SA NC 開展調查/第二章
| 開展調查：面向 GET 和 FET 數學和科學教育者的資源手冊 |
本資源手冊的主題是調查。調查對於科學、數學、工程和技術教育者非常重要，因為調查是這些學科的核心。在自然科學中，我們調查物理和生物環境中的現象，包括可見和不可見的現象，以及非常大和非常小的現象。在數學中，我們調查從我們選擇的公理中產生的抽象概念。我們尋找我們研究的變數之間的數學關係，並且我們尋求數學模型來找到物理現實或人類活動與我們收集的有關它們的資料之間的“最佳擬合”。在技術領域，我們調查人類“需求和願望”產生的問題，並尋求這些問題的最佳或最優解。我們是智人，與其說我們是智慧的，不如說我們一直在努力變得更加智慧，並比以前更多地、更好地瞭解和理解事物。
我們怎麼知道這一點呢？好吧，只要看看孩子，以及年幼的學齡前兒童如果被獨自留在陌生的但友好的環境中，就會如何探查、檢查、嘗試、探索和詢問。孩子們所做的事情是我們這種生物的天性。不幸的是，我們的教學方式——與其說是教學內容，不如說是教學方式——往往更多地消除了自然的好奇精神，而不是鼓勵它。
我們還可以看看任何偉大科學家、數學家、工程師和技術專家的生活，他們也可以被認為是發明家。其中一些人可能是出於他們的自豪感、競爭性、渴望“成為第一人”或渴望聲稱自己是一個想法的作者並得到同齡人和歷史的認可而受到鼓舞。另一些人可能出於商業動機，以及他們從發現和發明中獲得的利益而受到驅使。但所有科學家、數學家、工程師和技術專家最深切、最常見的動機體現在三個簡單的人類需求中
1. 瞭解更多需求；
2. 更好地理解需求；以及
3. 找到問題解決方案的需求（以及使裝置良好工作的需求）。
我們可以推測是什麼驅使一個人多年甚至幾十年堅持不懈地與一個問題作鬥爭，即使沒有明顯的解決方案。以安德魯·懷爾斯為例，這位年輕的數學家找到了過去一千年的最著名數學問題——費馬大定理的解。儘管他在第一次宣佈自己已經解決了這個問題時犯了錯誤（儘管當時其他一些數學家對此表示輕蔑），但他還是重新開始研究這個問題（必須承認，在他的朋友的鼓勵下），並找到了正確的解決方案。
他為什麼要這麼做呢？為什麼他要幾年時間坐在一個小書房裡，放棄美麗的春夏時光、朋友的陪伴、孩子們的歡笑和重大世界事件的激動人心？是什麼驅使人類做出如此非凡而專注的智力壯舉？[可以在 [www.prometheus.demon.co.uk/01/01/fermat.htm] 上找到一篇關於費馬大定理及其證明過程的通俗易懂的文章。在 [www.pbs.org/wgbh/nova/proof/wiles.html] 中轉載了對懷爾斯的採訪。]
約翰內斯·開普勒花了 20 多年（1596 年到 1619 年）研究有關行星的資料，然後才能夠提出他的行星運動三定律。開普勒發現的是一組數學公式或一個數學模型，可以擬合現有資料。然而，他只解釋了行星在它們所處的軌道上執行的原因，而沒有解釋為什麼。它需要有史以來最偉大的科學調查員之一艾薩克·牛頓爵士，透過發明微積分作為數學工具來幫助他解決問題，才能對行星的橢圓軌道給出解釋。
牛頓直到被天文學家埃德蒙·哈雷（以這顆彗星命名）敦促才考慮發表自己的結果。為什麼？可能對牛頓來說，他的獎勵是在經過多年的調查之後獲得的發現的快感，以及僅僅知道自己知道的簡單滿足感。牛頓在對宇宙中現象的永不滿足的好奇心的驅使下，研究了許多事物。據說，在他對光線和視覺的調查中，他將一個探針插入了自己的眼窩，以發現自己的眼睛是如何固定在眼窩中的。他的眼睛花了幾個星期才恢復，希望滿足他的好奇心彌補了他的不適！他還品嚐了足夠多的重金屬化合物來給自己造成汞中毒，這可能是解釋他傳奇的壞脾氣、偏執和一生中某些時候的古怪行為的原因。
邁克爾·法拉第是一位接受過很少正規教育的人，他是自學成才的科學調查方法。然而，他發現瞭如何利用線圈中的移動磁鐵產生電流。磁感應，正如這種效應所知，仍然是物理學史上最重要的、最實用的發現之一。當時的英國財政大臣（財政部長）兼後來的英國首相格萊斯頓先生問道：“但這有什麼用呢？”法拉第立即回答道：“先生，很有可能你很快就能對它徵稅了。”但稅收和商業利益在法拉第多年的調查中是最不重要的，這些調查最終導致了他的發現。他一直拒絕接受那些本應給予他的榮譽和財富，如果他選擇接受它們的話。1875 年，在法拉第去世六年後，德國科學家 A.W. 霍夫曼寫道
"...法拉第的才華給人類帶來了普遍的利益，他不僅屬於他出生的島嶼，而且屬於地球上所有文明國家..."
也許過去一千年中西方現代世界最偉大的調查員是一位名叫萊昂納多·達·芬奇的義大利畫家、雕塑家、解剖學家、工程師和發明家。有些人稱他為“文藝復興時期的人”。（“文藝復興”一詞的意思是“重生”。）在歐洲，幾個世紀以來，調查精神一直被嚴格壓制。好像宗教和世俗當局都認為，如果人們被允許自由地調查和質疑，就會導致混亂和無政府狀態。這些當局殘酷地阻止人們提出尷尬的問題或調查未知領域。他們似乎說，已知的就是已知的，每個人都應該對這種狀況感到滿意。但是，似乎有人忘了告訴達·芬奇，他研究和調查了一切引起他興趣的事物。而幾乎是所有事物。他解剖了死去的動物。他解剖了死去的病人。他為這些屍體中的肌肉製作瞭如此準確和詳細的素描，以至於它們從未真正得到過改進。他在研究鳥類飛行之後，畫了一架帶翅膀的飛行器計劃，在觀察落葉之後，畫了一架降落傘計劃，在研究種子從豆莢中掉落之後，畫了一架直升機計劃。他從未建造過它們，因為建造它們所需的輕質、堅固材料當時還不存在。但無論如何，他還是設想了它們並設計了它們。而萊昂納多·達·芬奇從 1452 年活到 1519 年！
阿爾伯特·愛因斯坦的特殊天才在於他會在腦海中調查瘋狂的問題。“如果我乘坐一束光旅行，我會看到什麼？”愛因斯坦問道。透過運用他的想象力，他找到了這個問題的答案，這甚至令他感到驚訝。但即使他的結論與當時所有其他理論物理學家所相信的相矛盾，他還是堅信自己的結論，並宣稱“想象力比知識更重要”。他那個時代的另一位偉大的科學家馬克斯·普朗克透過謹慎地建議能量可能以微小、獨立的“包”的形式出現，而不是以穩定的、不間斷的流的形式出現，來解釋他觀察到的物體發出的熱量。他自己的結論讓他如此不安，以至於他立即開始尋找反駁它的方法。同樣，愛因斯坦運用他非凡的想象力證明了普朗克的理論。
那麼，我們如何在課程中證明調查的合理性呢？很簡單。調查培養重要的技能，例如：識別有趣的問題；系統地尋找令人費解問題的答案；以及解決智力和實踐問題。我們中太多人一生都用不加批判的眼睛匆匆地看到我們的環境。我們看到，但我們並沒有真正觀察。教育者有責任培養學習者開放的、積極的觀察精神，而不是僅僅被動地觀察。今天的學習者，也就是明天的公民，必須學會觀察和調查世界，不僅作為一項學校活動，而且因為它是生活習慣。“看！""哇，真有趣！""我想知道它為什麼這樣做？我原本以為它會......""這種模式真令人驚歎！它是完全對稱的嗎？""看看它怎麼變了.""我想知道什麼時候......""如果......""怎麼辦......""為什麼......""為什麼能......""為什麼應該......"最終：""啊哈！我找到了！"
在我們的科學、數學和技術課程中，我們不能僅僅看到，而要真正地去觀察。我們必須培養好奇心，並將好奇心轉化為可調查的問題。學習者必須學會如何提出有意義的問題，教育者必須為學習者提供回答這些問題的機會。最重要的是，我們必須鼓勵學習者去夢想。當你將有意義的事物調查納入你的課程時，你會發現它在你的學習者中解鎖了一些強大的東西：對學習的真正熱情。