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萌新攻略·第二期丨如何科学地学科学?

摘要: 上学期Yoyo学姐给大家分享了如何养成好的学习习惯 ,Yoyo学姐也因此收获了很多的小迷妹、小迷弟,他们都开始尝试整理自己的学习生活。本期给大家带来分享的是此次系列讲座的第二场——“如何科学地学科学”。Erica学 ...
上学期Yoyo学姐给大家分享了如何养成好的学习习惯 ,Yoyo学姐也因此收获了很多的小迷妹、小迷弟,他们都开始尝试整理自己的学习生活。本期给大家带来分享的是此次系列讲座的第二场——“如何科学地学科学”。Erica学姐作为诺科的一名学霸,一年考9门AP,理科全满分,对于理科学习一定有她自己独到的理解和领悟。下面,让我们一起进入她的视⻆,看看她是如何科学地学科学。

萌新攻略·第二期丨如何科学地学科学?


萌新攻略·第二期丨如何科学地学科学?

大家尝试回忆一下,油碰到纸张后你们会观察到什么样的变化呢?想象一下你在街边小摊吃手抓饼,吃完之后饼渗出的油会在纸做的包装袋上留下什么样的痕迹?

萌新攻略·第二期丨如何科学地学科学?

我希望大家可以想象到,纸会变得有点透明对不对?那么再让我们来思考一下这是为什么呢?为什么浸透油的纸张会略呈透明的状态呢?

萌新攻略·第二期丨如何科学地学科学?

作为学习科学的学生,我们该如何去攻破这个问题呢?我想要通过展示探索这个问题的过程来一步一步展示有效的学习科学、运用科学的方法。首先让我们暂时忘掉这个问题本身和它的答案一段时间,而是从我们已经知道的东西出发,看看我们之前已经知道哪些和这个问题有关的内容。如果上过初中科学课里物理中光学的话,我们应该清楚我们看到的物体并不是物体本身,而是碰到这个物体表面后返回到我们眼睛的光。

萌新攻略·第二期丨如何科学地学科学?

一个物体所呈现的颜色就是返回的光的颜色,而其他颜色的光都会被物体本身吸收。叶子是绿的是因为叶子返回回来了绿光,苹果是红的是因为苹果返回回来了红光,头发是黑的是因为它基本上吸收了所有的光,纸张是白的是因为它基本返回了所有的光,玻璃是透明的是因为光在玻璃上基本不发生反射,也不被吸收,而是径直穿过了,最终到达我们的眼睛,所以我们无法看到透明的玻璃,却能看到玻璃后的东西;半透明的东西也可以允许光透过,但是光线的路线往各个方向偏折了一点点,导致人眼看到的画面是扭曲且模糊的。

那么当我们理清思路之后,再运用我们以前知道的有关光学的知识,回头去看看我们这个问题,它就变成了以下这个形式:为什么光本来可以在纸上被返回来,但是油浸透的纸却可以直接让光穿透呢?

萌新攻略·第二期丨如何科学地学科学?

看似这个问题仿佛变复杂了,但是事实上当已知的内容被融入进去,它和一些知识点的关系变得更加明了了。的确,光的物理是我们揭开谜底的第一条线索。

现在我们解决问题的进度条已经到了15%,是时候介绍学习科学的第二个技巧了。

技巧一:Start from What You Know。

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解题是这样,学习也是这样:数学课会遇到新公式,经济课会遇到新模型,物理课会遇到新法则,化学课会遇到新分子和反应式,那么多新的知识点,我们该如何在最开始的时候理解他们,并且做到理解透彻?Start from what you know,从你会的东西开始。就像数学课老师不会直接从Laplace Transformation开始教学一样,因为这个需要微积分的基础,每堂课的内容都是建立在已知的知识点上的,而不是各自脱节,各自独立的存在。接触到新的知识,或者遇到科学上的一个问题,就要学会回头去看看。问问自己,我对于这个东西已经知道哪些?这样的自我检测会帮助我们建立一个系统化的知识库,同时帮助理解。

回到问题继续往下讲。纸从可以返回所有光回我们的眼睛到可以允许光透过,这期间它是发生了什么样的变化?物理变化?或是化学变化?变化这个词很短,但是它包含了很多内容。要真正去谈变化,你就要至少涉及一个东西开始的状态和结束的状态,可能还需要再聊聊整个变化的过程,比如变化发生的快慢和发生改变的机制。所以不妨让我们把问题拆一拆,先看看正常情况下一张干净的白纸是什么样的。

萌新攻略·第二期丨如何科学地学科学?


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这里是一张照片展示了显微镜下纸张的样子,如果仔细观察,我们可以看到这白色的大背景下有一条条细细的纹路,而且它们都呈现一点透明的样子,就像是你们平时可以看到的挂衣服吊牌的塑料丝。

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为了更加清晰展示纸张的微观结构,我也在家里备置了玻璃,上面是A4纸撕碎的一⻆,为了颜色对比明显我以深色的木纹桌面作为背景。这样看这些透明的丝状物就格外清晰。事实上,纸张的确就是一种由cellulose fiber(纤维素纤维)组成的混合物质,而这些纤维素纤维本质上就是完全透明的。

那么新的问题就出现了,为什么我们平时看到的白纸是白的而不是透明的呢?

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再一次,我们似乎又把问题变得更加复杂了,但我们现在就可以换一种思路,去生活中寻找一下答案。

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商场的甜品店里各式各样的刨冰非常常见,但是我们看到这些图片除了想吃之外还想到了什么呢?

我们平时看到的整块冰块是透明的,但是为什么冰块刨碎之后就显现为白色呢?同样的,下雪之后,雪花,也就是细小冰晶,覆盖的雪地也是显现成白色的。这是不是和纸很像呢?冰晶和纤维素纤维都是透明的,但是当非常多细小的透明冰晶或者纤维重复叠加在一起时,它们的整体就是白色的。回到我们最开始讨论的光学知识点,白色证明它们让绝大多数光都回了你的眼睛。但透明的纤维不应该让光直接透过吗?看似我们好像越绕越深,但现在这里已经出现了一个看似矛盾的点可以被突破了。也许整个思考过程可能会越来越令人费解,但是你会发现自己正在科学地探究这个问题的真相。

在揭开谜底之前我们先再次回到今天的话题—如何科学地学习科学。首先我们把纸的变化这个复杂的问题拆解,从纸张原来的状态入手,而不是视线放得太大,容易迷失,导致不知道怎么入手。

所以,技巧二就是Start small, dig deep。

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在学习各个科学学科的时候都会有各种各样的概念,与其把这些概念囫囵吞,不如先从搞懂其中的一块开始。举一个经济中的例子,学宏观经济Macroeconomics的时候,你们绝对会学到Supply-Demand Graph。

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它根据不同的政府fiscal或monetary policy会有不同的变化方式,同时也会受社会情况之类很多因素的影响,所以当我们学习的时候就可以从小的分支点开始,从supply curve开始,再去看demand curve, equilibrium point, 最后加上long-term supply curve,同时我们可以用上第一个技巧,运用你前面已经搞懂的知识点,再去理解下一部分,这样可以保证你的学习最最高效。我们现在已经到30%的进度了。但我们刚刚还用到了另一个⽅法。

我们把纸的微观结构和刨冰联系在了一起。把相对陌生抽象的东西和相对熟悉具体的东西联系在一起,这是一个非常常见的学习技巧。理科是和我们的生活息息相关,不能否认这个时空的存在如果失去理科的基础就难以成立。

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我认为数学是所有理科的基础,由自然科学方面发展的话数学建立了物理,各种粒子的物理关系建立了化学,各种物质的化学反应建立了生物,当然数学也是经济和商科类课程的基础。每一门学科都在日常生活中有数不胜数的例子。自行车怎么保持平衡?萝卜腌在盐水里为什么脱水?在学习过程中,我们不妨将这些纸上的知识更多去联系生活,这会帮助你理解概念,也可以辅助你的记忆。

所以,第三条技巧就是associate it with your life。

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发挥脑洞,爱上应用题(开玩笑)。进度条现在已经到50%,再继续回答我们的问题吧。刚刚讲到当透明的纸纤维叠加在一起看着却是白色,这个现象其实和光的折射的有关。我们知道,光在经过一个密度不同的介质的时候会变化速度,同时也会变化行进方向。纤维素在这里就是一种密度较空气高的介质,因此在每次经过一段纤维素纤维的时候,光就会偏折一点点。但是纸张并非全部都是纤维,它确切的说是由一大堆纤维组成的一个杂乱无章的结构,纤维之间没法紧密贴合,就会留下空隙,空隙内是空气。

萌新攻略·第二期丨如何科学地学科学?

这里有一个新的概念叫做refractive index折光率,它是光在真空的速度和光在媒介中的速度的比值。纤维素纤维的折光率约为1.469,空隙中空气的折光率约为1.000,所以每当光碰到一条纤维它就会拐个小弯,离开纤维在空气中就直走,结果立刻又撞到一条纤维,于是又拐个弯,然后继续直走,又碰到另一条纤维。光表示它也很懵逼啊,到底绕来绕去这是要往哪儿走?所以最终的结果就是,光来到纸张的纤维迷宫之后,最后都是向各个不同的方向走,很多都最后回到了你的眼睛这里,你看到的于是就是这些光的总和,也就是白色的光。

那么我们之前的问题,为什么我们平时看到的白纸是白的而不是透明的,到这里就算是解决了,离真相也不远了。现在再回头去考虑变化后的纸—是什么让油可以使得光线不再这样那样乱窜?根据我们刚刚对于纸呈白色的理解,光乱窜是因为它不断地在两种不同密度的介质之间经过,导致它要不断变化方向。但是如果只有一种介质存在,就像是玻璃和整块冰那样,会发生什么呢?又或者,如果两种介质的性质非常接近呢?这个时候我们就体会到了刚刚第二个技巧start small, dig deep的好处了,当纸的原始状态的秘密被揭开,接下来的理解立马就是水到渠成的事。事实上我们的推理没有错,如果我们的两种介质的性质非常接近,那么光线就不会像在迷宫里一样乱走,而是基本上保持笔直前进的路径。下图中的表格标明了不同物质的折光率。

纤维的折光率,就如上⽂中提到的,约为1.469,甘油的折光率在这里显示约是1.473,两者非常非常接近。所以当油渗透了纸,填满了纸纤维之间的空隙,取代了空气,所以我们基本上就可以把浸油的纸看作为一个拥有折光率约为1.47左右的整体。这次,当光遇到浸油的纸,它不会毫无头绪,而是仅偏折一点方向,从纸的另一面穿出,所以给人眼呈现的就会是略呈透明形态的纸。

再让我们做个小练习。水滴到纸上我们会观察到什么现象?这个现象和油在纸上的变化有什么异同?为什么?根据表格中的数据稍作思考,然后再继续往下读吧。

萌新攻略·第二期丨如何科学地学科学?

因为水的折光率约为1.33,这和纤维的折光率还是有一定差别的,所以水滴在纸上没法做到像油在纸上那么透明。但是毕竟水与纤维间的差值还是比空气和纤维间的差值小了,所以还是可以让纸的透光度更强一点。

那么,我们又成功解锁了一个技巧,learn by analogy,学会运用类比。

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科学总体而言都是涉猎范围非常广的领域,课上老师肯定没有办法告诉你所有的细枝末节。比如,就说化学中电负性和effective charge有关,化学老师上课时也许会告诉你氧比碳的电负性大,因为它的effective charge大,但是他不可能讲到所有元素周期表上的元素两两比较的结果,这就需要你用同样的思维去推理。这就是一个显而易见的例子告诉你举一反三的重要性。

那么我们最开始的问题也算回答完成了,我们明白了浸透油的纸张略呈透明的状态背后的原理。但是我没有把我们的进度拉满,我认为我们才到80%。为什么呢?因为我们还有好多好多细节被忽略了啊。比如刚刚我们一直在用颜色来描述光,但是所谓光有红黄蓝绿青蓝紫的说法并不确切,我们认为的颜色其实是在人眼可见光范围内,不同波长的光带给大脑视觉中枢的信号不一样。想要搞清楚这点就还需要更多对于人眼和人脑对于光线的感觉和认知功能方面的了解。这又是生物方面的整整好几节课。再比如为什么有些东西会吸收一些波长的光并反射一些波长的光,而有些东西,比如纤维素纤维和冰,就可以允许光线通过,这就有关化学方面的分子结构了。还有光的折射曲度和光速的关系,我们需要明白物理的Snell's Law。我们真的真的明白这个问题的答案了吗?我猜没有。还有太多太多我没有懂的,我个人觉得这个进度条永远也拉不到100%。

这就是我想告诉大家的第五个技巧,Stay hungry, Stay Foolish。

萌新攻略·第二期丨如何科学地学科学?

保持你的好奇心,保持求根问底的态度对待你的理科课程,不要满足于单单记住一些公式名称或者表面现象就好了,真相永远比你知道的要复杂。想学的扎实学到点子上,就要懂得问为什么,去了解问题的深层面,去主动探索,而不是被被动输⼊。

最后一点我想提的是,Never be afraid to ask

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问问题不是说明你不懂,不够聪明,而是说明你会思考,知道自己不懂在哪里,问问题也说明你会社交,懂得去怎么表达自己的困惑,去寻求别人的帮助。单是在解释这个油与纸的问题过程中,我们就需要从本来的问题中延伸出了很多新的小问题来寻求答案。不懂就问,不会就说,这才是学习科学的基本功。

今天的内容差不多到这里就结束了。可能有些同学会更希望我能讲讲类似于如何做笔记或整理错题之类的方法,但我觉得理科相较于文科的弱点就是缺乏人文气息。理科多数认为黑即黑,白即白,但是学习科学不是一个纯粹的理科知识点,具体的学习方法因人而异,有些方法对我奏效不一定其他人也能受惠于此。只要能把握好大方向,记住刚刚的6条技巧,再根据个人习惯去将其实现,我相信理科课程不会是一个难题。

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Slide: https://app.genial.ly/editor/5f3e81d3f8a334781ccfd26d

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2020-9-17 00:03
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