科学家常常邀请公众来领略他们的所见,利用从雕版木块到电子显微镜的一切工具来探索科学事业的复杂性和生命之美。通过图示、照片和视频来分享这些所见,使得普通人也能探索各式各样的科学发现,从新发现的鸟类物种到人体细胞的内部工作机制,不一而足。
作为一名神经科学和生物科学的科研人员,我知道科学家有些时候留给外界的刻板印象是一群身着白色实验服、执迷于图表的人士。这个刻板印象遗漏了科学家对于科学作为一种发现方式的激情。正是因为这样,科学家才频繁地求助于那些能引起敬畏的可视化呈现方式,借此手段来解释那些难以解释的科学发现。
由美国实验生物学学会联合会主办的“生物艺术科学图像和视频竞赛”向社会公众分享那些在实验室外难得一见的图像(参见本期封底),旨在向普通人介绍那些常常与生物学研究相关的惊艳画面。实际上,生物科学竞赛和其他类似的竞赛反映出人类利用图像来阐明科学的漫长历史。
历史和智识的时刻
文艺复兴时期,艺术在推进自然科学方面发挥重要作用,譬如鲁本斯的人类解剖学研究
文艺复兴是欧洲历史的一个时期,介于14世纪和17世纪之间,给科学和艺术赋予了新的生命力。它将初生不久的博物学与艺术性的插图结合在一起(博物学是一个观察普通环境中的动物、植物和真菌的研究领域),使得对自然界进行更广泛研究和分类成为可能。
艺术家与通晓艺术的博物学家通过为早期植物学家和解剖学家的发现绘制图示,也能推进研究自然的手段。譬如,佛兰德画家彼得 · 鲁本斯(Peter Paul Rubens)在他著名的解剖素描中提供了对于人类解剖学的非凡洞见。
到了17和18世纪,随着印刷工序变得愈加复杂,早期鸟类学家和解剖学家能够出版和传播他们的优美绘画。这种艺术与科学结合的做法后来得到进一步普及。初期广受欢迎的作品包括约翰 · 奥杜邦(John James Audubon)的《美国鸟类》和达尔文的《物种起源》。
不久后,出版商推出了野外指南和百科全书,包括科学家通过早期显微镜观察到的景象图示。这些出版物受到热烈欢迎。譬如说,一本1859年出版的苏格兰百科全书《钱伯斯百科全书:大众的普遍性知识词典》试图用雕版印刷的哺乳动物、微生物、鸟类和爬行动物图示,明明白白地解释自然世界。
这些出版物回应了公众想要获取更多关于自然界资讯和图像的需求。人们组建业余博物学者协会,搜寻化石,享受本地动物园或动物展览之旅。到19世纪时,全球各地都建造起自然博物馆,通过图示、模型和真实样本来分享科学知识。展品多种多样,从被制成标本的动物到保存在液体中的人类器官,不一而足。
在过去的150年里,在新技术的帮助下,起初的手绘图已经改头换面。1895年出现的X射线、1931年出现的电子显微镜,20世纪60年代出现的三维建模,1973年出现的磁共振成像等尖端成像技术的诞生使得科学家更容易分享他们在实验室里的所见。事实上,最早发现X射线的物理学教授威廉 · 伦琴(Wilhelm Roentgen)用妻子的手拍下人类的第一张X射线图像。
第一张X射线图像是X射线发现者威廉·伦琴的妻子的手
如今,包括《自然》和《科学家》在内的科学出版物已经开始和读者分享它们最喜爱的科学图片。可视化(无论是通过照片还是视频)成为科学家又一种记录、检验和确证他们科研成果的方法。
科学、艺术和K-12教育
随着K-12学校将科学照片和视频加入课程计划,这些科学可视化成果早已进入课堂。譬如说,艺术博物馆已经发展出基于艺术的科学课程,从而让学生领略科学的面貌。此举能有助于学生增强科学素养,提高学生对于基础科学原理和批判思考技能的理解。
科学素养在当下尤其重要。在新冠疫情期间,关于新冠病毒和疫苗的错误资讯泛滥,对自然现象形成更深刻理解能帮助学生学会如何对疾病风险和传播做出知情决策,提高学生的科学素养,给予学生评价科学界人物和公众人物言论主张(无论是关于新冠病毒、普通感冒还是气候变化)的能力。
然而,科学知识的传播工作停滞不前。“2019年全美教育进步评估”衡量美国公立学校4年级、8年级和12年级学生的科学知识和科学探究能力(最低为0分,最高为300分)。从2009年到2019年,所有年级学生的这项分数都停滞不前,徘徊于150分到154分之间。
对K-12教师所做的一项调查显示,77%的初等教育教师每周花费不到4小时在科学上。“2018年全美科学与数学教育调查”发现,K-3学生平均每天仅仅得到18分钟的科学授课,相比之下,平均每天的数学授课时间有57分钟。
让科学更加可视化的做法也许能让幼儿学习科学变得容易一些。此举也能帮助学生理解科学模型,培养出团队协作、交流复杂概念之类的技能。
2020年生物艺术竞赛的获奖作品,这幅图片展示出鸡胚胎的后肢,其中左脚正常,而右脚是突变体。浅黄色区域的染色痕迹标示出一种关系到骨骼和软骨发育的蛋白质的存在
无论是现在还是过去,科学都在微观和宏观尺度上阐明了我们这个世界的基础。而以视觉方式说明的科学过程和概念能增强科学素养,给予学生和普罗大众一个深刻理解自然世界的渠道,这是他们成为知情公民所必需的。
资料来源 The Conversation
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本文作者克莉丝·柯伦(Chris Curran)是北肯塔基大学神经科学教授。