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從光纖談STEM教育的意義(文:湯兆昇) (09:00)

大家都知道,STEM是由科學(Science)、科技(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)四詞的縮寫合成。香港教育界落實STEM教育可謂各師各法,有人一味着重訓練學生砌機械人學編程,有人則一味鼓勵學生做創意發明,又有人提倡回歸基本科學。我認為STEM教育要求學生學習把四個範疇的能力綜合應用,是要讓他們明白和體驗現代科技文明的基本運作模式。簡言之,現代每一個重要科技產品出現的背後,都蘊藏着S、T、E、M四個範疇互動的故事,缺一不可。讓我以大家熟悉的光纖為例,說說這個故事。

人們早就知道光線可以在管道內透過不斷反射而傳播。可是在十九世紀時人們發現,在微細空間,光不像平時所見以直線傳播,而是有點像水波一樣,向四方八面散開。物理學家麥克斯韋發現,光原來是一種頻率極高的電磁場波動,麥克斯韋發現的方程組能描述一切電和磁的現象和光的傳播。知道了這些科學原理,理論上就能以不斷調控光束的頻率或振幅,使它攜帶大量信息。這些都是以光傳播信息的科學(S),日後成為光纖理論的基礎。

科學原理雖然明白,但用光纖作長距離通訊則遲遲未能實現,原因很簡單:一塊玻璃很透光,但把很多塊玻璃疊在一起,光穿過的時候部分被吸收,玻璃已變得有少許不透明了,何况是要讓光線通過數公里的玻璃管呢?所以二十世紀中期大部分科學家都覺得這個研究方向沒有希望。但高錕並不這樣想,他與何克漢(G. A. Hockham)於一九六六年發表論文,利用麥克斯韋方程計算光在很幼的玻璃管道中的傳播,並以實驗研究,分析各種可能損耗。高錕發現,光線的吸收主要來自玻璃中的小量雜質,只要能夠製造純度極高的玻璃管,減少吸收,光纖通訊應可實現。高錕又發現,用很幼的光纖核心,以單一模式輸送,信號變形最小,能承載大量信息長程傳送的成功機會較高。高錕應用物理原理,解決了實際應用的關鍵問題,再配合激光技術的發展,便勾畫出光纖傳訊的大藍圖。這就是科技(T)。

後來有製造商成功製造了吸收率很低的光纖。但這只是工程上的第一步,距離把光纖應用於互聯網,仍然相距很遠。如何廉價大量製造高質素的光纖,把光纖結合成光纜,鋪設光纜,重新放大衰減的信號,配合電腦技術急速發展等等,都是非常複雜的工程(E)問題,需要多代人努力解決改進。背後的動力是社會的實際需要,和龐大的經濟利益。

最後一個字母數學(M)其實非常重要,幾乎出現在創科的每個階段。從電磁波理論,到高錕對光纖傳輸作理論計算和實驗數據分析,以至後來無數工程師為實現大規模光纖通訊各種計算和實驗,都涉及數學。有人說,數學是科學之母,但我認為把它說成是「科技之母」更為準確。

故此,不以基礎科學知識對焦有研究價值範圍,無的放矢地亂試,不但事倍功半,遇上問題也不知道原因,無從改正。學習過程中也需要處理很多細節技術,不斷實驗、測試改進。STEM活動也要重視團隊合作,讓擁有不同天分的學生各展所長,以應用問題出發,建立測試——改正的迴圈,從糾正錯誤中學習各種科學知識和技術,取得進步。STEM活動是開放的,沒有最佳答案,即使未必所有學生都能完成既定目標,也能藉活動學習科學、學習創新,窺探現代科技世界的運作,這才是STEM教育的真正意義。

作者簡介:香港中文大學物理系高級講師,兼任理學院科學教育促進中心副主任,熱中在電視、報紙及各種媒體推廣科學。

(原文刊登於2019年3月7日明報世紀版)

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