2015年12月1日 星期二

你的題目有BUG!從科學測驗談科學思考



在火星上的一般環境下,沒辦法做到哪件事呢?
A.
點燃一根火柴
B.
讓紙飛機飛起來

當時設計的答案是B,我必須先自打臉的說,這題目是有bug的…但拜託請不要因此把這篇文章當廢文,因為我們可以藉此探討別的問題!


先談一下B選項的正確性,一般讓飛機飛行、滑翔的兩項物理參數就取決於「施加的外力造成的初速度」以及「白努力定律」。畢竟火星有很稀薄的大氣,依據理論只要有適合的初速就能提供足夠的升力可以飛行,如果是考慮稀薄的大氣,在地球上只要夠高,就可以模擬火星地表大氣對飛機的影響,而NASA也正利用此方式來開發在火星上飛行的飛機。
然而這選項討厭之處在於它是個極度「故意」的選項,故意不提最重要的幾個關鍵:「是人丟紙飛機,還是用特殊機器來射紙飛機,又或者是外星人丟紙飛機?」「飛機的材質、形狀與做法」,在缺乏這些資訊的情況下,我們只能推測:好吧,既然理論上可行,就當作它可行吧!但實務上能不能做出適當能用手丟出即可飛行(滑翔)的飛機。(註:這邊暫且把飛機飛起來當作飛行,不然根本不存在不用動力又能自行飛行的紙飛機…)

至於A選項,那真的是我完全沒有考量到的…我忘了最基本的問題,只要有適合的強氧化劑或是化學物質提供氧氣,就可以燃燒,而火柴頭的氯酸鉀(KCLO3)就是提供初期點燃的主要來源。所以足要有火柴盒旁邊得紅磷,然後有足夠摩擦產生的熱,理論上要燒完火柴頭的成分似乎沒什麼問題。(感謝pansci的讀者大大們在臉書留言提供的資訊)只是要繼續燒到木柴就沒辦法了,畢竟缺乏氧氣,這也是原來題目設計時的設想。
點燃瞬間的火柴,維基百科共享資源,原作者Sebastian Ritter (Rise0011)

可能發生,也可能不會發生?
所以A、B都不對嗎?其實說不對,好像也對。哇勒…等等!為什麼又變成都是對的神邏輯?

做過實驗都會知道,要真正實做加上可重覆性的驗證,才能說某件事情是科學事實,然而一來我們還沒有人拿著火柴和紙飛機登陸火星,怎麼可以說「在火星可以做到哪件事」,基於這個理由,我們若要把一件事情或一個題目講得很符合科學性原則,就得要把上面的題目改成這樣:

「若只考慮目前已知火星表面的氣體組成成分,下列哪一件事情是『理論上較不可行』的?」
A. 在火星上只靠打火機來點火
B. 設計一台可以在火星飛行的飛機

可能這還是會有一點bug,但就可以把事情聚焦在「火星仍有稀薄的大氣,但是缺乏氧氣不易點火」這件事上。只是,大多情況只要越顧及科學,就越囉哆或是越沒有趣味性,甚至連中文也越來越拗口…

科學問題的設計難處
先前在泛科知識節上聊科學教育時提到了一件事:學生在寫考卷做答時,有考量到題目中各種「限制」的意義嗎?,例如:
「常溫常壓下…」
「且不與容器內液體發生反應…」
「不考慮天氣因素…」
「假設過程中熱量未散失…」
這些限制某程度是讓題目裡的數學更好算、讓選項的設計更有誘答或是更加沒有其它的科學疑慮,許多大型考試的出題者多半都會用這些方式避開解答的爭議性。不過有趣的是多數的答題者(學生)經過常時間的訓練(模擬考試),對於這些用詞已經本能性、反射性的過濾,回想筆者自己過去考試的經驗,也是如此。

多數時候我們不會去在意「過程」,只注重「結果」,這也不是說只想著答案的或相信答案人就不科學,畢竟我們從小到大遇到的測驗題、升學考試早已形塑了我們遇到選擇題會習慣思考「尋找一個正解」的習慣。而包括像天天問裡的題目也暗指著每一題都只有一個答案,當我們的答案與公告正解有出入時,才會去思考「為什麼答案是這樣?」進而回去思索答案的過程。整體脈絡看起來,當答案與公告正解有出入,或是質疑問題的合理性時,進而主動追尋真理所得到的知識,相對的更能烙印人心。
「發現問題」的可貴
在某些時候,我們會忽略一些自己覺得是「理所當然」的事,譬如把「燃燒是需要氧氣」當作常識,便忘了廣義的燃燒就是「氧化還原」反應。相信很多人會像我想的一樣「對厚,氧化劑甚至不一定要有氧,只要得失電子符合定律就好了嘛!」這時就會發現,原來把科學套用在各種生活與陌生的情境時,自身的直覺也經常會帶領我們走向錯誤的道路。努力想著火星上的情況,而忽略了其本的理化知識,就造就了這個錯誤;這時無論是沒有人糾正,或是沒有願意修正的思維,往往就會阻礙科學的進展。好在從科學史上來看,多數的理論還是禁得起考驗,「發現問題」與「求真求實」也讓人類的科學知識不斷向前推進。

「好啦屁話這麼多,你就大方承認自己沒出好題目吧!」
是的,我出錯了。不過我也順便複習了我曾經重修還是不擅長的化學,幸好在科學上,正面的承認並面對錯誤,也是可以正向看待的事?

參考資料&延伸閱讀

 

2015年11月3日 星期二

一點都不科學的科學教育?

我們的中小學科學教育科學嗎?

以教材的知識向度來說,我們的科學教育強到嚇死人!生物、理化(物理、化學)、地科都教的不算少耶…舉凡遺傳學、演化論、生態學、氧化還原、電磁學、板塊運動、天氣預報…還要背至少三分之一的元素周期表,感覺這些東西學好了要進理組一點都不難吧?


不過看著目前偽科學充斥著世面,有些甚至像包著美麗糖衣的毒藥,令人防不勝防,突然覺得危機降臨。因為,有時散布偽科學訊息的,不是某某叔嬸姨舅,而是身旁具有科學領域的碩博士朋友,這很驚悚啊!他們是科學的高知識分子,怎麼會協助傳遞這些奇怪的養生謬論、食品謠言、甚至外星人見聞等等。照理說這些朋友應該最能進行科學辨證的啊?很多朋友會告訴我:這不是他擅長的領域,他還是無法辨證真偽…這不就代表我們只是訓練出某些領域的專家,而國民科學素養卻停滯不前嗎?



對於自然科學的學習,我們什麼時候開始歪掉的?
我想應該很小,就目前觀察可能是在國中以前,有位在天龍國教理化地科的朋友告訴我:「學生超喜歡講外星人,你只要講到地球以外的東西,問他們為什麼,八成會不假思索的跟你說:『是外星人造成的!』」這實在是出乎我意料之外,因為這發生在都會區啊! 

就自己近期的例子,當我在某國中分享關於「火星任務」與國中自然科學的關係時,就聽到了前排學生在爭吵著有沒有火星人的事,其中對科普演講最熱中的那位同學,正為了他堅持目前沒有證據支持有火星人而吵的面紅耳赤。當下我並無更好的策略能化解他們的爭執,而我也想不出更好的方法,最好的方式反而是讓他們自己找資料支持自己的說法。


科學真的是靠練習就會的嗎?


過往的教學與測驗是重要的因素
至於怎麼歪掉的,我想這並非一日之寒的結果,在過去很長一段時間的教育與測驗,造就了我們「不重視原理機制,只強調答案正確」的學習策略。無論是聯考或是基測,我們的學習目標似乎都是以「解題」作為脈絡,雖然隨著測驗理論的演進,在後期的基測以至於現在的會考,都以「重著理解」作為前題來設計題目,然而對於大多數的坊間測驗卷、參考書或是補教業者仍以「練習」作為面對這些測驗的策略(在此強調一下,我指的是以「練習」作為策略的補教老師,並非所有補教業都是糟的,有些學校老師也可能覺得練習是王道),先前看到謝宇程先生的文章《翻轉教室的致命傷,竟然是我們「太不重視」考試?》裡面目前教育測驗的現狀,更是心有所感。


或許這邊也能用兩題地科試題的差異來看看測驗學理上的差異。
以下是104年教育會考的第9題:
9.下列何者不是搬運作用的現象?
(A)屏東的漂流木隨海水漂流到小琉球
(B)冰島的火山灰隨風飄送到歐洲各地
(C)綠島的火成岩隨板塊聚合漸漸往臺東靠近
(D)太魯閣的大理岩碎塊被河水帶至花蓮海邊
這是一個算很簡單的題目,,平常我們會用自然觀察描述選項中的事情,而現在只是希望學生能從中選出「搬運作用」的自然現象,或許多少有點記憶,但實質上則是可以連結現象與原理的題目。(或許你會問「搬運作用」為何重要?至少我可以說,它是基本形塑地表變遷的外營力作用之一,我們常說的「土石流」就正屬於搬運作用啊!)

以下是從某參考書中摘出屬於單純練習卻無實質意義的題目:
部分國中自然總複習和地科參考書,這只是極小部分。

1.單純只有海洋的板塊,下列板塊何者最合乎這條件? (A)非洲板塊 (B)南極板塊 (C)太平洋板塊 (D)北美板塊
2.有關大陸與海洋變動的理論,最先提出的學說是什麼? (A)大陸漂移 (B)海底擴張 (C)板塊運動 (D)地球板塊

第1題如果拿給地科的教授會瞬間被罵翻,根本沒有「海洋板塊」的說法,題意不明,記得這個也沒什麼意義。而第2題雖然有碰觸到大陸漂移、板塊學說等理論,卻仍淪為零碎的記誦知識,知道「誰先提出」並沒有科學意義。



所以若以科學教育來看,教改是失敗的囉?
但我不會這麼簡化的把事情這樣解讀,因為即使就算是失敗好了,也不能說明「原來比較好」,畢竟這個社會不科學已久,即使包括我或比我年紀大的聯考世代,頂多只能說在考試壓力下「顯得」厲害一點,但那是會考試會解題,並不一定是能「解決問題」,否則大家也不會老說教改失敗了吧?以制度面來看即使是現今的教育政策,還是會有人說「無解」,因為不存在同時可以符合國民教育與菁英教育的課綱,而以目前競爭較激烈的考區,仍視會考為升學考試;甚至有人說教育問題的解方根本是要改變家長的思維……但這些消極的態度無助於現狀的改變,反而身為教育者或是知識提供者(我們寫科普的人),應該思索的是有沒有我們有可能有機會做到的哪些事來翻轉我們的科教困境呢?
你是為了考試念自然,還是為了瞭解自然念自然?
CC2.0 By Alberto G.
https://www.flickr.com/photos/albertogp123/

不先下結論,尋求更多的方向
像我們這樣的升斗小民,既撼不了教育政策,也動不了課綱,但就一個儀器來說,似乎也沒有一個螺絲釘是完全不重要的?故也不用妄自斐薄,近來像翻轉教育、磨課師、探究實作……等對臺灣而言較新的教育策略,似乎成了許多創新教育者的工具,畢竟能脫離教條試的背誦、無目的的計算過程,可以說是跳脫僵化科學教育的第一步。但是,然後呢?


然後我們的學生就能乖乖的從實作中學習到探究精神?別傻了,這絕對會被教育現場的老師批到死。都會的老師會說:「我這樣子拖進度鐵定被校方家長罵死。」偏鄉的老師則會講:「我的學生要是能乖乖在位子上就喔米斗弗了!」但話說回來,沒有要整學期都在探究啊,而探究的事也不該只有自然科老師能做啊?或許可以在國文課裡論證某個文章的邏輯,甚至從史地著手,像是五堵、七堵、頭城、九分這樣的地名由來的資料搜集。從資料上的邏輯和證據來探究,還是能用科學精神下去推…

當然說到此,有些老師又要鞭我了,當然身為一個科普傳播人,仍積極的在嘗試融入科學探究精神在自己的文章當中,而非只是寫寫冷知識,或是寫些笑笑偽科學的文章而已。若對此議題有興趣,我會在今年11月8日泛科知識節,16:00~17:00的時段位於D會議廳(據說在1樓),與大家討論中學科教與科普該怎麼做,才會讓社會變得更科學。而同台的廖英凱大大,也會從政策面來探討我們該如何解決台灣的「社會性科學議題」。

延伸閱讀

2015年7月23日 星期四

又是暖化又是冰期?科學家你搞得我好亂啊!

最近一則新聞提到「科學家警告:太陽15年後『休眠』 地球進入小冰河期!」是不是也就代表著,我們該擔心的是地球變冷,而不是全球暖化?


當然…不是這樣的,要是科學家真的有這麼說,不用鄉民,其他科學家會先把他拖出來鞭,這只是科學現象的理解與科學用語詮釋的問題。接下來我們先從新聞文章與科學研究了解此議題。


首先是多數人會看到的新聞版本:
截圖自http://www.ettoday.net/news/20150713/534410.htm
好,這是一篇再摘錄過的報導,因為看文章的尾巴就知道文章的結論是蠻薄弱的(所謂「跟蒙德極小期相同的效應」也是語焉不詳的一句話),而下方所謂的「原文」也非研究人員或單位發布的新聞稿,而是摘自大多媒體最喜歡翻譯外電之一的「每日郵報」。


這種「轉手再轉手」 新聞消息,往往就像我們玩喝水傳話一般,誤差是會隨之放大,就算是具科學背景的人士乍看這篇報導,也很難揣測原意是什麼,而實際上的研究成果應為下面這則英國皇家學會的稿件:


科學家到底怎麼說

某位對岸的網友李汀先生在新浪網的投稿中,也提到了這個研究與每日郵報報導中的落差,不過在此我們從一些太陽活動的背景先談起:

1. 太陽的「活動」是有周期性的,而所謂的活動包括了產生太陽風、日冕、太陽黑子等現象,簡單來說就是太陽會定時的像外突然放出高能的粒子、宇宙射線這些東西,平均來說周期是11年左右(如下圖紅線的太陽黑子個數年變化、橘線的太陽黑子個數日變化),但並不是那麼剛好的11年,有時會多1年、有時會少個1年。
近400年來的太陽黑子數目統計

2. 造成太陽運動周期變化的主要原因是磁場變化,這樣講或許有點抽像,就像是對流的概念,裡面的東西向外湧出,而外面的東西又跑到內部,而像黑子就是一些不均勻的活動…再講就太深了,先就此打住!
3. 接著回到這個研究,過去科學家已經知道了磁場、對流的影響。而今天科學家Valentina Zharkova這項研究的出發點,就在於他們認為造成太陽運動會有變動的一大主因可能就是太陽內部流體的對流可以「分成兩層」,所以他們便以此為前提來建立模型模擬,並對比到真實的觀測紀錄。
4. 要理解Zharkova的模型,我們可以想像把「兩層」的對流想像成兩個11年上下的穩定波動,有各自的週期,但它們會有疊加、相消的作用。當兩層的波動疊加時,活動就特別大,當相消時,就會特別小,而Zharkova研究團隊的模型與真實的觀測資料對比,有高達97%的準確率。
5. 以此前題我們似乎就可以拿來預測一下未來的活動…結果不得了!原來2030年太陽的活動將會減少為現在的60%,至於上次降那麼多是什麼時候呢?就是所謂的「蒙德極小期」(上圖的Maunder Minimum的區間,約在西元1645~1715年間),而那段時間也正好是「小冰期」的時間點附近(一般指的小冰期是西元1550年至1770年間,也有人認為那是明朝衰亡清朝興起的原因之一)。
科學家對於科學上用詞總是講求精準,誇大對科學家來說是個忌諱,綜合上面五點來看,只有第5點才勉強和地球將要變冷有一點點的擦邊球,但實際上科學家有以此「警告」人們嗎?沒有…為什麼不這麼說?因為那不是科學家有把握的事!即使太陽活動減少至現在的60%,我們還是不知道會降溫多少…甚至連會不會降溫都不知道呢!
所以到底是在暖化還是冰期要來?
實際上影響氣候的因子非常多,而且還非常難驗證。舉個例子來說,塞爾維亞科學家米蘭科維奇在本世紀初就提出米蘭科維奇循環,指出地球的氣候模式受到地球的離心率、轉軸傾角和軌道的進動的影響,但實際上我們現在知道的理論則是到1976年才確立的(見文獻[1])。除此之外,像太陽黑子、板塊運動、火山活動皆會對氣候有不同尺度的影響。你說要斬釘截鐵的說:未來幾年天氣將會怎麼樣怎麼樣的,我相信那一定不是研究大氣或古今氣候的學者會做的事,頂多說會「我們要注意朝向XXXX發展」之類的說法。
再來,從時間尺度來談,蒙德極小期和冰期的相關性還有待討論,而這個太陽活動研究所提出的精準模型預測也還是需要科學家再論證…畢竟蒙德極小期持續了數十年之久,和11年的規律尺度還是有些落差,而在過去的紀錄中,即使能看見「溫度」和「太陽黑子」的相關性,我們也可以發現差距甚至不到1度(見下圖)。像IPCC的主流科學家也認為太陽的活動影響可能不若其它的因素顯著(包括暖化也是),而一般也認為太陽活動對氣候的影響甚小(見[2])。
所以總體來說,IPCC的主流科學家們認為是在暖化是一件事,而科學家Valentina Zharkova做的研究是另一件事,這兩件事也可能同時發生,而以目前的證據與研究來說,暖化的效應和尺度似乎大一點,但真實的情況是…我們目前拿的出來的科學證據說不定還不夠用,所以現在把這些研究拿來說些駭人聽聞的事,似乎都言之過早。
那氣候變遷怎麼辦?人類要怎麼因應?至少我們人類別讓自己的影響太過頭(臭氧破洞就是個例子),起碼眼下節能減碳的目標(至少別燒那麼兇),也還算是條穩健的路。至於那些枝微末節或是高深莫測的學問,我們還是努力相信科學家幫我們找答案吧!對了,別忘了看這類的科學研究還是要保持著「科學精神」,避免斷章取義、以偏蓋全哦!
Comparison of sunspot numbers, Central England Temperatures and a basket of Northern hemisphere Temperature reconstructions compiled by IPCC
By
MichaelLockwood 
參考文獻
[1] Hays, J.D., Imbrie, J., Shackleton, N.J., 1976, Variations in the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages. Science, 194 (4270): 1121–1132.
延伸閱讀