生活科學補給站

化學

生物

健康教育

地球科學

數學

生活科技

物理

專題導言

STEAM

我國中小學學生對愛因斯坦認知之探討

全中平 教授
國立台北師範學院 自然科學教育系

今年是愛因斯坦逝世五十週年，世人為紀念這位偉大的科學家，國際上特別把今年定為愛因斯坦年。可是一般學生對愛因斯坦認知有多少呢？為了想要了解我國國中小學生對愛因斯坦的認知，於今年年初時，在台北市信義國小高年級及信義國中一年級 做了一份簡單的科學家認知的調查，請學生先畫出自己心目中的科學家，以及 這位科學家的工作情形，並且寫出這位 科學家的姓名，不僅如此，針對這位科學家，請學生寫出你是怎樣知道他(她) 的呢？這位科學家的外表應該是甚麼樣子呢？他有哪些特別的地方值得我們來 學習？以及他對人類有甚麼貢獻？結果國小高年級學生約有一成五及國中一年 級約一成八的學生選擇愛因斯坦。在畫出心目中的科學家為愛因斯坦的學生中，約七成國小學生及五成國 中生是從閱讀中認識愛因斯坦。能夠進行閱讀而獲得對愛因斯坦的認識，這是 非常難得的，因為閱讀可以增進學生的知識，並且訓練學生的邏輯思考，同時 更能培養學生在科學素養中的能力。
圖一 國小高年級學生所畫出愛因斯坦外表形象的例子 圖二 國中一年級學生所畫出愛因斯坦外表形象的例子
圖一 國小高年級學生所畫出愛因斯坦外表形象的例子
圖二 國中一年級學生所畫出愛因斯坦外表形象的例子
 
學生心目中的愛因斯坦是甚麼樣 子呢？圖一與圖二是國小高年級及國中一年級學生所畫出的這位科學家的樣子。整理學生形容愛因斯坦外表認知的情形，首推學生認為愛因斯坦有一頭亂髮或是一頭白髮，其次愛因斯坦戴有眼鏡，然後是很醜、嚴肅、似瘋、憂慮狀、孤僻、很怪，但是卻很聰明、有知識、有氣質，並且還有很多學生認為他是穿白袍衣，臉上有鬍子，比較老，以及顯得髒，並且還是禿頭等等。其實從 愛因斯坦的相關的傳記和報導中，許多 漫畫家喜歡把愛因斯坦畫成吸著煙斗，靜靜遠望天邊星星的人，或是愛因斯坦 喜歡一些稀奇古怪數學方程式的怪人，其實愛因斯坦在思考問題時，經常都是 情緒很容易緊張的，不僅如此，1908 年，愛因斯坦在柏恩大學任教時，有人形容他是不修邊幅且授課不精采的人； 1909年，學生經常看到這位年輕教授 不修邊幅，褲子太短，手中還會拿著像 名片一樣的授課大綱，並且還不拘小節。後來愛因斯坦越來越有名，雖然許 多次被提名諾貝爾獎，卻都因其他因素 而失敗，但最後還是獲得崇高的諾貝爾 獎，雖然不是以相對論為獲獎的內容，但他已經是世上聞名的偉大科學家了。
圖三 國小高年級學生所畫出愛因斯坦工作情形的例子
　圖三 國小高年級學生所畫出愛因斯坦工作情形的例子　
圖四 國中一年級學生所畫出愛因斯坦工作情形的例子
　圖四 國中一年級學生所畫出愛因斯坦工作情形的例子　

（註一）之後，有關愛因斯坦的照片紀 錄很多，也可以從相關的報導中來認識 愛因斯坦的外表。因此，學生經由這樣的圖、照片等收集到愛因斯坦的外表訊息，這會影響學生對於訊息認知內容的 選擇與處理，同時學生也會根據自己以 往過去科學家形象的相關經驗，以自己的偏好選擇，來處理對於有關科學家的看法，當然也有學生會將有關科學家的形 象訊息全然接受，但是無論如何，這都是 學生自己對科學家形象的篩選，最後形成 自我建構出對科學家的形象認知。

另外，很有趣且很重要的是，許多學生都是畫出愛因斯坦進行有關「化學」的實驗；圖三與圖四的學生圖畫中，很明顯看出愛因斯坦手上拿的或是 實驗桌上擺放的都是化學試管、燒杯等器材，僅有很少數學生呈現出愛因斯坦研究的相對論等主題。其實大致上來說，愛因斯坦是一位理論物理學的科學 家，但是這也許對國中小學生而言又太陌生了。對於愛因斯坦有哪些特點值得學 習的問題中，學生有許多不同的看法， 其中最主要值得學習的特點是：認真努力、研究精神、勤奮不懈、不屈不撓、有恆心、有毅力、追根究底、求真求實、尋找真理、有上進心等等，其次是好學研究、努力用功、肯思考、想像力豐富，並且要有好奇心、有創意、有想像力，以及要有認真、刻苦耐勞等等精神。

其實愛因斯坦的偉大成就中，有很多一定是要具有與人交互作用與共同合 作的精神才能辦得到。例如1905年，愛因斯坦提出運動物體之電動力學的論 文中，他就是以法拉第(Faraday)的電磁交互作用產生導引性的影響，以及受 到物理學家羅侖茲(Lorentz)及菲次吉拉 (Fitzgerald)論文的協助，才有所謂靈 感好似從上帝或天外來的；接著，愛因斯坦又利用卜朗克(Plank)的黑體輻射 理論，而建立光量子論；不僅如此，愛因斯坦在熱分子動力論中靜態液體懸浮 小顆粒運動的論文中，其靈感來自植物 學家布朗(Brown)所提出的布朗運動理 論；愛因斯坦的運動物體的電動力學論 文中，修正了偉大科學家牛頓的時空觀及力學；愛因斯坦把物理學家羅侖茲 ( Lorentz ) 的羅侖茲轉換( Lorentztransformation)關係推廣到高速運動的物體上，其質量會變化，長度會收縮，以及時間會變慢（註二、三）。諸如此 類的研究結果中，愛因斯坦絕對不是個 人很聰明而憑空創造出偉大的理論，他一定要參照他人的研究成果才會產生 的。除此之外，愛因斯坦在教學時，他 常常會不厭其煩的回答學生問題，同時 愛因斯坦的有教無類的教學方式，表現出他毫無架子，這就是他對人的態度。另外，愛因斯坦是酷愛和平的；1919年，他就主張要調查德國的興戰之罪，並且期望作為完全廢除當時戰爭的解藥，同時還鼓吹組織世界政府。

針對愛因斯坦對人類的貢獻問題中，大多數學生認為他會發明了許多東西，以及他改善了人類的生活，使得生 活更方便，以及發現大自然奧秘，增進 人類知識等等，卻僅很少人能寫出「相對論」、「時光機器」等表現愛因斯坦 的貢獻(圖五)。針對愛因斯坦「發明東西」的內容來看，學生認為他發現時間與空間具有同時性(Simultaneity)的觀 念，提出物體的電動力學理論，以及提出相對論，並且建立量子力學、熱分子動力論、天體間的相對運動理論、質能互換理論，還發表廣義相對論，並且展 示出不朽的波色- 愛因斯坦統計(Bose- Einstain Statistics)、統一場論等等。這些看法雖然有對有錯，但無可否認的，他對近代物理基礎理論的貢獻是無可比擬的，這也是現在最熱門發展之奈米、光電、材料科學等的理論基礎，所以如果同學們能把這些基礎物理學習好，將來要轉到實用的高科技產業，都將會很有優勢的。

種子期愛因斯坦帶給學生幾乎都是正面的認知形象。學生從閱讀中認識愛因斯坦，並且認為愛因斯坦有許多是值得學習的特點，並且愛因斯坦還「發明許多東西」，如果能因此而增進學生探索科 學的興趣與熱忱，那麼就可以養成學生 主動學習的習慣；同時由認識愛因斯坦 的認知中，激發學生認識學習科學的基 本知能，這對將來能應用所學於生活中是非常有用的；除此之外，認識愛因斯 坦努力研究的過程，可以培養學生獨立 思考及解決問題的能力，並且還因此能 培養與人溝通及團隊合作的能力，進而 察覺人與科技之間的關係，這不就是九年一貫自然與生活科技的課程目標嗎？ 相信認識並學習「愛因斯坦」，一定可以提升我國學生的科學素養。
圖五 一位國中一年級學生畫出愛因斯坦具有理論物
圖五　 一位國中一年級學生畫出愛因斯坦具有理論物理學家的形象
註一　Brian, D. (1998a). Einstein: A life (1879- 1931). 愛因斯坦(上)-千山獨行，擘創宇宙大業 (鄧德祥譯)。台北：天下文化出版
註二　Brian, D. (1998b). Einstein: A life (1931- 1955). 愛因斯坦(下)-沾惹塵緣，萬丈光芒也彎折 (陳瑞清譯)。台北：天下文化出版
註三　Hejlek, D. (2002). Albert Einstein f?r Einsteiger. 科學頑童- 愛因斯坦(華旭譯)。台 北：世茂出版社