決問題的方式以及態度為何?

之前我有幸參加孫同天院士的科學方法講座,並且獲益良多。因此我以個人的經驗簡單闡述我所學到的方法與態度:

盡信書不如無書

這句名言從小我就耳熟能詳,但是小時候一直都沒有辦法體會這句話的含義。畢竟對於考試教育的我們,教科書以及參考書上面的東西就是分數保證。但是在科學的領域裡並非如此。不論是已發表的文獻或者是學長姐的指導的做法都有可能會有錯誤的地方。因此,學會如何判斷正確的資料來源便極為重要。所以在判斷的時候,必須選擇已經有多人驗證過的資料來源,或者是同時比對不同的文獻。接著利用經由大量閱讀得到的知識去判斷訊息是否有瑕疵或者是設計實驗去證明。如此便可以“較有機會”接近事實的真相。

風險管理

在文章前面提過:有些科學領域的研究需要大量經費,而修業年限也是博士生的頭號大敵。因此風險評估也是很重要的一個能力。在進行研究時需要多少的材料?整個實驗流程需要多少時間?這些都是在進行研究前需要先行規劃的工作。而如果把時間軸拉長以及視角拉遠,其實整個博士生涯本身都需要良好的風險管理。舉例來說,進入博士班就讀往往需要花費四至六年甚至更久的時間,這也就代表著會比同年齡層的人較晚進入職場。因此,現實的經濟壓力與自己的興趣便需要權衡考量。所以風險評估的能力在不同階段都十分重要。

當然,以上所述只是一小部分在博士班所學到的能力,除此之外博士生還需要學習不同的應用技巧,例如:實驗設計公開演講學術寫作、學術海報製作以及呈現等等。這些都會是我們將來突破競爭困境的武器。

科學教育的背後是不科學所推動?

相信在許多關於討論博士生涯的文章都會提到,博士班生活是孤獨而且苦悶的。因此在通往博士的路途往往需要“不科學”的熱情以及好奇心所推動。還記得小時候許多人也曾在作文我的志向」寫著將來要當一名科學家嗎?即便現在已經長大,身在博士班的訓練過程中,對我而言仍像是魯夫大喊我要成為海賊王!」一樣。雖然旁人會覺得有點幼稚,但我依然覺得滿腔熱血!

圖片16

source:海賊王One Piece,東立出版社

參考資料

 

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【‎教育專輯‬】 泛科學十月份特別專題:「科學教育,科學嗎?」

歡迎你來稿和我們談談你所知的科學教育的過去,現在,以及未來。
我們希望討論的方向包括(但不限於):
● 什麼是科學?科學是一種能力?態度?知識?
● 教自然科就是教科學嗎?教自然科才能教科學嗎?
● 那些自然科以外的學科,和科學有關係嗎?

如果你是在學學生,請與我們分享:
● 過往的教育經驗讓你了解科學、愛好科學嗎?請和我們分享你的經驗!
● 你希望自然科(地科/生物/物理/化學)、數學、各種學校科目該怎麼教,讓你更接近科學?

如果你是老師,請告訴我們:
● 在你的理想中,科學應該怎麼教?
● 你正在嘗試什麼樣的科學教育?成果如何?
● 在今日的教育現場教科學,什麼是優勢和助力,有哪些難關和阻力?

兩者皆非,也歡迎你來談談你的想法:
● 學「科學」有什麼價值?
● 什麼樣的結果意味著成功的科學教育?
● 要達成科學教育,有什麼樣的好方法?

來稿請寄:pansci.tw@gmail.com
來稿字數1000-3000,並請註明希望發表的名稱與身分;請於10/31前提供,泛科學編輯部將保留來稿最終修改審核權;如審核通過將刊登於泛科學並謹備稿費,感謝您的參與。

泛科學本次「科學教育,科學嗎?」教育專輯,將配合11/8泛科知識節活動,當天將舉行現場對談,歡迎你的加入!

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「黑糖」真的黑掉了嗎?!

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科學新聞解剖室-案件編號16

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source:http://goo.gl/Iy0ZJ2

案情 

炎炎夏日來碗黑糖剉冰,冷吱吱的時候來杯黑糖薑茶,「黑糖」無論在春夏秋冬都讓我們的生活更饒富韻味。由於製程的關係,黑糖精製程度較低,保留了較多礦物質及維生素,這也是黑糖被當成「好朋友」來時的好朋友的原因,中醫領域裡黑糖可是溫補的食物,能讓避免閉經、經痛;而營養師也說,黑糖當中的鈣、鎂、鐵等礦物質能讓經期順暢。但是,這麼優秀的黑糖,竟然會導致癌症?!我不相信!(滾地不起)

2015年8月28日,《康健雜誌》刊出〈黑糖抽檢 全部測出致癌物質丙烯醯胺〉為題的文章,指出該雜誌進行2015黑糖成分大調查,抽驗結果發現:「黑糖含有2A級人類可能致癌物丙烯醯胺(acrylamide)」,而且所有抽檢的黑糖無一倖免。

難道黑糖就真的這樣黑掉了嗎?這究竟是「國際級」的大發現,亦或是又一樁「食品謠言」呢?跟著解剖員的腳步來一探究竟吧!

解剖

科學疑點一:是誰加了丙烯醯胺?還原醣+胺基酸+高熱丙烯醯胺

「丙烯醯胺」成為瘋傳全球鄉民的故事,得要從北歐的搖晃母牛開始說起了。在1997年的瑞典,牧場主人們訝然地發現,農場的母牛們會不自主地搖晃,這幅景象看起來已經夠詭異了,但事情還沒完呢,溪裡的魚翻了白肚,而鄰近隧道的工人還出現「手麻腳麻」的症狀,一片恐慌之際,政府派出科學團隊深究後才發現,原來正在施工的隧道所使用的防水劑—「聚丙烯醯胺」,溢散出「丙烯醯胺」單體,不僅麻痺了人體,更讓這群倒楣的母牛們成了史上留名的搖晃乳牛

更令人吃驚的故事才要開始,斯德哥爾摩大學的童奎斯特(Margareta Tornquist)教授,徵召了許多瑞典民眾,想研究普通人在沒有接觸丙烯醯胺的情況下,血液中丙烯醯胺的濃度,大伙兒看完量測後的數據可就傻了眼,原來一般民眾的體內就有丙烯醯胺!而且來源就是每天常見的食物裡頭。所有的食品製造商都是黑心廠商?!所以每樣食品都加了丙烯醯胺嗎?!要來一片好吃又富含丙烯醯胺的洋芋片嗎?(誤)

科學家們追根究柢後終於搞清楚事情的真相,原來多數的食物經過自然的烹煮過程後,就會產生丙烯醯胺,化學式如圖一:

化學式

圖一:丙烯醯胺產生之化學式

簡單來說,含有醣分(碳水化合物)的食物,只要經過加熱的烹煮,幾乎就會有丙烯醯胺的存在。2002年來自瑞典的研究發現,不僅洋芋片中有丙烯醯胺,就連麵包、咖啡、爆米花和早餐麥片都有丙烯醯胺。而根據台灣的國家環境毒物中心研究,經過高溫處理的食物,如烘培咖啡豆、洋芋片、黑糖和油條等,也含有丙烯醯胺,甚至抽煙也會因為燃燒的高溫和菸草裡的碳水化合物相互作用,產生丙烯醯胺[1]。原來,丙烯醯胺是這樣產生的,而且也普遍存在於我們日常的飲食中,所以這次的劇本就沒有「黑心廠商惡意添加」的橋段啦。那麼,第二個問題來了,吃什麼都有丙烯醯胺,那吃了會不會有事?

source:yo_aguilar

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科學疑點二:吃了會不會有事?丙烯醯胺有多毒?

早在1996年的時候,就有研究團隊利用小鼠證明,丙烯醯胺會和DNA分子與相關的蛋白質產生麥可加成化學反應(Michael-type reactivity),引起小鼠的精子DNA突變,也有科學家推測細胞內的P-450酵素會讓丙烯醯胺產生高活性的環氧結構(epoxide),此高度反應性的結構可能會破壞DNA或蛋白質,進而導致突變;而如果投予高劑量的丙烯醯胺在大鼠上,會引起嗜睡、運動失調等神經毒性,解剖後發現大鼠的週邊神經節受到損害。甚至世界衛生組織旗下的「國際癌症研究署(IARC)」也將丙烯醯胺列為「2A致癌物」,這……真是太可怕了!但是,打從人類會用火烤肉、烤番薯的年代就在吃的丙烯醯胺,這東西真有那麼毒的話,人類怎麼還沒滅絕呢?

首先,我們先來搞懂什麼「2A」。2A的定義是「人類的流行病學上沒有證據顯示有致癌性,僅在動物實驗中被證實」,瑞典發生搖晃乳牛事件後,北歐科學家興致高昂(或經費充足地)地展開了許多流行病學的計畫,想研究人類的疾病和丙烯醯胺的攝取有沒有相關性。而在2003年由瑞典和美國的聯合報告指出,他們追蹤了近一千名的大腸癌、膀胱和腎癌患者,最後的結論是丙烯醯胺和這三種癌症的發生沒有關係。而緊接著2005年瑞典、挪威及美國也公佈了一篇關於乳癌的研究,結論同樣是兩者之間沒有關聯

那麼,為什麼會產生動物實驗和人類流行病學的差異呢?首先是代謝途徑,嚙齒類的動物實驗並不能完全代表人類的代謝,同樣也在2005年,《毒性科學雜誌》(Toxicological Sciences)就刊出了一篇論文,研究團隊徵召了一批人類的勇者,利用多種的途徑攝入丙烯醯胺,最後發現人類和老鼠的代謝途徑略有差異,也因此相同的物質,進入不同的動物體內,可能會有天差地遠的結果。而另一種可能,在於實驗室裡的動物環境受到嚴格的限制,而真實的人類社會裡,我們有多樣化的食物和多采多姿的生活,兩者生活環境的差異,也因此有了不同的結果。台灣這幾年食安風波不斷,相信大家應該已經養成分攤風險的觀念了吧?(無奈)所以,如果不是長期嗜吃某類食物,似乎就不用過度擔心了。

source:小明 黃

source:小明 黃

媒體疑點二:斷章取義專家的說法?!

原報導在內文中的小標題中寫著「丙烯醯胺具生殖、神經和基因毒性,其活性代謝物會慢性累積、攻擊基因」,小標題下面的文章段落也寫著:「台大職業醫學與工業衛生教授吳焜裕指出,歐美都曾做過小樣本人體實驗,發現體內丙烯醯胺愈多的人,基因受損的程度愈高,基因受損就容易造成基因突變,進而可能致癌。」這不免會讓讀者很容易歸納出:丙烯醯胺對人體有害,而且台大教授掛保證!

但其實從國家環境毒物中心的報告和上下游的相關報導,和一些引用文獻中就可以看出,「丙烯醯胺對人體有害」的這件事並非憨人所想的那麼簡單。例如該位台大教授接受上下游採訪時提到「從風險管理的角度指出,只要整體評估『利大於弊』,黑糖仍然可以放心吃。」似乎不像原報導那麼果斷地指出黑糖致癌的危機,那麼,究竟是媒體斷章取義專家的話?或是問題不夠詳盡以致沒有暸解全貌?

此外,前述也提到目前相關研究並沒有實際做過人體試驗,在流行病學上也無法證實他對人體的致癌性,攝入食物暴露丙烯醯胺與癌症的相關性仍需進一步的研究,當然不能因為這樣就說丙烯醯胺對人體無害,而是在論述上應該需要更多的研究證據,不能每次傳出某食物「對人體有害」的報導時,對應的做法就只剩下「當下」拒吃(因為不求甚解,所以來得快去得也快),應該要更通盤的去看整個事件,和認識我們口中所吃的食物、相關的化學名詞,先冷靜的想想,就不容易被媒體近乎危言聳聽的方式所操弄。

媒體疑點三:「跟風」讓事件像一陣龍捲風,讓人離不開暴風圈來不及躲?!

原報導一出,多家新聞媒體都紛紛跟進報導,例如《中時電子報》、《聯合晚報》、ETtoday東森新聞雲等等,讓風聲鶴唳的黑糖事件更煞有其事,讓人想忽略都不行。期間有業者澄清,原媒體也再度發稿說明報導的初衷和調查方式,強調沒有將黑糖導向毒物也無意造成社會恐慌;但原報導所塑造「養生的黑糖不一定健康」、「天然的不一定最好」的衝突太過鮮明,讓黑糖有有毒物的形象也隨著跟風報導效應像漣漪一般擴散出去(覆水難收啊)。

原報導就算真的「立意良善」,但食安相關事件大多複雜,不是三言兩語就能讓人理解。而多數的新聞報導都無法闡述清楚,也傾向用聳動的標題(其實原報導本來的標題「黑糖抽檢 全部測出致癌物質!!!」用了三個驚嘆號啊),利用衝突產生戲劇性的方式來吸引注意。謠言的跑速總是比事實和澄清來得快,跟風跟到最後,到底有幾分是真實的呢?但又有多少人真的在意事情的真相呢?做出這樣的新聞報導要負責任嗎?又要如何遏止這樣的爆料報導呢?(傷腦筋ing)

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解剖總結

在這次的事件中,原報導用看似科學的方法「抽檢」,但調查卻忽略了須重視其他重要的相關因素,且文章所述的科學研究和文獻也選擇性的引用,讓一般人看到此報導時容易有誤會和偏頗,媒體的連鎖效應也讓這次的事件更加火上加油。

物質的傳遞需要介質,傳聞能不脛而走通常是盲目擴散居多。每次食安事件的後續處理固然重要,包括相關法令及規範的制定,但那大多是一般人無法介入的領域;但是,理解事件,從中避免傷害,應是每個人都能做到的事,「可怕之事必有可疑之處」,面對事件時多聽多看多想,這樣的力量也能終止謠言繼續盲傳。本解剖室給這一則新聞報導評以如下評價(12顆骷髏頭):

綜合剖析評比科學偽新聞指數(滿分5顆)

「關係錯置」指數:☠☠☠☠

「不懂保留」指數:☠☠☠☠

「忽略過程」指數:☠☠☠

 

(策劃/寫作:雷雅淇、蔣維倫、賴雁蓉、黃俊儒)

參考文獻

  1. Törnqvist, E. Bergmark, L. Ehrenberg, F. Granath (1998). Risk Assessment of Acrylamide; Report 7/98, Swedish Chemicals Inspectorate, Solna, Sweden (in Swedish).
  2. 化學式詳參https://en.wikipedia.org/wiki/Aspartic_acidhttps://en.wikipedia.org/wiki/Acrylamidehttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alpha-D-glucose-2D-skeletal-hexagon.png
  3. M. Generoso, G.A. Sega, A.M. Lockhart, L.A. Hughes, K.T. Cain, N.L.A. Cacheiroa, Shelby (1996). Dominant lethal mutations, heritable translocations, and unscheduled DNA synthesis induced in male mouse germ cells by glycidamide, a metabolite of acrylamide, Mutation Research/Genetic Toxicology, 371, 175-183.
  4. Lucio G. Costa, Hai Deng, Carl J. Calleman, Emma Bergmark (1995). Evaluation of the  neurotoxicity of glycidamide, an epoxide metabolite of acrylamide: behavioral, neurochemical and morphological studies, Toxicology, 98, 151-161.
  5. L A Mucci, P W Dickman, G Steineck, H-O Adami and K Augustsson (2003). Dietary acrylamide and cancer of the large bowel, kidney, and bladder: Absence of an association in a population-based study in Sweden. British Journal of Cancer, 88, 84-89. DOI: 10.1038/sj.bjc.6600726.
  6. Lorelei A. Mucci, ScD, MPH; Sven Sandin, MS; Katarina Bälter, PhD; Hans-Olov Adami, MD, PhD; Cecilia Magnusson, MD, PhD; Elisabete Weiderpass, MD, PhD (2005). Acrylamide Intake and Breast Cancer Risk in Swedish Women, The Journal of the American Medical Association, 293(11), 1322-1327.
  7. Timothy R. Fennell, Susan C.J. Sumner, Rodney W. Snyder, Jason Burgess, Rebecca Spicer, William E. Bridson, Marvin A. Friedman (2005). Metabolism and Hemoglobin Adduct Formation of Acrylamide in Humans. Toxicological Sciences, 85, 447-459.
  8. 郭琇真(2005年8月29日)。〈幫助認識丙烯醯胺?還是製造對黑糖恐慌?《康健》報導見樹不見林〉。取自:http://www.newsmarket.com.tw/blog/75136/

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現代福爾摩斯:鑑識科學解密──《知識大圖解》

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封鎖線後的鑑識工作實錄

電視影集《CSI犯罪現場》自2000年開播以來紅遍全球,讓人們對於鑑識工作產生無限遐想;但許多人並不知道,犯罪調查領域其實早從西元七世紀就已經存在。

史書記載,曾有市場攤商利用指紋證明一名男子就是欠債不還的人,從那時開始,犯罪學就開展出一個全新領域。

如今,除了警察之外,最快抵達犯罪現場的就是鑑識小組,他們盡全力維持現場完整,以確保證據不被移動或破壞,增加將歹徒繩之以法的機會。不過「小組」這個詞,有時候不見得是指一群人。

「小組」的實際組成要視當地警力而定,有時所謂的鑑識小組可能就只是一名受過多重領域訓練的資深警員在現場進行縝密作業,包括拍照或蒐集指紋、衣物、毛髮、碎裂玻璃等重要跡證。不過,遇到謀殺等重大案件,就有可能出動多達四人,其中包括專業攝影人員和現場指揮。

亞莉珊卓.奧圖(Alexandra Otto)是位有11年資歷的犯罪現場調查員,2006年才遷至英國多塞特的伯恩茅斯大學(Bournemouth University)擔任鑑識科學講師。透過這次與本刊的訪談,她詳細解說了鑑識工作從接到電話那一刻,到結案為止的完整過程。

「首先,我們會接到受理報案的控制中心打來的電話,接著前往現場,與警員和附近住戶談話了解案情。進入凶案現場之前,我們就已經先勘察周遭環境,尋找可能的線索。」

「接著我們穿上防護裝、戴上手套和口罩,再進入屋內。戴口罩的目的是避免唾液或其他外來物質汙染了現場證據。我們也會拍攝大量涵蓋各個角落的現場照片,主要提供檢方使用,但也會提供給辯方。接下來是開始採集證據,像是窗戶上的血跡、從衣服脫落的纖維,或是入侵者可能打開過的信封等,每個線索都不能輕易放過。」

「下個階段則是撲粉採集指紋,我們會用膠帶擷取指紋,並將其裝入特殊的封袋裡,再送去給指紋專家,其他證據則會送往實驗室。在法醫抵達現場、做完檢查之前,我們絕不隨便碰屍體。等法醫對屍體蒐證完畢,屍體會被裝入屍袋裡,送到停屍間。」

「一旦實驗室做完所有檢驗和分析,我們會拿到結果報告,然後再轉交給刑警部門,由他們繼續調查工作。我們會被傳喚到法庭,針對鑑識部分作證,但偵查和分析工作實際上則分別由警探和化驗人員負責。」

近年來,英國國內多數化驗工作都交由官方的鑑識科學部門進行,但因不堪每個月高達330萬美元的虧損,該部門現已被迫關閉,目前英國警方所有的犯罪現場化驗分析都委託私人公司進行。

「這些外包公司其實很不錯,」奧圖女士表示,「唯一的問題是證據汙染。英國的鑑識科學部是全球知名的單位,尤其是它的實驗室永遠一塵不染。這一點私人公司就做不到了,不時有證據被汙染的事情傳出。像DNA這麼細微的東西,更要特別謹慎處理才行。」

屍體運離犯罪現場後,會被放入消毒過的屍袋,再送到停屍間,等待法醫驗屍,以判定死亡時間和死亡原因。同時,所有蒐集到的蛛絲馬跡都會經過化驗、分析,包括用顯微鏡檢視衣物脫落的線頭,研判嫌犯穿什麼衣物,並分析採集到的DNA片段,比對資料庫的檔案。

手指的汗腺分泌在物體上,留下痕跡,或是手指在未乾油漆或其他可塑表面上施加壓力,都會留下指紋。

「像玻璃這類光滑表面,得用細小的粉末,例如鋁粉或金粉,」奧圖女士解釋,「粗糙的表面要用顆粒狀的粉末,讓粉末吸附在能顯現指紋形狀的汗水上,才能採得清晰的指紋。」

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本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第14期(2015年11月號),全見版請點擊圖片放大。

每個人的指紋都不同,因此在門把或屍體上採到指紋,就可被視為某人曾經到過犯罪現場的鐵證。儘管單從指紋本身無法判定遺留時間,凶嫌也可能故佈疑陣來栽贓他人,但指紋在警方欲證明某人曾到過某處時,依舊提供了有力的佐證。

指紋採集之後,會送交給指紋辨識專家,將指紋與電腦中累積數十年的指紋資料庫比對,看是否有符合的檔案。

指紋辦案的基礎,建立在每根手指上的斗形紋、箕形紋或弧形紋都獨一無二,至今還沒發現有任何兩個人的指紋相同。因此只要指紋符合,就足以作為某人與案情有關的充份證據。

近年來指紋技術的進步,讓鑑識人員甚至能從食物上取得清晰度極高的指紋,這在過去很難辦到。只要用改良過的粉末懸浮液(一種焦油般的物質),就連在光滑表面上也能讓指紋清晰顯露,這也代表鑑識人員又多了一種取得線索的管道。

鑑識調查的另一個主要範疇是DNA比對。這塊領域的發展相對較晚,1980年代才出現,但指認身分的準確度卻高的驚人。DNA比對的辦案方式,是將嫌疑犯身上的DNA與犯罪現場找到的DNA相互比對。DNA可以從現場的血跡、毛髮,甚至是無意間把鼻子靠在窗戶上留下的油脂中取得,只要DNA符合,就能合理推斷某人曾到過某處,不過到達的時間點和原因仍須後續調查。

顯然光是確認某人到過凶案現場並不足以定罪,尤其在先進的鑑識技術經過媒體廣為宣傳後,連罪犯也知道該如何避免留下線索,或故佈疑陣誤導辦案。雖然鑑識證據可以告訴警方誰碰過哪些東西、誰的DNA出現在何處,但它們還是跟鑑識科學以外的證據(例如目擊者說法、不在場證明)一樣,有賴警方正確運用並綜合判斷。

除此之外,DNA和指紋比對技術的另一個重大限制,是遺留這些跡證的人必須是警方已掌握的涉案人員。雖然這些資料能拿去比對全國性資料庫,但若資料庫裡沒有嫌犯的檔案,調查就會陷入泥淖。警察只有在逮捕嫌犯的時候可以採集DNA和指紋,而英國最近更立法規定,除非嫌犯被判重罪,否則其檔案資料都必須在六個月內銷毀。不過,擁有DNA資料庫的好處是越來越多陳年舊案因此獲得重大突破,不少案例是因為警方取得嫌犯的DNA,送進電腦比對過去曾取得的犯罪現場DNA,才讓舊案得以偵破。單靠鑑識科學本身並無法破案,但多了這個有力的辦案工具,警方確實因此如虎添翼。

若刑案涉及槍枝,彈道分析則是另一個鑑識小組會負責的領域。「我們能從現場推知彈道方向,也就是子彈發射的位置,」奧圖女士說,「若排除槍枝被改造的情形,從子彈回溯擊發槍枝是相當精準的分析方法。槍管的溝紋不只各廠牌不同,甚至每支槍都不同,所以我們可以很明確地指出這顆子彈是從哪支槍射出。至於射擊殘跡就比較缺乏準確性,因為有研究顯示,火藥殘留和煞車粉塵高度相似,所以這方面我們還須進一步研究。」

當然,我們也請教了奧圖女士對CSI影集的看法。過去14年這部電視影集大受歡迎,並衍生出兩個同系列影集:《CSI:邁阿密》和《CSI:紐約》。它們甚至帶動鑑識科學的風潮,催生許多類似的辦案影集。不過對真正的鑑識專家來說,這股風潮到底是帶來正面還是負面效應呢?

「我當然也看CSI影集,因為我必須知道學生都看些什麼。影集本身很吸引人,但它會讓外界對犯罪現場的調查形成錯誤認知。劇中角色幾乎什麼任務都一手包辦,從訊問目擊者、鑑識蒐證,再到化驗分析,全部自己來,但事實上很多工作根本不是我們的工作範圍。所以我在第一堂課都會告訴學生,電視演的幾乎都是騙人的。」

「此外,這個影集也讓大家對鑑識工作產生誤解。影集裡的DNA比對結果都會馬上出爐,但實際上我們至少要等一至兩個星期才看得到報告。不過,話說回來,鑑識證據用在法庭上確實相當迅捷。由於DNA的獨特性,它可以協助指認兇嫌,過去的判例也證明了DNA的證據效力,所以DNA技術確實讓現今的辦案工作事半功倍。」

指紋辨識過程

1. 採集
指紋採集方式有許多種。如果指紋清晰可見,最簡單的方式就是用相機拍下高解析度的指紋相片。不過若是現場沒有肉眼可見的指紋,調查人員會在物體表面鋪灑像是鋁粉之類的粉末,並在拍下相片之後,用膠帶貼附物體表面,以擷取指紋。多波域光源則能在暗室中讓指紋現形。

2.分析
採得的指紋送進電腦,進行分析並與資料庫內的檔案比對。如果有符合的資料,指紋專家會用肉眼再確認對照。

3.判定
檢驗人員會根據ACE-V法則(包含分析、比較、評估和驗證)進行指紋分析。第一步得先確認採集的指紋就質與量來說是否足以提供判斷。接下來再檢視採集到的指紋和嫌疑犯的指紋相似度有多高。如果判定兩者高度相似,最後一步則是請來第二個檢驗人員,重複進行以上相同的步驟,以確認結果無誤。

彈道追凶

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除非槍枝改造過或子彈嚴重毀損,鑑識人員通常都能從子彈回推擊發的槍枝,因為每把槍發射時都會產生獨特的溝紋和膛線。

判斷死亡原因時,彈道專家和法醫會合作解讀槍擊現場,例如從子彈進入和貫穿身體的傷口,來推斷槍擊的距離和角度。

由於彈道鑑識技術的進步,執法人員已能用槍擊快速指認工具,來檢測嫌疑犯手上的火藥殘留,幾分鐘內就能判定他短時間內是否開過槍。

 

 

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第14期(2015年11月號)

更多精彩內容請上知識大圖解

 

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遠征火星的心理試煉——《BBC知識》

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在電影《絕地救援》中,馬克必須試圖在與世隔絕的險惡環境中活命。

作者/克里斯‧ 豪爾(Chris Hall)
譯者/畢馨云

馬克在火星上度過了糟糕的一日。時速超過150公里的沙塵暴狂襲任務小組的基地和火星車幾小時後,NASA下令中止任務,要他們返回地球。過程中,通訊天線陣列斷裂,一支天線刺中馬克的腹側,扯掉了他的生物監測器。他摔飛出去而昏迷,等到他喘著氣恢復意識,幾分鐘內就意識到無法想像的震驚事實。

他的組員以為他死了,留下他隻身一人在火星。他至少要等四年,救援任務才會抵達,而設備只能讓他活31 天。

雷利‧史考特的太空求生驚悚片《絕地救援》就此開場。電影的重心當然放在馬克求生的實際要素上。不過他還必須對抗潛伏的危險:極度孤立。他的處境會造成巨大的心理危害。

你也許會這麼想,「那又怎樣?這只是不切實際的好萊塢科幻片。」但事實上,任何一次火星任務都可能讓人遭受不曾經歷過的心理影響,即使是地球上最惡劣的條件也無法與火星任務相比。

在電影《絕地救援》中,馬克必須試圖在與世隔絕的險惡環境中活命。

在電影《絕地救援》中,馬克必須試圖在與世隔絕的險惡環境中活命。

與世隔絕多可怕?

幾世紀以來,我們就算還沒透徹了解,也知道長期與社會脫節、沒有生活必需品、缺少感官刺激的有害影響。據說羅馬帝國時期的隱修士聖安東尼「與魔鬼交戰,魔鬼利用厭倦、怠惰、女人的幻影來折磨他」。

如今,我們稍微更了解人類的心智,但關於人因應孤立壓力的方式,仍然很難取得可靠而一致的數據。無論是等待受刑的囚犯、荒島生還者,還是形勢所逼的受害者,這些非自願長時間獨處的人通常都不足以代表社會的常態。至於提供了可靠資訊給我們的太空人,則是從少數堅忍能幹的菁英中精挑細選而來。

如果人類準備前往火星,我們就必須確定第一批太空人有能力應付眼前的狀況。根據最樂觀的估計,這趟旅途單程至少要花七個月。

英國考察隊醫護人員亞歷山大‧庫瑪博士(Alexander Kumar)在南極洲的協和研究站(Concordia)度過11個月,就曾親眼見識、親身經歷極度孤立對心智的影響。歐洲太空總署(ESA)在規劃載人火星任務時,就採用了他的研究發現。

「首先要思考的事情,就是適應新環境。如果我走在英國的鄉間小路上,手套掉了,我可以再撿起來。如果我是在南極掉了手套,我的手可能就凍到壞死。在那種天氣下,你的iPhone耳機線會一下子斷成兩截。」

南極洲的協和研究基地冬季經常處於攝氏零下80度。

南極洲的協和研究基地冬季經常處於攝氏零下80度。

先到南極體驗孤寂

不只是極地環境的嚴酷,還有壓在心頭上的連帶影響。整個冬季,南極研究站完全斷絕對外交通,這讓庫瑪當時的13人團隊經歷到該領域研究人員所說的「高度自主」:基地聯外通訊可能有限,而且必須用手邊現有的材料來解決問題。庫瑪坦言,「如果我在冬季得了闌尾炎,我有兩種選擇:自己切開肚子取出發炎的闌尾,或者放棄等死。」

在南極洲還有其他的具體壓力會傷害心理健康。不同於北極,這兒是海拔3,800公尺的高海拔荒漠。研究站的住客有慢性低壓缺氧症;運動員參加高海拔訓練營,就是追求這樣低的含氧量。「這對你有好也有壞。短期來說有好處,就像對運動員那樣。」庫瑪解釋說,「但登山專家經常睡不好。這對考察工作就不是好事了。如果失眠,就會失去理智。」

1915年6月,薛克頓的「堅忍號」遠征任務隊員共進晚餐。

1915年6月,薛克頓的「堅忍號」遠征任務隊員共進晚餐。

再加上南極冬天的永夜,你的心智就承受了整組強大的情境。庫瑪說,「這些因素攪亂你的時間感,讓晝夜節律完全失調。」

甚至連聽到這些影響,都會讓人不寒而慄。人會變得憂鬱,出現思覺失調症的症狀,不知道自己是誰,聽見和看見不存在的東西。「我會做惡夢,」庫瑪坦承,「夢境把一切攪在一起。很容易迷失。時間變得混亂,你可能會搞不清過去、現在和未來。」

黑暗也會扭曲你的短期時間感。法國洞穴學家米歇爾‧西佛伊(Michel Siffre)花兩個月,待在阿爾卑斯山冰河覆蓋住的黑暗洞穴中;走出洞穴後,他對120秒的計時實際上花了五分鐘。其他在黑暗中生活的人,生理時鐘會調整成36小時的清醒加上12小時的睡眠。

「你會經歷慢性感覺剝奪。」庫瑪說,「fMRI試驗已經顯示,經歷過這種長期孤立的人,腦的海馬迴會明顯縮小。」

海馬迴有什麼功能?其中之一是控制記憶。根據庫瑪所說,你會發現自己回想起根本沒理由記得的事情,譬如幾年前你在街上擦身而過的陌生臉孔。庫瑪補充說,「目前我們還不清楚這些變化是否可逆。沒人有足夠長的時間去找出答案。我們還需要20到30年。」

未知的心理挑戰

對於想成為馬克的人來說,壞消息是:上述這些危險只是我們已經知道的。即便你能排除「知道無法返回地球」的明顯心理壓力,火星旅程的某些要素對人類心靈仍是完全生疏的。

瓦拉利‧波列科夫(Valeri Polyakov)在太空中待了438天,這是目前太空人停留時間的最長紀錄。他的精神狀態和認知能力全程受到監測。結果顯示,除了任務開始和結束的適應期,他的精神狀態一直很穩定。不過,有某些技能會特別受到影響,尤其是視覺動作技能,測試的方式是看他能不能用搖桿,讓搖擺不定的十字準線對準某個明顯的目標。

但即使是波列科夫的經歷,某些方面仍無法與火星任務相提並論。心理學家兼NASA顧問尼克‧卡納斯教授(Nick Kanas)說,主要的未知數包括「見不到地球」症候群,「沒人知道,看著地球變成天空中的藍色小點是什麼感覺。我們不清楚剝奪了人與重要事物的連結,遙遠的距離感會對人產生什麼作用。」

波列科夫在和平號太空站(Mir)停留超過14個月。

波列科夫在和平號太空站(Mir)停留超過14個月。

那麼,我們可以做哪些準備工作,來因應長時間的孤立狀態?我們要做到什麼程度,才能放心地把人送到未知的環境中?

庫瑪說,準備工作不是關鍵,「實際上你沒辦法為火星任務制定訓練。但你必須是對的人選,然後就實際面對挑戰。我們希望他是善於社交又內向的人,樂於獨自工作,也能與人相處融洽。有些人的心理比其他人更堅強,但這不一定連結到生理上的堅強。我們還在釐清理想太空人的必要條件,目前並沒有標準的精神測驗。」

「火星一號」(Mars One)打算在2025年之前把人送上火星。該計畫顧問團隊的蕾伊‧卡斯教授(Raye Kass)強調團隊合作和領導能力的重要,她舉了恩斯特‧薛克頓(Ernest Shackleton)南極探險隊為例,「薛克頓挑選的人形形色色,而且他知道必須讓隊員全程保持團隊合作。他有時候會做些古怪的事情,像是在艱困時期為大家安排了理髮。在情況險惡時,他的隊員從來不會像史考特(R. F. Scott)的隊員分散開來。到最後,在他們不得不棄船,離開『堅忍號』之後,薛克頓問有沒有人想再回到船上,結果全體隊員都願意!」

「火星五百」模擬火星任務,讓六名組員與世隔絕生活520天。

「火星五百」模擬火星任務,讓六名組員與世隔絕生活520天。

根據卡納斯的說法,在有把握發射火星任務之前,至少必須先有個重要的軌道預備任務。「我的建議是,我們必須把人送上繞行地球的太空站,模擬七個月的航程。我們可以刻意延遲他們的通訊,準確模擬他們的自主程度和活動。接著把他們從軌道送上月球,讓他們登陸,在岩石間翻找,再返回軌道艙。然後,逐步讓他們調整回到地球時間。」這也將是觀察返航行為的機會,卡納斯認為返航可能是此行最危險的時候。「如果大家的工作做完了,等著回去分析樣本,這段返航過程可能會非常無聊。」

像「火星五百」(Mars 500)這樣在地球上施行的計畫雖然頗受批評,卻是很好的開始。我們覺察這些問題,讓我們在航向火星的準備階段,更願意比照生理和科技因素那樣看重心理因素。套用卡納斯的話,「等到我們有辦法前往火星時,我們應該已經弄懂這件事了。這絕對可行。」

 

地球火星比一比

和地球相比,火星環境有多嚴峻?

火星 地球(平均值) 南極洲 台灣

平均表面溫度

攝氏零下63度 攝氏14.6度 攝氏零下47度

攝氏21到22度

溫度範圍

攝氏20度到
零下153度
攝氏58度到
零下89.2度
攝氏17.5度到
零下89.2度

攝氏40.2度到
零下18.4度

氣壓

6百帕 海平面1,013百帕 海平面1,000百帕

海平面1,013百帕

最大風速

每小時400公里 每小時327公里 每小時327公里

每小時323公里

大氣組成

96%二氧化碳、1.9%氬、1.9%氮 78%氮、21%氧、0.9%氬、0.04%二氧化碳 78%氮、21%氧、0.9%氬、0.04%二氧化碳

78%氮、21%氧、0.9%氬、0.04%二氧化碳

重力

每平方秒3.0公尺 每平方秒9.8公尺 每平方秒9.85公尺(南極重力較大)

每平方秒9.8公尺

一年的長度 1.88地球年 1 1

1

對身體的影響

太空旅行可能嚴重影響太空人的健康。

遠征火星的心理試煉_Page_1_Image_0001頭部:長時間生活在微重力下, 會損害平衡,甚至改變視力。情緒孤立已經證明是阿茲海默症、肥胖、糖尿病、高血壓、心臟病、神經退化疾病和癌症的重要危險因子。
上半身:脊椎骨缺乏重力壓緊,彼此會稍微分開。太空人最多可能長高五公分,因此背痛。
四肢:由於不需要走動,腿部肌肉可能會流失,從而影響平衡,增加肌腱炎的風險。
下半身:在太空航行初期,太空人會感受到動暈症、噁心和暈眩。
免疫系統變弱:孤立和睡眠剝奪已經證實會造成T細胞免疫功能變弱。太空人更容易受到常見病毒和微生物的感染。
骨質流失:生活在零重力環境中,會使身體排出鈣和磷,導致骨骼強度下降,造成骨質疏鬆症。一趟火星任務可能相當於一生的骨骼消耗量。
神經損傷:長時間接觸游離輻射,可能會傷害中樞神經系統,導致白內障,甚至提高心臟病、癌症和腦部損傷的風險。

 

 

 

【完整內容請見《BBC知識國際中文版》第52期(2015年12月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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泛科學動畫《相對論百年》有 bug!我們可以從這 bug 中學到什麼?

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是的!各位觀眾朋友,今天我要講的是一個兩萬多人都沒有看出bug的動畫片的故事。故事的一開始,就是在一個剛泡好咖啡,對著電腦,路上無車無人、夜深無聲的週四,看到了泛科學的動畫片《相對論百年》。

沉沒太久,傷害也太重,是該浮出水面的時候了。問題在那裡呢?就在 0:44處,關於水星的軌道,居然以遠日點為中心,分裂成不同的傾角的軌道。這恐怕是相當大的失誤了,水星軌道受到太陽重力的影響,造成「近日點進動」,看起來應該像是下面這一張圖,近日點由位置 1不斷移動到位置 4。近日點的位置不斷地改變,這個改變的程度很小,每一百年累積起來,從位置 1到位置 2差不多是 0.16度,如果利用牛頓力學,這個角度的改變是由於其他行星的引力拉扯,還有太陽本身的形狀。但是,就算加入這些影響,還有 0.012度是無法解釋的。廣義相對論認為重力是時空的扭曲,利用這個想法,就可以完美解釋這個 0.012度的差異。

軌道

在泛科學的動畫裡面,沒有正確呈現這個部分,相反地,是用不同的軌道傾角強調軌道的不同。從正確性來說,這樣的表現方式有待商榷。在我發現 BUG的第一時間,我已經通知泛科學的編輯群,泛科學也在動畫上面做出回應。但是,經過這個事件,讓我看見科學傳播這個領域更深入的問題點。

原《相對論百年》動畫及輔助說明。

《相對論百年》動畫中呈現水星軌道變動的畫面有誤。

你不知 我不知 獨眼龍也不知的 BUG?

為什麼這麼久以來,都沒有人看出這裡有 BUG呢?這裡可以分成兩個部分來說明。從第一方面來說,真正懂得相對論的人,不見得會來看這個動畫,就算看了,也找到錯誤,也不見得有心想寫文章更正這個錯誤。另一方面的解釋是:大部分看過動畫的 2000多人裡面,有機會學習相對論的人,其實不多,大多只是聽過而已。換句話說,這裡就是「科學傳播」的數位落差,真正的專家社群,絕對是有的,只要修過大學部的古典力學,大部分都可以指正這個動畫的錯誤所在。很顯然,「打臉動畫」這件事情並沒有發生,因為觀測資料的限制,我無法判斷到底是「懂的人不出聲」還是「不懂的人佔大多數」。

公堂之上,假設一下是不犯法的,如果是「不懂的人佔多數」那麼這件事就凸顯出「科學傳播」與一般傳播不一樣的地方,雖然可以有娛樂效果,但是科學的事實還是得要正確無誤才行,才不會「誤把馮京當馬涼」,因為收視群眾最基本的權利就是「正確的資訊」,這也是媒體最基本的底線。另外一方面,要改變「懂的人不說話」這件事,就有賴於泛科學盡力吸引更多的專家加入,只有增進專家社群和一般民眾的互動了!做好!做滿!泛科學在做,阿嬤在看!

從另一個觀點來看,相對論也許大家朗朗上口,也是電影、電視等流行文化常常借用的科學理論,要熟悉其中的奧妙,就牽涉到相當高深的數學操作,光是解愛因斯坦的場方程式就必須具備微分方程的數學基礎,門檻相當高。但是,接下來我要講的,就是水星軌道問題造成的深遠影響,裡面可能藏了諾貝爾獎。

更進一步的探討

牛頓力學和相對論在本質上最大的不同,就是對「時間」的想法。這裡我們來做一個想像實驗,假設今天太陽突然不見,請問,水星的軌道會怎麼變化?在這個想像實驗中,重力是水星圓周運動的向心力,一旦太陽消失,照道理水星應該會像打出去的全壘打、變了心的女朋友一樣,向外飛走才對。相對論,對科學界最大的影響,就是改變了我們對「時空」本質的認識。在牛頓力學當中,「時間」這個概念是一個客觀的存在,不會受到任何影響。根據牛頓力學的想法,一旦太陽消失,水星馬上會飛出去,在沒有相對論之前,這應該是科學界最正確觀念。愛因斯坦,卻不是這麼認為,在廣義相對論中,時間和空間都是會改變的!而且,任何訊息的傳遞,不能超過光速,千萬別問為什麼,很可怕,這是相對論的公設。如果太陽消失,距離太陽五千七百萬公里遠的水星馬上知道這件事,然後飛走,不就超過光速每秒三十萬公里的極限了!!OH!不!

好吧!這個時候該讓愛因斯坦上場了。愛因斯坦說:「重力,其實是太陽的質量扭曲了附近的時空結構,當太陽消失,時空結構的變化也需要時間傳遞的喔!」如此一來,如果太陽消失,那麼水星要等三分多鐘才會感受到重力場的變化,然後飛走。換句話說,只要是時空結構的改變,傳遞都需要時間,就像波浪一樣。Oh! 這裡又有關鍵字出現了,是的!重力+波浪=重力波!廣義相對論預測,只要是時空結構的改變,一定會產生向外傳播的重力波。各位觀眾,這就是當代實驗物理學尚未被攻克的灘頭堡!有許多的實驗希望偵測到重力波的存在,例如宇宙誕生時的太初重力波,或者是黑洞誕生時產生的重力波。很可惜,目前重力波存在的直接證據,還沒有被科學家偵測到。不過,如果成功,一定會是諾貝爾獎等級的發現。加油!歡迎有志青年,加入物理研究的行列!

參考資料

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【極光片語】地球角落的物聯網

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只要觀察現在全世界最值錢的企業——Apple、Google、Facebook、阿里巴巴等,就可以發現這企業有個重要的共通點,就是網路。無論提供的服務是O2OM2M、行動電商還是雲端,所仰賴的基礎建設都是「物聯網(Internet of Thing, IoT)」,有了物聯網的平台,企業才能收集、處理資料並且形成獨特的商業模式。另一個有趣的例子是異軍突起的Netflix,「Netflix取代了百視達,但不只讓大家在網路上租影片看,它真正開風氣之先且因此賺錢的,是做出『看這部影片的人也看這些影片』這項服務。現在看主動推薦相關產品的功能已經司空見慣,但當初Netflix實現這個想法時發現,他們有75%的生意是來自這個新功能!」李世光老師覺得厲害。

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接受專訪侃侃而談的李世光老師。攝影:林梳雲

新能源加通訊,尬出工業革命

「大家都在找新的應用和商業模式,像是小米跟江蕙演唱會成功的飢餓行銷,IoT就是其中重要的平台。」物聯網不僅是人類所使用工具的進步,《物聯網革命》這本書甚至大膽預測,物聯網將會造成下一次的工業革命,因為我們回頭分析人類歷史,可以發現每一次工業革命都是能源與通訊科技創新的結果,而物聯網也有這樣的特性。

第一次工業革命是因為瓦特(James Watt)改良了蒸汽機,由煤炭為動力所驅動的現代蒸汽機取代了水力/風力,大大提升了棉花等產業的生產力,蒸汽印刷機和蒸汽火車增加資訊產生的速度和傳播的距離,也成為一個全新的通訊/能源組合,由於業務高度倚重印刷跟鐵道,所以當時新的商業模式一定出現在運輸、資訊、能源的中心地段,「其實鐵道就是平台,報紙加速生產就像是網路頻寬增加,這個角度的想法還真有意思!」

從19世紀末期開始,電話和石油驅動的能源成為全新的通訊/能源組合,提供第二次工業革命的通用巨型平台。電話讓通訊更加便利,家家戶戶裝有電話後,通訊的節點從火車站變成家庭;石油與電這兩種能源的生產需要很耗費高昂成本,此時的新興交通工具——汽車及相關的公路建設也需要巨大的資源,這樣的特性都進一步造就更強大的中央集權化經營模式。

過去數十年間,網際網路迅速改變了資訊產生與流通的方法,科學家也積極地開發新型能源和再生能源,由於社群網路的成型、雲端運算的快速發展、數位技術的演進(如3D列印)以及對巨量資料的重視與需求增加,因而興起了最新的通訊/能源組合式基礎架構(如物聯網),在這個架構下,資訊及能源不再以中央集權的方式生產,反而將以「智慧」為概念,經由共享、橫向網路整合推動新的經濟體系。

位於東非的坦噶尼喀湖,劇烈的日夜溫差產生頻繁的翻騰作用,加大湖泊的生產力而形成豐富的漁場。來源:維基百科

台灣湖泊中的物聯網,超科學的~

台灣是座科技島,也是擁有高度生物多樣性的美麗島,雖然有豐富的生態卻缺乏天然能源,偏重軟體的物聯網等科技產業最適合台灣發展。但是今天我們不談物聯網相關產業如何在台灣起飛,而是回顧物聯網以前如何幫助科學家發現台灣高山湖泊新陳代謝的秘密!湖泊代謝,也就是湖泊中光合作用和呼吸作用過程中物質、能量、養分間的動態平衡關係,會受到「翻騰作用」的影響,李老師強調:「如果這樣的結構不夠完整,美麗的湖泊就會變成臭水溝。」

典型溫帶湖泊發生的翻騰效應主要受到季節影響,春季時湖泊在湖面風的吹拂下,上層含氧高的水會往下流,底層富含營養物的水也會翻到上層。但到了夏天,上層的水受到太陽加熱升溫而滯留在表層,整個湖水因溫度和密度而分層無法垂直流動;秋天氣溫下降後,上層水升溫而下沉,形成垂直的水流而產生秋季翻騰作用;冬季時湖面結冰,冰層抵禦了風的作用,湖水是一片平靜。湖泊翻騰時補充了底層水的含氧量,同時也為上層水注入新的營養鹽,因此通常湖泊在翻騰後會有較高的初級生產力。位於熱帶的高海拔湖泊有劇烈的日夜溫差,每天至少可以加熱、分層一次,例如東非的坦噶尼喀湖(Lake Tanganyika),在如此頻繁的翻騰作用下成為非常豐富的漁場。

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典型溫帶湖泊在春季和秋季會產生翻騰作用,交換上層水的氧氣和下層水的營養鹽。來源:維基百科

那麼台灣的湖泊呢?「台灣有很大的海拔範圍,我們不完全處於熱帶,但我們的漂亮程度跟多元程度卻跟熱帶有得比,為什麼呢?這個不正常~」李老師笑著說。為了瞭解台灣高山湖泊的生態系代謝過程及影響機制,林業試驗所的前所長金恆鑣博士與研究團隊以保存良好的鴛鴦湖為研究對象。在國科會(現在的科技部)的支持下,他們將裝有感應子的浮筒放在湖面上,每十分鐘測量並記錄湖面上風速、風向、水中溶氧量及不同深度水溫等數據隨著日夜和氣候變換的改變,李老師說:

「這些就是IoT的原型,所有的數據都是持續的測量並且以無線傳輸到計算中心,因為他們不可能在湖邊以人力24小時監測。」

經過一年多的研究,結果顯示鴛鴦湖的淨生產力在初夏及仲秋最高,在颱風季節則有顯著下降,因為颱風豪雨會對湖泊造成強烈的沖洗作用,湖泊中的菌相和營養鹽更新而暫時降低淨生產力,但是颱風的降雨同時也擾動了原本分層無法翻騰的夏季湖水,反而使生態系接著活潑了起來。

「他們的結論是:颱風是台灣中小湖泊生態系重要的動力來源。」

溫帶湖泊有季節性的變化,熱帶湖泊因每日翻騰作用有很高的生產力,「而研究發現鴛鴦湖的動力來源除了這兩項以外,還有『颱風』這個額外的因子。這個重要的生態研究,是在台灣早期IoT輔助下才能做到的。」李老師說。

小林村紀念公園 來源:維基百科

小林村紀念公園,建於小林村遺址附近,為了紀念莫拉克風災被土石淹沒的462位小林村居民。 來源:維基百科

如果我們為地球穿上各種感應子……

台灣科學家在鴛鴦湖的研究中說明了物聯網對地球的重要性,在另一個悲傷的事件中,科學家則是期望物聯網能避免遺憾發生。2009年莫拉克颱風在台灣南部造成極大的災情,其中最嚴重的災情在高雄市山區的小林村,小林村東北角的獻肚山因颱風帶來的大量降雨而崩塌,滾滾黃沙瞬間淹沒小林村,造成數百人死亡。

「其實過去的研究認為小林村西北角的山頭是比較危險,所以大型的通訊設備恐怕因此建設在東北角,」但八八風災時東北角的獻肚山反而是災難的中心。如果能在環境中安裝各種感應子,以物聯網長期佈局監控降水量、河流流速、雨水滲進地層的情況、山的深層結構等等,或許可以協助科學家計算土石流發生的機率,藉由種種徵兆預測事件的發展,避免憾事重演。「當我們加入物聯網、智慧化的思維,就會看到各式各樣、全面性的樣貌,這是跟以前完全不一樣的事情。」李老師說。

人手一顆感應子總共消耗幾座核電廠的能量?

早在1980年代,柏克萊大學提出「Sanddust(砂粒)」的概念,以微機電作出小型感應子,這麼一來可以降低感應子的價錢,就能在地球上廣布感應子,得到過去無法獲取的知識。IBM也曾經提出過「智慧地球」這個類似的計畫。但若想在地球各個角落裝上感應子,必須先克服能量的問題。

「假設我們要丟出一百億個感應子,而一個感應子耗電率為1毫瓦(mW),全部加起來就要0.1吉瓦(GW),核四電廠一個反應爐的發電功率是1.35吉瓦,光是一百億顆的耗電就要十分之一個核電反應爐,一百億個感應子很多嗎?每個人身上裝一個就超過這數量的一半了。」

李老師概估感應子的能源消耗,奠基今日雲端思潮的資料中心(Data Center)所需要使用的能源,就已消耗全球6%的能源,而物聯網更加蓬勃的時代勢必會產生極大量的資訊,未來雲端儲存空間還會消耗更多能源。降低能源消耗是物聯網發展的重要環節,因為要在資訊跟能源這兩個工業革命的對應元素同時進步之下,才能催化成物聯網革命。

美軍很久以前就開始設法解決行動裝置的能源問題。通訊科技在軍事的重要性可想而知,戰士們身上大概要準備6~8顆鋰電池,才能確保衛星電話、紅外線夜視鏡、通訊、防護等等配備在沙場上能隨時使用。為了維持這種行動裝置的能量來源,許多科學家探討各種人體動能擷取技術(human motion energy harvesting technology),將發電器放在耳朵、膝蓋、腳底,將溫度、震動、壓力、化學能等等轉換成電能,甚至還曾經考慮利用身體裡的血糖產生電能。

「energy harvesting (能量擷取)是個很大的領域,可以讓感應子不需要一直換電池,像是鴛鴦湖中的感應子就很需要這樣的研究,它不管是閒置、感測、傳輸,都需要用電,在野外不可能以人力更換電池或充電,所以很多人研究從風力、震動等等來源取得能量。」李老師說。

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但若想在地球各個角落裝上感應子,必須先克服能量的問題。來源:維基百科

應用科學是基礎科學的聚焦

物聯網對產業、商業和科學研究帶來的好處已經有目共睹,在物聯網持續改變我們生活的未來,能量擷取是其中很大的結構,需要科學家持續研究,才能不斷的突破科技極限,「那麼,到底應用研究重要還是基礎研究重要?」李老師提出一個大哉問。其實應用或基礎導向的科學研究不應該有價值高低之分,「比較好的說法應該是中經院的陳信宏所長所說:應用研究是大平台,讓各種創新知識彙整、聚焦在這個平台上,而在這個過程中,跨領域的結構也更容易出現。」

以物聯網為例,作為一個科技的應用平台,它需要各種技術聚焦於此,像是感應子開發、高效的能源擷取、訊號傳輸、智慧的節能城市發展、通訊協定的需求……等,其中能源擷取也是一個各種科技的大聚焦平台,從震動擷取能量需要機械和機電子專業的聚焦,利用太陽能發電需要電子、光電專業的聚焦,用無線傳輸取電則需要傳輸技術和電力系統人才聚焦,這些都是基礎研究一路聚焦到產業端的例子,越接近產業端就收縮成更專注的主題。

物聯網現在已經對產業、科學研究帶來許多好處,未來的應用更無可限量,科學家一步步突破技術上的障礙,讓感應子如沙粒般撒在地球各個角落,我們就可以得到更多知識、更了解這顆星球,進一步理出人類、所有物種與地球間,更適合的共存共榮之道。

【下回預告】素番茄的科普難題

利用物聯網研究台灣湖泊生態系的金恆鑣博士不僅是位學者,同時也是一位作家,他曾在一篇探討基改食品的文章中寫道:「老闆,來杯『素』的純番茄汁!」,雖然這是文章中虛構的素食者點餐台詞,但還是相當令人好奇:番茄難道不是素的嗎?1990年代曾有生技公司嘗試在番茄中加入魚的抗凍基因來研發耐寒番茄品系,「這個番茄是葷的還是素的呢?大部份人會覺得:『有動物基因,嗯,是葷的。』但對我們學科學的人來說,番茄當然還是素的,因為基因並沒有動植物的差別。」李老師說,「差別在科普。我常以這個例子來說明,看似複雜而令人害怕的東西,其實只要從原理來看就能理解。」

轉入動物源基因的植物究竟素不素?每個人有著不同科學知識含量及對問題的認知,因而會有不同的解讀和答案,若補充大家的背景知識是否就能消弭認知差異?科學普及能如何改變人們思考和判斷呢?關於李世光老師這幾十年來推廣科學教育的精采故事,都在下一回的「極光片語」!

【極光片語】專欄收錄李世光老師的訪談,每一段小故事、小物件的背後,都有饒富趣味的科學道理。吉光片羽比喻殘存的珍貴文物,象徵李世光老師在科學研發的高昂志氣和人生智慧;傳說見到極光會帶給人一輩子的好運,期待讀者在本專欄得到的啟發,都能像看見極光般感動。

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駕馭保時捷919 Hybrid ──《知識大圖解》

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拆解919 Hybrid,細看保時捷用來贏得2015年利曼耐力賽的祕密武器

從1923年開賽至今,「利曼24小時耐力賽」(24 Hours of Le Mans)已成為全球現存歷史最悠久的年度賽車挑戰賽。

讓車子持續跑24小時可不是件小事,如果不想常常光臨維修通道,那麼高級燃料、優質輪胎還有絕佳的煞車效能絕對少不了。耐久賽對於車手也是一大挑戰,車隊三人一組,通常每人一次開兩小時,考驗車手的身心素質。24小時的比賽下來,參賽選手的里程數基本上都會超過5000公里,目前的最高紀錄是2010年創下的5410.71公里,等同連續完成18次一級方程式賽車比賽。

保時捷是利曼耐久賽的大贏家,2015年以前總共拿下16次總冠軍,但最近奧迪似乎搶走了這股氣勢,15年來奪走了13座冠軍獎盃,這讓保時捷不得不好好思索如何找回致勝祕方,這也是保時捷重新設計919 Hybrid的原因。根據官方說法,與2014年版相比,新款車有85%到90%都是全新設計。2015年版的保時捷919 Hybrid通過徹底檢驗,在四種不同的賽道上測試的里程數高達2萬6675公里;其引擎系統經過大幅改良,電動馬達的性能表現提升了三分之一,也就是說,919 Hybrid今年將首度以八百萬焦耳的功率參賽。此外,車體變得更輕了,馬力更強大,也更容易操控。2015年,全新設計的919 Hybrid果然讓保時捷成功囊括第17次利曼耐力賽的冠亞軍。

駕馭保時捷919 Hybrid

本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第13期(2015年10月號),全見版請點擊圖片放大。

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第13期(2015年10月號)

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