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

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。


★名人推薦：

陳訓祥／國立科學工藝博物館館長
鄭明騰／SUPER教師
鄭永銘／跟著鄭大師玩科學版主
盧俊良／阿魯米玩科學粉絲頁版主

★內文試閱：

■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！