【科學方法步驟】如何採用科學方法 |科學方法 |科學方法 |

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時序到了2012年底,PanSci上有兩千多篇各樣科學文章,臉書上粉絲數量突破三萬人,知名演講大會TED台北場上,分享了科學平台所促成推廣對話心路歷程。

藉由PanSci,我們獲得科學資訊管道暢許多,觸發了多人科學興趣。

可是,科學本質並不只是各種資訊、新知識吸收堆疊而已。

科學資訊知識之外,(我以為)應該是科學素養態度建立,建立起自己分辨能力,才能夠等待資訊,轉為主動篩選並且發送正確訊息。

科學一點譬喻來説,好像PanSci給予是篩選過、有價值、有營養(而且好吃)食物,期望每個讀者可以吃了後頭生病;但是除此之外,如果每個讀者能夠建立起『如何篩選食物』正確觀念,那麼不但需要PanSci來幫忙篩選食物,還可以回過頭來確認PanSci食物是有益健康,能夠加入或扮演PanSci角色,影響多人。

或者,如果我們笑傲江湖梗來譬喻,那PanSci你是各門各派劍法招式和用法,讓你可以功力進見招拆招克勝,但是到頭來如果方用了遇過怪招,那麼一時之間還是有落敗可能。

所以,應該是招式之外,能夠學到獨孤九劍心法,於是拘泥於招式和門派,能以無招勝有招,後打遍天下無敵手大敗東方不敗娶到美嬌娘任盈盈。

不過,PanSci上頭雖然多是武功招式科學資訊,孤九劍科學方法相關文章卻少了點。

所謂客觀,操作者意志不能夠影響到步驟進行和數據取得,就算實驗者百分之百確認實驗結果,要各種方式和實驗設計來減低自己既定想法可能帶來影響。

科學方法步驟 Play

如果各位看出了趣味(而且專欄有繼續下去沒有爛尾話),歡迎文後告知想要讓『科學怎麼搞』搞一搞問題或現象,我揣譾陋大家分享我觀點和思路,希望各方大大小弟思路之處能夠多多批評和指教。

不過,『科學怎麼搞』開始之前,這一篇談論科學方法態度文章是免不了要寫過,請大家多多擔待。

Wikipedia條目,科學主要有兩個含義:一是『求真』過程、一是『求真』過程產出的結果,知識。

科學知識大家PanSci上看得多了,但是產出科學知識『求真』過程和WIKI條目下強調邏輯推理過程,卻可能陌生。

於是,我們參照WIKI上科學方法條目,發現科學方法涉及了三個步驟:問題認知表述、實驗數據收集、説構成測試。

如果各位覺得這三個步驟相識,那是因為我們國小自然科提到了『觀察->提出問題->説->實驗->結果』這樣科學方法。

所以,科學方法大家知道了。

不過,知道歸知道,『下列何者科學方法第一步驟』考試有考,但是有內化到心裡成為科學態度見得多。

,一個可能是生活中沒有多少機會讓我們能夠實地操作科學方法(想想哪天你會到半時惹了女/男朋友生氣,結果那邊觀察提出問題説然後複驗定方是不是因為遲到半時才生氣,如果到28分鐘是不是會生氣…),所以我們無法科學方法內化態度。

但我認為,另一個可能是,上述步驟之外,執行科學方法時得符合幾個科學原則,但是這些原則沒有講述科學方法時候同時提到。

科學方法其實只是乾枯骨架,推動科學方法這個骨架血肉–科學原則–其實,日常生活中派得上用場。

,要有機會日常生活中執行科學方法機會多,但是科學原則依歸態度,是無時可以在生活中體現。
科學方法步驟

因為缺乏這些科學原則理解,會無法科學態度內化到心裡,並且應用在生活中。

那麼,老生常談科學方法之外,有哪些存在科學原則呢?,第一個原是:科學方法建立於收集可觀察、可量度、可經驗證據。

説,空口説話或是不能當成證據,要想證明什麼,要是現實生活中可以『量測』得到現象才行。

所以,感覺手指變長,得要拿尺來量,而不是把手放在一起比一比罷了。

第二個原則,是過程中,觀察量度經驗事實,去證明説否。

換句話説,讓鐵錚錚的事説話,而需要任何額外解讀或詮釋。

而且避免實驗時發生錯誤或誤解或運氣太,實驗步驟和結果要有可複性。

光是『可複性』這一點,人忘記。

所以,SKII是不是了回不去,是要複驗過知道(而且本錢要)。

有一點,整個過程是客觀。

所謂客觀,操作者意志不能夠影響到步驟進行和數據取得,就算實驗者百分之百確認實驗結果,要各種方式和實驗設計來減低自己既定想法可能帶來影響。

所以實驗取樣時候視隨機性代表性,非必要挑選實驗樣本,而就算是實驗對象反覆實驗,會盡可能讓施測條件,並且避免實驗者或實驗者人因素造成差異。

這一點,人類對象實驗上要小心,例如李校長功能實驗需要注意。

另外,整個過程中,保留所有紀錄、結果和資料是,這並不是讓年紀大記性實驗者可以記得自己之前是怎麼做實驗,而是讓後人有複驗步依畫葫蘆驗證可能。

而且,能夠實驗紀錄、結果和資料留存,並且盡可能公開接受他人檢驗,是檢驗實驗客觀。

如果有違背科學原則隱瞞或刪減,會這樣他人檢視下或他人複驗下現形。

以上幾個原則,我們能詳科學方法之外,要同時存在科學原則。

能夠把握這些科學原則,表現了科學態度:信任可觀察量度經驗現象、可複觀測而非無法現事依歸、無論自己相信什麼客觀態度和方法面觀察到現象、而且樂於分享公開資訊資料和結果接受他人檢驗,並且保有『自己支持或信任説和理論新出現事證推翻』可能性,因而保持彈性和。

行筆,後我想要提醒是:如果科學方法是骨幹,那麼這些科學原則包覆在外血肉,只有兩者兼備,才能構成身體。

但是,科學方法和科學原則,並表示會實際應用在生活上。

,科學方法加上科學態度只是個萬事具備肉體,要想賦予這個肉體樣貌,不能缺少東風動機。

最近關於潛水艇新聞可,首艘國造潛艦「海鯤號」下水典禮、中國 093 潛艇「疑似」失事、前陣子有烏克蘭使用導彈無人機襲擊俄羅斯基洛級潛艇新聞,潛水艇關注度一時間高了。

但是你,潛水艇國防來説,很嗎?有,現代觀測技術那麼發達,這些儀器眼皮之下,潛艇能保持隱形嗎?潛水艇、著稱,有著戰略價值,不僅可以水下佈雷、投送兵力物資;它發現特性,打擊水面艦刺客,往往能讓敵人不敢越雷池一步。
科學方法步驟

,要造一艘能潛水下潛艇肯定,如果水面下出事了,取得救援,安全要求於其他載具。

另一方面,原則潛艦,從引擎、外型、武器到主動聲納,需要科技改進,來讓自己發出的聲音降到。

既然我們知道潛艦隱蔽性是考量,現在我們站反潛方,來看看如何抓出一艘潛水艇。

主動偵查「通訊」像,是傳送一個訊息到目標物,接收傳回來訊號。

只是通訊訊號是方主動回傳回來。

主動偵查呢,是訊號碰到目標物反射回來我們接收。

沒錯,這蝙蝠回聲定位像,只是一個水面上,一個水裡。

現代遠距無線傳輸方式主要有兩種,電磁波通訊聲波通訊。

水面以上,我們電磁波傳輸,因為空氣中這麼做有效率,因此不論是無線通訊是手機微波訊號,多是電磁波形式傳輸。

可惜這個方法到水中不管了,什麼呢?電磁波穿過水時候會因為兩個原因,讓強度衰減。

一是電磁波水吸收,二是電磁波水分子碰撞會產生散射,舉例來説,太陽光是電磁波一種,而太陽光會因為海水中散射,而讓海看起來是藍色。

因為光線穿過介質介面時,會因為速度改變而轉彎,所以筷子插到水杯中會出現,水面上下呈現角度,看起來像是折彎了。

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延伸閱讀…

科學方法- 翰林雲端學院

如何採用科學方法: 7 步驟

如果想使用無線電通訊,一個頻率 1000 赫茲電磁波來説,每向前進一千碼( 900 公尺),訊號強度會減少 1300 分貝。

這説一下,「分貝 dB 」不只是聲音音量單位,而是可以各種需要表達強度比例單位。

舉例來説,電磁波每減少 10 分貝,意味能量減小 10 倍。

前進一千碼時減少 1300 分貝,意味能量會衰退 10 130 次方倍,到於沒有。

實務上,電磁波穿透距離只有幾十到幾百公尺而已。

相比之下,如果電磁波換成低頻聲波,每一千碼損失 0.01 分貝,電磁波相比起來可以説是幾乎有損失。

因此水中,大家聽到不會是什麼「雷達」,因為雷達(RADAR)全名是 Radio Detection and Ranging ,是使用電磁波偵查技術。

水裡我們是「聲納」,是利用聲音傳輸訊息探知物體手段。

此時蝙蝠回聲定位使漆黑水底起來,聲波海裡傳播速度每秒 1500 公尺,只要計算我們發出的聲波接收到聲波時間差,我們能物體距離。

例如我們聲波發出後 10 秒後接收到反彈訊號,代表聲波來回走了 10 秒 1 萬 5 千公尺距離,我們和目標物這個距離一半, 7 千 5 百公尺。

聲納裝載潛水艇上可以成為潛水艇眼睛,裝水面艦上,可以成為抓出潛水艇掃描儀。
科學方法步驟

潛水艇沒有聲納,可以靠海圖小心航行,水面艦沒有聲納,面潛水艇只能海底撈。

潛水艇第一次世界大戰中開始展現出戰略價值,其中潛艇戰德國 U 艇和德國實施「無限制潛艇戰」。

當時德國對手英國是個島國,因此想到利用潛艦封鎖英國,無論是軍艦或商船擊沉,希望能拖垮英國經濟。

雖然德國後取得戰爭勝利,但潛水艇確實擊沉了多艘協約國船艦,戰績是有目共睹。

有鑑於此,反潛聲納技術由此萌芽。

第一個主動式聲納第一次世界大戰期間,物理學家朗萬發明。

1915 年,第一個潛艇探測器「ASDIC」開始英國海軍艦艇上運用。

1931 年,美國發明瞭潛艇偵測裝置,並稱它「SONAR」,顯然這名字取得,成為現在稱呼這種技術名稱,聲納。

,水面艦像開了白眼一樣,潛水艇於無所遁形⋯⋯嗎?聲納既然發明瞭百年,為何潛水艇仍保有優勢呢?科技發達現代,聲納為何是無法抓出所有潛艇?很可惜,事情沒有那麼。

當大家帶著科技和設備準備挑戰潛水艇這個可敬手,卻突然隱藏 BOSS 跳出來地打了臉,他:物理。

讓我們回到大家做過實驗,準備一個透明杯子裝水,筷子插入水中。

因為光線穿過介質介面時,會因為速度改變而轉彎,所以筷子插到水杯中會出現,水面上下呈現角度,看起來像是折彎了。

延伸閱讀…

科學方法

科學方法

聲音光是「波」一種,因此穿過密度介質時會產生折射,路徑出現。

你説道理我懂,但海裡面只有水,哪來介質?還有,那隨著經緯度深度變化,鹽分、水温、密度海水。

鹽分、水温、密度升高,會導致聲速變快。

而這三者海中各處會是。

例如深度海水中,深度 1000 公尺內上層海域斜温層,當深度離海面,海水得不到太陽加温,因此海温減,而海温降低會導致聲速降低。

深度超過 1000 公尺後深海等温層,温度、鹽分變化趨緩,此時壓力會隨著深度增加而增加,海水密度開始上升,因此聲速增加。

每一層有聲速海水,於是介質,聲波會層海水之間產生折射。

類現象發生空氣中。

沙漠或是天氣柏油路面,會因為空氣密度分佈,光線密度空氣間產生,出現影像空中出現錯覺,海市蜃樓現象。

重點來了,海裡折射會是怎麼樣呢?設我們有一艘潛足夠潛艇,海面附近聲納發出一道聲音斜海洋處前進,決定折射角度斯乃爾定律,聲速上升,聲音會偏離介面法線,偏向兩個液體交界面。

海中實際表現,聲音產生,海平面平行,當角度超過 90 度,後會,產生全反射。

而斯乃爾定律告訴我們,程度入射角有關,當角度超過臨界角時,會產生全反射。

這些聲波行進路線畫出來圖,可以看到一塊聲波到達不了地方,這陰影區(shadow zone)。

如果潛艇躲藏在這個位置,那麼水面上敵人無法透過主動聲納發現你。

除此之外,納路徑圖可以看得出來,水中聲納走路徑像是 U 字型一樣,會海面反射,海中全反射。

而線線之間空白處,是聲波會地方,屬於陰影區。

因此實際水面偵測潛艦時,只有在碰到這些線時候會收到該點訊號,如果要抓出敵人,獲知訊號時抓緊時間。

減少這些陰影區死角範圍,有一些但複雜想法,例如使用拖曳式陣列聲納,一個點不夠,那我拉一排,減少盲區。

或是透過小角度海底反射,來覆蓋近距離內多範圍。

然而這會只是畫一張圖那麼,聲納過濾來自自身引擎噪音,或是因為海底非目標物環境反射。

多一次反射,意味會多一道訊號反射納中,要如何這些訊號區分開來,判斷哪些是海牀訊號,哪些是敵艦訊號,各本事。

沒錯,就算有了聲納系統不夠,海底資訊掌握度和後期運算兵家相爭關鍵。

你想想,就算你知道聲音會隨著密度轉彎,但你知道眼前海域每個深度實際密度嗎?如果你知道這些資料,就算接收到訊號,你算得出敵艦位置嗎?舉例來説,冬天和夏天海温,聲音角度,能探查範圍死角不相同。

你緯度,海域作戰時,所需要資料不相同。

台灣冬夏兩季受東北季風西南季風吹拂,周圍有黑潮、中國沿岸流洋流影響,各層水温隨季節變化影響,台灣海峽地形原因海流複雜,稱為黑水溝。

此之上,能掌握周圍海流活動,能兼顧潛艦航行安全外,有助於提升潛艦隱蔽性。

海洋複雜性,構成了潛艦能維持優勢原因。

而這場卧虎捉藏龍決到此沒有結束,我們介紹了第一招,後面有 99 種招式等待要過招。

例如潛艦關掉主動聲納後,如何靠動聲納安全航行並鎖定目標?科學方法(scientific method)是檢查現象、獲取新知識、修正與整合先前得知識,所使用一整套技術[2][3];合乎科學精神,這方法建立於收集可觀察、可經驗(empirical)、可度量證據,並且合乎推理原則[4]。

梅里亞姆-韋伯斯特辭典如此定義[5]:
科學方法是一種持續過程,其仔細觀察,人們天生有一種摘三問四習性,他們會於周遭現象想出一些問題,進而發展出一些説來解釋這些問題。

説會導致能多檢試言。

基於檢試結果,檢查説可能需要加以改善或遭到駁回。

這整個循環,預測、檢試到改善,可能會複多次,會無限期地複,直到説改善到能夠給出預測符合檢試數據,這時,可宣佈一個科學理論出爐了[1]。