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跟女同學談科學是什麼


陳育霖/
臺灣師大物理系助理教授

女性參與科學是一個全世界都關注的重要議題，這次非常榮幸能夠參與課程一部分與女性科學沙龍。因為在女少男多的理工領域任教，扮演教師角色更需要對於女性學習科學在課堂當中的表現有更深刻的體認，感謝臺師大物理系陳鴻宜教授團隊的邀請，特別在此分享這次課程與活動過程。

科學是什麼，實在是一個大哉問，從科學存在的目的切入，是我認為比較容易在課堂當中具體進行的角度，學生相對比較容易掌握。所以從柏拉圖想像科學家的工作及對於理型世界的探求出發，科學存在的目的可以想像到的其中一個可能性是人類的好奇心，人類對於周遭世界的一切都可能充滿好奇。

美國的攝影師Wilson Bentley (1865-1931) 將風箱相機連接到複式顯微鏡上，成功拍出超過5,000幅冰晶的照片，每年年底到了特定節日，人們終於可以在窗上貼雪花形狀的窗花都是由他的照片提供想像和靈感。Bentley的雪花冰晶照片遍布知名科學期刊雜誌《國家地理》(National Geographic)、《自然》(Nature)、《大眾科學》(Popular Science)和《科學美國人》(Scientific American)及《大英百科全書》(Encyclopædia Britannica)都刊出過Bentley的雪花照片。Bentley就當中整理超過2,400多種不重複的雪花冰晶樣式的照片出版名為《雪花結晶》(Snow Crystal)的照片集，影響力及普及程度可見一斑。

在Bentley如此鉅細靡遺的工作之後，還是有人接著進行更多雪花相關研究。日本北海道大學物理學家中谷宇吉郎教授，1940年代開始在北海道進行雪花相關研究，成功研製出人造雪，同時澄清了天氣條件與雪花晶體形成過程之間的關係。1990年代之後，美國加州理工學院(California Institute of Technology)物理系教授Kenneth Libbrecht研究晶體生長的分子動力學，包括冰晶如何從水蒸氣中成長以及雪花的物理特性。Libbrecht撰寫了超過7本關於雪花主題的書。顯然人類的好奇心對於科學發展有相當程度的影響。

另外，回到現實的生活中，人類從茹毛飲血的日子開始，天天想著如何能夠順利捕獲獵物、種下穀物期望豐收，這需要許許多多科學與技術知識累積，農耕更需要充足的天文學知識來進行曆法推算，知道河流氾濫週期、雨季的持續時間、穀物的播種時刻。於是我們能看出，科學存在的另外一個目的來自於人類的生存需求(圖1)。


圖1. 科學存在的另外一個目的

科學存在的目的，出現了兩大主軸，分別是生存必要加上好奇心，成就了人類的科學發展。從科學的特性看來，我們發現傳統上科學需要提供足夠的證據來驗證理論，透過取證與論證的過程可以看出科學的特性。科學定律具有對稱性，科學理論或歸納結果需要經過同儕反覆驗證與挑戰，所以觀察找到規則之後，科學家需要說服科學社群當中的同儕，自己的論點才有可能讓更多人接受。
 
我們利用這個科學的本質鼓勵現場學生分組(圖2)，並參與討論。是以學生為中心的出發點設計，讓學生為了體驗科學家的生涯歷程與每日日常進行討論與學習，自然而然進入預先設計的情境與課程，同時又以扮演科學家的方法進行科學探究。


圖2. 學生分組上課中

科學家試圖取得科學證據的科學論證過程，就是一個向同儕說明「為什麼我們能夠知道?」的過程，正是探究未知的過程。我們提起幾個量化方法特殊的科學研究與學生討論究竟什麼樣的研究結果與研究結論容易取信於他人?是不是每一個科學家在研究之後的論點都那麼適切?歸納數據的方法能不能夠再討論?依照數據的結果來歸納，有沒有可能找出相反觀點的詮釋或討論?論文當中的數據量測方法能不能夠禁得起考驗?論文結果所預測的內容是不是過度推論或者根本不合邏輯?

我們以日常生活的實際物理實驗演示要求學生現場進行科學探究，立即與同組同學討論如何設計一套實驗方法來向他人證明自己的論點(圖3)。


圖3. 日常生活的實際物理實驗演示

學生對於科學演示的實例都能夠全心投入，並且想盡辦法設計各種可能立即進行的實驗來向同學驗證自己建構的模型或理論(圖4)。


圖4. 設計各種可能立即進行的實驗

這個過程幫助學生能夠理解科學理論成為定律的特性，且鼓勵學生參與課程實驗設計與討論(圖5)，為後面的系列課程鋪路。


圖5. 引導學生分組討論

為了取得科學證據，必須要有效量化我們的研究目標，測量就是過程當中自然而然必須運用的科學過程技能。許多科學研究未能取信於他人，在於量化或實驗方式不適切。我們提供案例來引導學生思考並且進行實作，實際體驗一定要做量測，否則無法取信於他人的實例。學生透過自身實作量測，都能夠快速理解為什麼必須進行量測，並且要如何以科學方式描述量測結果。

除了實驗設計與自行建立模型的過程，可用科學文獻上的實際案例來挑戰學生，幫助學生以科學家當年面對問題與實驗的立場來思索、探究問題的脈絡，找出問題，同時歸納發現當中的規則。提出論點的過程當中，最先需跟同組同學討論、分享，將自己的想法說給同學聽，試圖說服同學的過程，除了達成合作之外，更重要的是呼應科學定律的存在特性(圖6)。


圖6. 示範實驗

科學的理論幫助我們建構看待世界的觀點與模型，但是我們必須在面對既有的理論知識時，尊重眼前的實驗結果，客觀看待未知。1977年諾貝爾物理學獎得主Philip Anderson撰寫論文告訴我們，不同的系統尺度需要新的概念架構，動手實驗幫助我們更清處看出不同的系統架構當中所蘊含的科學概念與規則。避免被我們從課本當中認真習得的定理知識典範(paradigm)給制約了。我們提了實際案例，讓學生猜測科學家習以為常的理論計算結果在接近的物理條件下結果是否可能一致(圖7)。依此更可以看出實驗的重要性。


圖7. 鼓勵學生發表想法

接著是以二氧化碳誘發全球增溫的研究來幫助學生思考推論因果與科學事實的關係，有沒有更多可能性來看待數據或者已經既定的許多科學看法與角度。看到事實結果之後，應該如何解讀數據也是重要的科學態度與科學本質的理解。
在課程最後，除了提醒科學的發展歷程與科學探究的方法來幫助我們理解科學的本質，同時也跟現場的女學生談起成事的態度。希望我們能夠期許自己努力並且保持思維靈活與客觀，永遠都能夠有多個解決方案與觀點(圖8)，在山重水複疑無路的時候，總有柳暗花明又一村出現。


圖8. 示範如何有多個解決方案與觀點