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天才達文西的科學教室: 像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品

Leonardo's Science Workshop : Invent, Create, and Make STEAM Projects Like a Genius

出版品牌:快樂文化

作者:海蒂.奧林傑

譯者:李弘善

ISBN:9789869901697

出版日期:2020-10-21

定價:NT$  480

優惠價:79NT$379

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內容簡介 |

★跟著天才達文西一起玩STEAM★

                                                                    ★培養學生跨領域通才能力的最佳課外讀物★

統整達文西的五大科學思維:飛行、運動、能量、設計、天文,
讓孩子體驗發明、創造與思考的樂趣

 

※《天才達文西的藝術教室》即將登場

 

【跨學科整合,像達文西一樣進行科學專題計畫】

500多年前,達文西就知道科學,技術,工程,藝術和數學(STEAM)的領域都緊密相連,充滿好奇心的他不僅是一位雕塑家、畫家、建築師、設計師,同時也是科學家、工程師和發明家。本書以達文西的五個重要科學主題,結合藝術、科學與自然等跨學科,教孩子藉由完成一個個有趣的科學專題計畫去探索科學原理,從計劃到執行共包括七個步驟:

第一步 觀察

第二步 提出有趣的問題

第三步 形成假說

第四步 決定步驟以測試假說

第五步 測試假說並記錄數據

第六步 提出通則

第七步 確認實驗資料可以反映假說的正確性嗎?

而孩子所採取的步驟、投注的心血以及想像,將是最後成功的關鍵。

 

【互動式冒險,將STEAM帶入生活應用】

透過通俗易懂、引人入勝的說明,以及趣味的動手做實驗,跟孩子分享跨學科探究的精神。書中充分利用兒童天生的好奇心,探索達文西喜歡的五個主題,包括飛行、運動、能量、設計與透視圖、天文學。每個主題先由物理、化學、數學和工程概念解釋後,再讓孩子以親身體驗的原則,一步步實踐各個STEAM活動。他們將探索:

  • 透過觀察鳥類並嘗試紙飛機設計來學會飛行物理學
  • 透過製造纏繞蜻蜓來學會運動科學
  • 通過使穀物“跳舞”來移動電子,學會能量學
  • 學會再生材料製造紙張和織物的技術設計
  • 學會繪製3D幻覺的科學視角

 

【兒童STEAM專家設計,兼具趣味、知識與啟發】

作者本身為美國STEAM教育專家,擁有十多年的豐富教學與實作經驗,書中以達文西的思考脈絡,設計符合其科學研究精神的專案,以活潑有趣的方式引導孩子從事科學探索。

例如在第一章展翅高飛,從空氣的性質、空氣如何支撐物體飛行、物體如何上升與下降,到飛行需要的四個力,讓孩子完整了解飛行的奧祕,其中搭配紙飛機、降落傘、風箏的手作實驗,讓孩子記錄驗過程與數據。孩子不僅從中學會達文西的思考方式,也獲得相關科學知識,及未來學習的啟發。

 

【各界好評】

《紐約書評》本書為尋求跨學科教學計劃、著重科學教育的教師,提供了極好的資源。

作者簡介 |

【作者】
海蒂.奧林傑(Heidi Olinger)

作家、非營利組織「聰明腦力」(Pretty Brainy)創辦人。該組織以推廣STEAM為宗旨,特別針對發並培養女孩們創意創新、問題解決以及擔任21世紀領袖所需技能。

 

海蒂.奧林傑擁有威斯康辛大學麥迪遜分校、科羅拉多大學波德分校學位,並於哈佛大學教育研究「零計畫」之未來學習研究所修研碩士課程。曾任教於科羅拉多大學波德分校、美國國家科學基金會的學習創新團隊講師,並獲選「科羅拉多影響力女性」的「2017年女性發者」殊榮。教學方面則榮獲「布徹基金會」等機構頒贈獎項。

 

目前與救難犬「斑塊」住在科羅拉多州某個歷史藝術小城,歡迎造訪她的網站prettybrainy.com以及heidiolinger.com。

譯者簡介 |

【譯者】
李弘善

中山大學海洋資源系學士,海洋大學環境生物與漁業科學系碩士,臺灣師範大學科學教育研究所博士。現任新北市橫山國小教師。譯作包括「目擊者系列」影集(漢聲);「課堂中的心理學系列」、《我家沒有小霸王》、《班級經營的雙贏策略》(遠流);《創意教室的力量》、《創意教室中的教與學》(教育部顧問室);《全美最好的老師》(寶瓶)。個人興趣為漁業文化與海洋生物,教學興趣則為海洋教育、數學教育與閱讀推廣。希望未來能引進更多的資源,繼續為偏遠山區的學童服務。

目錄 |

【目錄】

前言:天才達文西

 

第一章  展翅高飛

我們都泡在分子濃湯裡

達文西與飛行的奧祕書

著陸與升空

空氣阻力與飛行

上升與下降:玩玩風箏

掌握飛行的四種力量

 

第二章 運動不息:運動的科學

澄清問題與發現問題

我們到了嗎

怎樣動起來

水、氣球與數學

浮力

 

第三章 能量的流動:光、風以及電磁場

波動造成的世界

電磁場

如何指揮電流

 

第四章 科技設計家

科技的真諦

文藝復興還沒過時

減塑大作戰

科學觀點

化學與藝術共舞

 

第五章 石頭與星球

地球與月球:你離不開我、我離不開你

探索月球、持續提問

想像無法想像—撞擊器以及地球附近的星體

宇宙在你手中

 

第六章 寫信給達文西

跟達文西分享閱讀心得

 

參考資料

圖片來源

謝辭

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書摘 |

前言─天才達文西

李奧納多‧達文西(Leonardo da Vinci, 1452-1519)的筆記,我們今天可以看到的約有7,200頁。想像一下: 他辭世後500年,我們還能親炙他的部分手稿。研究達文西的傳記作家相信,他一生當中可能完

成20,000 至28,000頁手稿,內容涵蓋解剖學、植物學、哲學、生理學、工程、建築、動物學、藝術、幾何與地理,涉獵範圍之廣不及備載。有些手稿已經亡佚,我們失去達文西的許多點子、研究問題與解答。不過,幸運的是,從傳世的7,200頁手稿,依舊可以一窺達文西的行事風格。

 

歐洲文藝復興時期,從西元14 到16 世紀,其間偉大的天才輩出,達文西就是其中一位。他也被公認為世界有史以來最偉大的天才。看看他的筆記,就曉得此言不假。他留給世人多項恩賜,藝術作品—包括知名的畫作〈蒙娜‧麗莎〉,只是其中一項而已。達文西的天才,來自他的思考歷程,我們可以從中學習,並且應用於自己的學習。

 

達文西留給人們諸多啟發,其中最重要的是:他不認為藝術與科學是壁壘分明的領域,也不把工程從科學中抽離。他以科學家與工程師的角度從事探究,因此能掌握解剖學、物理、自然與幾何,這樣的本領卻讓藝術成就更上層樓。他的機械繪圖與科技發明充滿美感,因為他花了許多心力觀察光線、影子與細微的特徵,正式畫作之前的試畫也同樣用心。

 

達文西的研究主題,往往帶出下一個研究。他的筆記本真是洋洋大觀—人體解剖繪圖和水車素描以及工程專題擺在一起。在達文西的年代,紙張所費不貲,因此他珍惜著使用—幾乎填滿整個頁面。他的腰間隨時帶著筆記本,靈光乍現之際就能立刻抽出並記錄想法,這真是重要的態度。

 

達文西的「鏡像書寫」(mirror writing)舉世聞名,相關論述也很多。達文西是左撇子,他發現從右邊寫到左邊是最省力的書寫方式—大部分人為了一窺究竟,必須用鏡子反射手稿內容。耐人尋味的是,他總是用自己的方式學習,此為一例。不過達文西之所以為天才,憑藉的是永無止境的好奇心、推敲萬物運作的道理且樂在其中,還有追求點子,以及解開自然界謎題。「天空為什麼是湛藍色?」他從不停止發問,並在尋求解答的過程中,利用筆記本記錄過程。

 

(圖說)義大利北部,米蘭郊外的鄉村風光。1482年,達文西來到此地,開始撰寫如今舉世聞名的筆記。當年

他30歲,是研究大自然的終身學習者,並把已學或想學的內容都列在筆記上。

 

(圖說)

〈蒙娜‧麗莎〉的義大利文名稱是〈喬宮達夫人〉(La Gioconda),此畫約創作於1503至1506年。達文西大部分畫作,對於水體、岩石、樹叢與雲朵,都以嚴謹的科學態度描繪出精準的細節。

 

還有一點值得注意:達文西對於自己曾經犯下的錯誤,在筆記中會加以註明,從不羞於承認。這也是重要的學習態度:研究、學習、犯錯、認錯,從錯誤中成長,學習再學習!

以達文西學習風格辦學的學校,各學科會同時進行,讓學生體驗各科之間如何相互影響。學生學習科學之際,接觸數學;學習數學之際,接觸音樂;學習音樂之際,接觸科技,以此類推。對於置身其中的世界,達文西有獨特的學習方式;今日所稱的「STEAM」(S表示科學、T表示科技、E表示工程、A表示藝術,M表示數學),與他的學習風格有異曲同工之妙。下次如有機會從事專題計畫,請切記:如何執行及計畫內容,與最後的成果一樣重要。你採取的步驟、投入的心血與想像力,都是最後成功的關鍵。

 

(圖說)此頁達文西筆記的底部,就是鏡像書寫範例,敘述飛行器的起飛與降落。你也可以找個時間,試試鏡像書寫。

 

【CHAPTER 1展翅高飛】

■達文西與飛行的奧祕─飛行的物理學

「看看翅膀如何鼓動著空氣,在稀薄的高空中,沉重的老鷹得到支撐。物體對空氣施加的力量,等於空氣對物體施加的力量。」15世紀末,達文西在筆記本如此寫道。達文西僅憑觀察,就掌握飛行的原理了。

上圖的金鵰比空氣沉重,但是翅膀的造形卻能善用空氣分子,讓身體起飛與降落。金鵰飛行的時候,你認為氣流通過翅膀上方與下方時,哪邊的速度較快?量量看,1 公尺有多長,這是金鵰身體的長度;再量量看2.3公尺有多長?這是牠的翅膀展開的長度!再想像一下:金鵰拍動翅膀、凌空起飛的模樣。請你想想看:翅膀上方還是下方的氣壓比較大?你可以解釋原因嗎?飛行的原理,讓達文西深深著迷。他發明人力驅動的飛行器,試圖證明人類能否飛上天,還設計人類可以操縱的翅膀。他仔細研究飛行中的鳥,並且提出飛行的假說:「鳥類張開寬寬的翅膀,加上短短的尾巴,準備起飛,」他接著寫道,「鳥類必須用力抬起翅膀,然後放下翅膀拍動下方的空氣。」

 

左頁的字跡與插圖, 出自達文西的《鳥類飛行手稿》(Codex on the Flight of Birds)。他的研究,造福許多後世的科學家, 包括丹尼爾‧白努利(Daniel Bernoulli)。他在1738年解釋了空氣流動的科學原理。白努利認為:鳥類飛行時,因為翅膀結構的關係,空氣通過翅膀上方的速度較快,使得氣壓較低;而空氣通過翅膀下方的速度較慢,使得氣壓較高。翅膀上方與下方的壓力差,進而造成了升力。

 

開始調查吧!

我們蒐集資訊,一起設計翅膀,就跟達文西一樣!我們將蒐集涵蓋翅膀形狀、空氣與運動方面的資訊,也跟達文西一樣,提出許多問題。

問題:淚珠的形狀,和飛行有什麼關係?

右圖的形狀,好像淚珠的一側。看到這種形狀,是否讓你聯想到它與飛行的關係呢?

答案:這就是翼型。淚珠的形狀,我們稱為「翼型」(airfoil)。這樣的造形,可能讓你想起噴射機的機翼或鳥翼的形狀。翼型的前端是較厚的圓弧,後端則逐漸變薄、變窄。

 

受到鳥類的啟發

看到鳥翼的切面,居然就是翼型,你是否大吃一驚呢?說穿了,航太工程師就是從飛行中的鳥類得到靈感。移動的翼型會切過空氣,與周圍的空氣產生了力的作用。空氣分子—渺小不可見卻能施展強大的力量,從四面八方擠壓著翼型。翼型向前移動的時候,因為與空氣產生了交互作用而起飛。書本平放在桌上、手塞到書本下方,然後把書托起來。你的手在書下施展的壓力,就像慢速通過翼型下方的高壓。另一方面,通過翅膀上方的空氣,移動速度較快,形成了較低的氣壓。

讓我們進一步調查問題:

通過翼型上方的空氣,是否因為空氣要通過的距離較長,因此速度才會變快?

答案:根據美國的國家太空總署(NASA)工程師分析,機翼上方空氣的速度很快,只是為了比下方空氣更早抵達機翼後方而不是因為距離較長。而機翼上方的低壓空氣,其實速度更快!

 

和達文西一起賞鳥

達文西不只觀察飛行中的鳥,他也細看鳥的各種狀態,而且反覆觀看。他寫下筆記,問自己問題,例如:鳥類用什麼樣的方式使用翅膀?然後想辦法找出解答。以上這些行為,就是「觀察」。當個自然觀察家吧!住家附近就可以好好賞鳥。不管你住在哪裡,都有機會走出家門,觀察鳥類百態及其飛行方式。記得帶筆記本、鉛筆、色鉛筆與望遠鏡,可能的話帶一台相機,抽出時間邁向戶外。

你的觀察記錄,充滿獨一無二的個人風格。看到小鳥,先用肉眼觀察。接著,以素描記錄觀察到的現象:畫出鳥類的輪廓,有沒有值得注意的花紋或樣式?先畫下外形,然後加上顏色:鳥喙是什麼顏

色?腳呢?也花點精力注意體型大小:和其他鳥類相較,有多大或多小呢?有沒有攝食?歌聲或叫聲怎麼描述呢?鳥類如何起飛?如何降落?鳥類會順風起飛嗎?其他數據、記錄地點、天氣與賞鳥的時段,都要記錄下來。

 

下圖是根據達文西的設計而重建的機械翅膀。翅膀的形狀不像翼型,但是從喇叭似的形狀看來,功能

就是壓下空氣分子,以產向上的升力。這款翅膀有沒有讓你想起某種哺乳動物呢?

 

以飛機工程師的架式來思考!

用另一種角度來看翼型。機翼後緣窄窄的後翼(aft of the wing)往上或往下,會有怎樣的效果呢?飛機工程師設計噴射機的時候,讓機翼的後緣可以伸展或彎折,透過這樣的方式讓空氣分子流動,達成特殊目的,如上圖所示。請利用本小節的訊息,預測這樣設計的目的,並把假說寫在筆記本裡。

 

創造翼型實驗材料

影印紙、膠帶、30公分左右的直尺、鉛筆(最好是六角鉛筆)、吹風機

 

1.輕輕彎折紙張, 以垂直方向對摺。這時紙張會有淺淺的摺線,並且出現翼型般的曲面。

2.把紙張轉成水平方向,曲面變成朝下。將紙張離底線約1.3公分處對摺,用膠帶固定。

3.把直尺伸到紙張底下,在5公分處用膠帶把尺和紙黏在一起;紙張的底線附近也要和直尺黏合。

4.把鉛筆放在距離直尺約13公分處,和直尺垂直擺放,並以膠帶黏合。

5.將吹風機設定最小風量模式,待會對著翼型的前端吹。你認為吹風機啟動後, 會發生怎樣的現

象?請先寫出假說。

6.現在測試你的實驗設計與假說。找個夥伴握住鉛筆兩端,翼型曲面朝向你。這時再啟動吹風機的小風量模式,直尺會怎樣?你感覺到翼型的升力了嗎?

 

實驗背後的科學

如同你所認知,通過翼型上方的空氣,移動的速度比翼型下方的空氣快。翼型下方的空氣分子在較高的壓力下受到擠壓。氣壓較高的空氣分子,向上推擠。翼型下方的高壓及上方的低壓,組合起來造成了升力!

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詳細資料 |

書籍代號:1RDC0005

商品條碼EAN:9789869901697

ISBN:9789869901697

印刷:全彩

頁數:150

裝訂:平裝

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