跨閱誌

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生命的藍圖:人類基因組計畫

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (2) 提到「基因」,大家都知道它是決定生物遺傳特徵的基本單元。也許有人還知道基因是由DNA 構成,而DNA 儲存了建構生物個體所有的遺傳資訊。就像電腦程式是用「0」與「1」兩個密碼建構而成。而在生物世界中,小至細菌,大至人類,都是以A、T、G、C 這四個化學鹼基字母作為密碼,細胞將長串ATGC 序列所組成的遺傳程式儲存在DNA 分子裡。然後,細胞會依DNA上A、T、G、C 特定的排序透過「轉譯機器」,去製造特定胺基酸排列順序的蛋白質,來執行特定的生物功能。當細胞分裂時,這套密碼程式必須忠實地拷貝一份,分別存到二個子代細胞裡。DNA 裡的遺傳程式,就這樣一代一代地遺傳下去了! 1953 年,華森和克里克兩人發現DNA 分子的雙螺旋結構,不僅解開了基因的化學結構之謎,同時也揭示了基因所攜帶的遺傳訊息,如何精確地從上一代遺傳到下一代。接下來的四十年裡,分子生物學家成功地確定了遺傳密碼的「翻譯原則」。也就是說DNA 裡的遺傳程式必須先轉錄到單股的RNA 分子上,然後細胞製造蛋白質的「轉譯機器」,會「閱讀」RNA 上記錄的指令,製造出特定胺基酸排列順序的蛋白質。從最小的細菌到我們人類,都用完全相同轉錄/ 轉譯的程序來解讀儲存在DNA 裡的遺傳程式。 90 年代後,對個別基因的認識,不論是結構、功能、還是其開啟/ 關閉的調控機制都日趨完備。分子生物學家開始野心勃勃地把目光投射到另一個更大的目標:我們是否可以決定「人類基因組(genome)」中所有遺傳密碼的排列順序,進而了解這些遺傳資訊如何決定我們人類所有的生物特性。「人類基因組」是什麼?簡單地說,就是人類所擁有全部的遺傳資訊。我們身體每一個體細胞裡都有兩套共計46 條染色體:其中一套染色體來自爸爸,另一套來自媽媽。而所有的遺傳資訊就儲存在構成這些染色體的DNA 裡。生殖器官裡一些細胞會經過減數分裂的過程,產生只帶單套染色體的精子或卵子。精子與卵子結合以後,再度形成一個帶有雙套染色體的受精卵,開始 一個全新的胚胎發育的週期。 一個受精卵呈現出的生命活力是個奇蹟,它不僅具有無窮生長分裂的潛力—從一個細胞發育出一百多兆個細胞組成的個體。在細胞分裂過程中,另外一套精緻的分化過程也同時展開—從開始看來完全相同的胚胎細胞,逐漸分化成外觀、功能完全不同,像神經、肌肉、肝、腎等細胞。這些不同的細胞還會聚集在一起、組成特定的器官。誰在發號施令,指揮這一系列細胞生長、分化的過程?這些指令加上製造身體所有蛋白質的藍圖資訊,全都存在人類的基因組裡! 「人類基因組」包含了大約30 億個遺傳密碼。90 年代初期,一個由英、美、日、法、德、中7 國,20 個研究機構共同推動的「人類基因組計畫」就此啟動。一共花了27 億美金,2003 年終於完成了人類30 億個遺傳密碼的排列定序。這個計畫的另一個特色,就是大家都同意每個團隊得到的DNA 序列資訊必須立刻對世人完全公開。在「人類基因組計畫」中,台灣的榮陽團隊雖未正式列名,但也貢獻了4 號染色體上1 千萬個DNA 的鹼基序列而受到肯定。 掌握了人類全部遺傳密碼的排列順序到底有什麼用?最簡單的答案就是它告訴我們:人之所以為人的道理!我們每個人都帶了一套完整的「人類基因組」。但把每個人所有遺傳密碼的排列順序拿來排比一下,會發現我們彼此之間遺傳密碼的排列順序並不盡相同。其間的差異大概是千分之一左右。所以每個人大約會有幾百萬個遺傳密碼排列與其他人不同。這些遺傳密碼排列的差異,叫做遺傳資訊的多樣性(圖2-1)。遺傳資訊的多樣性決定了你我之間的不同:身高、體重、生病的型態,對藥物反應不同等等。所以每個人擁有的那套獨特的遺傳資訊多樣性,就好像每個人的身分證號碼而這個身分證號碼決定了我們每個人獨有的生物特徵。 中國人可說是最早了解遺傳資訊多樣性的民族。像為什麼有人冬天怕冷?有人吃海鮮會過敏?很多人抽菸得了肺癌,但也有人抽菸抽了一輩子也沒事?我們最熟悉的解釋,就是因為每個人的體質不同所致。但什麼是體質?傳統的說法十分籠統,但用現代生命科學的觀念來解釋就很清楚:每個人所擁有的遺傳資訊多樣性決定了他獨特的體質! 遺傳資訊的多樣性如何決定體質?更準確的說法是問:什麼樣的遺傳資訊多樣性會決定什麼樣的體質?這是一個非常重要但又不易回答的問題。我們用抽煙是否會得肺癌為例。如何找出什麼樣的遺傳資訊多樣性,會決定抽煙是否會得肺癌?我們可以找一群七、八十歲,每天抽兩包菸而未得肺癌的人,另外再找一群三、四十歲,因抽菸而已經得肺癌的人,先決定出每個人的「身分證號碼」,然後再比較這兩組人,看看他們各自擁有的「身分證號碼」之間是否存在一些共有獨特的「標記號碼」。之後再找更多的病例來驗證這組「標記號碼」是否真的和抽煙致癌有關(圖2-2)。這個研究說來簡單,但要真正執行還得克服許多困難,例如說:怎麼花很少的錢就能準確地訂出每個人幾百萬個字母組成的「身分證號碼」!更困難的挑戰,在於如何從幾萬人的「身分證號碼」中,找出隱藏其中的那組決定特定體質的「標記號碼」。 「人類基因組計畫」開啟了未來能更精準瞭解與預測每個人獨特體質的大門。探索那一些「身分證號碼」決定了什麼樣的體質,將會是未來醫學研究最重要的方向與挑戰。當然這些研究結果的應用,也會衍伸出的一些社會倫理上重大的爭議,像是就業歧視或是保險費率等等問題。 但無論如何,基因資訊的時代已經來臨,未來預防醫學的景象,就是每個人出生時都會得到一本天書。書中會記載你獨特的那套「身分證號碼」,以及它所決定的體質。然後書中還會告訴你,根據你獨特的體質,你一生中會碰到那些健康的風險,然後去設計一套適合你體質的生活型態,作為你終身依循的準則。對這樣美麗新世界的來臨,我們不禁要問:基因資訊到底是解放了我們?還是讓我們成了它的俘虜!         參考讀物 1. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (1) https://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32713 2. Chial, H. (2008) DNA...

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薛丁格的大哉問:生命是什麼?

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (1) 歐文薛丁格(Erwin Schrodinger)1887年出生於奧地利的維也納( 圖1-1)。1926 年他提出一系列波動方程式的論文,奠定了量子力學的基礎,在 1933 年獲得諾貝爾物理獎。這樣一位偉大的物理學家對生物學會有什麼深刻的看法?他又如何影響現代生物學特別是分子生物學的發展?要回答這二個問題,我們就必須把時空拉回到 1943 年愛爾蘭的首府都柏林。 二次大戰初,奧地利被納粹德國兼併,大批奧地利的精英紛紛逃離。薛丁格被愛爾蘭的首相邀請到首府都柏林成立高等研究院。1943 年 2 月 5 日,他在都柏林的三一學院發表了一個系列的公開演講。在二次大戰最高峰之際,在一所 350 年歷史的古老大學裡,面對包括愛爾蘭的首相在內的 400 位聽眾,薛丁格在他的演講中只討論了一個主題:生命是什麼?一年之後,這次演講的內容由劍橋大學出版社集結成書出版。書名就是:生命是什麼?副標:活細胞的物理面向。 薛丁格對生命的運作提出了兩項他的困惑,第一是最簡單的生命型式都有極度複雜的結構。但是物理學家奉為金規玉律的熱力學第二定律告訴我們:高度秩序的結構必然會自動瓦解而趨向最大亂度(熵)。那麼生命複雜的結構如何可能維持而不致崩壞?如果你仍然不瞭解上面這段話的意思,想想你的房間,是不是自動地會從整潔走向髒亂,那是一個標準遵循熱力學第二定律的範例! 生命為什麼可以違反熱力學第二定律,穩定地維持其複雜的結構?薛丁格提出了一個看法,他猜想維持生命需要不斷地吃進食物,那麼食物中一定含有一種負熵的東西,可以讓生命中的亂度不會增加。今天我們知道這個想法是百分之百的錯誤,熱力學第三定律告訴我們,完美晶體在絕對溫度為零時,它的亂度為零。因此世界上沒有負熵這樣的東西。 過去科學家的研究讓我們瞭解,生命必須不斷地從外界取得能量(食物或是陽光)和材料(食物、空氣和水),在體內進行新陳代謝來維持生命的結構。但是在進行新陳代謝反應的同時,必然會釋放熱到環境中,使環境的溫度增加,導致環境亂度的增加。所以生命內在的運作,加上環境的改變,整體的亂度還是增加的。因此我們可以說維持生命的秩序是以增加環境的亂度作為代價!生命仍然是遵循熱力學第二定律的規範在運作。我們可以用另外一個比喻來解釋生命的結構與亂度的關係,想想你怎麼維持家裡的整潔?你必須花力氣打掃,打掃出來的垃圾怎麼處理?不就是丟到外面嗎!所以同樣的道理:維持家裡的整潔是以增加環境的亂度作為代價! 薛丁格對生命的第二個困惑是每個生命都擁有龐大、可以世代相傳的遺傳資訊,這些遺傳資訊決定了每一個生命個體精密複雜的結構和功能。但這個龐大的遺傳資訊,在世代相傳的過程中如何精準地複製而不致出錯?薛丁格當時已經知道生命的特徵和運作是由基因在決定、操控。但基因究竟是什麼?當時大多數人還認為基因是蛋白質。進一步問基因裡的遺傳資訊如何複製?那就更是一無所知了!薛丁格對這個問題解答的猜測,倒是與我們今天的瞭解有幾分神似。 他首先推測基因可能是一種非週期性的晶體結構。這個想法其實就已經假設生命是用原本的基因作為模板來複製新的基因。因為晶體的成長就是以原來的晶體為模板,一層一層形成和原來晶體完全相同的結構。為什麼是非週期性呢?因為週期性的結構所能承載的資訊極為有限,所以必須是非週期性,這樣資訊的數量才能應付生命的需求。薛丁格另外認為儲存在基因裡的遺傳資訊,應該是由一種特定的腳本語言或是密碼所構成。 薛丁格發表演講的同年,美國生化學家 Avery 和他的同事共同發現,細胞裡的 DNA 才是攜帶遺傳資訊的物質。換言之,基因是由 DNA 而非蛋白質所組成。10 年之後,1953 年兩位年青科學家,華生和克瑞克 (Watson & Crick),在劍橋大學發現 DNA 的雙螺旋結構。立刻確定了 DNA 複製的原理:雙股 DNA 打開後,各自一股的 DNA 都可作為模版,再精確地複製與之互補配對的另一股 DNA。而遺傳資訊就是單股 DNA 上連續的鹼基序列(圖1-2)。 薛丁格的演講透過《生命是什麼?》這本小書影響了一個世代的年青學子。他非常清楚地告訴我們:生命現象的運作,必須以物理、化學的原理為依歸。雖然他試圖在生命系統發現新的物理定律的嘗試完全失敗。但他提出的問題與挑戰,鼓舞了年青學子探究生命奧秘的熱情,同時也指引出一個正確的研究大方向。 1993 年,發現 DNA 結構的華生教授,在美國冷泉港研究所慶祝 DNA 結構發現 40...

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2016青少年跨域整合人才培育計畫─實踐想像的路

By Jwu-Ting Chen, Emeritus Professor Chemistry, NTU 前誌 這是S編退休後第一個幫忙的活動。培育營活動與107課綱中「探究與實作」的宗旨相合,教師先組成社群,共同備課,再付諸實行。此外,承襲SHS的精神,學生的活動注入跨領域整合的元素。 整體回顧,從五月到八月,大家的確做到了:團隊合作的學習,選擇社會關懷的務實主題,同時有環境永續的內涵,實作與探究的過程與結果兼備,師生共同參與,工作的格調與品味交融! 在簡菲莉校長和藍偉瑩主任的領導下,這些老師們才是我心目中的菁英。有理想,能實踐,重視學生的學習狀況超過本身的教學本事,科教館朱楠賢館長的全力支持,提供了環境與資源。 這並不是説活動已經滿分,這是第一屆,活動結束,檢討會還沒開,課程發展剛跨出第一步,歡迎明年有新的師生加入,一起走前面的路。 藍主任的網誌是第一手紀錄: 藍偉瑩 台北市立山高中教務主任·2016年8月21日 記得被找到科教館開會時,一頭霧水,看見竹亭教授、菲莉校長,館長和祝里主任開始談著想要做的事。跨域整合人才,這是個新的構想,坦白說我喜歡這個主題,因為和我的素養課程方向一致,但心裡同時擔心自己的時間還能夠做這件事嗎?跨域人才在新課綱中同樣的被重視,為什麼呢?對於學校課堂而言,跨域課程模糊了學科的界線,問題在真實世界被呈現,能讓學生不能單以學科知識回應,這使得學生不得不思考,不得不與夥伴合作,更重要是能夠發現每個人的與眾不同,才能真正互動共好。跨域課程比起學科課程情境複雜而有趣,需要的能力多樣,問題富挑戰,正因有趣讓學生能夠有動機與動力持續努力,更願意主動蒐集資料或資源,自學得以實現。又正因為解決問題需要的能力多樣,學生才會知道團隊的重要性,更因為問題富挑戰,讓學生能夠持續努力,一旦找到解決方法,這便代表學生已經改變,成長了。對於科教館而言,除了達成上述我所提到的能力外,更重要的是作為一個科普機構,培育未來所需人才是必要的責任與使命,我們的土地需要的不再只使讀好書上好大學的學生了,更重要的是能夠真正關懷土地、願意解決問題,並樂於自學,勇於挑戰的人。所以,能不參與嗎?當然要了。 第一天的會議,我們談定了方向、目標,也提出了大致流程。為了更了解大家對於跨域人才的理解與期待,便決定於104年12月20日辦理跨域整合人才計畫的OST。OST聚集了相關領域的教授、中學教師以及學生,大家針對何謂跨域整合人才、跨域整合人才培育需要的課程、自然探究實作課程、專題課程等主題分頭討論。這一天最後的成果對於整個計畫的方向確認是很有幫助的,雖然很多內容和原本會議中的構想相同,透過大家討論後,我們的心就更篤定了。跨域整合人才需要的能力其實就是21世界我們要培育學生的能力:發現問題、自學能力(搜尋、分析與解讀資料)、運用新科技能力、擬定方案與執行、團隊合作、表達分享、關懷世界、系統思考、設計思考等,這些能力不也是十二年國民教育課綱所追求的嗎。在討論過程中,讓我感到最有趣的是學生討論著這樣的活動是要選擇已經具有特質的學生參與,或是不具特質的學生呢?這個問題在後續的工作會議中也被討論過多次,我在活動辦理中找到答案了。沒有一個學生具備所有的特質,所以找來的學生可以說具備特質,也可以說不具備特質。由於在為期不長的活動時間內,我們期待找到的是願意接受挑戰,又有十足動能且具備基本能力的人。 第二次籌備會議,還是同樣的人,還沒加入新夥伴。這次我們擬定了跨域整合計畫內容。從書面審查、面談(含團體面談)、一日挑戰營、三日培育營。我心中理想的培育營是五日,但由於是第一次辦理,對於學生生活安排以及隊輔工作等需要確認事項甚多,故而還是訂為三日。而對於參與計畫的人員,也分為三圈。第一圈為計畫核心人員,負責規劃計畫方向、當年度主題與課程;第二圈為課程小組,負責課程內容設計與執行;第三圈為協助與輔導教師,負責課程實施時之協助與學生輔導工作。但由於是第一年辦理,因此三圈就先變一圈了,這也是為何第一屆的老師們格外辛苦,也因此培養出革命情感。 由於時程緊迫,所以在幾次密集會議後,決定了書審的審查原則,大家分別推薦了書審的各領域委員。面談的方式也在討論後確定了個別面談與團體面談兩個部分。面談的方式與內容取決於我們想要甄選的學生特質,這也經歷多次的討論(爭論吧)。個別面談要看出學生的思考、邏輯、冒險勇氣等特質,團體面談則是確認學生分析、整理能力及與人合作的情形。這樣的選才方式是否合適還要後續再分析與討論,才能確認是否有效度與信度。這個過程最要感謝的是辛苦命題的老師們,花的時間與心力應該是其他活動中少見,我們不像只是辦活動,而更是希望透過我們的嘗試,為未來這種課程或能力分析先做試驗。就這樣,近180件初審資料經過各領域評審的審查後,最終選出67位學生進入複審面談。為求初審客觀與嚴謹,我們對初審委員寄上本計畫,並說明計畫目標,並讓每件報名資料都經三位不同評審委員審閱,希望不會出現遺珠之憾的情形。經過兩天的面談,我們從67位同學中選出了25位,成為第一屆的學生。兩天的面談所花費的時間與心力,更重要的是用心,這更是其他活動不易見到的。 105年5月29日,正式課程展開,這一天活動共分兩個階段,上午是個人探究,由佳龍和華傑負責,各提供了一個目標明確,但又擁有學生發揮空間的問題待解。這個部分讓學生嘗試在沒有太多指導步驟下,自己設計與解決問題。在這樣的過程中,老師們可以就近觀察學生的個性,有些學生喜歡計畫後再行動,有些則喜歡邊做邊想;有些學生善於文字表達,而有些則善於繪圖表示;有些學生勇敢冒險,有些學生謹慎小心。當然,這樣的過程也幫助老師們看到學生可以努力之處,這對於後續的協助與輔導是很重要的訊息。下午是小組任務,而分組是依據面談時對於學生的觀察,讓各組內都分配了具有不同特色的異質組合,這樣的分配是希望學生能夠相互學習,也希望最終的成果是較全面的。下午課程是由學淵和育霖所設計的,複雜的遊戲規則,需要以創意解決問題的活動,這個過程讓小組學生們很快就熟悉了,展開初次合作。這樣的過程幫助老師們看到各組合作的情形,對於小組中較不主動的學生,老師們鼓勵他參與或給予表現機會;對於小組內互動不順之處,老師們也先讓學生們自己處理,再適時透過提問讓學生重新思考如何對話。這樣的觀察對各組老師後續協助各組完成任務是很重要的,很短的時間內快速了解每個學生在團體中展現的特質,也預想未來小組合作或完成任務可能遇到的困境。或許是第一屆,我想更或許是這群參與的夥伴都是平日對學生非常關注的老師,大家不只關照自己的小組,更相互注意其他組的學生,也常常交換意見,期望能夠給學生更好的協助,目的是能夠讓學習發生。 105年7月4日至6日,重頭戲「培育營」上場了。培育營三天的課程是整個活動成功與否的關鍵,如果學生無法在三天中了解到這個活動期望他們能從關心生活真實問題出發,我們期待的不是科學研究而已,更是讓學生們從發現問題,到了解與同理相關人等的感受,再藉此解決真正的問題,而非假想的議題。雖然從最後的成果發表中發現,由於課程時間太短,確實無法更清楚更學生們說明問卷的設計與意義,這是下一屆課程可以繼續努力之處。 三天的課程從讓學生學習簡便的測量APP與方法開始,第一天上午甫宜老師為學生安排了多樣的科學探究活動,透過探究活動,學習使用測量工具;下午則是小P帶來的研究方法課程。由於本次主題是水,為了結合這個主題,小P設計一個全新的探究課程─家庭水質測定,讓學生僅用三用電表,進行簡易的實驗操作,並能規劃變因、分析數據,最後還能整理數據與形成結論。 因為只有三天的課程,第一天晚上也就繼續安排了。為了讓第二天的課程可以開始聚焦,第一天晚上以團體共創為主題,讓學生們共同討論「值得被解決的問題」,問題特質是什麼?討論過程除了幫助大家釐清,也增加小組合作的機會。第一天晚上經過幾次的團隊共創,最後讓各組聚焦出想要探討的問題。這個活動也幫助老師們看到學生們對於想探討的議題認識多少,缺乏什麼。 第二天上午要展開真正想解決的問題了。設計思考的活動以簡化的方式運作著,要改變學生用想像找出問題或做研究的習慣,所以必須不斷地挑戰他們,希望他們思考遭遇這些問題的人認為的困擾或困境什麼(同理)?如何重新定義問題?目前相關問題已經解決了什麼?或相似的問題曾經被如何解決?這個問題真正的原因是什麼?有歷史脈絡嗎?如何發生,又如何變成現況?沒有解決的問題在哪裡?我們能夠或選定要解決的問題是那個(些)面向?就這樣學生被逼了一整天,做了兩輪的發表,第一是描述問題並說明問題的重要性,第二是問題包含的面向、要優先處理的面向、要如何做。相信這些學生沒有這樣一整天不停討論,不斷撞牆、不斷發散與聚焦的過程。這樣的過程幫助老師們看到團隊動能的特性與問題所在,不得不說這些老師們的陪伴功力都很強,也很有耐性,很能磨學生,也很能被學生磨。 第二天晚上為了讓學生邊放鬆邊學習,安排了士林夜市的學習之旅。除了逛夜市外,主要是觀察店家如何吸引顧客,如何讓顧客願意相信並接受。當然,重點還是讓學生放鬆一晚,也促進小組的融合。很多小組都利用晚上逛夜市的機會,順道訪談了路人有關小組研究主題的看法與問題。 第三天上午讓各小組學生可繼續討論,或是利用科教館實驗室的材料試做。前一天晚上學生們在夜市活動結束後,仍持續討論,所以這一天多數的組別都開始試做出設計的原型了。唯有原型做出且試行無誤後,才有可能思考如何精緻或變成更實用。 第三天下午進入重頭戲,各組須對當日到科教館參觀的民眾解說自己的設計。各組除完成問題解決的構想海報,如有原型了,也可一併展示。這個部分我們稱為募資資平台,學生透過不斷解說,以說服或感動參觀者,參觀者可依據自己對作品的喜歡程度,決定要贊助學生的金額(玩具紙鈔)。透過這樣短時間密集的說明,學生對於自己要解決的問題有更清晰的輪廓,也透過向人解說,觸發靈感而產生多樣可能性,使思考更完備。為了這個部份的活動,學生在短時間完成了研究架構的雛形,讓老師們看到學生的潛能是無限可能的。 105年7月21日的回流活動,上午的水資源議題OST,讓學生和參加的家長、同學、師長們有機會一同談談台灣的水資源問題,以及相關教育。這個過程能讓學生知道其他人對於水資源議題的看法是什麼,以及自己正在進行的研究是否可行或有意義。上午的談話看得出學生們還是很羞怯,常常都處於聆聽大人們說話的情形,對於能以平常心對等談話似乎還未被培養,或是過於客氣。而下午的研究進度報告,相信學生們都被大轟炸,研究的問題被師長與其他組同學挑戰。做研究總是很容易陷入只關注眼前的事物,而忘記所做的事在整體脈絡下的意義,簡言之,為何而做,做了為何。這樣的衝撞讓學生們離開科教館後真正開始上緊發條,也感受到時間的壓力,以及目標還很遠。終於看到學生更積極地動起來了,方向也因為被挑戰變得明確多了。 2016跨域整合人才培育計劃,結束了。看到學生們這一個多月來的產出與成長,成果遠超過我的預期,讓人感動。 這個歷程讓我自己對於明年的課程有更多想法,這個課程還能再增加與調整而這個歷程也提供了未來學校教育要發展跨域課程重要的建議。感謝這些參與的同學,讓我獲得未來課程發展需要注意之處,也讓大家更相信“只要相信” 就能實現。學生的潛力無限,我們真正的挑戰是如何讓我們的學生更勇敢更堅持,這才是台灣教育目前最困難之處,如何跨出舒適圈去冒險,這不只是年輕的學生的課題,也是老師們的。所以我的答案是讓他們留白,才能有創意與實作機會;第二個答案是提供培養能力的歷程;第三個答案是給他們夠挑戰的任務。 在今年的基礎上,明年課程必然要再增刪調整,以期更貼近培育跨域人才所需的課程。在大家持續努力下,相信明年這個計畫能夠更好! (後續的小組研究歷程與其他心得,將寫於另一篇文章。) 感謝好夥伴一路相伴 共同努力 陳華傑 陳學淵 陳育霖 Yu-Lin Joseph Kuo郭俞麟老師 蘇恆誠 Aron Chin金佳龍 Pong Cheng小P 謝乖乖甫宜老師 柯尚彬 Hung-hua Chen 虹樺 蘇萬生 感謝 簡菲莉校長 陳竹亭 (Jwu-Ting...

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能源與永續文明

By Jwu-Ting Chen, Emeritus Professor Chemistry, NTU (轉載自中研院知識饗宴系列 V9,2013) 楔子 能源和文明的永續到底有什麼關係? 華夏文化在世界文明中是綿延最久的文明之一。但是先跑的不一定贏,現在贏的也未必永遠贏。 從地球自然史的眼光來看人類文明,不過是永恆中的一瞬。我們創造出來的文明,在兩百年內,已經將儲存在地表上可用的淺層油耗盡泰半。好日子還沒過多久,突然能源危機就成了已開發及開發中國家的夢魘。能源危機就是指在經濟上能源供給發生了瓶頸壅塞現象。一般庶民更容易感受的是地區油電漲價反映在工業原料、交通燃料、或民生物資上,價格都明顯的上揚。全球油價的上漲趨勢是不可能回頭的。在二十一世紀,我們必需面臨方便開採的石油愈發供不應求。這是全世界的難題,而臺灣更是一個沒有天然能源的國家,我們將如何因應以度過難關? 歷史上的文明起落 從科學家的觀點,能源和資源其實是一體的兩面。地球上有多少能源?能供給多少人口過甚麼水平的生活?當科學家說地球上的能源和資源都是有限的,是根據那些知識的立論呢?首先我們先看看歷史上,人類有那些輝煌文明的起落。 二萬年前歐洲的克羅馬儂人在洞窟中留下了驚人的壁畫。三千年前中東巴比倫宏偉的城牆和城市,今天只能在博物館中找到斷垣殘壁。中國夏商的傳奇,一直到二十世紀出土的商墓中才獲得了實體的證據。三千年前埃及的金字塔已能將抽象的幾何之美融入建築技術;無獨有偶,八百年前墨西哥的阿茲特克人將天文融入金字塔的建築。南美洲祕魯高地的印加帝國(圖一)及柬埔寨的吳哥窟在近千年前都以精緻的灌溉工程與農耕技術創造了百萬人口的皇城。帝國樓起樓落,繁華落盡的輝煌早已湮沒在荒煙漫草之中,他們的後代淪落之時,都不知道祖先如何散盡昔日的光彩。 東太平洋有一個復活島,距離南美洲西岸不足500公里。以臺灣為文化母島的南島文化先民曾經乘風破浪,駐足於此。復活島曾經有過參天的椰子樹矗立在整個島嶼,現在只有向海環島而立高達數公尺的的巨石頭像,漠然地迎接著日頭的起落,唏噓過往的榮景(圖二)。 歷史上多少令人神往的文明,消弭猶如飛鴻踏雪。也難怪眾多無知之士穿鑿附會於神幻奇聞或外星玄說。利用群眾不求勝解的好奇,大賺收視率的銀子。今天的科學考古、語言文字學、生命科學、地球科學的知識都指向,無論是天災與人禍,一旦重創生態系統,不論多光鮮自豪的文明也可能無以為繼,失去永續的機會! 近兩百年來,歐美隨著工業革命之後,趁著資本主義的自由市場與科技文明急遽發展之勢,政治及經濟勢力如猛虎出匣的攫奪了全球大半的資源。另一方面,經歷理性主義與啟蒙運動洗禮的歐洲也促成了近代科學的崛起。科學使得人類獲得了認識物質世界新的窗口,不僅擴張了我們五官與經驗的疆界,正確的科學理論甚至使得人的心智思維無遠弗屆。當我們開始知道宇宙與自然之中物質與能的關係時,終於有了不同於昔日的知識來認識人類的過去與今日,甚至揣摩我們與週遭世界的未來。 科學家眼中的物質與能 希臘先哲赫拉克立圖斯認為世界是一種流變的狀態(fluxional state),每天升起新太陽,所以火應該是萬物之源。這種想法和今天「能」的流動變化概念及能與物質的關係儼然相似,卻又似是而非。 物理學家定義「能」可使事物作工、使力或發生功效或行為。換句話說,物質的改變必然伴隨能量的變化。而一般人對「能」的概念最直覺的印象應該就是「熱」。科學對「能」的尋根之旅終於在二十世紀找到了宇宙源自「大霹靂」(Big Bang)的證據。雖然大爆炸並不是產生「能」的終極因,但是哈伯望遠鏡更進一步的讓科學家知道大爆炸發生在137億年前,目前還在持續膨脹之中(圖三)。 在宇宙漫長的歷史中,伴隨著星雲、太陽系、行星的形成,有許多種形式的「能」伴隨著物質的演化。最早隨著宇宙出現的就是光與熱。19世紀麥克斯威爾才發現光就是電磁波。雖然人類的眼睛只看得見七彩的可見光,但是比可見光(光量子)能量更大的還有紫外線、X射線、伽瑪射線等;比可見光(光量子)能量小的依序為紅外線、微波、各種無線電波等。 愛因斯坦最有名的方程式就在陳述物質和能量在特定的條件下是可以互變的。 今天科學的宇宙觀認為宇宙初始的能量和質量互變,於是產生了一個粒子組成的世界。爆炸後的宇宙逐漸冷卻下來,一小部份形成次原子粒子,再形成原子。光譜學還告訴我們這些原子中約有60%的氫原子,約有37%是氦原子。太陽中最多的元素也是氫,約有73%,氦則是25%。 太陽是宇宙中典型的能源庫。太陽是恆星,不斷的進行核融合,將輕的元素轉變成重的元素,同時放出「核能」。今天的太陽大約已有五十億年的歲數,而且應該有過前世。因為恆星爆炸成超新星後,再重新凝聚,才可能形成元素種類眾多的行星。太陽核能的一部份能量以「光能」的形式釋出,地球就是最大的受惠者。 靠著「太陽能」的蘊育,地球是一個由88種元素組成的繽紛世界。最多的元素是鐵約35%,但鐵幾乎都在地心。其次氧原子佔30%,氧卻是地殼中最多的成分。地殼中次多的是矽,矽和氧就組成了砂、石、土壤的主要成份。地球組成並不均勻,88種原子以不同種類、不同數目、不同方式的結合而且變化,造就了多采多姿的大自然。 地質學的研究顯示地球已有46億年的壽命。這個不尋常的星球早就形成了一顆硬質行星,就是有固態的地表。克卜勒在約五百年前就發現地球的公轉軌道是非常接近圓形的橢圓。目前衛星最精密的測量得知,地球公轉半徑147,098,290 ~ 152,098,232 公里,是距離太陽第三近的行星。以每小時107,200 公里(即每秒鐘29.78公里! )的速度,每365.256363004 日繞行太陽一周。從數據上讀不出奧妙,但是地球的條件十分適合原子結合的變化,形成了不同組成的物質。這些變化所吸收或釋放的能量就是「化學能」。  大自然將「太陽能」轉換成「化學能」來使用,化學能是創造新的化合物最重要的能量來源。分離的原子結合時釋出化學能,結合的原子分離時要吸收化學能。原子既然可以多樣多方地組合成化合物,化合物也可以經過各種化學反應轉變、分解或再結合成更大的化合物。有些反應進行時會放熱,也有反應進行時會吸熱。所以光和熱都可以與化學能相互轉換。 經過凝析過程的地球,輕的物質在外,重的物質在內,形成了氣圈、水圈、與地圈 (圖四)。大氣中最多的是氮分子(N2),還有充足的氧分子(O2),分別佔78.08%與20.95%。臭氧分子(O3)雖不太多,卻能在平流層的高空有效地吸收紫外線。大氣中0.039%的二氧化碳及約1%的水蒸氣能吸收地表反射的紅外線,而發揮溫室效應。地表能將溫度穩定的維持在–90 ~ 60度之間,平均溫度為15度。和太陽表面的6000度、金星上的460度、火星的–63度相比,真是十分的「溫和」。溫室效應對調節地表的能量實在是功不可沒。 雖然大地之母有時仍然以激烈的手段形塑整治地球,火山、地震、洪水、風暴、砂塵暴…等從來不曾停止,但這也是活躍的行星(living planet)具有能量的表現。最特別的就是地球表面有71%被海洋覆蓋,豐沛的水滋潤了地表,生命由此而出。 生命與能 地球最獨一無二之處,就是充滿了生命。從最高的山巔,到最深的海洋;從炙熱的沙漠,到極凍的兩極;從亙古至今,地球的生命圈自三十多億年前出現後,容或有所消長,卻從未完全消失過。 如果把地球46億年的演化歷史換算成我們熟悉的24小時(圖五),最初的生命化石約出現在36億年前,還不到早上6點鐘。最早的光養細菌可能出現在二十億年前,還不到正午。藍綠藻約在中午時出現。真核細胞距離現在約12億年,就是下午的時間才有了細菌。海藻的出現已經過了下午六點鐘。藻類是重要的營養源,有了藻類,海中的有殼無脊椎動物就有機會蓬勃生長。 距今約五億年的寒武紀(Cambrian)之前,相當於晚上約十點鐘,地球上發生過嚴重的大滅絕事件。在加拿大的洛磯山脈以及中國大陸南方的碳酸鈣方解石或大理石岩層中,都可以找到很多有殼類生物的化石。這些生物都早已滅絕,不再存在於地球上了。大規模的滅絕會造成生態區的空位,自然生物界中大破壞之後的創造發生過不只一次。古生代末期泥盆紀(Devonian)時,海中的生物上了陸地,兩棲動物促成了爬蟲類及恐龍的出現,當時距今2~3億年,約當晚上11點。另一個隕石撞地球的大災難發生在距今6500萬年,敲響了當時橫行世界恐龍國的喪鐘。新生命再一次從死亡中勝出,鳥類及哺乳類終於在午夜前不到一小時的時間踏上了演化的舞台,當時的哺乳類大多是一些鼠輩。最接近人類的靈長目(Primates)出現時離午夜已不到半小時了。 生命在長時間的演化考驗下,是最會利用環境能源的「有機組裝」(oganic device)。在生命演化的漫長天路歷程中,光養細菌及藍綠藻的出現在地球與生物的歷史上都具有劃時代的意義。今天的綠色地球正是因為藍綠藻創造了葉綠素,可以有效的利用太陽能把水和二氧化碳轉化成葡萄糖及氧氣,就是我們熟知的光合作用。葡萄糖是地球上所有生命最直接的產能物質,在細胞內燃燒(或氧化)後提供生物維生的能量而分解轉化成二氧化碳和水。所以光合作用就是利用葉綠素和陽光來促成生物耗能的逆反應(圖六)。  大自然最深沉的智慧很可能就是漫長的時間。一個能夠被所有綠色植物使用的反應,而且存在了數十億年,所有永續的事物一定有它的道理。熱力學告訴我們,所有的引擎產生的廢熱最難重新利用。第二熱力學甚至指明了物質世界所有的能量都是流往混亂無序的方向。把雜亂的房間收拾整齊總是十分費力的事。而生命能在地球上找到出路,最大的原因之一正是創造了從環境中的有機物質組合出能利用陽光的葉綠素。葉綠素吸收陽光將水分解成氫和氧;然後氫再把二氧化碳還原,組合出可燃燒供能的葡萄糖。植物體中的澱粉、纖維素等都是葡萄糖組合成的物質。 生命從無序中創造出有序的世界,這是善用能源極成功的策略。表面看來好像沒有遵循自然律,事實上是在較小的環境中創造了短暫的有利條件。這正像是在大爆炸的宇宙中,仍然允許星雲、恆星、行星的形成,在永恆的混亂中創造短暫的秩序,辛苦經營出的永續,正是生命長河的永續價值! 人類與能源 最新的考古證據告訴我們,能用兩腳行走的人類遠祖約在700萬年前演化出來,相當於24小時的最後兩分鐘。人類就像花果山上蹦出來的潑猴,仗著一身本事,一出現就大鬧天宮。但是自然界中,活得久才是「大尾仔」。所以人和蟑螂在地球生命演化的戲碼上誰比較厲害,還需要等待時間來解答。 剛出現的「南方古猿」(australopithecus),大腦跟黑猩猩的差不多大(350 cc),只是能直立行走。最早使用石器工具的是250~180萬年前的「能人」或稱「巧人」(homo habilis:handy man or skillful...

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科學在簡單和複雜之間(一):化學合成的誕生

By Jwu-Ting Chen, Emeritus Professor Chemistry, NTU 自從法國的拉瓦節在十八世紀的後葉,提出燃燒是物質與氧元素的反應,確立了元素的概念,和化學反應質量守恆定律,就奠立了化學的房角石。 十九世紀化學起飛 十九世紀的化學與浪漫派音樂同時展開了劃時代的旅程。1803年,貝多芬在奧地利演出了第三號英雄交響曲。從此,音樂不再只為貴族服務。英國的道耳吞則是在英國為他的「原子說」發表了第一篇關於原子與原子量的論文,他向世界宣告,我們的世界是由不同元素(element)的原子(atom)組成,原子不斷地排列組合造就了我們多樣多變的世界。 1809年,歌德完成了他的小說–「選擇的親和力」(Elective Affinity)。他用化學家認識自然界中物質的觀點來描述聚散離合:「親和力只有在離異時才顯得有趣。難道這個在今日社會裡經常聽到的悲傷字眼也發生在自然科學中嗎?的確,愛都爾回答,甚至把化學家稱為使一物和另一物離異的藝術家。對他們也算是一種恭維吧。但是如今已非如此,夏綠蒂說:現在合成才是好事。因為使事物結合才算更偉大的藝術和功勞,能夠將任何主題統合的藝術家,將會受到世人的歡迎。」 莫非歌德筆下的夏綠蒂是位化學先知?1911年,亞弗加厥根據給呂薩克的氣體反應實驗中各種氣體顯示的質量定比關係,提出氣體是以原子集結的「分子」(molecule)形式存在的假說(hypothesis)。原子為什麼要靠在一塊呢?哪些原子傾向靠在一塊呢?原子們又是如何的集結呢?懷疑原子說的科學家還少嗎?為什麼還要相信分子呢? 拉瓦節於1794年在混亂的法國大革命中不幸淪為仇恨的受害者,死於斷頭台上。其後的二十年中,當時許多歐洲的重量級化學家如英國的戴維、沃勒斯登,法國的安培,瑞典的貝吉理斯等,都忙著從自然界分離純元素,或發現新元素。年輕的沃勒1823年在海德堡修完藥學學位,北上斯德哥爾摩隨貝吉理斯從事化學研究。 沃勒跟著貝吉理斯工作的機會的確讓他參與了鈹(beryllium)、矽(silicon)元素的發現。更重要的是成功單離出當今最重要的民生建材之一的金屬鋁(aluminum),還有鈹、鈦(titanium)等元素。但是沃勒的傳世成就卻是有機化學的先驅,因為他在1828年成為世界上第一位從無機物質異氰酸銨(ammonium isocyanate, NH4OCN)合成出尿素(urea, (NH2)2CO)的人。事實上,化學史公認這是世界上第一次成功的「化學合成」(Chemical Synthesis),也是第一個「有機合成」(Organic Synthesis)反應。 有機化學與生機論 貝吉理斯在1806年才提出有機化學(organic chemistry)的名稱。在十九世紀之前,阿拉伯的煉金術士早就單離了酒精,就是乙醇(ethanol, C2H5OH)。蟻酸(甲酸)、醋酸、苯甲酸、琥珀酸(丁二酸)也是早先發現的有機物質。十八世紀一位品學兼優的實驗天才,瑞典的席勒還單離了草酸、酒石酸、檸檬酸、乳酸、甘油’、氰酸和一些芳香的酯類。當時世人都相信這些物質皆源自有生命的動植物,而且也只能來自於生命的器官(organism),無法從非生命的物質,譬如礦物中取得,這就是生機論(Vitalism)。 生命器官怎麼能與機械相提並論呢?類似生機論的想法或相關的哲學在東西方都可綿溯千年,又與鍊金術、煉丹術或各種宗教結合,深植人心。在十八世紀之前另一個困擾科學逾百年的學說是燃素論(Phlogistonism)。席勒和普利斯力都發現了氧氣,但是都深陷於燃素論的泥淖中,認為燃燒現象是一種從來沒弄清楚是蝦米碗稞的「燃素」在物質間進進出出。這些思想都難免古希臘的玄學思維,放眼今天坊間媒體似是而非的想像,譬如有機食療、另類療法、奈米水、善念烹調、特異功能…,又何曾少過? 化學革命 遐想、玄思、哲思、夢想、幻想…,哪一種更簡單?哪一種更合理?哪一種更簡單?哪一種更人性?生命值得投注在一個具有一致性、連貫性、歷史性、智人性的信念上嗎?科學究竟傾向選擇普羅米修斯(Prometheus)前瞻的深思遠慮,寧可獻上永遠的命運,也要為世人取得焉知禍福的火種;抑是薛西弗斯(Sisyfus)的後裔,昧於自以為是的智慧,驕傲的挑戰那無休無止的使命?雖然兩者都可能淺嚐瞬間成就的喜悅! 拉瓦節對科學的信念是伽利略、迪卡爾與牛頓的跟隨者,洞悉了物質與氧氣的化學反應(chemical reaction)不僅可以捨棄燃素論,解釋燃燒現象。也符合牛頓建立的力學系統下的物質世界。最重要的是經過他仔細研究的化學反應,皆能符合物質守恆的邏輯證據,擺脫糾纏逾千年,人各一把號的鍊金術的困惑。新的化學必須遵從理性、邏輯的推理,更要符膺有證據的實驗法則。而元素(element)正是無法再分解為其他物質的基本成分!如果還可以分解的純物質(substance)就是化合物(compound)。 人類可以複製,或甚至創造物質嗎?十九世紀初,貝吉理斯眼中的有機化學是有機反應背後必然有些未知的,和生命有關的調控力量。所以他把純物質分成有機化合物(organic compound)和無機化合物(inorganic compound)。沃勒任教於柏林技術學校時,在異氰酸鹽和氯化銨的反應中獲得了一些無色的結晶。經過分析,他發現竟然和尿液中分離的尿素結晶是同一種物質。沃勒在驚訝之餘,立刻寫信給貝吉理斯,並且強調這個尿素合成反應沒有使用任何動物的腎臟器官、組織、或生命成分!不論伯齊理斯當時是否完全信服,他的回信卻是樂觀與鼓勵兼具,肯定沃勒發現的重要性與前瞻性。 尿素是在18世紀從尿液中發現的物質。今天我們知道它含有兩個醯胺基(H2NCO),其實是兩個胺基(-NH2)接在同一個醯基(C=O)的碳原子上。在哺乳類的肝、腎中的尿素循環(urea cycle),淨反應就是將多餘的氨(NH3)與二氧化碳結合形成尿素,以尿液排出,以維持身體中氮素穩定的含量。 沃勒的發現無可避免的引起了科學界意識形態的戰爭。沃勒落在與生機論者抗爭的漩渦中心,在往後的研究中也的確用心的尋找更多將無機物轉變成有機物的例子。但是面對當時仍然十分原始的分析及鑑定有機化合物之技術,他也慨歎:「有機化學真是令人抓狂,就像一個沒有邊界卻充滿怪獸或驚人事物的原始林,惟恐一踏進去就無路可逃了。」又說:「我或許可以自誇在這新領域有些貢獻,但是複雜的化學式真是不得其門而入!」 簡單和複雜之間 複雜的事物較諸簡單的更具有挑戰性,科學研究更是如此。從蘇格拉底以降,分析方法正是化繁為簡,一旦能認清、掌控簡單的對象,求知的挑戰心和成就感就可能吸引有志者更上層樓。反之,面對過於複雜的現象,嚴謹求證者可能不得其門而入,穿鑿附會的想像卻敢夸夸而談。 所以科學在簡單與複雜之間是如何蘊育與成長呢?黑格爾曾說:「存在的就是真實;真實的就是存在。」卓姆斯基認為無知有兩種,如果面對不解的事物仍然提出合理的問題,即便沒有立刻獲得解答,常常可在探究的過程中獲得洞見與知識,和繼續尋找的線索。但是貿然訴諸神秘,就會侷限於愕然與困惑,不知所措的窘境。科學正是要尋找真實的存有,但是必須問對問題,才能踏上正途。 沃勒的挑戰不僅是化學。生機論的對手認為他用的起始物的根源仍然是生命。1981年諾貝爾化學獎得主霍夫曼描述沃勒合成反應的意義,不僅是在化學反應上,而是推倒了時代的高牆。生機論的信念不容混淆,生命與非生命的物質涇渭分明。面對根生蒂固的思想高牆,沃勒的工作好比薛西弗斯的巨石。1948年。他在哥廷根大學的學生柯耳伯從無機化合物合成了醋酸(acetic acid, CH3CO2H),再度重擊生機論。 生命是如此複雜與神秘,生機論在今天的社會中,甚至科學界未必全然消失。偉大睿智的法國醫生路易巴斯德曾以無氧發酵的過程,在1858年堅持細胞具有的生命素質並非如萊比錫主張的化學催化劑所能取代。萊比錫常被譽為是另一位有機化學的創始者。他創立了學校教育中有機化學實驗室教學的傳統,萊比錫發明的凝結裝置(Liebig kaliapparat)至今仍然是美國化學學會的標誌。 卡爾士魯赫大會(Karlsruhe Congress) 1860年9月3-5日,決定苯的環形結構的凱庫勒聯合了伍爾茨、威爾欽在卡爾士魯赫(Karlsruhe)召開了世界上第一個國際化學會議。會中,年方34的卡尼札諾在一百多位國際最顯赫的化學家面前討論眾說紛紜的原子量與分子量的問題。他從定比、倍比定律結合拉瓦節的元素論、道耳吞的原子論、亞弗加厥的分子論,將氫視為雙原子分子,優雅的推論出碳原子的原子量為12,氮原子為14,氧原子為16。在有機化學方面,碳原子是所有有機化合物的骨架。碳原子量的塵埃落定促成有機化合物化學結構式的共識。終於在十九世紀結束前迫使生機論的爭論從此雲淡風輕,有機化學及化學合成的進展遂得以展翅高飛。 卡爾士魯赫大會成功的簡化了化學家面對複雜世界的複雜爭論。這些爭論可能多少都影響到生物學與醫學的發展,他們都是在化學成為成熟的科學之後,在二十世紀才迎頭趕上。值得一提的是與會者中有一位二十幾許的小伙子。從聖彼得堡來的年輕的門德列夫在會議中大受啟發與激勵。他在1869年發表了第一個化學元素週期表,為拉瓦節歷史性的文明啟蒙立下美麗的新里程碑。這份成就未能在他1907年離世前獲得諾貝爾獎,應該是諾貝爾獎最大的損失之一! 嚴格來說,生機論的魂魄仍然糾纏在世間。從人文的角度看來,科學仍然不能確定是普羅米修斯或是薛西弗斯的後裔。   拉瓦節 (Antoine Lavoisier, 1743 –1794);貝多芬 (Ludwig van...

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教育傳播(Education Communication)

SHS計畫結案:檢討與建議(三) SHS計畫推廣「教育傳播」就是認為所有的專業都可以從事傳播,其基本概念就是大學或研究機構站出來承擔知識傳播的社會責任!   社會需要有信據的資訊 每一種學術專業都會發展出其面對或探究問題時必要的思維和認知模式。二十世紀,特別是兩次世界大戰後,許多學科加速發展,其偏重知識、技術而疏離價值、情意的趨勢較諸工業革命時代尤有過之。傳播本身也是專業,當然自有其理據和媒體的發展。逾半世紀的資訊和科技爆炸,傳播因為需要有信度的傳達不同專業的觀點,本質上就必須是站在「跨科際」的前沿。 生存倚賴資訊。就社會對資訊需求的情形看來,普羅大眾和各種專業包括媒體自己對資訊的關心和喜好,情況皆不盡相同,利害關係、語言及溝通習慣也互有岐異。譬如發生一件劣油食安事件時,政府在意法規,食品及分析專家會先著眼物料、技術和品管程序,很多民眾卻只在乎還有甚麼品牌的油能安心的食用。上中下游的食品產業、合法、非法的商業團體之利害關係又不同,所以何謂傳播「有信據的知識」,不僅事關個別媒體的信譽,也是社會系統運作機制、政治績效及公權力信任度的考驗。   重啟媒體與大學的跨界責任 當今高教的新興領域此起彼落,造成大學中科系所或研究中心的單位林立。不少「學科」課程中核心知識的角色模糊。楊照就曾經批評台灣很多新聞系的學生花了四年學了些半年就可入門的傳播技術,畢業時卻多無「專業」可言。入行時程度遠不如從「專業科系」跨界轉行的新聞記者。[1] 台灣的媒體其為公眾喉舌、針砭時局的社會良心角色漸趨式微,剩下的產業軀殼多在提供綜藝化、庸俗化、廣告化的雜碎資訊。這也許不能僅是怪罪媒體,即使以創造知識技術為重心的大學師生,對自己校園內有信據的資訊和知識從何或如何而來,都少有關心。校內的傳媒多在宣揚績效,殊少分析批判,有獨立媒體的學校更是極少。雖然BBS倡行,但較屬於學生互動平台,教師使用者少,師生缺乏跨界的交集。 今世代的大學不能只停留在傳統的「知識生產」(knowledge production)角色,專家們也應該主動的的承擔「知識傳遞」(knowledge transfer)的責任。[2]不論是站在公民科學(citizen science)、科技前景(technology foresight)、或跨科際學習的觀點,大學與研究機構必須重返社會,把專家的常識轉化成常民的知識。常民如果抱怨社會媒體資訊的混亂、不可信、或是沒有格調,通常只能消極的關機。學者專家與其抱怨社會媒體無能提供真實的知識,不如決心與行動並重,挑戰自身對社會的立場、價值、及工作。 就提供社會「有信據的知識」而言,除了媒體之外,大學為什麼不能學習善用日益普及的網路、多媒體工具,從事「教育傳播」呢?大學不提供知識傳遞就像不開放的圖書館、沒有流量的網站或無功能的資料庫。昔日留學美國時,就注意到許多大學都有自己的新聞社、出版社,發行獨立平面媒體或出版。許多專業學會都積極的對普羅大眾倡文興藝、教育社會。尤其現在文創及設計風行,自媒體傳播創業風起雲湧,校園媒體正可提供學生實務學習的機會,籌創自己的媒體,推動教育傳播,對外建立校園新傳播文化,對內打造師生對話管道及議事平台,此其時也!   專業知識的傳播 2008-2009年草創「台大科學教育發展中心」(CASE, http://case.ntu.edu.tw)時,有鑒於網路掌握了未來知識傳播的重要途徑,就決定仿效科學媒體流行的先進國家,擬定以「科學普及」和「科學傳播」同時支撐「科學教育」的策略。這種作法其實和目前以策展的手段推動教育的理念不謀而合。正是借重新興科技的多媒體工具及互聯網多元用途,以傳播的思維促進當時尚在襁褓的翻轉教學,讓科學教育走出教室、走入社會。 近年來,在SHS計劃(https://shs.ntu.edu.tw)中推動「跨科際教育」(Trans- Disciplinary Education),訴求不同專業的專家共同面對真實世界問題時先相互學習溝通合作,尤其是互動型專家(interactive expert)除了專研本科的知識,也要能主動向其他專家及社會大眾傳播有信據的資訊和前沿知識。[3]「教育傳播」認為所有社會需要的專業都可以從事傳播。學習跨領域傳播必須脫下專業象牙塔中傲慢的外衣,傳遞知識需要學習將專業術語轉換成閱聽受眾喜好或能理解的語言。進而鑑往知來、設身處地、更需要將心比心,才能有效發揮社會教育的傳播功能。這正符合當今大學發揮服務社會的大事業。 事實上,SHS總辦公室為了將計畫內容及執行過程同時傳播,就從不同背景科系聘了許多工讀生。他們的任務是由專任助理帶著設計網路、部落格、製作海報、協助記錄活動,編輯文字、特刋、現場攝影、撰寫研討會特寫稿、訪視訪談、演講現場聽打、逐字稿、撰寫活動側寫⋯等。工讀生雖未修習跨科際課程或傳播學分,但是寓學習於工作,實際上就是「做中學」。 這不是說新聞媒體工作不需要學科專業的基礎。傳播當然是專業,但是傳播技術的專業性範圍很寬,學生只是依工作的經驗啟發興趣和學習動機,再設定學習的優先順序,正是翻轉教學的精神。從跨領域學習的角度思考,新聞或傳播科系的學生的確可以鼓勵或要求雙主修(double major)或輔系。對就業取向的學生,任何科系的課程規劃都可以鼓勵選擇雙修、輔修、學程、實習的機會,提升高教的投資報酬率。No pain, No gain!   SHS Talks —教育傳播基本功的舞台 Communication在社會的面向是指傳播,在個體的面向是表達溝通,兩者都是跨科際學習的要素,而聽說讀寫的語文能力絕非竟日之功,一蹴可及。 個人溝通能力的培養可從課程中實施討論、報告、辯論等,加強聽說讀寫的基本語文素養。SHS計畫也效法TED的精神,舉辦跨科際短講(SHS Talks)活動,並且透過傳播呈現學生跨科際學習的綜合成效。這種以學生學習為本位的「知識舞台」可焦聚講者與公眾對於議題的關注,也落實溝通能力的養成。SHS Talks正式在2013年上路,不只是為了搭紅遍全球TED的順風車,也不僅是要為SHS計畫圖些熱鬧。台灣的舞台其實不少,獨缺以專業知識為底蘊的舞台。 每一個成功的知識文創事業絕不是只靠市場。TED的成功主要是讓IDEA(點子)在多媒體網路世代有了全新的詮釋。甚麼樣的點子值得傳播推廣?要有見解,能長見識和知識,它可以是好的、聰明的、用心的、投入的、原創的、獨特的、有趣的、感人的、啟發的、娛樂的……點子,在WEB2.0的場子上,點子可由專家教導,更可由普羅大眾來定義。庶民的點子與名流賢士有機會並列。常民能參與知識的舞台已經促成了專業之士和專家學者必須學習扮演新知識份子的角色。 同樣的道理,翻轉教室也在顛覆學校中教與學的關係。師、生之間原本不僅是有授受之別,更是社會倫理架構中的相對角色。大學的本業是研究。教師和學生在大學中的工作目標不論是學術、教學亦或是社會服務,基本功都在「研究」。大學研究的本質本來就是師生共學,或是教、學互長的求知活動,所以聞道者後發先至,青出於藍的例子早就所在多有。但是師、生的職分大多仍然受到社會倫理框架的約束,經不起學生在知識上挑戰的教師畢竟是多數。翻轉教室在東方的學校中真正的挑戰,應該是教師或制度能否讓學生參與一個有機會平起平坐,攜手共創知識與新倫理的舞台。 SHS計畫的目標是培養跨界人才,主張真實問題或議題導向的實踐學習。所以不僅可以順理成章的接受翻轉教室提倡的創新教、學的挑戰,更適合效法TED傳播知識或見識的精神。因為大學本當是生產專業知識的場所,而且教育和傳播的結合也能充分發揮跨科際教育的特質。讓學生把課程中所學的做個報告也許不是最難的事,但是要學生的報告講得讓聽眾聽了能覺得有見解、長見識,為講者叫好,佩服講者的用心、投入、原創、獨特,或受到感動、啟發、或因為有趣覺得喜悅快樂……,老師們就不得不謙卑的反省反省。 一所偉大的大學不僅應該創新學術、教育學生,也可以胸懷教化社會或為世界歷史文化啟智的雄心及遠見。所以大學跳出來做教育傳播正是要借重現代民主社會的特質與價值,貢獻大學於天下。何況語文的表達溝通本來就是知識份子跨界的基本功,SHS Talks不算創新,只是因緣際會的要把學生推到時代的浪頭上。但是SHS Talks當然不只是說說講講,因為網路多媒體世代的傳播更是要結合行銷和服務的概念。換句話說,就是為知識找顧客;用專業謀服務! 既然說SHS Talks是「知識舞台」,當然就不會拒絕「表演」或「綜藝」。在今天台灣的大學中談表演或綜藝或許已不足為奇,但是如果拿台灣演藝圈、人民議會或政治殿堂的表現來定義「表演」及「綜藝」,那就是邯鄲學步、井底窺天。如果說Hollywood重新定義了電影藝術;National Geographic重新定義了科學影像藝術;TED重新定義了提供知識的舞台,文化創新正是最能挑戰跨界實力的舞台。SHS Talks會有甚麼樣的面貌,就要看參加的師生如何投入表現,大學能否肩負教育傳播的工作,知識份子是否具備知識、文化傳承的思維和使命。 跨科際教育除了訴求跨越專業間的藩籬,也訴求高等教育必須跨越學術高塔,走入社會。專業使用傳播,正是硬實力可軟;傳播跨越專業,就是軟實力要硬!    

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前瞻的跨科際教育(Trans-Disciplinary Education)

SHS計畫結案:檢討與建議(二) 多領域與界領域(跨領域) 學界工作的基本技能是「研究和發展」,所以研究和發展必須是高等教育的核心學習目標。只是很多人誤會了,以為研究和發展的對象只有學術! 學術當然很重要!事實上個人以為學校的教學內容都應該有所本,那一本就是學術。但是高教的學習過程,學習內容呈現的方式,知識內容究竟是目標還是學習載具…卻可以有許多的版本,應該因時、地、人而制宜。當然今天很多大學仍然十分倚賴傳統講演,這也是無可厚非。但是淪落到教中學程度的內容,那真是逆水行舟,倒退櫓! 大學的多領域(multi-disciplinary)分科學制本來是以發展專業學術為基礎。二戰後的知識爆炸,造成專業修習年限的延長,以及跨領域 (inter-disciplinary) 研究的興起。新興領域創造了新的科系,「核心知識」的角色愈發模糊。進入二十一世紀,先進社會面對自然與文明、社會及國際問題明顯的有益發複雜多元的趨勢。高教中傳統分科的專業學習時間越長,好似發現和解決問題的能力可能就更弱化。在現實經濟層面,更多個人整體教育的目標是為了就業,而非訴求擴展心智性向,和內化崇高的器識志節。高等教育若能使教師和學生有共同面對真實世界問題(real world problems)挑戰的經驗,將會有助於提升學習動機,激發多元的教學創意。 2014年三月太陽花學運展現了驚人的社會動能。這正是當初SHS計畫規劃時所希望的跨科際教育中學習立法院審議民主的實踐課程圖像。推動總辦公室於四月先出版了以太陽花學運為主題的「SHS特刊」;隨後,一系列的「跨科際教育討論會」(Seminar on Transdisciplinarity, SemTDE)就催生了第一本SHS討論會文集—《知識、社會與公民科學》。[2] 事實證明,SHS主張的「跨科際教育」正符合前瞻的高等教育訴求。       跨科際(穿領域) 換言之,跨界學習正是方興未艾,並且符合近年時興的各類型教學翻轉的教育潮流。SHS計劃(https://shs.ntu.edu.tw)推動「跨科際教育」(Trans- Disciplinary Education, TDE)並不像「跨領域研究」(Inter-Disciplinary research),強調專業向領域的邊際研究(edge-cutting research)靠近,並且尋求創造新興領域的機會。反而是訴求不同專業的學者專家在共同面對的問題前相互學習、溝通合作。甚至要學習跳出專業的權威窠臼,與利害關係者(stakeholder)溝通合作,共謀問題的解決之道!學習不再受限於教室或學校,身為新世紀的專業公民有義務主動將本業的常識轉化為他人生活中需要的知識。自發、互動,發揮社會教育的功能。 [1] 2014年三月太陽花學運展現了驚人的社會動能。這正是當初SHS計畫規劃時所希望的跨科際教育中學習立法院審議民主的實踐課程圖像。推動總辦公室於四月先出版了以太陽花學運為主題的「SHS特刊」;隨後,一系列的「跨科際教育討論會」(Seminar on Transdisciplinarity, SemTDE)就催生了第一本SHS討論會文集—《知識、社會與公民科學》。[2] 事實證明,SHS主張的「跨科際教育」正符合前瞻的高等教育訴求。   SHS的第一步 SHS計畫提出以問題導向的學習(PBL)做為第一個關鍵切入課程發展的方法是合理且明智的選擇。「真實世界的問題」不僅能喚醒年輕人對自然或社會環境的覺知(awareness)和參與(engagement),同時也能引出跨科際的學習熱情。不同專業的專家本著自身的學術專長聚集,問題卻促使專家們必須跨出自己熟悉的知識圈,師生共同研究、共同學習,意見交鋒也交融。公共的利益召喚了利害關係人或NGO,權威的教導不得不轉型為溝通和協商。   最近芬蘭要用跨學科的主題教學取代高中分科教學的消息突然躍上檯面,他們稱之為現象教學(phenomenon teaching),甚至擬在幾年後將改革下推出中和小學。[3]譬如在歐盟的主題下學習內容可涵蓋經濟、歷史、地理、語言。這不僅是教學目標和教材的改變,也意味著教師角色、智能、教法的更迭。一些台灣媒體對這個消息只注意到「數學、歷史掰掰!!」(Goodbye, math and history)。實際上,芬蘭的前瞻性改革目標正是要在學生進大學前實施「跨科際教育」,作為社會參與者!   跨科際教育的概念 「跨科際教育」建議課程要從真實世界的問題或議題切入。如SHS部落格–「跨閱誌」所編輯的學科邊界(subject boundary)、公民參與及介入、多元性別或老年化、全球變遷及國際政治科學新勢態等都是社會中的前沿議題。[4]探究這些問題都需要理論和實務、專業與通識兼顧。其中許多面相尚未有學術定論,但是在法律、經濟、科技、健康、心理、人文、藝術等已經深刻的介入人們的生活。換句話說,許多議題沒有答案,大眾卻必須有抉擇。公民有學習的需要,卻沒有完備的教科書,這時正需要跨科際教育! 「跨科際教育」還有一個概念就是真實問題適宜寓研究於教學。以「做中學」(Learning by Doing)為操作的手段,推行問題導向的課群(course cluster)。PBL雖然早已在教學上有廣泛的研究與使用。[5]將其與課群結合正是因為一個主題下的跨科學習需要藉著多學科專業和通識知識的腦力激盪。對台灣的學生而言,這種需要知識統整連結的高階思考、對話大多是在畢業後於職場中習得。SHS計畫嚐試在高等教育中鼓勵「做中學」的實驗,引導部分淺碟化的通識課程轉向。各類學校可依治學目標和教學生態的差異,實驗對跨科際教育的適應程度。 從計畫實施的層面思考,參與的教師和學生都需要改變學習的思維與習慣,所以鼓勵教師發展社群,進行「課程設計與發展」(Curriculum Design & Development)的競合或協作。CDD就像教師的做中學,是師資培育有效的實務學習。這也正是芬蘭進行教育改革的策略。計畫推動的過程中,校外的社會人士、NGO、產業教育主管、國際教育團隊、未選課的學生…反而迴響超過需多計畫內的師生。這固然是遺憾,也是台灣教育必須面對No pain, No gain!的警訊。 針對學生的學習績效,SHS計畫建議以多元的過程評量為主,使學生走出熟悉的紙筆測驗和標準答案式的框架。尤其強調學習活動的過程,譬如討論、表達、溝通可以用語文、設計、文創的形式連結新興科技如多媒體、影像、網路的技術來傳達學習心得。在2014、2015年舉辦的兩次SHS...

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「SHS計畫」對台灣高教的想像(Imaging High Education)

SHS計畫結案:檢討與建議(一) 背景 自2010年蘇慧貞主任(當時的教育部科技顧問室主任,現在的成功大學校長)邀請我為顧問室提出一個「科學與人文」結合的中綱計畫,「對台灣高教的想像」就從未離開過腦海。 事實上,這個問題在1986年回國之前就存在我的心中,只是在2000年之前,一直是以國際前瞻科學學術研究為重心。1999-2002擔任國科會自然處「化學研究推動中心」(NSC CRPC)主任期間,推出了好幾個活動,旨在協助年輕研究人員提升各階段(包括fresh PI、博後研究員、博士生、碩士生、大學生)的研究能力、技巧、態度及學術生涯的「專業養成」(professional cultivation)之發展。當時選擇了安排老中青交流對話、互相觀摩學習的機會。這些經驗使我對研究生科學專業訓練的視野,有機會提升到高等教育中專業生涯規劃的層次。 在CRPC任期結束前,因為認同教科書「一綱多本」的教育環境,也接下了一份高中化學課本的主編工作。此外,當時正值台大的通識教育由四大領域轉型成八大領域,並進行相關的制度改革,我以物質科學領域代表的身分加入了台大通識中心委員會。這些過程都使我有機會學習以更寬廣的教育視野結合研究和教學的經驗,反省並學習高等教育相關的內涵,包括各階段教育的主體思維、目標、學制、課程結構、課程設計發展、支持系統、經濟配套、國際化、招生制度…等等,都是在實驗室的研究工作中未曾關心或甚少思考的面相。 基於此,我深信:教育是專業,沒有教育理念基礎的養育或教學經驗,十分可能無關於個人與集體教育的長遠目標。甚至可以因為個人利害,而跟社會、國家的教育目標相拮抗,或者背道而馳! 更認為:除了必須能夠描繪短期的教育目標,具備實施和實現目標的決心、能力、策略、與方法,參與教育政策工作或執行教育前導計畫,也應該對中長期的未來教育理想與前景要有想像。 通識教育 vs 專業教育 長遠看來,以精深專業(professionality)駕馭知識融通(consilience)仍然是高教不變的「才幹」核心指標! 台灣的高教向來建立在獨立學科的專業教育基礎上。近15年,MOE在五年五百億的領軍下,在各校推動教學發展中心的建置,趁勢結合了通識教育和高教教學卓越。從個人過去十多年參與校內外通識教育政策和計畫研習、規劃、審查的經驗中,我給台灣通識教育的總評分是65(C+)。這分數雖然不高,但就大學教育而言還算是個及格的分數。至少許多大學中因此拔擢了一些傑出及優良的通識教師楷模,也發展出一些典範通識課程。換句話說, 學生在大學中雖未獲得普遍性的深度學習與通識素養,卻還算有亮點—只是老師比學生亮眼;課程比學習亮眼。 不過看遠一些,即將實施的107課綱(雖然非屬高教)以多元智能、適性揚才為教育方針,並且以「自發、互動、共好的素養」為國民教育最終目標。大學通識教師以及課程教學資源(台灣通識網/http://get.aca.ntu.edu.tw/getcdb/)將來必然能發揮中小學師資培育、增能的啟發功能,對高中職將要推動的校本特色、彈性選修課程也能提供參考、學習的效益。一旦落實,必將嘉惠回饋於未來高教。 在新世紀中,台灣專業教育面對世局丕變的因應顯得遲緩又麻木。雖然一些國家型研究計畫的確有與國際前沿學術或技術發展接軌,但是高教系統下的制度、人事應有的發展都被學術資源和評鑑管考綁架。教育改進的企圖只能戴著形式主義的面具,在追求高教卓越的餘燼周邊繞圈吶喊,有心者皆知效益有限。行政單位在政治惡鬥的局勢下,許多專業人員的辛苦與國家資源也只是落於應付立法院惡形惡狀的刀俎邊之魚肉,一籌莫展。 從經濟力與社會力來看,台灣專業教育的成效從亞洲四小龍的盛景落到東亞資優行列之外,雖然大學仍不乏兢兢業業於研究、教學的教師,但是大學成立過於氾濫,師資良莠不齊,青黃不接。嚴格執教的老師眼看著自己努力的結果逆水行舟,不進反退,只能徒呼負負!研究所中的專業教育不求精進,教學又缺乏創新,就算還有個六十來分,以70分的及格分數考量,仍然是個不及格的紅字! 所以高等教育的專業教育思維與時代脫節,和通識教育內容的淺碟化、形式化拖累了學生的學習動機和學習力! 在過去的十來年中,不可諱言台灣教育的走勢是大學埋頭拼論文計點;中學奮力拼升學PR值;家長要求子女盲目爭取獎項和名校;學生無奈的拼考試、填鴨、背多分!加上行政部門與專業疏離的不當管考,到處務虛不務實。 當學者專家或是產業、企業大老都跳出來深深感嘆台灣年輕人喪失了上進心、競爭力,埋怨教改越改越糟時,可能就表示既得利益階層在擔心焦慮他們能夠掌握的資源利益趕不上時代巨輪的腳步了。換句話說,這些資深的社會人已經深陷於自己攪和成的泥淖,而且正在喪失對未來教育的想像! 教育生態 vs 教育制度 近年來,不巧台灣的社會的互信和共識皆處於低潮的窘境。與其以全民運動的方式全面改革教育制度,不如以計劃的方式激發創意,小點突破,改進教育生態。制度永遠不會「完善」。任何制度都會有人獲利多,有人覺得不公平。但是合理制度的必要條件是多數的執行者是否能秉持決定制度的初衷,善用競合,從工作中提升共識和同理心,或者創造出符合時勢的更佳選擇! 專業的最大價值正是以自身所學為社會做合乎公益的判斷。如何集合環境與眾人的能力,創造出最符合目標的成果。所以如果大學的意義本不在於論文點數;中小學校的意義不在於升學率;家長的成就不在於靠子女光耀門楣;年輕人的人生不在於拿高分,現今台灣社會汲汲於利的現象正凸顯了教育專業水準是失格又失職! 其實我本無意一味的責怪當權執事者,而討好一票啃老族或小屁孩。教育的關鍵在掌握權力和資源者應該先主動著眼於為教師和學生預備優質的教與學之環境,提供機會。從法理上,實在很難把學習環境的好壞怪責於不滿十八歲的年輕人。而生態環境的確是生命展現特質最關鍵的因素,學校生態正是模塑教師工作態度,學生學習動機的直接肇因。 學習是人類內在動機最強的天性之一。年輕人的學習慾望與生俱來,所有的社會中只有年輕人對自己的未來會有最多的想像!當然年輕的想像未必盡然符合社會化的訴求,年輕人的願望容或生澀,常是真誠實在。所以如果教育有問題,通常是社會迷失了願景,集體心思條理打了結。公共系統少了互信、共識、合作力,失序的社會必然是剪不斷、理還亂。 追根究底,學校生態還是植根於社會,學校制度固然制約於校外的行政、立法、經濟、文化、社會價值…等諸多影響,決策與執行仍然是校內成員的責任。高教環境中多數的教師如何看待整體和個人的目標,如何實踐專業的抉擇,不該輕率的諉過於自身之外的因素。面對全球快速的自然、文明變遷,高等教育的系統必須符膺多元、多樣價值的共生。制度是為了服務生態,生態是為了讓成員生存有理,充分發揮各自的角色,又能集合出共識的目標。   研究共通 vs 職能分流 高等教育工作的核心方法是「研究」,所以高教一切評鑑的準則也是基於「研究」。可以說是舉凡大學中的教職都必須具備研究能力,研究就是高等教育教學的共通能力。但是我們應該釐清研究是方法,是載具,大學教授專心致力於研究,研究的對象卻可以是學術,也可以是教學或是服務。用研究去解決公眾的問題,促進社會福利,都應該是大學可以接受的教職目標。 問題是一百多個學校,許多是轉型自職校、專科、學院、併校…,有普通大學、科技大學、工商大學、師範或教育大學、醫學大學…,「研究」真的是共通的嗎?如果這個問題有現實的困難,當初普設大學時,教育部大概沒有針對校長、教授考覈一下他們對高等教育的主體主張。 當大學教師以自身的研究工作為素材帶領學生學習時,要懂得翻轉。對學生而言,研究方法才是學習的目標,研究的過程,不論何種學科、形式,常常都是學習載具。譬如學習內容艱深的理論,作業可以是載具。上課不一定要照本宣科,作業可能提供更好的學習過程。實驗或實習都是身歷其境的過程,食譜式的SOP也是載具。要能針對問題思考,體驗探究的實踐才是目標。 現今鼓勵大學發展多樣特色,正好亡羊補牢。譬如急於追求「學術卓越」的大學打算放多少力量來精緻教學?與產業接軌的學校,是否還是以學術論文的發表作為教授們升等的指標?若果是,學生在論文產出的過程中學到了多少進入產業必需的能力與準備? 既然學生的前途是多樣的,高教教師的職能就應該分流。不同性質的大學要設定各自的目標,學校的發展和管理就需要  研究方法仍然是共通的手段,但學生的學習進路可以依教師的專長或經驗發展出不同的取徑。專業的學習方面要有統合知識,發現問題、解決問題的經驗。通識的學習方面,一則要能有知識的融通,一則要能參與、連結於社會或生活,學習與他人溝通對話。換言之,跨界學習將是連結專業與通識教育的契機。 希望5-10年後台灣有超過一半的大學設定清楚的短中長期治校目標,而且努力實踐。 這些學校中有超過一半的教職員能找到自己的研究方向和興趣,熱衷的研究精進,追尋理想;也有超過一半的教師不斷的在教學或服務上嘉惠學子和社會。 同時,任何時候都有超過半數的學生在大學中找到未來生涯規劃的方向,樂於學習,把握機會,激發潛能,對自己和社會的期許與時俱進。

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黑體輻射的直觀理解(Black Body Radiation)

轉載自科學月刊(Science Monthly) 2016年3月29日 作者/吳其錡(現就讀國立臺灣師範大學化學系二年級)、李祐慈(國立臺灣大學化學系學士,美國麻省理工學院物理化學博士,現任國立臺灣師範大學化學系助理教授) 1900年,42歲的蒲朗克(Max Planck, 1853~1947)在德國物理學會發表了《標準光譜之能量分布定律》(On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum),提出對黑體輻射實驗觀察的理論推導,當中介紹了電磁波能量量子化(energy quantization):E=hv的觀念。此舉在物理學的發展史上具有劃時代的意義,通常也被視為量子力學(quantum mechanics) 興起的開端。所有近代物理學課本,要介紹量子力學時莫不由黑體輻射談起。黑體輻射的自然現象,其實早至上古鐵器時代就已為人所知。當加熱鐵塊時,之所以能夠感受到「熱」,是因為熱輻射傳導紅外線至皮膚表面。加熱至相當溫度後,鐵塊會呈現由黃紅色至藍白色(若使鐵塊保持不汽化的狀態下),則是因為被給予的能量上升,所放出的最強輻射頻率藍移至可見光區。 圖一:加熱至高溫時,木炭呈現紅色。 黑體輻射模型 所謂黑體是一個理想化的模型,可以吸收所有照射於表面的電磁波,在某溫度下達熱平衡後會釋放出特定的電磁波光譜圖。早期對黑體輻射光譜的定量理論,是由觀察不同溫度下所測量的光譜中歸納出的維恩位移定律(Wien’s displacement law)與斯特凡–波茲曼定律(Stefan-Boltzmann law),如圖二。在能量子的概念發展出來之前,科學家試圖以古典統計力學出發,來解釋黑體輻射光譜分佈的瑞立–京示定律(Rayleigh-Jean’s law)在低頻部分符合實驗上的測量,但在高頻部分卻會無止盡的上升。以瑞立–京示定律計算,則黑體輻射強度在頻率趨近於無窮大時亦趨近於無窮大,也就是說無論在任何溫度下任何物體都會輻射出超強的高頻紫外光,這顯然與物理事實不合,又被稱為「紫外災變(ultraviolet catastrophe)」。1900年蒲朗克發表的論文針對的正是這個問題。他在推導的關鍵過程中引入能量不連續E=hv的概念,解決了不合理的紫外災變現象,也使導出的曲線不只是定性上類似,甚至在定量上可完全重現各種實驗條件下所觀察到的光譜圖(如圖三)。 圖二:在不同溫度下測量的黑體輻射光譜。溫度越高,光譜之波峰對應到的頻率越高、波長越短(維恩位移定律),所發出的總電磁波能量越強,亦即光譜涵蓋的面積越大(斯特凡–波茲曼定律)。 圖三:兩種描述黑體輻射光譜的理論:由古典力學出發的瑞立–京示定律及引入能量子概念的蒲朗克黑體輻射定律。 但要能夠清楚說明,何以僅僅是引入能量不連續E=hv的概念,就能神奇地導出完全符合實驗觀察的曲線,卻不是件簡單的事。進階的物理教科書中,導證瑞立–京示定律和蒲朗克黑體輻射定律時,至少需依序討論四個重要的觀念,分別是空腔中可存在之不同頻率諧振盪(harmonic oscillation)的能量狀態密度(density of states)、熱力學中的能量均分定理(equipartition theorem)、電磁波與物質交換能量之最小單位(E=hv)、以及統計學中的波茲曼分布(Boltzmann distribution)。要嚴謹地講授其中任何一個觀念,往往又需要深厚的相關學門知識,不是一時半刻、三言兩語就可以說清的。因此從高中物理學課本、乃至大一入門的普通物理學、普通化學教科書,對此通常都是草草帶過,只簡單說明「蒲朗克引入了E=hv,就神奇地解決了古典理論的瑞立–京示定律預測的紫外災變,開啟了量子力學的序幕」。 幾年後,愛因斯坦(Albert Einstein, 1879~1955)大膽地將此概念應用於解釋金屬之光電效應的原理,從而確立了「光量子」的概念。直到1918年,經過愛因斯坦、波耳(Niels Bohr, 1885~1962)等人確立量子在物理學上地位,共經過十多年量子論才廣被接受。比起黑體輻射,光電效應的理論推導直截了當,大部分理科學生在學習量子力學時,多半是由此開始建立hv是為光子之基本能量貨幣單位之概念。相較之下,具有深刻歷史定位的「黑體輻射」,因為令大多數人難以具體掌握光量子在其中扮演的角色重點,就顯得「莫測高深」了。 古典和量子的差異 蒲朗克的黑體輻射公式推導,真有這麼難說明嗎?乍看之下,瑞立–京示定律和蒲朗克黑體輻射定律有一個最基本的差別,就是前者的輻射密度隨頻率增加而不斷攀升,是沒有上限的遞增函數,而後者則先隨頻率增加而上升,在某個頻率下達到最大值,繼而隨頻率增加而下降(如圖三),接著才應討論何以不同溫度會對應到不同的最強輻射頻率。即使無法在定量上解釋此曲線的數學公式是從何而來,只要能定性的說明何以古典與量子的假設會預測出完全不同的兩者曲線模式,一定就足以讓學習者對光量子有深刻的體會。 黑體輻射的問題,在於一個黑體在熱平衡下,如何將熱能分配給不同頻率的諧振盪。各個諧振盪所分配到的能量,又會以電磁輻射的形式放出而可用光譜儀分析。以下我們以一個簡單的故事情境類比,試圖說明古典和量子的能量分配方式,所呈現的黑體輻射光譜圖為何會有如此基本的差異。 把電磁波能量當作貨幣 假設我們將不同頻率的諧振盪所分配到的能量(不同頻率之電磁波在光譜圖上之強度),想像為一個國家裡不同身高的人所分配到的財富額度。這個國家有著非常特別的人口比例,高的人遠比矮的人多,而且身高越高,人數越多,身高是沒有上限的,無論你身高多少,永遠都找得到比你更高的人(而且人數更多),是比《格列佛遊記》裡的大人國更神奇的「高人國」。高人國的人口分布是如圖六所示的拋物線狀,亦即身高為V的人數 ∝ V2,如圖四(a) 其中一個遵循古典物理學理論的高人國實行的是「共產制度」,他們深知「不患窮,只患不均」的道理,因此在財富分配上主張「每人分到的錢一樣多」。那麼每個人該分多少呢?天時好(氣溫高),收成好時,大家就一起分到比較多錢;天時不好(氣溫低),收成差時,每個人就一起分到比較少錢。換句話說,每人所分到的額度和溫度T成正比,但總之同樣溫度下每個人的收入都一樣多〔註一〕,如圖四(b)。因此如果我們想知道,不同身高的人所得到的財富比例為何,就會呈現和人口比例相同的拋物線分佈,如圖四(c)。 每個人可以獲得的財富 ∝ T 身高為V的人口所擁有的總資產 ∝ V2T 圖四:遵循古典理論的財產分配方式。身高為V的人所擁有的總資產隨身高成拋物線狀無限上升。...

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科學家的視野—宏觀與微觀的邊際

  哈伯太空望遠鏡將人類心智視野引向宇宙的邊際 近二十年來,宇宙學(cosmology)絕對是最夯的新興科學領域之一,而且是吸引媒體關注焦點的專深物理題材。不僅是小說類的外星人、宇宙奇航,連黑洞或火星探險殖民都能成為好萊塢熱門電影的腳本。甚至希格斯粒子、重力波這類艱澀的物理學術名詞都成為新聞頭條,當然也是常民覺得好奇有趣的對象。 在諸多先驅的學術研究項目中,美國NASA主導的哈伯太空望遠鏡(HST),無疑是科學殿堂中的明星名流有如薩根、霍金者,其發現總是能博得全世界媒體的眼光。HST顧名思義是紀念主張宇宙仍在擴張的二十世紀美國天文學家哈伯。1990發射放置於拔海逾260公里的太空軌道,其上裝置有質淨2.5公尺的望遠鏡、各種光學相機,也有先進的近紅外光、可見光、紫外光、X-光光譜儀。自從約四百多年前,伽利略將望遠鏡指向星空,HST雖然孤獨的遨遊於太空,沒有了大氣的干擾,它絕對是提供了我們的宇宙距離大爆炸(Big Bang)已有137億年之久的主要貢獻者之一!           望遠鏡促成了科學革命 望遠鏡不只是一個科學工具;望遠鏡也不僅延伸了科學家眼睛的視力範圍。視野(scope)其實是投射出觀察者心智寬廣度的邊際! 人類歷史上第一位將望遠鏡指向星空的是被譽為實驗物理之父的伽利略。他曾說:「第一眼看上去認為不可能的事,有時僅用少許理性的分析或解釋,就可把遮蔽的掩飾除去,顯露簡單赤裸的真理之美。」正顯示了立志回復柏拉圖以數學和誠實的理性認識世界的典範。當他發現木星周圍有四顆環繞的衛星時,就決心放棄教廷及世人眾口鑠金的「地心說」,而承繼了哥白尼和克卜勒革命性的「地動說」觀點。      伽利略率先用數學非直觀的描述了力與運動的因果關係,並且提出地球重力論。科學革命的貢獻是近代科學家選擇站在歷史中自然哲學、理性哲學及形式邏輯的基礎上,學會設計實驗方法和工具,焦聚問題的核心,獲得了可驗證的數據和資訊。牛頓在1687年出版了自然哲學的數學原理(Principia Mathematica),提出運動三大定律和萬有引力定律,集物理力學之大成而完成了科學革命。 近代科學結合了實驗、批判思考和想像力,終於使心智突破感官的極限。宇宙學、天文學與理論物理學家的視野因而得以超越了歷史中的帝王對星象的幻想和遐思,甚至科學知識得以預測前人哲士賢者未曾思考、經驗甚至想像的現象! 顯微鏡揭開微觀宇宙 類似的例子是十七世紀荷蘭的魯文霍克將顯微鏡改良,並且指向視力無人能及的微生物世界。同時期英國皇家科學院的虎克不僅是牛頓的宿敵,他在1665年出版的「微觀視界」(Micrographia)中首創了細胞(cell)一詞。書中手繪的跳蚤讓倫敦民眾大為吃驚,這種肉眼難以辨識的黑黑小小來去無蹤的昆蟲,其有如變型金鋼的後腿可以讓它們一蹬可達一英呎。其力學效益好比一個人一躍三百英呎!雖然蚤目演化的歷史仍不清楚,從今日的電子顯微鏡下觀看這些可以寄生在各種哺乳動物或鳥類身上的跳蚤,其身體結構、生命週期、生活型態仍然讓我們驚訝不已。    更重要的是顯微研究為人類心智開啟了另一扇窗。超越人類經驗的空間與時間尺度雖非無稽,卻是處處受限於我們的感官。永恆和無限只有在上帝的國度才能被允許。所以從猶太教到基督教和回教的宇宙觀是以地球為中心。上帝以天頂蒼穹為邊際,攝下了空間的界限。祂是阿爾發(A),也是俄美嘎(Ω);無始無終,自有永有。但是霍布斯的世界有了新的階層,望遠鏡和顯微鏡先後應世,為科學家開拓了新的視野,也改變了科學家對世界觀和宇宙觀的想像! 思考與實證的聯姻邁出人類文明的一大步 十七世紀理性主義抬頭,培根和迪卡爾對思考的方法和對知識的態度,在數學與物理學上開花結果。但是對物質組成的思維仍然走不出煉金術的迷宮。牛頓對重力和萬有引力的力學研究滿足了人類對物質世界運作律則的知識,他也許認為鍊金術可能引向心靈世界的奧秘!科學革命跟隨宗教改革和文藝復興的步伐,如畫破黎明的曙光,世人卻多仍在夢鄉沉睡。 同時代的波以耳基於牛頓的物理成就,接受了霍布斯的機械哲學(Mechanical Philosophy)以及當時盛行的微粒論(Corpuscularianism)。不同的元素有不同的微粒,其排列、集合、重組、分解形成了多樣、形變的繁複世界。的確是非常先進的概念,波以耳甚至確立了以簡易有序、可以設計、理解重複進行的實驗,奠定詳實紀錄且可以檢驗結果的典範。 由於波以耳不能辨別釐清元素的真偽,也無法在實驗中切實區辨元素和化合物。科學界篤信「燃素論」是燃燒現象的原因,卻無人能證明燃素的存在。對於物質性質的變化,波以耳也無法捐棄鍊金術的窠臼,甚至狂熱的探索「哲人之石」的奧秘,迷失在科學、形上學、及宗教混淆的夢魘中。 波以耳雖然出版了「懷疑的化學家」,將alchemy 改成chemistry,直到十八世紀,拉瓦節才能真正的領師揮別了鍊金術的幻境,直搗近代化學的康莊大道。 關鍵詞(Keywords) 望遠鏡(telescope),顯微鏡(microscope),視野(scope),宇宙邊際(The edge of the Universe),宏觀與微觀世界(Macroscopic & Microscopic world) Reference: http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=5726 薩根(Carl Sagan 1934-1996);霍金 (Stephen Hawking 1942~);哈伯(Edwin Hubble 1889-1953);伽利略(Galileo Galilei 1564-1642);柏拉圖(Plato 428/427 or 424/423 BC – 348/347...