置頂

物理與化學是很有趣的兩門學科,對我來說這兩類的學問幾乎就是許許多多有趣的遊戲。也許有人覺得物理與化學太專門或者太嚴肅,對這一點我想說得是:當你很喜歡這個遊戲的時候,你自然就會慢慢變得很專門,你也會很認真,甚至有時候會很嚴肅。
但是別忘了其中的樂趣,這些樂趣是吸引了許多人投入這個領域的極大誘因。 如果你喜歡這兩門學科那很好,請好好的玩它!如果你沒有那麼喜歡,那也無妨,你還是可以從中獲得一些樂趣。

2015年9月6日

我們應該教導「正確」的科學觀念嗎?

這是什麼問題?我們當然要力求我們教給學生的科學觀念是正確的不是嗎?我想要談的是如果追求「正確」會造成學生學習上的困難,那要如何取捨?

先從這篇文章談起好了:賭博、擴散與擴散實驗(按下去會下載一個word檔喔)

這篇文章很棒,把擴散這件事情講的非常的清楚。也釐清了許多關於「擴散」這個名詞的錯誤概念。的確在國高中的時候,老師都是用紅墨水在水中會慢慢變均勻以及在教室裡面有個人撕開橘子皮之後,短時間內全班都聞到橘子香味。但是這些都是錯誤的關於擴散的例子,因為單靠擴散的話,粒子傳播的速度太慢了,不會在短時間內跑這麼長的距離。

"Diffusion (1)" 由 德文Wikipedia的Jkrieger - Transferred from de.wikipedia to Commons.(Original text: Selbst gezeichnet)。 使用來自 维基共享资源 - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diffusion_(1).png#/media/File:Diffusion_(1).png 的 公共領域 條款授權



要在短時間內傳播這麼遠的距離,靠的不是擴散,而是其他像是粒子的流動等等的因素。

啊等等!那到底什麼是擴散呢?擴散是「是分子通過隨機分子運動從高濃度區域向低濃度區域的網狀的傳播」 Wikipedia
意思就是,在流體裡面,就算在完全靜置的狀態下,粒子還是會隨機的運動,最後濃度會慢慢的達成均勻。

好啦,我有看懂了,但是這真的是我們原本要教學生的內容嗎?這些內容學生能夠聽懂嗎?我們真的必須在國小國中階段,跟學生釐清楚什麼叫做「隨機運動」,隨機運動下,每個分子的平均自由徑這些觀念,才能夠講「擴散」嗎?「這個情況才能叫做擴散喔,那個情況叫做逸散、另外一個情況叫做oo、那個情況又不一樣,叫做xx」

「擴散作用」是科學上的專有名詞,有嚴謹的定義,在科學的對話中,對於專有名詞的定義必須非常嚴謹,這個我們可以理解。但是在教學的對話中,刻意要求科學對話的嚴謹,會讓對話無法進行。

在科學教育中求「正確」,我認為是對的。我想要談的是如果追求「正確」會造成學生學習上的困難,那要如何取捨?

我想分幾個角度去談,一個是到底要多正確才是正確,在科學上我們真的能夠保證正確嗎?第二個是「錯誤的」科學概念就一定會阻礙學生學習科學嗎?

什麼是正確?科學就等於正確嗎?在科學教育上,應該要多正確才行?什麼叫做「多正確」,不就是「正確」和「錯誤」兩種嗎?

如果有人說水的氫離子和氫氧根離子濃度相乘是 1 x 10 ^ -14,你會說他是對的還是錯的?
有人說:對啊
有人說:不對,應該要說在室溫攝氏25度的時候,才是 1 x 10^-14
有人說:不對,攝氏25度的時候,是1.008 x 10^-14,攝氏22度的時候,才是1.00x 10 ^-14
有人說:不對,即使在攝氏22度的時候,也不是這個數字,是1.00........... x 10 ^-14才對


有沒有覺得快要翻臉的感覺?氫離子和氫氧根離子濃度相乘是 1 x 10 ^ -14 是對還是不對,其實就看我們想要做什麼。大部分的情況下,這樣描述一點問題都沒有,我們根本不需要在意千分之八的差距。但或許在某些精密的化學實驗中,這千分之八太大了。 It's depends,在你沒有談清楚你想要幹嘛的時候,追求精密度是沒有意義的。你真的知道你需要什麼嗎?

圓周率是3? 3.14? 3.1415926? 如果你只是在教小學生圓面積、圓周長的計算,圓周率用3去練習一點關係都沒有。在需要的時候,再提高精密度變成3.14, 甚至3.1415926,就可以了。圓周率用3去練習,是拿掉不相關的困難,將學習能量集中在我們的教學目標上。

以上是其中一種正確和不正確的想法,還有一種正確與不正確的想法,是科學描述上的正不正確。

在力與運動的理論裡,亞里斯多德認為各物體只有在一個不斷作用著的推動者直接接觸下,才能夠保持運動。牛頓則說力不是保持物體運動的直接原因。力只能改變物體的運動狀態。力與運動狀態改變的關係是 F=ma,力與加速度成正比

愛因斯坦則說....好啦你知道我要說什麼,總之愛因斯坦的理論又修正了牛頓的說法。

一般人在國中教育階段大概無法忍受我們提供亞里斯多德的說法給學生成為正式的課程內容,但是我們卻可以「忍受」提供一個我們明明知道已經被修正的牛頓的力與運動觀點給學生。

為什麼我們不會因為要追求正確,而直接使用愛因斯坦的說法呢?

「因為那太難了學生聽不懂啊!」

對啊,如果一個說法太難了學生聽不懂,我們會用學生比較聽的懂的方式去教學生不是嗎?即使我們知道這說法是有一些些錯誤的,我們還是會用啊!

「因為在大部分學生觀察的到的世界中,牛頓的說法就很夠用了啊」

對啊,所以攝氏25度的時候,氫離子和氫氧根離子濃度的乘積是1x10^-14,其實超級夠用了啊。

「不不不,你的這些說法,是討論精準度的問題,並不是科學名詞誤用的問題,balah balah...」

對這些想法我想說的是,我們都需要做一些選擇。如果你想把一件事情說正確的結果,是沒有人聽的懂,那我們真的要這樣做嗎?或許在科學研究上,我可以接受這種因為超越而造成的曲高和寡。但是在科學教育上,你搞到曲高和寡,學生跑光,真的是有比較好嗎?

我想談的第二個問題就是這個,有時候「正確」反而是阻礙學生學習的原因的時候,怎麼辦?「錯誤的」科學概念真的很糟糕,會造成很大的傷害嗎?其實不見得。

科學上有許多「錯誤的好想法」,雖然是錯的,但是對科學的幫助很大。例如科學上其實花了很久的時間在認識「熱」。有很長的時間,我們認為熱是一種物質,沒有質量,會流動。稱為「熱質說」。事實上,即使到今天,我們對於熱的觀念仍有大部分是以熱質的想法去思考熱的。舉例來說,國中課本在化學反應式中,就已經可以接受這樣的寫法:

 2NO2 --> N2O4 + 熱

這樣的寫法,就很像把熱變成一種生成物不是嗎?如果你去問許多人熱與溫度的關係,大部分的人談的最好的,或許都不是把熱與分子運動連結在一起,而是把熱當成一種物質去談。其實這個思考模型,可以幫助我們去理解非常多的事情。

對,其實這東西,就是一種思考模型。建立模型之後,從相對較簡單的模型模式,去思考自然模式。這樣的思考策略,可以幫助我們理解自然界(當然也會造成一些誤解)。這樣的錯誤,是不是會阻礙科學發展呢?反而不會!一個好的模型,即使是錯誤的,也會推動科學前進。熱質說還盛行的年代中,瓦特改進了蒸汽機,傅里葉建立了熱傳導理論,卡諾從熱質傳遞的物理圖象及熱質守恒規律得到了卡諾定理。這些理論都是從熱質說建立起來的,它們都把科學和科技往前推了一大步。但卻是依據錯誤的熱質理論!

直到十八世紀侖福德伯爵鑽砲管的時候,才發現的熱質說的謬誤,慢慢的我們建立了運動說來解釋熱。

錯誤的科學理論會不會阻礙科學發展?當然會!但是常常好的錯誤理論也會幫助科學發展,同時也會幫助學生思考。何況錯誤的科學理論,是不可能避免的,我們永遠是在錯誤中慢慢的學習。對於學生來講,(現行的)正確知識當然很重要,但是如果為了科學的進展,更重要的是侖福德伯爵的眼光不是嗎?

全世界不會只有他在鑽砲管,為什麼只有他意識到了熱質說跟這個現象的衝突?這個觀察、思考、進行實驗、提出觀點的能力,才是真正推動科學前進的動力。


從科學史拉回教育

我認為對科學老師而言,力求自己的科學知識正確,是毫無疑問需要精進的。但另外一件教學專業,就是對教學內容的取捨。

當然,最佳的情況是,我們既能講的正確,又講的讓學生接受又聽懂。但是有時候就是做不到。好的錯誤觀念,會不會阻礙學生的科學學習呢?當然會!但是如果「正確觀念」阻礙更大呢?教導好的錯誤觀念,學生將會在未來某個時間點遇到阻礙,但或許他永遠也碰不到這個阻礙,或者在他未來能力更好的時候,他會更有能力去克服那些阻礙。就像某一天,圓周率從3變成3.14的時候,學生會不會翻桌說:「為什麼以前講的是錯的?為什麼不要一開始就教我3.1415926呢!」

好,那我們就退而求其次,我們其實可以講的「不錯誤」,然後讓學生聽懂。正確,和不錯誤,是不一樣的。回到「擴散」這件事情,如果生物課要教「擴散」是為了解釋在細胞內物質的運動。我們如果又很在意「擴散」的定義不可以錯的話,那我就不要提出科學的專有名詞好了。我們可以說:物質的粒子,會用各種方式跑來跑去的唷,你看我打開一罐香水,過一陣子你們聞到了,是不是就是香水的分子跑到你鼻子裡了?所以你看物質的粒子會跑來跑去,細胞裡面的物質粒子也會跑來跑去......

捨棄「擴散」這個專有名詞,換來的是,學生有能力在腦子裡面放一堆跑來跑去的粒子,並且用這些跑來跑去的粒子來理解世界。
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