科學素養：看清問題的本質、分辨真假，學會用科學思考和學習

【推薦序】科學的脈絡／蔡志浩（認知科學家）　3
【推薦序】我們更需要的科學素養／黃貞祥（清華大學生命科學系助理教授）　7
【推薦序】本書出版二十二年後，我們為何還在談科學素養／鄭國威（PanSci泛科學總編輯）　11

前言
　圍繞科學的重大事件 24／科學這枚硬幣的正與反 24／科學的「偏食」 26／未來取決於「科學的智慧」 28／本書的內容30

第一章　我心目中的科學    33
　►我成為科學家的原因　34
　　宇宙的研究 34／「微分型」和「積分型」 35／天文少年？ 36／「看見『看不見』的東西」 38／「物理學帝國主義」？ 40／社會的動向與科學 42
　►研究工作及其魅力　44
　　研究這一行 44／科學家這一行的有趣之處：首次發現的喜悅 45／科學的架構在本質上相同 46／「文組」的科學也是如此 48

第二章　科學思考法    51
　►科學的出發點　52
　　科學始於自然的「觀察」 52／從觀察到「觀測」 54／從觀測到「實驗」 55／區分科學和偽科學的關鍵 56／問「為什麼？」 58／回答問題的關鍵：衡量物質的作用 59／物質及其運動：化約論 61／化約論並非萬能 62／物理定律的結構 63
　►科學研究的進行法　70
　　科學的方法：實驗 70／實驗樣本和實驗方法 70／現在的實驗 72／科學研究的進行法：理論 73／建立模型 73／模型與「假說」 75／「假說」的根據和「對稱性」 77／留意「對稱性」 78／對稱性的作用 80／對稱性的破綻 82／打破對稱性是一種演化 84／數學的作用 85／數學與物理定律的關係 88

第三章　科學是怎樣誕生的？    91
　►最早的科學　92
　　從猴子演化成人 92／人類最早的「高科技革命」 93／時間和空間的劃分及天文學 94／一年的劃分 95／一星期為什麼有七天？ 96／天文學與占星術 97／數學的開端 98／其他文化的起源 100／文字發明帶來的貢獻 101／希臘的自然哲學家 103／「萬物的根源是水」 104／德謨克利特與「原子論」 104／亞里斯多德 105／測量地球大小 107／依巴谷 109／阿基米德 111
　►中世紀的「科學」　113
　　鍊金術 114／永動機 115／第一種永動機為什麼不可能實現？ 116／熱力學第二定律與第二種永動機 118
　►「科學革命」的時代　120
　　地動說的復興 121／地動說的確立 123／科學實驗的重要性 124／實驗器具的發明推動科學研究 127／科學的方法論 128／新數學的開發 130／科學的交流與發表 131／發表結果的重要性 132／科學家集團的成立 133／發表論文所具備的意義 134／science的意義 136／科學的轉變：與國家聯繫起來 137／日本的特殊性 138

第四章　推敲現代科學與科學家    139
　►現代科學的目標　140
　　探索物質的根源 140／探討原子核的結構 142／基本粒子的出現 144／宇宙與地球的起源和演化 148／宇宙論的難題 149／行星是怎麼形成的？ 151／單一系統之下的地球 153／生命的邏輯 154／以物理學的方法分析DNA的結構 155／遺傳資訊的解讀和生命的起源 157／基礎科學與應用科學 158
　►現代科學的特徵　160
　　科學規模變龐大 160／以巨大裝置研究時的問題 162／偶然產生的新發現 163／疏離的科學 164／數學的問題 166／現代科學的難解問題　168／難解問題的共通點 168／非線性的物理學 169／混沌（chaos）的世界 172／蝴蝶效應：一隻蝴蝶飛舞會引發颱風？ 173／碎形現象 174／混沌與碎形的關係 177／形狀的科學 179／科學、技術與社會的關係　182／無法回頭的科學技術化 182／技術方法多元 184
　►科學家的責任與倫理　186
　　阪神淡路大震災 186／科學家是什麼樣的人？ 188／「文殊」的事故 191／科學健全發展的條件 192／藥害愛滋問題 194／奧姆真理教風波 196／科學家倫理是什麼？ 197

第五章　二十一世紀的科學與人類    199
　►地球環境問題　200
　　人類的活動導致地球毀滅 200／「債」留子孫 201／啟發解決之道：「善待自然的科學」 202／啟發解決之道：運用生體反應的技術 204／啟發解決之道：擺脫電能 205
　►嶄新的科學技術與我們　207
　　「規模適中的科學」 207／打破理組和文組的隔閡 208／技術的發達與我們 210／技術的提升與人類的水準 210／「資訊革命」的問題 212／生化科技與我們 213／創造出自然界不存在的生物 214／「上帝之手」落到人類手中 216／「對話的科學」 217／與民眾對話的科學家 218

第六章　寫給肩負未來的你們    221
　如何學習科學 222／利用科學館 222／嘗試閱讀第一線研究的解說類書籍 223／嘗試思考身邊的事物 224／掌握基本原理：科學家就是偵探 224／將嶄新的風氣帶進科學中 225

參考書目    227
附錄　阿基米德的牛群問題    231
致謝    233
圖表索引　238

科學的脈絡
文／蔡志浩（認知科學家、台灣應用心理學會理事、台灣使用者經驗設計協會創會理事長與現任理事）

科學，既簡單又複雜。簡單，因為科學研究的本質可以用一句話說完：「試著發現些什麼並驗證那些發現的過程。」複雜，因為這些過程充滿了挑戰性。
「發現（discovery）」與「驗證（justification）」是科學研究的兩個主要脈絡。一般人對科學的印象多半來自驗證：科學家的確是透過明確的結構、方法與流程檢驗特定假設。

但是那些假設怎麼來的？或許有人會說是理論推導來的。那麼理論又是怎麼來的？科學家一開始是如何想出某個理論的？換句話說，如何想到現象背後的運作機制可能是這樣的？

這個脈絡叫做「發現」。與驗證不同，「發現」的過程幾乎全無結構、方法與流程可循。這是個充滿不確定性的過程。它當然還是需要對某個領域的長期浸淫，但更需要高度的創造力與想像力。

如果你有機會回顧各個科學領域的歷史就會明白，重要的科學發現，往往都是聰明的科學家在非常偶然、意外、離奇、甚至有點瘋狂的情況之中產生的頓悟。

從發現到驗證，科學一直是感性與理性、直覺與邏輯、瘋狂與冷靜、混亂與結構兼具的。但我們的教育都還是著重在科學一板一眼的那一面，很少真正呈現科學的全貌。

科學如此，實務亦然。台灣產業代工起家，擅長幫國外品牌客戶解決問題。但是當我們開始做品牌與創新，必須自己發現問題，就遇到困境了。我們習慣一切都能確定，但發現的過程是幾乎沒有規則可循的。

《科學素養》沒有明確區分這兩個脈絡，但讀者可以試著去區辨。例如池內教授把研究人員分成擅長解決問題的「微分型」與發現問題的「積分型」。他也強調科學精神的本質是好奇心。唯有多問為什麼，才有機會獲得重要的發現。

此書原著出版至今已有二十二年，但作者看到的很多趨勢是很清楚的。例如他說要打破理組和文組的隔閡。時至今日，認知科學與認知神經科學結合了心理學、語言學、資訊科學、神經科學與心智哲學，正是最好的例子。

不同科學領域間的差異頗大，但目標十分一致：描述，解釋，預測，控制。能客觀觀察現象才能探究其運作機制，能了解機制才能預測，能預測才有機會控制與改變，讓世界變得更好。

實務工作也需要科學素養。除了要懂得區辨發現與驗證，更要意識到世界變得愈來愈複雜。單一領域或技術能發現與解決的問題愈來愈有限。唯有打破專業間的界線，才能發現更有價值的問題，產生更有價值的解法。

以設計為例，成功的創新要能同時滿足商業、技術與用戶的需求與限制，而這只有跨領域才能做得到。而設計同樣始於進入脈絡中觀察（描述）、洞察需求（解釋）。透過原型設計找到最能滿足需求的解法（預測），再將設計實作為能夠融入使用者生活脈絡中的產品與服務，促成正向的改變（控制）。
《科學素養》書中大部分的例子來自池內教授的專長領域天文物理學，對其他領域探討不多。我自己身為認知科學家，剛好可以再做一點延伸。

池內教授覺得社會與人文科學多半沒有實證或反證。事實上是有的。例如語言學家就很擅長從真實語料中找尋反例來推翻自己歸納或推導出來的語法規則，心理學家也相當擅長以實驗方法探究行為背後的機制。人工智慧則以建造有智慧的系統的方式探討智慧的本質。

現代科學的異質性很高，自然科學的研究典範未必適用於所有領域。但「從發現到驗證」的科學脈絡是一致的。都要能探索未知世界獲得新發現，並用實證的方式驗證。

最後，我很喜歡池內教授說的，要學會了解自己「什麼知道，什麼不知道」，並懂得有效運用科學磨練洞察力以「看見『看不見』的東西」。面對人生的難題，科學思考總是可以在關鍵時刻給我們指引。

我們更需要的科學素養
文／黃貞祥（清華大學生命科學系助理教授）

這是最好的時代，也是最壞的時代；這是智慧的時代，也是愚蠢的時代；這是科學的時代，也是疑慮的時代。

我大學唸書之前能夠讓教授榮獲國科會傑出研究獎的論文，現在能否用來升等都難說。這二十多年來，學術界對科學論文的質與量有更高的要求，意味著時代的進步，但也促成論文造假的誘因。

愈來愈多的大學批量製造了愈來愈多的大學生，可是大學畢業生的薪資卻倒退十幾年，而且博士班卻愈來愈難招到學生；政府過去投注愈來愈多的資源在高科技的創新，可是競爭力卻似乎被韓國和對岸不斷趕超，愈來愈焦慮的政府只能要求研究成果要馬上有用，基礎研究愈來愈不受到該有的重視。

這是一個無比焦慮的時代，但也可能是個充滿機會的時代，至少讓人投身科學工作前就該清楚自己的志趣，而非盲目一窩蜂。就像大文豪狄更斯在《雙城記》裡著名的開場一樣，每個時代都有其雙面。當一個經濟體要轉型而能夠更富裕和先進，就不可能單純依賴過去代工的經驗，還有讓學生不顧興趣專長一窩瘋地往理工領域裡擠，忽略健康有活力的社會需要多元多樣的人才。
身為科學工作和教育的一員，我當然希望更多熱血能加入，但更希望後輩都是了解狀況並且能夠樂在其中的。科學研究是艱辛的，也是充滿挑戰的；是孤獨的，也是充滿樂趣的；是高度專業的，也是廣闊無邊的。投身科學工作的有志之士，在基礎科學的研究愈來愈多挑戰的情況下，能不好好認識這個最了不起的智性活動，如何成就我們今天人類史上最高效的社會嗎？

我們的社會普遍是尊崇科學的，偽科學也就是搭著大眾對科學的崇敬和信任招搖撞騙，可是不少志同道合的有識之士，也為推動全民科學素養而努力不懈。然而，即使是理工科系出身的人們，就一定具備了該有的科學素養了嗎？
日本物理學家池內了，除了是位成功的科學家，他也為日本大眾寫過不下五十本科普書！是位多產的作家。他的這本給年輕學子的《科學素養》雖然成書於二十幾年前，但仍適合今天有志科學的學生一讀，認真地在迷惘的時代指引出清晰的方向。現在的學子何其有幸，我也希望大學時就能讀到這本書。
身為在大學裡任教，有志科學教育和科普傳播的科學工作者，我是很羡慕日本的，因為日本有不少大師級的科學家，在繁忙的研究工作之餘，仍不忘孜孜不倦地寫書為大眾解釋複雜的科學知識，出版社也提供專業的編輯協助，這讓日本人的科學專業不輸歐美，甚至可能有過之而無不及。近年日本也出現了不少諾貝爾獎得主，就是他們長期投資科學最具體的收穫。

在《科學素養》這本書中，池內了分享他在科學之路上的經驗，談的不只是他熟悉的物理學而已，他交代了自己為何投身科學研究，闡述科學的思考法和歷史，討論現代科學的目標、特徵和難解問題，也提出科學家的責任與倫理、科學與社會的關係等。他沒有美化科學，誠實地揭示科學的限制等。科學在不同時代展現出不同的面貌，清楚地了解其脈絡才能深入探索。

《科學素養》寫得非常的淺顯易懂，雖然可能有些專有名詞讓人感到陌生，可是高中生閱讀之後也可能很有收穫，尤其是在決定大學的求學方向時，認清科學家所追求的是否和自己的志趣相投，相信能夠讓人做出更好的決擇！
科學學者和學生，除了必須學習妥善掌握複雜的科學理論和實驗，同時也應該有批判思惟和獨立思考的能力，並且清楚科學在歷史中的脈絡和社會中的互動，因為有很多政策議題有賴通曉科學並且有溝通能力的知識份子來提供建言。

讀了《科學素養》，仍不足以成為真正有科學素養的人，但至少會略知科學素養，並且想要成為有科學素養的人吧！？


本書出版二十二年後，我們為何還在談科學素養
文／鄭國威（PanSci 泛科學總編輯）

愛因斯坦曾言：「當我們的知識之圓擴大，環繞圓周的黑暗也跟著變大了。」（As our circle of knowledge expands, so does the circumference of darkness surrounding it.）這句話是我最常在外演講時引用的名人錦句，也是時時自我提醒的警句。

所以，正如本書作者池內了教授所說，科學家並不是知道所有事情的人，其實正好相反。科學家是站在圓周上，知道我們知道哪些事情以及不知道哪些事情的人。正因為科學家知道人類還有很多不知道的事情，面對無法估量的黑暗，因此更擁有了責任，要將人類知識之圓邊界的狀況傳達給更多人，同時在知識不足以至於無法判斷的時候，勇敢地講出「我不知道」。

科學家處於人類知識探索隊伍最前線，但科學家要扮演的角色不只是悶著頭往前進而已，而是要時時回頭，把前方的訊息回傳給後頭的人。這時候就像是比手畫腳遊戲一樣，如果一開始比得不好或傳達得不夠清楚明瞭，那麼一個接著一個傳到後來，訊息接受者不是摸不著頭緒，就是解讀得莫名其妙，並且肯定會反過來責怪前面的人「到底在比什麼鬼」。

所以，我們需要更多科學家擁有直接對社會溝通，體察一般人情緒與需求，再將複雜知識轉譯軟化成大眾語言的能力。在經營泛科學的經驗中，我認識一些擁有這樣能力的科學家，但在其中，有熱情、有意圖、願意撥出時間來溝通，不為糟糕的媒體環境和酸民文化而灰心的科學家，實屬鳳毛麟角。

若科學家不願、不用、不能對公眾溝通，將會帶領國家陷入惡性循環。作者在書中也直言：在民主時代，人民的選票與納稅決定了主要由國家支持的科學研究，因此一個國家的科技水準，愈來愈高的比例是由該國人民對科學與技術的了解與支持程度來決定的。所以科學素養除了包括了一般人對基礎科學知識的掌握、對科學史、科學研究方法的理解，更包括了對社會中的科學議題的參與，如果科學家不協助民眾跨過參與議題的門檻，那麼結果只會是民眾用選票跟稅金決定把門直接封死。

本書花了不少篇幅，從作者最熟悉的天體物理學出發，簡要清晰地告訴讀者當代科學的演進史；模型、假說、定律、理論等的差異；為什麼數學如此重要；面對無法化約的新領域該怎麼辦。這些其實是我們在國中時就都會學到的，但我也跟大多數人一樣，就算念到大學都無法真正搞懂，毫無興趣、甚至以厭惡科學素養而自豪。如果只是少數人如此，或許是少數人的問題，但如今卻是大多數的人都沒有足夠的科學素養，這很難不說是科學家與像我這樣的科學傳播者的責任。

在一○八課綱強調「素養導向教學」後，科學素養成為教育圈熱門話題，許多人誤以為這個改變，不過就是考試時會出現很長的文章題目要考生做閱讀測驗，讓更多的數理考試題目來自文學和社會議題的文本，或是讓更多的國文和英文考試得用上數理能力的題目，其實當然不是這樣。

要培養科學素養，最關鍵的是認知「科學做為一種探究知識、逼近真理的方法，到底是怎麼來的？科學家又是怎麼從單純對現象的好奇，轉而成為一種由國民稅金支持的研究活動？」說真的，科學素養教育之所以被重視，絕不該被當成是科學家突然又要灌輸給大眾一些莫名其妙的東西，而該被認為是科學界與科學傳播界的反省運動才是。

這本書（原文書）是在一九九六年首度出版，距今已有二十二年，雖然書中少了近年來的熱門科學名詞，例如大數據、物聯網、人工智慧、基因編輯、登陸火星等，但讀來依舊深刻，毫不過時。此刻讀這本書，看作者當時對科學家的批評與自我反省，再對照如今的發展，只覺像作者這樣的聲音實在太少，再多幾本這樣的書，也還不夠啊。