2014年7月18日 星期五

如何做食蟲植物的科展


因為經常有人問我有關製作科展的問題,我曾經是高中生,也做過科展,當然能了解高中生看到奇特的食蟲植物之後,不免會想到是不是能研究它,然後做個科展,接下來就會幻想拿到科學大獎,各界佳評不斷,人生從此一帆風順。

(原文刊載於食蟲植物記,但修改及增加部份內容。文長慎入,而且很大篇幅與食蟲植物無關,但若你有升學方面的困擾,或是嚮往科學研究,本文應該值得一讀)


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不過很可惜的是,我只會告訴你,我對於科展的看法是:食蟲植物沒什麼好做的!

也許你正懷著興奮的心情,看到我的部落格有關於科展製作的文章,你一定滿心期待我的文章能給你什麼啟發。但是,以我這樣研究食蟲植物多年的人卻告訴你,食蟲植物的科展沒什麼好做的,想必一定令你感到失望、困惑,或者生氣。

在你關掉這個視窗之前,不妨繼續讀讀我的故事。

高中對我來說已經有點遙遠了,但是高中生活對我來說是段美好的經驗,許多往事仍令我回味不已。高中生活對我來說是非常忙碌的,因為我將許多的時間投入在校刊編輯上,為校刊付出許多,也為此與老師、家人吵過架。不過我的成績還過得去,不像有些學長姊因為玩社團玩過頭而留級。升上高三時卸下社團的職務,本來應該就此專心唸書,準備聯考,但此時我的心思卻逐漸轉向食蟲植物。

在我讀高二時,假日花市突然有人進口一些食蟲植物,從此之後便為此而著迷不已。在此同時,我的生物成績也大幅進步,在全校可排到前幾名,因此引起生物老師的注意,也因此和生物老師有較多的互動。

要升高三時,我也像各位一樣興沖沖地跑去找生物老師,說我想要做個食蟲植物的科展。生物老師說「好啊!」之後就讓我去做。但事實上,我和老師一點頭緒也沒有,真不知該做什麼。那時候,老師想說就來研究環境中氮含量對食蟲植物食蟲能力的影響。所以一開始父親就要陪我去野外採集一些小毛氈苔回來種,那時經常每個星期要去野外,有時找不到什麼就空手而回。

後來在實驗中要控制人工栽培環境中的氮含量,所以想用水耕的方法,利用化學藥品配製培養液,便能自由調控培養液裡的氮含量。老師讓我開藥品清單,讓我買我想要的藥品,藥品買回來之後,我便開始配製培養液。

但是配製培養液其實很困難,尤其是想配製出不含氮的培養液更難,這是因為很多原料都是含氮鹽類,例如硝酸鉀。如果要調配出不含氮的培養液,那就必須採用其他不含氮的鹽類來代替,例如使用不含氮的鉀鹽,像是氯化鉀。另外,高中實驗室的天平並不好,不夠精密,有些微量試劑秤得不準,所以不知道最後調配出來的培養液與當初設計的差異有多大。

直到了大學三年級時,我修了一門植物組織培養課程,才知道培養液的配製其實包含高度的知識及訣竅,尤其是後者不一定很容易就能從書上查到,例如有些化學藥品只有在特定條件之下才會溶解,因此若你不知道這件事,以為拿到配方照做就好,那就錯了。但為什麼這些技術沒寫在書上呢?因為這些技術其實很簡單,是這門行業的常識,所以純粹藉由口耳相傳,幾乎沒人想到要寫入課本裡。另外,大學的儀器遠比高中優越許多,不管是微量的重量還是液體的酸鹼值都很容易測得精準,化學藥品的種類更加齊全,想配什麼都配得出來。

另一方面,在當年幾乎沒什麼食蟲植物文獻可供參考。當年網際網路才剛略具雛型,我直到上了大學才知道有WWW這個名詞。後來碰巧在台北市立圖書館找到一本原文的食蟲植物書「Carnivorous Plants of the World」,我當場辦了借書證並借回家,也印了它,不過因為我的英文能力很差,所以一直沒去讀那本書。再說,那本書的內容主要為園藝栽培,對於科學方面的介紹並不多,即使讀完了,對於科展大概也沒什麼用。

其實在當年有一個人阻止我,那個人就是我的家教,他是台大理工科系畢業的碩士。他說如果想要做科學研究,應該考上大學,才會有完善的資源供你使用,現在還是先準備聯考吧!不用說了,我當然聽不進家教的勸導,我正要開啟我的研究事業,家教你又如何懂得我的心情呢?
後來,漸漸地發現自己能力的極限,以及實驗上的問題越來越多,於是在幾個月之後放棄做科展了。

好了,看到這裡,你有沒有覺得和我過去所做的很像?若你做了科展,你會不會覺得你將來也會與我一樣,陷入同樣的困境?然後不知道該怎麼辦?以一個曾經做過科展的人來看,我之所以不讚成做食蟲植物的科展,那是因為我看見你也正在重蹈我的覆轍,如果你就這樣跳進去,注定以失敗收場。

研究食蟲植物有多困難?

究竟研究食蟲植物的困難在哪裡?困難到什麼程度?以下我可以舉一個例子來說明,並提出一些可能的解決方案,這樣你應該就能了解到這種困難不是現在的你所能解決的。以下這個問題是常有人問的:

如何分析毛氈苔消化液的成份?

食蟲植物之所以有趣,便在於其食蟲的特性,也因此大家最常想到的研究題目便是研究食蟲植物消化液的成份。要做這個研究之前,首先該做的工作就是收集足夠的消化液,才能供作後續分析之用。如果要收集豬籠草的消化液很容易,倒出來就好了,而且份量很多,但是你可曾好好想過要怎麼收集毛氈苔的消化液嗎?

在實際開始工作之前,我們可以先在紙上計算來估計需要多少毛氈苔。毛氈苔腺體的形狀通常為橢圓體,所以消化液也大略呈橢圓體,因此將整個液滴體積扣掉腺體體積便求得消化液所占的體積。為了簡化計算,我們暫先忽略連接腺體的柄所占的體積。假設某一種毛氈苔消化液液滴外徑的長度為1 mm、橫切面為直徑0.6 mm的圓形,而腺體所占尺寸為液滴外徑的2/3,橢圓體體積公式為4/3πabc (a、b、c分別為三個軸的半徑),所以一根腺毛上的消化液含量計算如下:


對於體積0.133 mm3可有概念嗎?換個方式來說,1毫升為1000 mm3,所以如果想要收到到1毫升的消化液,需要的腺毛估計如下:


這就表示,需要約7500根腺毛才能收集到1毫升的消化液。但是要把腺毛上的消化液完全收集下來並不容易,因為它很黏,不太容易把它從腺體上拿出來。如果保守估計收集消化液的效率為50%,那就是說,腺毛的需求量就要2倍了,也就是需要15000根腺毛。其實要拿這麼多的腺毛並不難,一片Drosera capensis的葉子就約有500根腺毛,因此只需要30片葉子,一株夠大的Drosera capensis足以提供這麼多的葉子。

關鍵的問題來了,你要如何把消化液收集起來?當然不可能一根根地收集。最簡單的方法就是用水洗,把毛氈苔的葉子浸在水中,黏液就溶到水中了。但是這麼一來又有新的問題,我們原本只想要收集1毫升的黏液,但在收集的過程中可能得用一杯數十到數百毫升的水來洗,所以樣品就被稀釋數十到數百倍,如果儀器的靈敏度不夠,可能測不出什麼結果。因此接下來有兩條路可走,看是要把樣品濃縮,還是直接用更靈敏的儀器來量測。

濃縮的方法有幾種,比較便宜的做法是真空減壓濃縮,藉由降低大氣壓力使水的沸點降低,因而加速水的蒸發,故能減少體積。另一種方法為冷凍乾燥,把樣品冷凍成冰,在真空之下藉由水的昇華來去除水份,因而使樣品乾燥,分析時再加水回溶成你想要的體積。這兩種方法中,前者的設備比較便宜,大約十幾萬台幣就有了,但後者對於樣品的活性保持較好,因為它是在低溫之下運作,比較不會導致某些成份變質,但這個設備比較昂貴,售價約為50到100萬台幣。

分析方面也有一些選擇。最便宜的方案是濾紙色層分析,大約花費幾千元就能解決,但也只能粗略將一些成份分離開來,若採用較貴的矽膠薄層色層分析會得到較好的結果。若分析效果不夠好,可以動用高效液相層析儀或氣相層析儀,但這是為百萬元等級的設備;如果用質譜儀會更好,這是千萬元等級的設備。

即使有這些儀器設備,也不表示樣品放進去之後,儀器就會顯示正確結果,因為這些分析方法頂多只能將混雜在一起的物離分離開來,它只能告訴你這個樣品有幾種未知物,但無法指出每一個未知物的名稱,還必須要用其他方法一一鑑定每一個未知物是什麼。但是這個鑑定工作也非常困難,在此就不要深入探討下去了。所以你必須要了解這個現實,目前人類科技的極限就是這樣。

在此我們先忽略分析毛氈苔消化液的困難度,假設辛苦工作之後,獲得的成果是破解出毛氈苔消化液的成份,你將消化液上的成份ABCDE等一一列出來,接下來呢?你從這份清單能得到什麼啟示嗎?

做科展常犯的錯誤

中小學生做科展最大的問題就是很想做科展,但不知道要做什麼樣的科展。我們常會發現,學生喜歡動手做實驗是無庸置疑的,但學生往往不知道他們為什麼要做實驗,也不太能從實驗結果能得到結論、產生新的想法,而能繼續進行更深入的研究。

這便是科學研究最大的問題所在。科學研究有既定的步驟,那就是「發現問題」、「提出假設」、「實驗」與「提出解釋」。如果某件事物的原理已被充份了解,既然沒有未知的地方,那還需要研究嗎?所以必須先發現某種事物的未知之處、找出問題,然後假設幾種可能的理由,再以實驗來證明哪個假設是正確的,因而對某件事物的運作方式提出解釋。許多中小學生往往直接跳到「實驗」這個步驟,但對於為何要做這個實驗卻答不出來。拿前面這個分析毛氈苔消化液的成份為例,即使測出成份,那又能回答什麼呢?它能解答毛氈苔什麼問題嗎?

許多想做食蟲植物科展的學生,多半才剛接觸食蟲植物沒多久,又碰巧遇到學校要求要做科展了,便匆匆忙忙地以這個作為研究題目,如此便很容易陷入「食蟲植物有什麼題目可做」的老問題。由於對食蟲植物不甚了解,所以大家往往只能對食蟲植物做一些簡單的外觀觀察或生態調查,無法深入研究。然而如此淺顯簡單的研究,別說你會想到,別人同樣會想到,而且早在一百多年前,那位提出演化論的達爾文老早就做過同樣的工作,還寫了一本食蟲植物書,論述植物的肉食性。以現代的觀點來看達爾文的研究,就像中小學生做的暑假觀察日記而已,但在那個時代卻是走在人類知識的前端,他首度以實驗證明了有些植物具有肉食能力,顛覆當代大眾對於植物的普遍認知。

有些學生因為不知道要做什麼,於是採用投機的作法,就是到網路上徵求題目,於是一群網路上素不相識的人開開心心地討論,不過實際上大家也都不知道要做什麼,最後只好祝學生好運了。

也有學生直接寫信來問可以做什麼題目。這麼做便導致了做科展最核心的問題,那就是這到底是誰在做科展。

要找到研究題目真的是非常困難。做科學研究的前提是要先發現問題,但接下來就要思考解決這個問題是否有「可行性」,因為有些研究題目的困難度也許是大哉問等級,遠超出人類現有的科技而完全沒有解答出來的可能性。有些題目也許不難研究,但很花錢,估計需求幾十幾百萬元,請問誰要出這筆經費?千萬不要認為信手捻來、俯拾皆是題目,做科學研究最困難的地方,便在於如何找出適合的研究題目,所謂的適合,便是考慮到自己的知識、技術、預算是否皆能負擔,而且能不能在有限的時間內完成。

由此來看,我們可以了解要找到研究題目,真的是一件經過深思熟慮的成果,要有創意,還要做得出來。因此,求助專家替你量身訂作一個適合你的科展題目根本就不可行,可想而知,這個科展從規劃到設計實驗,整個科學研究大部份的工作都是別人想出來的,最有貢獻的部份都被別人做完了,你還剩什麼可做呢?

或許你會說你是實際做實驗的人,功勞是屬於你的。但是我必須說你得要修正你的觀念。一個經典的案例就是DNA雙螺旋的發現,華生克里克這兩個人並沒有做實驗,只看了另一位科學家富蘭克林對DNA拍攝的X光繞射圖,便得到DNA是雙股螺旋結構的結論,然後在Nature期刊上發表一篇簡短的論文「Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid」,之後就得到諾貝爾獎了。雖然有許多人為富蘭克林抱不平,但科學界仍然普遍將發現DNA結構的貢獻歸功於華生與克里克。

很多人仍然認為科學研究中功勞最大的人是動手做實驗的人。這種想法在過去的時代還行得通,因為以前的儀器設備很簡陋,甚至還要自己製造或發明儀器,所以沒有一雙巧手是無法做出優越的實驗結果,沒有優越的實驗結果,便無法歸納出正確的結論,所以以前偉大的科學家都很會做實驗。

然而在現代,設備及技術的進步使得實驗工作越來越簡單,如果能買到一瓶開封就能用的試劑,為什麼還要浪費時間去配製藥品?現代儀器複雜精密,有時候還搭配電腦軟體,想要DIY做一台根本不可能。所以,現代做科學研究時,多數情況買現成的就好了,因為時間就是金錢。既然有了精良的儀器及現成配製好的試劑,使用者不必有巧手也能做出不錯的成果。

有些領域的研究還可以由實驗機器人代勞,你只要替機器人準備好材料、設定程式,啟動之後你就可以回家睡覺,隔天機器人就做完實驗,你只要收拾善後和分析實驗數據。甚至還有科學家在探討「機器人科學家(Robotic Scientists)」的可能性,除了實驗由機器人代勞之外,連數據分析、產生結論、設計實驗、再次執行實驗等思考全都由機器人處理,人類只剩下替機器人搬運材料和處理垃圾的工作而已了。勞力在科學研究的重要性已經降低,取而代之的,是創意,誰能想出好的研究題目以及能夠從實驗數據分析出結果,才是最有貢獻的人。


在藥物研發和疾病檢測上,經常需要進行大規模篩選實驗,實驗本身的操作很簡單,但通常一個研究計畫至少需要檢測幾千樣品,甚至也有檢測幾十萬幾百萬個樣品的案例。在過去的時代,就是找來一票技術員來分攤工作,但現代有實驗機器人,一台的工作量便可以抵上幾十個人力,能夠日夜不停工作,而且也不會有技術員個人能力的差異導致的實驗誤差。大型藥廠都擁有這樣的設備,一個廠房內數十座實驗機器人一字排開,執行規模巨大的實驗工作,但只靠幾名技術員維持廠房的運作。實驗機器人的出現,除了能夠做到前所未有的超大型實驗之外,另一方面,也反映出生技公司降低人力成本的現實考量。生物技術產品也許非常酷炫,但其製造及例行的研發工作卻可能很低階,如果一件工作只要找高中畢業生就能做,為什麼還要找大學或研究所畢業生呢?以前聽過一個有輔導生技公司經驗的美國教授的演講,他就表示,如果一個產品的製造過程複雜到需要博士才能處理,那就是失敗的產品。因此,生技公司的人力規模可能很龐大,但實際上大部份員工是廉價勞工,只有少數主管才是高階技術人才。萬一工作簡單到可以由機器人取代,公司高層就可能會開始考慮用機器自動化取代人力的可能性,這些廉價勞工的工作就很難有保障。

多元入學的迷思

雖然想做科展是因為對科學研究有興趣,但老實講,有多少人真的動機純粹是為科學而奉獻,而不是想要得大獎以便可以容易考上好大學?

很早以前還有大學聯考的時代,便能夠以傑出的科展成果而保送升大學。現代有了多元化入學方案,因此除了科展之外還包括其他的才藝諸如樂器演奏也能夠加分。但是多數家長與學生並沒有認清多元入學的本質,把科展或才藝當作升學的手段,因而扭曲了原本做科展或學習才藝的價值觀。

在此請容許我把科展和才藝混在一起討論,因為科展與才藝都是課外活動,並不是學校規定的課程,都是需要學生有興趣並耗費額外的代價來學習的。雖然這兩者學習的內容不同,但仍有許多地方相似。我除了對科展有些了解之外,對於才藝,我也略知一二。

很多家長以為給兒女學一些才藝就能保障未來升學一帆風順,因此現代的小孩在課業上或許不像我們那個時代那麼繁重,但隨之而來的是學習才藝的壓力。有錢的家長把孩子的課餘時間全都安排在各式各樣的才藝班、補習班,沒錢的家長則擔憂兒女沒有學些才藝會考不上大學,因而四處抱怨多元化入學是一種利於有錢人家子女的不公平性入學方案。

不管有錢沒錢,很少家長知道才藝要學到什麼地步才真的有助於升學。因為現代學才藝的學生很多,大學教授也不是沒有見識,當然會對學生的才藝程度做出評比來作為甄選的依據,而不是學生在自傳上宣稱會什麼就算數。

音樂等藝術類的才藝不像科展有明確的量化指標,但如果只有兒童才藝的水準,那是沒用的。有人以為通過很多音樂檢定考試就很厲害,但其實那是某些音樂教室發明出來的賺錢招數,並不是國際通行的檢定。事實上,真正的音樂家是征戰各種世界級的音樂比賽而漸漸成名的,也有的並沒有參加比賽,但技術及表現受到大師的肯定及提拔而成名的,沒有人是考音樂檢定而有名的。

音樂檢定與比賽的差別在哪裡?檢定是測驗學生演奏技術程度,能夠演奏越難的曲目當然程度越高,但不代表就會好聽。我聽過一些學生演奏高難度的曲子很厲害,在高速節奏之下,演奏精確沒有失誤,但就像機器人一樣,欠缺情感的表現。如果是參加音樂比賽,演奏技術固然很重要,但這只是基本的要求,比到最後是看誰的演奏比較得好聽,最能打動人心的才是贏家。

很多家長沒學過樂器,也沒有聽古典音樂的嗜好,所以不知道樂器要學到什麼地步才算好。我有認識幾位甄試考上名校的音樂資優生,他們從小就開始學音樂,而且也都有讀過音樂班,原本是會繼續走下去並以音樂為業,但後來因為一些因素想轉行,所以透過甄試,靠音樂才藝加分考上大學,然後讀非音樂的科系。他們的音樂才藝有多厲害呢?他們都是本來能去考音樂系的人,水準是職業級的。可想而知,一般玩票性質只學幾年的琴就想參加甄試,那只能說太過自大太欠缺見識了。

那麼,非音樂專長的教授如何有資格來評鑑學生呢?其實,他們都委託音樂專業的教授來評鑑,如果校內沒有適當的人選,那就委託校外的教授。所以,學生的音樂程度如何,當場演奏,一聽就知道。
科展則有比較簡單的量化指標。由於科展已經是很普遍的活動,所以表現不夠傑出是不夠的,必須拿到縣市比賽的前幾名、全國大賽的前幾名,或是在國際大賽得獎,那才會對於升學有所幫助。

不管科展或音樂還是其他方面的才藝,要達到能夠對入學有幫助的程度,可想而知必須有傑出的表現才行,因為多元入學原本的用意是在於提供給予有特殊能力但考試能力較差的學生一個入學的機會。而要達到傑出的水準,只有學生對這件事有深厚強烈的興趣,才可能犧牲個人玩樂的時間來練習。人家常說要成為專家,至少要經過一萬小時的學習。以音樂來說,如果立志要走音樂這條路,每天練習的份量大概要達到4到6小時,而且得從小一直學到成年;若只是單純培養興趣,每天練習的份量也得有1到2小時,而且至少學10年,才能達到令人驚豔的水準而不是停留在兒童才藝的程度。

因此,有許多家長把多元入學解讀成學習各種才藝,那是錯誤的想法。學太多種才藝,僅有的一萬小時被分配之後,可想而知,每項才藝都學不好,最後一事無成,只是浪費錢與時間而已。我們常聽很多有錢人的子女被安排去上各式各樣的才藝班,但最後他們什麼也沒學會,道理就在這裡。

科展跟學習音樂也很像,必須長時間培養,沒有速成的方法,不是你到花市碰巧看到有人賣食蟲植物,就想拿它做科展那麼簡單。坊間有各式各樣的補習班,除了補習音樂之類的才藝,連科展也有。但老實講,科展或才藝補習班只是旁門左道,不是培養興趣的正確方法,即使從投機的角度來看對於升學的幫助,效果很有限。

無論是科展還是學習音樂或其他才藝,除了要耗費大量時間的學習之外,教學方式是成敗的關鍵。傳統以來要深入學習一件事物,最好的方法就是師徒傳承制,必須一對一學習。團體班的好處是學費便宜,但教學成效其實很差,只能說是體驗而已,實際上學不到什麼。即使去小班制的才藝補習班也一樣,因為老師再怎麼厲害,還是無法同時指導每個學生,學生總是會有想要偷懶的心態,如果老師目前沒在盯你而在盯另一個同學,你一定會打混,反正靠同學大家的掩護,自己沒練習好老師也聽不出來。所以只有一對一教學時,老師全心教育眼前這位學生,學生也因為無處可躲,只能乖乖用心放在學習上。

另一個因素是每個學生都有個別差異,必須因材施教。以學習音樂來說,每個學生的體型與手腳尺寸都不同,演奏樂器的方法就會有微幅的差異,這必須由老師長時間的觀察,找出適合該名學生的演奏方法,才能達到最佳的學習效果。沒學過樂器的家長可能無法體會到以不適合的姿勢來演奏樂器其實非常不舒服,如果你彈琴每次彈到那個段落就會弄得手指很痛或手掌很緊繃,怎麼可能還有心思把手指的運動控制那麼精準來表達樂句?有些孩子不服輸,相信人定勝天,結果長期用不當姿勢練琴導致嚴重運動傷害,而無法再演奏樂器比比皆是。

科展要做得好也是一樣,每個學生對於各種知識的學習程度不同、興趣不同,因此不可能透過補習的方式來學習如何做科展,仍然非常依靠傳統的拜師學藝。但是科學研究不像學習音樂那樣,街頭巷尾到處都有個人開業的音樂教室,要找到能夠長期指導科學教育的老師非常困難,這是因為音樂本身就是一門技藝,老師靠演出及授課就能維生,所以能夠獨立開業,然而傳授科學教育的教師只能依附在學校才能生存,因為這些教師必須持續從事研究工作才能維持研究的敏銳度,然而科學研究的花費非常驚人,單從學生繳交的學費來支付是不可能的,必須由國家資助。

甄試的代價

靠科展或才藝等多元入學方案而升學是福嗎?其實難有定論。

無論是要做科展或學才藝,必然需要花費許多課外時間,副作用便是課業成績多少會變差,如果因此而甄試考上了超出他們能力的大學,苦難就此開始了。前面提到那幾位音樂資優生便是一例,依循傳統升學管道考上名校的學生,個個都是考試機器,相較之下,音樂資優生的課業程度就差了一截,更慘的是,天下沒有白吃的午餐,學校會要求這些音樂資優生必須參加一些演出活動為校爭光,這是入學時就講好的義務條件,不配合就不能畢業,因此他們在課業及活動上忙得焦頭爛額。

做科展導致學業成績變差的風險相當高,因為學生常有的毛病就是一頭栽入做科展的世界裡,結果完全忘掉學業。雖然做科展是高風險高報酬,孤注一擲可能得到大獎而得到進入名校的通行證,但接下來就是報應的開始,因為大學低年級的課程其實和高中高年級的課程很像,只是從中文換成英文,但若高中課業基礎沒打好,到了大學就會很慘,而且大學課程環環相扣,低年級的學業不好,高年級的學業也不會好到哪裡去,結果大學四年下來成績很差,非常不利於接下來的研究所入學。務必注意,如果將來打算走理工這條路,考研究所並拿到碩士學位是必經之路,因為這個時代擁有理工碩士學位的人實在太多,少了碩士學位別說想做研究,連要做一般的工作都會很不利。以科學園區科技大廠來說,公司都請得起博士了,碩士也一大堆,如果只有學士學歷,別說薪水不高,升遷大概也無望。

另一個做科展的問題則是成名之後的代價。雖然在還沒做科展之前就先擔心得到大獎的壞處,就像憂慮買樂透中奬拿到10億元會不會被綁架,好像過於杞人憂天,不過我認為這有助於了解,為什麼很多曾經做過科展的學生,他們後來的成就好像並沒有更加卓越,似乎科展成為他們人生的分水嶺,做完科展之後,人生就趨於平淡。

得大獎成名後,年輕學子因為心智上仍然不夠成熟到足以平常心來看待,於是就會自我迷失。這種突如其來的名譽就像毒品一樣,得到一次快感之後,必須要再得到一次快感,才能維持精神狀態,否則就會陷入失落的地步。但做科學研究哪有這麼容易?科學是無情的,這次成功了,下一次什麼時候成功誰也無法預測,而在這次的成功與下一次的成功之間,則是無止境的失敗與打擊。在其他的領域也都有類似的例子,年輕的運動員、藝術家、演員、導演、作家突然爆紅,如同超新星一般地散發燿眼的光芒,但也很快就熄滅了。

除此之外,媒體的報導也是一個問題。

前一陣子有個案例,父母都是大學教授,他們的高中生女兒拿到科展大獎被記者大肆報導之後,網路上出現大量負面的評論,很多人質疑這位高中生怎麼可能做出這樣的成果,認為父母代為操刀的比例很大。也有些人認為學術世家導致不公平的競爭;有些人則很酸地說,中研院院長該換人當了(因為小女生做的研究領域與中研院院長一樣)。

學生再怎麼資優,做出來的成果頂多只是科學上微不足道的進步,結果經過媒體報導之後,被高高地捧上了天,然後再重重的摔下來了,沒有年輕學子能夠承受這樣的壓力。難怪在一份科學刊物上,有教授呼籲新聞界高抬貴手,放過做科展的學生吧!

「少年得志大不幸」這句話非常貼切,做出足以對升學有幫助的科展,其實後續帶來負面的效應往往衝擊到學生之後的人生,我們可以追蹤發現,曾經在科展上有卓越表現的學生,並不保證他們之後的人生會更加成功。我身處在一個充滿碩士與博士的研究機構,好像也沒聽過誰年輕時有得到科展的大獎,似乎大家都很平凡地由一般升學管道上來的。

那麼,做科展到底有什麼意義?

如何做科展

寫了這麼多之後,不寫一點到底要怎麼做科展還真說不過去。

對於科展,我在前面是有諸多的批評,但倒不是要反對科展。

做科展並不是壞事,做科展可以更早就開始學習科學研究,但我必須要提出一件忠告,那就是一切還是要以學業為優先,因為科學研究是一種極端以知識為導向的工作,中小學的基礎課程沒學好,就會影響大學的基礎課程,然後再影響研究所的專業課程,如果因此沒拿到好的文憑,很難從事尖端科學的研究工作。雖然優越的文憑不代表將來從事科學研究也會同樣優越,但拿了一個不怎麼樣的文憑來從事科學研究,你將要面對來自各界的質疑,要浪費很多時間來證明你的能力不輸給別人,日子會過得比別人更加艱辛。

另一件事就是做科展的價值觀。你想做科展的目的是什麼?你是純粹喜歡科學研究,還是你想把科展當作升學的跳板?

大家可能不是很清楚科展到底是什麼。科展的原始目的是用來促進科學研究的交流,它實質上是一種社交活動,讓所有的科學家能夠有機會齊聚一堂,互相觀摩及交換意見。因為從事科學研究的人多半很宅,如果少了這種社交活動,大家只會躲在自己的研究室裡閉門造車。

這種社交活動大多數是以展覽的型式來舉辦,不管從中小學科展到專業學術研討會都是類似的模式,通常想要發表成果的研究者自行準備壁報張貼在會場,若你對他的研究內容有興趣,就直接與他對談或事後連絡皆可。專業的研討會除了壁報展示之外,也有上台演講發表方式,而且還邀請這個領域的專家提供演講,來介紹最新研究進展。

由於學術研討會多半由大學教授主導,因此他們所指導的碩士及博士研究生都會在研討會中發表研究成果,而且佔了很大的比例。基於「競賽」能夠激勵學生爭取榮譽,所以通常會對研究生發表的論文進行評比,並提供獎金獎狀等獎勵。由於教育界希望國民從小培養科學研究的精神,於是也舉辦適合中小學生參加的科學展覽,並以競賽的方式來鼓勵小小科學家。

因此,我希望你想參加科展的目的是帶著正確的價值觀,也就是你純粹是因為喜歡科學而研究科學,學校或研究機構提供場地讓你參加科展是為了讓你向世人展現你的科學研究成果,並與同行有交流的機會,至於競賽獲獎有助於升學,那只是附加的好處而已。

好了,如果你對於科學研究是真的很有興趣,而且你的學業成績夠優秀並不需要擔心的地步,那就從務實的角度來看怎麼開始展開科學研究工作。

首先,有沒有適合的指導者非常重要。

人家常說「名師出高徒」,在科學研究領域尤其如此,偉大的科學家往往系出名門,很少憑空冒出大師,這是因為科學研究相當依靠師徒傳承制,許多情況只能一對一教學才能解決,不是開班授課就能傳授的。所以,如果學校裡面有科學研究相關的社團,不用想太多,參加那個就對了!這類型社團除了做科學研究之外,都會把目標放在參加科展上。社團指導者必然都由理科老師擔任,因此能學習正確的科學研究方法。有些學校是科展的常勝軍,指導老師必然對科學研究很有一套,或許在升學時可以多加考慮。我們常聽說有學生對於打球很有興趣,於是千方百計考入擁有傑出球隊的學校;如果你對做科學研究很有興趣,那就想辦法去讀科學研究很強的學校。

自己的父母也許是適合的指導者。有少數學生得天獨厚,他們的父母是大學教授或是專業機構的研究員,因此從小接受科學的菁英教育,而且有機會接觸到一般中小學生碰不到的研究資源。有些人質疑中小學生做出超齡科展的真實性,因為這些中小學生做的科展簡直就是大學生甚至是研究所學生才會做的研究。以前我也會質疑這種科展到底是不是真的,但後來遇到一位科展資優生,不得不相信這種從小就接受科學菁英教育的確有功效。我還在讀博士班時,有一次幫忙系上整理大學甄試入學的文件,前來甄試的高中生都是全台灣各地的菁英,每個學生附上學業優異的獎狀一個比一個多,看得我都汗顏。但吸引我注意的是有一個高中生檢附一個紙箱的文件,裡面通通是她從小到大所做的科展論文,都是A4尺寸裝訂成冊,疊起來厚達二十幾公分,看到那一疊論文,老實講我覺得在她面前簡直像條蟲!那位高中生還挺有名氣,因為在報紙上出現過幾次,她便是因為有個當教授的老爸,從小到大接受教授老爸的教育,因而得以有這樣的成果。而這名學生也真的就通過甄試考上我們學校。

如果不幸的是學校沒有科學類的社團,或是沒有當教授的老爸,那是否還能求助別的專家呢?理論上可以,也看過有些研究單位有收中小學資優生做科展。不過我是不太建議這樣做,因為這是給別人找麻煩!老實講,有些資優生因為程度比起同年齡學生來得優秀,便自我膨脹,覺得自己很行,就想用高難度的研究來作為科展題目。我個人曾有接觸過一些高中資優生,確實是有比較優秀啦!但其實也只比同年齡學生在學業上超前幾年的進度,知識水準大概只到大學一二年級程度而已,別說想要做研究所等級的研究,連要做大三大四學生做的專題研究等級的題目還是沒有辦法。我跟同學等凡夫俗子費盡唇舌解釋,這些資優生仍然似懂非懂,實在令人擔心。這種在知識上仍有數年的落差,是沒辦法在短短幾個星期內彌補的,除非是真正的天才,但問題是很多學生自認天才或是父母把他們當作天才。教授對他們也很頭痛,但因為是親戚拜託的,沒有辦法。他們的科展後來做得如何,不得而知。

我並不知道為什麼有些研究機構有收中小學資優生做科展,是因為教育熱忱,還是有別的好處不得而知,但我想說的是不要做超出自己知識能力的科展,即使你很幸運找到專家協助你做科展,他也不厭其煩地教導你,但如果你仍然無法完全的了解,那就會在科展的口試露出馬腳。你的心智再怎麼超齡、知識再怎麼資優,在科學研究及教育已有數十年經驗的評審面前還是相當青澀幼稚,從問答的過程中,評審就可以摸得清你的思路、了解你對於科展研究內容掌握的程度。如果評審覺得你其實並不太了解自己在做什麼,就不可能給你高分。想做出超齡的科展,只能有幸生在學術世家,從小就接受父母的英才教育才有可能;也只有父母才會有無比的愛心和耐心,慢慢將孩子由愚魯無知調教成出色的學者;其他專家學者跟你非親非故,他們也很忙,哪有空閒指導你?

如果沒有適合的指導者,那是否自己來?我不是很讚同自己做研究,因為會失敗,而且更糟的情況是陷入走火入魔,走向旁門左道去了。

社會大眾常有個迷思,就是認為學校教育扼殺學生的思考,應該讓學生自由發展,才能產生創意。這種推崇「無師自通」的想法,往往是受了勵志故事或偉人傳記的影響。

歷史上的確是有一些科學家沒有接受正統教育但仍然有偉大的成就,以最近的例子來說,2002年諾貝爾化學獎得主田中耕一他是諾貝爾獎成立以來學歷最低的得主,只有大學學歷而已。

這些學歷不高但有偉大成就的科學家便是媒體的最愛,我們可以從賺錢的角度來看,無師自通的偉人不是比較戲劇性嗎?那些有博士學歷的科學偉人,他們會成功不就是理所當然的?這樣的故事還會有什麼好看嗎?

另外,寫勵志故事或偉人傳記的作家多半非理工背景出身,完全不了解什麼是科學研究。還記得電視或電影在描寫科學家工作時,不就是畫面一定要出現冒煙的試管、冒泡的容器?雖然近年來科幻電影或電視影集已經不再這樣演了,但不能免俗的是研究室裡一定有一大堆華而不實的研究設備,例如在現實生活中沒什麼用的巨大觸控螢幕。你覺得對科學有如此認知的人來寫傳記,能夠重現真相嗎?倒不如說是在寫小說吧!

所以,因為這些誇大不實的傳記,便讓我們產生偏見,以為無師自通優於接受正統科學教育,以致於我們忽略接受正統科學教育在將來才有較高的成功機會。

很少人知道,這些學歷不高的科學家並沒有閉門造車,在他們的研究生涯中,一直與接受正統科學教育的科學家一起工作,不斷地交流意見,因此不會誤入歧途。但由於一般寫偉人傳記的作者不太了解科學研究,因而忽略這種意見交流的重要性。

拿前面提到這位學歷最低的諾貝爾獎得主田中耕一為例,他是「日本島津製作所(SHIMADZU)」的工程師,大家看到「製作所」可能會覺得不怎樣,像是鐵工廠,但這家公司實際上在世界上相當有名,他們專門生產高階的科學研究儀器,你到任何一家大學或研究機構,很容易見到這家公司的產品。因此,田中耕一是在一個充滿頂尖專家的環境中工作的,並不是隱居在家鄉,然後某一天突然宣佈重大的研究成果。那為什麼他沒有博士學位?道理很簡單,從他的簡歷來看,他年輕時沒錢,所以就沒有深造下去。

為什麼學校教育對於科學研究的影響很大?最大的貢獻就在於訓練「邏輯推演」的能力。所謂的邏輯推演可舉一個簡單例子:三件事物分別是A、B、C,A與B有關,而B與C有關,所以可以推論A和C有關。

「邏輯推演」其實普遍應用在日常生活,你與邏輯比較好的人相處,你會覺得這個人講話條理分明、頭頭是道。邏輯比較不好的人,講話漏洞百出,掩飾能力較差的,你會發現這個人怎麼老在睜眼說瞎話、自圓其說;掩飾能力較強的,會自創更複雜的說法,把你唬得一楞一楞的,讓你當下相信他所講的,但回去之後,才會發現他都在胡說八道。

在科學研究上,講求更加高等的邏輯推演的能力,因為科學上的發現都不是顯而易見的,往往需要抽絲剝繭、上窮碧落下黃泉,由各處收集證據,從而漸漸拼湊出萬物運行的法則。這種邏輯推演的能力是沒辦法自學的,除了接受學校教育之外,更重要的是要有很多機會與他人不斷的辯論,因為人的思考都是有盲點的,必須與他人往來,才有自省的機會。

有很多科學研究因為閉門造車而失敗的例子。

以前我曾在一個科學論壇上接觸一個科學怪人,他醉心於他自己提出來一個有關古典力學的新理論。我們都知道,古典力學應用在巨觀的世界上,是完美無懈可擊的,但此君認為有個地方有問題,他認為他的想法可以推翻現有理論。我曾經有花一點時間去看他的論點,但很顯然就發現,其實他根本就沒學好古典力學;怕誤會他,嘗試去推導他所寫的數學公式。我的數學並不好,擔心自己程度不夠,無法推導到結束。不過才推導前幾行,我就丟筆了,因為他算錯了!而且他沒發現犯了很簡單的計算錯誤,而是一直推導下去,然後自圓其說。到這裡就可以宣判,他連基本的物理和數學都沒學好,怎麼可能提出偉大的學說?

這些科學怪人在年輕的時候就對科學有濃厚的興趣,但可能因為失學或其他因素,沒有持續接受正統的科學教育,便以學了半套的知識開始練功,結果發展成邪門歪道。學術型的科學怪人會發展出自己的一套學說,我有見過各式各樣的古典力學新論、不斷推陳出新的永動機、新型的化學元素週期表。愛因斯坦、達爾文、牛頓這些在高中課本中有出現過的科學偉人,都是科學怪人們最愛挑戰的對象。

有些科學怪人有商業頭腦,就會開發出偽科學的產品來賺錢,例如弄出永動機之類的東西向社會大眾募資來開公司,有的則是賣一些宣稱有醫療效果的健康食品,也有的發展出匪夷所思的醫療方法,當起密醫去了。

這些科學怪人其實很認真的在發展他們的科學事業,不管是他們寫出厚厚一疊的論文,還是包裝精美的產品,都看得出他們耗費人生很大的代價。但科學怪人也往往深陷於自己創造出來的世界,無法自拔,而且都相當偏執病態。學術型的科學怪人常會騷擾真正的科學家和教授,請求他們認同自己的學說,但在吃過無數的閉門羹之後,便轉而憤世嫉俗,成天抱怨沒有賞識他們的伯樂,然後抱著將來會得到諾貝爾獎的美夢活著;商業型的科學怪人則是在產品爆出問題產生受害者、警察上門來逮捕時,仍然無法理解自己犯了什麼錯。

科學怪人很可憐,不是嗎?

若我們不要看得這麼遙遠,只先看看眼前的中小學生科展,也有一些閉門造車而失敗的案例可供借鏡。一個案例是來自國外的網路謠言「五名丹麥的初中女生,做了一項震驚整個科學界的實驗」,這篇報導所指的科展是實際上存在的,但該科展其實是實驗執行能力有問題,因為栽培植物的技術太差,以致於把植物的死亡與網路路由器產生電磁波的關係連結起來,於是產生那樣的實驗結果。對於媒體來說,這種能夠導致大眾恐慌的事件是最好的新聞。

我們都知道現在的媒體為了追求收視率、點閱率,都會誇大報導的內容,甚致扭曲真相。或者換句話說,什麼是真相並不重要,只有炒熱新聞才是最重要的。為什麼炒熱新聞很重要?因為才能增加收視率來賺錢啊!

那些容易被媒體拿來過度渲染的學生科展,往往就是欠缺適當的指導,因此錯誤的實驗設計及執行方式產生錯誤的實驗結果,最後導致錯誤的結論。最可怕的就是社會大眾很容易接受錯誤的結論,因為這類型的結論多半是聳動的,也正好對了媒體的胃口。如果一開始就由有經驗的教師帶領,應該很容易就看出實驗的設計或執行上的問題,而會即早修正,或是乾脆不發表錯誤的研究成果。

指導者的部份就耗掉這麼大的篇幅。接下來另一個重點就是要怎麼找研究題目。

我是認為,如果你跟食蟲植物沒有很熟,還是放棄它吧!天底下還有更多適合的研究題目,比較容易,也能得到更大的成果,去接受一個你從未考慮過的研究題目,然後做出成果,這樣才是真正具備研究能力。

參加學校社團的好處,就是社團指導老師通常長久經營某個研究主題,因此會衍生出新的題目,就挑選一個你有興趣的來做便可以了,而且有前人累積下來的研究成果,應該會比較容易看得出成功的方向。

如果要自己想題目,符合時事也許是個方向,它是個很好的靈感來源,也比較不會重覆前人已經做過的題目,但壞處是有可能你去參加比賽時,怎麼大家的研究主題都很像。

由於中小學生受限於知識、資源、時間有限,不宜做太難太貴太耗時的研究。我認為最適合中小學生科展的研究題目,是用一個簡單實驗來解決問題,是那種讓人一看就為之驚豔、令人出呼意料、令人拍案叫絕的創意。

我個人蠻推薦的一個範例就是「危機自陷—臺灣高鐵差異沉陷的新測量方法」,這個科展的創意就在於使用一般筆記型電腦中配備的加速度感測器來間接地測量出高鐵軌道的沉陷狀況。有些比較高階的筆記型電腦會內鍵加速感測器,目的是在感測筆記型電腦是否受到過強的振動或是墜落,而能夠即時關閉硬碟以保護資料。這位學生發現可以利用加速感測器偵測火車行經下陷路段的加速度變化,並且能夠計算出下陷的程度。

從工程的角度來看,這種另類量測方法並不精確,標準的解決方法是實地去現場量測高鐵橋墩下陷的程度。不過,這樣不就沒什麼意思了嗎?科學研究的精神是在於探索各種可能性,找出新的解決方案。我認為這才是中小學生科展的精神所在。

最後還是再重新提一次前面講過的,想要做科展,你最好是資優生。在台灣,對於資優生的定義多半是指學業成績非常頂尖的學生,這些學生不用花費多少讀書的時間就能拿到非常好的成績,所以拿課餘時間做科展,既不會影響課業,又能即早從事自己喜歡的科學研究。另一方面,有些資優生覺得學校課業太簡單,以致於上課無所事事,自己也沒有人生的方向,讓他們做做科展消耗一點腦力,才不會胡思亂想、不會覺得人生無趣。

如果你必須花費很大的代價才能維持學業,甚至是有在念書但成績不好的,那最好不要碰科展。我看過蠻多學業不夠好的人做科展,雖然克服萬難成功升學,但終究沒考上好的大學,因而無法接受更好的科學教育,以致於後來只能做一些比較低階的科學工作。

沒辦法做科展但又對科學研究很有興趣,那該怎麼辦?我是建議改讀課外讀物培養多元的興趣,寒暑假時參加科學類的營隊活動來體驗科學研究會是較好的選擇。

想要做科學研究,其實等到升上大學會更加適合,因為大學擁有的研究資源,完全不是中小學可以比得上的。隨便到一個大學教授的實驗室,裡面的研究設備總計都是好幾百萬元,傑出的教授可能擁有千萬元的設備,而且研究經費很多,也許你在高中科展要自籌研究經費,但在大學裡,研究經費都是國家或企業出錢,往往一天做實驗的費用,就超出你在高中科展裡所有的花費。

以前我的家教不讚成我做科展,那就是因為他了解到大學擁有的資源與高中比起來是天差地遠的差別,與其花費很大的代價去做不太成功的科展,還不如用來讀書考上好的大學,打好知識的基礎,將來才有機會在頂尖的環境與優秀的同事一起進行科學研究。

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