【電子文庫-SHS科學與社會專題】自然科學內與外:科學與人文之跨域整合研究

科博文says:今天開始為大家介紹一系列【電子文庫】的SHS科學與社會專題文章,這一篇是由國立成功大學系統及船舶機電工程學系陳政宏副教授所撰寫,科學背景出身的陳政宏教授,透過與其他學者跨科際的討論、運用跨科際的知識,加上好奇與解謎的強烈動機、執行力,發展出許有趣的新研究,也藉此引發對跨科際學習的心得,我們一起來讀吧!

跨科際的討論讓陳政宏教授把聲帶的振動比擬為水波,發現新的聲帶振動模型,這種討論、交流的靈光乍現就像蘋果之於牛頓一樣重要(雖然有人質疑牛頓根本沒被蘋果打到)。(圖片作者:Michael Lane)

作者:陳政宏(國立成功大學系統及船舶機電工程學系副教授兼博物館典藏組組長)

跨領域的學習

朋友轉來一位高一學生的email,談到他參加科技與社會(STS)高中生研習營之後,現在面臨選組的問題,不知如何是好,頗為困擾,因為他並不想這麼早就從自然組與社會組中選定一組,因為那似乎暗示需要放棄另一領域的學習,然而,他對於兩類知識的興趣都很高,很想繼續學習下去。

這讓我想到二十多年前也面臨同樣的問題,不禁感嘆教育制度即使歷經教改,還是改得不夠多,不夠彈性。那時,面對選組的我想了很久,決定選了自然組,並同時保持對社會組領域知識的學習。所以高二時成為班上地理及歷史成績最好的,當然這是因為我花了不少時間讀,而班上同學都不太念這些科目的緣故。聯考後還去舊書攤買來社會組高三的教科書(例如人文地理)來看,興致盎然。

進入大學後,由於個人興趣,我參加了一個欣賞西洋古典音樂的非學術性的社團—愛樂社。這個社團人數不多,來自各類科系,動態活動少,所以成員間的討論互動頗多,也建立了很好的友誼,畢業多年後即使四散世界各地,也一直保持聯繫。

自然科學界內的跨領域研究

台大音樂學研究所的蔡振家教授是我高中隔壁班保送台大物理系的天才,琴棋書畫也樣樣精通。在愛樂社中我們看到他一路從原本聽歌劇的愛樂者,一路學習布袋戲及崑曲等傳統戲曲,到考上現今台北藝術大學的研究所,再出國到柏林學習音樂學。他回國後在台大應力所及耳鼻喉科跟邵耀華教授及蕭自佑醫師研究聲帶振動。有一次愛樂社朋友聚會,我們聊到最近的研究。蔡振家和我忽然發現我熟悉的水波力學可以用來替他想突破的聲帶振動力學模型提供新的想法。

於是,我惡補了聲帶的生理結構,也提供最簡單的線性水波力學資料給他參考。我們討論後發現可以用我的流體力學實驗資料分析軟體來處理他所拍下的聲帶振動時的超音波影像,得到聲帶振動時聲帶底下各層組織的移動速度。而這結果可以驗證我們想到的新振動模型。這個新的模型是把聲帶的振動比擬為水波,理由是聲帶下方組織富含水分,在聲帶肌肉外的部分可以用近似水波力學的模型來處理。比較需要改變的是造成這類波動的回復力,在水波的情形是重力(重力把水拉回來,造成上下振動),在聲帶的例子則是表面薄膜的張力,因此我們把這部分用一個相當的轉換量處理。結果還不錯,一解過去數十年舊的聲帶力學模型所還無法解釋的事情。這項研究結果在國外的聲學研討會上發表後,也很快有其他科學家引用,甚至在我們自己的期刊論文還沒登出來之前,已經有學者引用到另一個相近的問題上去發展更複雜的數學模型。聲帶振動模型為何重要呢?或更基本一點想,我們瞭解聲帶振動除了能醫治破鑼嗓子之外,還能幹嘛?請看蔡振家的新書:《另類閱聽—表演藝術中的大腦疾病與音​聲異常》(台大出版中心,2011,ISBN:978-986-02-7156-0)。

從這次的參與者滿意、結果也不錯的跨學科合作研究經驗,可以看到幾項跨領域整合研究的特徵:(1)研究者需要有共同的興趣,及願意學習新事務的態度;(2)不同領域的技術與理論,即使不是最先進新穎的,也可能為另一個領域帶來新的技術或理論上的突破;(3)研究者中最好有能整合各學科的人,並與各學科的人保持密切的討論。雖然蔡振家教授對於音樂藝術及特殊的發聲方式也很有研究,但這個研究的技術內容上畢竟還是屬於自然科學界內的跨領域研究。那麼,真正跨越人文、社會科學與物質科學的整合研究是否有可能呢?

跨到歷史、考古與社會科學

十年前我還是助理教授,在系上聽了一場由華裔美國物理海洋學博士談有關鄭和的演講,開啟了一段奇特的旅程。其實很類似與蔡振家教授的合作經驗,我在演講當中聽到有關鄭和寶船尺寸及船型未解的謎題之後,想到或許我的造船專業知識及研究工具,可以分析這些古船,並提供這個歷史謎題一些解謎的材料與工具。於是,花了點功夫,找到相關資料與各地的相關歷史研究成果。一讀下去,發現很多歷史研究只在文獻的考證上打轉,而且大陸地區很多論文是先有結論才去找證據。於是我用一個月時間準備了第一篇以非線性動力學的計算方式來評估不同中式古船船型穩度的論文。之後又陸續與更多人合作,用更多的現在造船工程學知識與計算工具,從動力學到流體力學,分析了能找到資料的各式古船。

解開古船的秘密,除了科學知識外,也需要人文的知識,圖為鄭和一號仿古船。(圖片作者:CeShine@flickr)

後來,我才知道原來這屬於實驗考古學的一種研究方法。這種方式的目的是在考證古書上所記載的是否屬實、可能性多高、何種條件下會成立,甚至是否有其他的可能性。在國外,也有很多甚至製造真實模型來驗證的,例如Discovery頻道的流言終結者之類的節目;丹麥的維京船博物館甚至複製了兩艘維京船,實際在海上航行,以與史書的記錄相比對;日本也曾復原他們的古船做類似的研究。因此,以這種方式研究一個歷史之謎,的確是很有趣也很有成就感的跨領域研究方式。

之後,就如滾雪球般,文建會也找我清查中船公司及臺機公司的產業文化資產,因而又撰寫了有關兩家公司歷史的普及性書籍,還因為故事特殊而精彩及編輯水準夠(而不是文筆好),在許多可能是更大眾化題材的書籍中,得了政府出版品特優獎。這得獎原因可是評審說的,表示這種以不同角度切入關照一個曲折的產業,是有可能異軍突起,跌破專家眼鏡的。

產業文化資產清查是一件頗為耗費心力的工作,計畫經費還算足夠,但是需要先瞭解其一般歷史、具備相關工程專業常識,而實際進行時又要田野調查、口述歷史訪問一起來,時間也極為有限。寫書也同樣不容易,還要有分析的方法與觀點。這些本身都是跨領域整合性質的工作。我哪來的能力與熱情做這些似乎是一般人眼中撈過界或不務正業的事?

鄭和寶船模型的非線形橫搖運動相平面圖,呈現美麗的碎形(陳政宏老師提供)

其實我與蔡振家教授有個類似的心境,對於某些主題有著好奇與解謎的強烈動機。對我而言,這是對臺灣工業發展、現代化歷程、發展與方向的關切,加上某些產業(例如航太、造船)的發展跌跌撞撞,以及我們社會文化對現代化的適應與開創似乎不良。因此,我覺得這個解謎工作就像刑警想要破案般,要用盡各種方法,追查到底。所以,物理科學與工程的方法及研究仍要繼續進行,同時也在思索如何看待這些產業的問題,以及我們應該作怎樣的研究來協助。如果只考慮科學及工程的研究課題與方法,我們的視野可能停留在如何追趕及超越先進國家的同類研究上。但是若考量學術研究與產業和社會的連動發展,我對於應該作什麼研究就有不小的困惑。也因為如此對於科技政策、產業政策,乃至教育政策的內容與訂定方式也充滿了好奇。

在這過程中,我發現對於教學及研究方向的思考,得利於自小時候不肯偏廢人文社會領域知識的習慣,加上一直接觸有關科技與社會(science, technology, and society, STS)研究的資訊,於是參加了相關計畫的研習活動,學習一些簡單的概念與理論。後來也才在校內行政主管的支持下,申請了教育部的科技與社會中程綱要教學計畫。執行的四年過程中,不只是現學現賣地傳授相關知識與思想給學生,在成大這龐大的工學巨龍腳下,稍微做了點不同於傳統的事;更重要地,我也利用學到的理論,例如被戲稱為「螞蟻」理論的行動者網絡理論(actor network theory, ANT)來進行我所關心的研究的後設研究(meta research),也就是去研究一般的研究有何特性、應該要做什麼研究等等。

自然而然地,我會從自己較為熟悉也需要替自己解決問題的船舶產業開始。因此,最近幾年針對早期機械工業與造船工業的起源,以檔案與口述歷史方式進行資料蒐集,再以ANT或其他STS的概念分析發展結構,後來也繼續從檔案及探討這些相關產業發展的演變,並試圖從中檢討相關的政策問題。例如漁筏技術的演變與使用方式的社會關係、遊艇業及造船業早期歷史與發展的分析、與軍重工業政策發展的關聯等,當然也不忘觀察自己參與一部份的古船復原工作。

對教育制度的相關想法

從前面描述的過程中,我對於未來人才培育及教育方式的改進逐漸有些想法:

(1)學科領域分類多元化:至少不要再使用人文對自然的二分法,最好能以不同分類方式呈現知識的多元面貌。

(2)淡化學科邊界:特別是在高中與大學低年級階段,讓跨領域不會造成困難度很高的印象,也有助於學生跨越行政分類的邊界來學習。

(3)通識課程層級化:如同專業課程會分年級,大學的通識要求的學分當中,也應要求有不同深淺程度的科目。而且最好能在大四開設跨領域整合性的課程,例如「音樂、演化與大腦」(蔡振家在台大開設的通識)、「水下考古」、「生物力學」等。

(4)通識課程一般化:不要有一組特定的科目被稱為通識課程,或許有基礎能力科目(例如語文)、核心科目之類的,但是其他的通識選修就讓學生到各系去修一般基礎的科目。

(5)知識地圖的建立:各大學從現有的課程地圖資料庫延伸,以圖形連結的方式,把不同院系開設的科目依照知識相關性連結起來,打破院系的邊界,讓師生能直接看到科目間複雜的各種關聯,提供作為師生的知識地圖、選課指引、課程設計與行政的參考等。

【電子文庫】推薦閱讀

>>SHS科學與社會專題-導言介紹

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3 Responses

  1. 陳政宏 說:

    補充一些圖片供大家參考:
    1.
    鄭和寶船模型的非線形橫搖運動相平面圖,呈現美麗的碎形(本圖可提供本文庫使用)
    2.臺灣成功號復原船的首航結合歷史、古船研究與現代科技。

  2. 科博文 說:

    謝謝陳老師的補充!

  3. 周家漢 說:

    陳老師您好,我是之前問您一些帆船問題的周家漢.
    在此打擾您,我深感抱歉.我有一些關於風帆的問題想請教.

    我看了論文Windward Sailing Capabilities of Ancient Vessels,
    裡面提到了日本北前船(二桅)掛中式帆在迎風時的風帆升阻比(綜合性能最好是4.2).
    而哥德堡號在迎風時綜合帆的升阻比最好是1.75.如果以風帆的推力公式來說,
    中式風帆在效率上應該有2倍以上的優勢.

    但為何復原古船的測試結果,不管是您主持的"肆佰料戰座船之創復模型及其性能分析"還是日本對於"浪華丸的帆走性能"測試,差不多都是得到7節的極速.而風吃風效率不佳的帆哥德堡號在10 m/s的風速下為何能達到7~10節的速度?

    如果是因為船型或風帆面積所造成的影響?為何中式戎克船型的長寬比不變成更長,把方型
    船頭變尖以加強破浪性能且立更多的桅干或增加風帆面積?

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