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Ecology: The Economy of Managing Nature复旦大学生命科学学院赵斌教授在中国大学MOOC网站上倾心打造的《生态学：管理大自然的经济学》。关注本公众号，可在第一时间获得课程的同步更新。
作为大数据时代的生态学研究，公民科学方法是不可缺席的。所以，我将这个内容也作为一节，来给大家做一个简单的介绍。通过这里的学习，我们就能在下一节课，更容易理解公民科学方法在促进生态学的大科学形成中的作用。那么，什么是公民科学呢？简单地说，非专业人员参与科学研究和监测任务，就可以被称为是公民科学。这其实已经成为研究地球过程、生态系统，以及生物多样性数据收集当中的主流方法。尽管这个术语似乎是最近几年才出现，但实际上公民科学方法有着悠久的历史。从历史记录来看，业余科学家很早就开始研究整个世界了。你看，果然，那个时候我们也许称之为业余科学家。公民科学的例子，至少可以追溯到19世纪，就让我们先来简单了解一些公民科学发展的历史背景吧。在20世纪之前,由业余科学爱好者完成科学研究是很常见的现象。例如，达尔文（1809-1882）、华莱士、爱迪生和孟德尔，我们现在用科学巨匠来称呼他们，但他们在从事科学研究之前，并没有在科学上接受什么正式的训练，他们可以看做是公民科学家的历史典范。这也难怪，“科学家”这个词是1833年才出现的，所以在这之前，那些参与“科学”研究的人，可以简单地被认为就是普通人。有人说，这后来呀，科学的专业化将公民排斥在外了，也许不无道理。而我们现在重提公民科学，是否可以看作是回归用老方法来做科学？显然不是这么简单，但我相信随着公民科学的发展，也一定会在某种程度上挑战科学必须通过“专家”来做的概念。1995年，社会学家艾伦·欧文（AlanIrwin）在他的著作《公民科学》中，用“公民科学”这个术语描述了人们如何积累知识，以便了解和应对更多的环境威胁。欧文在这本书中，对我们现今科学知识的不确定性表达了关切，并主张要替代那些形式上的知识。他认为，由“民间公众”所建立的知识，应该可以看做是对传统科学知识不确定性的互补。公民科学所形成的知识，可能会超出专业科学的范围，我们通常称之为民间、地方或者传统知识，也就是替代形式的知识。如果在科学认识与我们的观测数据存在出入时，这些替代形式的知识可能就有极其重要的价值了。但是，公民科学在实践中，却逐步变成了另外一种模式。几乎是在相同的时间，康奈尔大学的瑞克邦尼（RickBonney）也采用了“公民科学”这个词，但是他是指公众参与的科学研究。瑞克邦尼在现在的公民科学界，那算是非常有影响力的人物，这当然得益于他所在的实验室，也就是康奈尔大学鸟类学实验室的科学活动。自1950年代以来，他们一直在鼓励公众参与鸟类学研究，邀请公众参加每周的公开研讨会，让公众报告所看到的不同鸟类，这样他们就可以收集更丰富的数据。我们知道，在接下来的几十年里，这个实验室的项目进展非常顺利，每年可以得到数千万计的观测数据，他们的热心参与者还可以简单分析数据，提供更多的可视数据。这也是公民科学研究非常成功的案例。瑞克邦尼所倡导的公众参与，与科学研究密切相关，这非常接近商业上的众包模式，也是我们现在所讨论的公民科学的重要特征。在利用公民科学和众包项目进行科学研究的案例中，美国生态系统观测网络发起的爆芽（BudBurst）项目不得不提。这个项目吸引公众在整个植物生长季进行观测，包括生叶、开花和结实的时间。可喜的是，众包模式的研究越来越普遍，甚至被认为：这样的研究代表着未来的科学，云端科学正成为现实。随着技术和社交媒体的变化，公民科学正在成为当代科学研究中越来越不可或缺的一部分，特别是在数据获取方面。再一个我想介绍的，就是星系动物园（Zooniverse）小组和公民科学联盟（CitizenScienceAlliance）的项目。他们在2007年启动的银河系星系分类项目中取得了巨大成功，然后再尝试将这种众包模式用于其他研究之中。也就是说，他们从本来关注天文学研究的一个公民科学活动，逐步扩大更多的项目，比如，老天气（OldWeather），就是邀请公众协助将19世纪中期以来美国所有的天气观测记录数字化，有助于重建地球大气环流；而蝙蝠侦探（Bat
Detective），就是使用探测器，将蝙蝠的呼叫转换为人类可听见的声音，因为破译不同的呼叫并记录下来需要大量的时间，公众就被邀请来从探测器记录中识别不同种类的蝙蝠。还有一个是海底勘探家(SeafloorExplorer)项目，邀请公众从互动网站中识别他们在海底图像中看到的物体，从每张图片中指出他们是否看到鱼、扇贝或者是其他生物，并描述海底是沙还是石头，以及他们是否还看到了其他有趣的东西。刚才的星系动物园开展的项目能按照相同模式开展，说明类似的项目是可以进行对比和借鉴的，这样有助于理解项目成功的途径。现在，我们基于志愿者参与的程度来对公民科学项目进行分类。参与度最少的称为“众包”，仅仅让志愿者从分布式传感器中收集数据，或者提供计算能力。第二级项目，就包括了公民科学中的著名案例，比如我们刚才介绍的星系动物园，但这需要对参与者进行一些基本的技能指导。在第三级项目中，参与者可以有更多的参与，甚至可掌控研究的方向。最后呢，是参与度最高的，称为“极端公民科学”，公民科学家参与项目开发的各个阶段，并努力实现自己的目标。在这个级别中，公民在有些项目中是研究的主要驱动力，甚至都不需要专业科学家参与了。所以，我们前面提到的回归呢，似乎是有可能的。下面，我们还是以生物多样性监测为例，来说明公民科学如何有助于这样的研究。大家先来看看这张表。这张表告诉我们，似乎我们在生物多样性方面已经收集了大量数据了，但这些大量的数据集，通常只适用于少数类群或栖息地，所以目前生物多样性的监测数据是远远不够的。特别是在IUCN红色名录中，有大量受威胁的海洋和陆生物种，但针对这些威胁可用于分析的数据却寥寥可数。那么，在生物多样性监测网络中，采用公民科学家，将可以显著扩大可能的空间和时间范围。因为增加了额外的人员，从范围和数量方面来讲，可以收集更多的数据。让参与者参与国家甚至全球调查，参与者同时在许多地方收集数据，这其实已经成为收集生物多样性数据和吸引公民的重要途径。大多数以生物多样性为导向的公民科学计划，主要就是记录物种的位置和多度，比如著名的eBird（http:///content/ebird）、iNaturalist（http://www.inaturalist.org）和iSpot（http://www.ispotnature.org），这些观察结果可用于监测种群趋势和地理范围的动态。实际上，GBIF中所有物种发生记录中有近50％是通过公民科学项目所收集的数据（http://www.gbif.org）。大家看到的这些计划中的大多数，在很大程度上都促进了合作项目，并依靠这些高参与率来减少数据误差。由于公众对自然保护的兴趣，他们参与的项目，对于在物候变迁和动物迁移方面进行大尺度分析的可能性大大增加。这许多项目，支持了大尺度的植物物候观测，收集了有关植物生叶、开花和结果时间的生态数据，解决了缺乏长期物候数据的问题，同时也提高了人们对气候变化影响的认识。总的来说，这些项目涵盖了广泛的植物和动物物种，使用网络平台和移动应用程序记录来自野外的数据。在生物多样性观测网络中，公民科学项目还有助于发现和跟踪入侵物种，这对于发现重要害虫和外来物种的早期爆发尤为重要。比如上面这些应用程序，都是通过手机让参与者直接从野外提交物种观测，以帮助检测和绘制入侵物种的范围。公民科学活动，当然还有助于处理那些低成本-高分辨率的视频。对于大量的数字素材，任何一个研究人员或机构都无法完整地分析这些视频片段。虽然我们可以借助一些自动化软件，但在目前的技术条件下，还是有些方面是人眼比图像分析算法更高明一些。例如，这里展示的DigitalFishers(http:///)，就可以让志愿者分析深海录像，并通过类似于深海潜水器控制面板的网络界面，来描述他们所看到的内容。随着志愿者变得更有经验，他们被要求改进他们的描述，并获得有关深海物种的新事实。而且，还让多个志愿者分析相同的视频，这样可以提高描述的一致性。对于公众来说，这提供一个观察水下栖息地机会，要知道，这是很少能见到的深海物种的机会。如果众包数字图像分析，也是可以改善现有的在线数据集的。比如，对于全球土地覆盖来说，这个Geo-Wiki(http://www.geo-wiki.org/)就是让志愿者通过他们对GoogleEarth图像的观察，来澄清不同土地覆盖图之间的差异。这就消除了那些综合土地覆盖图的一些模糊区域，并作为更准确的基准，来为综合评估模型提供信息。还有这个ForestWatchers（http://forestwatchers.net/），要求志愿者通过选择云量覆盖最少的清晰卫星图像，在卫星图像上标记那些可能是森林砍伐的可疑区域。最后的任务，我们还需要将公民科学与大规模生物多样性监测数据库联系起来，达到足够的严谨性，让收集的数据有效，并在所需的空间和时间范围内能有效吸引参与者。这样，在一个全球框架下，可大大降低每个参与国的项目运营成本，同时提高这些数据的价值，并提高了将地方行动与全球行动联系起来的教育效益。当然，在生物多样性公民科学活动中，还有一些需要解决的问题。首先是这个数据质量的问题。准确的物种鉴别，对于普通公民科学家来说，的确有一定的难度。除此之外，还可能存在一些偏差来源，例如记录强度随时间的变化太大，空间覆盖不均匀。所以，在这方面，培训是必不可少的，可以通过在线指导和测验、举办一些培训课程和研讨会。面对面培训是最有效的，但是这通常仅限于较小的区域项目。视频教程肯定是培训参与者的一种特别有效的方式，这个我们大家都能理解。如果要在国家或全球的多个项目和网络之间共享数据，公民科学项目必须采用数据的统一标准。比如，这里的达尔文核心（DwC）就是生物多样性应用的常用元数据标准，已被全球生物多样性信息机构所采用。而DataONE呢，则提供了一个分布式框架，将75个数据中心、网络和组织连接在一起，以便公开共享地球的环境数据，这个站点还专门为公民科学社区编写了数据管理指南。因为要发动大量志愿者参加活动，就有招募、激励和留住参与者方面的技巧，项目设计就会涉及到一些需要权衡的问题。科学研究需要收集全面、高质量的数据，但如果这个流程太复杂、太耗费时间，志愿者往往就失去了参与的兴趣。那么，我们就需要主动去了解志愿者的技能、期望和兴趣。但如何激励参与者呢，这似乎更重要。如果只是简单地感谢他们的参与并承认他们的作用，似乎还是不够的。之前开展的许多项目呢，那也是采用了各种各样的办法，比如提供对参者访问非敏感记录的数据库提供方便，邀请作为学术论文的合作者，举行竞赛和提供奖励，让参与者与科学家见面等各种外展和沟通活动，与学校合作并将这样的活动作为学校教育的一部分。这些都或多或少取得了成功，成就了一些成功的案例。而这其中，新技术和新工具的出现，让目前的公民科学更具时代特征。我们下面着重说说说这方面的情况。首先，网站和智能手机已成为信息传播的主要媒介，通过专门为这些设备开发的APP，不仅可以传播培训资料，还可以轻松地进行实地数据收集。而且，由于这些移动设备几乎都集成了GPS（全球定位系统），因此在收集信息的同时，还可以获得这些数据的空间信息。还有一些需要专业技能的野外活动，比如物种鉴定，现在也可以通过拍照来进行在线物种鉴别了。所以，这些新技术从根本上改变了公民科学，让我们看到了在线公民科学项目的“新浪潮”，这有时也被称为“公民网络科学”（cyberscience）。不得不说，在当今世界中，互联网、智能手机、传感器和手机游戏所提供的机遇，与其他新兴技术一起，正在建立新的方法来影响科学和决策的进行。其次，移动设备还可以充当用于测量环境变量的传感器。例如，NoiseTube项目中，利用手机内置麦克风来测量噪声水平（http://noisetube.net/）；如果这些移动设备再扩展一下，还可以连接测量环境变量的传感器，传感器直接使用蓝牙或者其他无线技术与智能手机连接起来。比如这个SenseBox，是一个可以DIY的传感器盒，可以让用户自己集成各种测量空气质量的传感器（http://www.sensebox.de/）。随着物联网变得越来越普遍，传感器将成为日常公民生活的一部分，我相信未来会有更多的环境监测设备出现。使用相机监测动物并不是什么新鲜事儿。这些相机陷阱，利用动作传感器或者红外探测器作为触发机关来控制相机拍摄。相机陷阱的拍摄，一般不会打扰到野生动物，无疑可以捕捉到更加精细的镜头。因为记载数据很精确，所以相机陷阱还可以用来计算一个地区的动物数量，这比单纯靠人力来数要方便得多。如今，由于数字摄影的应用，相机陷阱拍摄的照片就可以直接上传到网络服务器了，然后可以由专家进行验证，以确定是什么物种。不过，这些照片很多，专家显然是不够用的。所以，就要招募公民来参与这个活动，这张图，就是一个应用程序的界面，这个程序是让志愿者帮助科学家在120万张照片中识别动物，这些照片是科学家在非洲安装的摄像机拍摄的，数量实在太多了。志愿者可以使用智能手机来连接网站，甚至目前可以做到流式传输实时图像并进行评论。如果说要鼓励大家的参与热情，在线社区肯定一个很好的模式，可以激励更多的人参与到公民网络科学中。因为发生在公民网络科学社区中的社会互动，也非常类似于其他社交网络的功能，让用户有一种强烈的参加动机。康乃尔大学鸟类学实验室开发的YardMap，据说是第一个公民科学家进行互动的社交网络。它将一个在线社区网站结合到交互式地图应用中，这个应用程序允许用户绘制他们自己的园林，然后还可以记录野生动物的栖息地，其中有鼓励与地图制作者进行讨论的社区元素。而iSpot和iNaturalist等在线社区，可以帮助公民科学家借鉴他人的经验来减少他们鉴定物种中的错误，用户可以上传他们鉴别物种的建议和照片，还包括通过在线社区确认的鉴别结果，也同时探讨是否有其他可能性。这样，在数据输入阶段就进一步增强了验证，大大提高了数据的质量。对于千禧一代的用户群来说，公民科学游戏化，可能是最吸引他们的。例如，这个iSpot项目，就可以在参与者个人识别了更多物种时，让他们进入“专家”状态，这相当于一种角色扮演的游戏，当然是有门槛的，需要通过一系列测试（http://www.ispotnature.org/quiz/）。这样，通过将志愿者的贡献与成就同某些专业徽章联系起来，就有助于提高志愿者的积极性。更多的办法，可以将游戏元素添加到现有的应用程序中。比如，这个Biotracker应用程序，是用于向爆芽项目提供物候数据的，因为采用徽章和排行榜显示，吸引了许多千禧一代的用户群，别小看了这个群体，这是一个年轻的、技术经验丰富的一代。另外，将公民科学活动变成游戏的例子，还有这个TigerNation，可以让参与者来跟踪老虎的运动；而这个HappyMoths则是一个鉴别蛾类物种的游戏。最后，我想谈一谈公民科学的价值。为了简单起见，一般分为科学、教育、社会和政策等四个方面。其实，大多数公民科学项目的价值是不容易归类的，因为他们可能有广泛的目的，或者是随着项目的发展超出了原来的范畴。公民科学的科学价值取决于所收集数据的质量，以及如何使用这些数据。低质量的鸟类监测数据如果广泛使用，反而会给种群趋势造成假象。我们前面也看到，在新技术的引领下，数据质量提高是有可能的。关于教育这方面的价值，也是有争议的，有人认为，大多数公民科学项目通过收集数据让科学家受益，而公民获得的益处其实很少。如果参与者只是涉及简单的活动，诸如测量或记录观察，他们可能很少有机会去学习。但一些研究也表明，在适当的时间和资源条件下，可以实现高价值的教育成果。要讨论社会价值，在公民科学项目中，可能有许多难于度量的社会效益。一方面，有可能让社会更接近科学和自然，带来一种归属感，并有助于社会创建一种保护自然环境的工作。另一方面呢，邀请志愿者收集科学数据，可以降低科学研究的成本，这可能空出更多公共资金来产生更好的价值。公民科学，还可以为政策制定者提供证据来支持法规的遵从性并传递决策。它还可以为公民提供机会，在地方、国家和全球尺度上解决直接影响公民的环境问题，以及影响有关这些问题的决策。因为公民直接参与了一些调查活动，所以他们更容易理解一个决策的理由是什么，让政策能更好地执行下去。总之，公民科学包括一系列公民参与科学的不同方式。利用公民的巨大潜力，参与科学研究的问题，可以为当地和特定知识做出巨大贡献，可以进行更复杂的分析并参与对环境问题的决策。新的移动技术，如智能手机和平板电脑，提供给公民在远程讨论生态学和环境政策的机会。如果使用得当的话，这些技术有可能改变生态学和环境科学的研究。这个潜力，我们下一节课再来进行介绍。同学们，再见！
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