本書想要創造嶄新的體驗,透過吳老師提問與講故事、同學彼此討論與輪流發表的方式學習。並且為瞭解問題的全貌,需要跨領域涉獵數學、科學與史地知識。想擁有創新的能力,必須追溯發明的科技史。要將學理轉換成實際作品,就不能空談,必須自己動手實作。
書中精心設計了幾個單元主題:在〈奔馳地面的輪子〉製作線控電動車;〈沒有動力為何能飛〉體驗手擲滑翔機;而〈飛行世紀~動力飛行〉規劃橡筋動力直升機升空;〈征服海洋的船舶〉則是計算地球的半徑;最後的〈成果發表〉製作明輪船、噗噗蒸汽船與航向燈塔的船。將科學知識學以致用,培養耐心與細心,體驗從無到有的成就感!
此外,還介紹許多有趣的科學故事:萊特兄弟與蘭利的飛行競爭結果如何?明輪船與螺旋槳船的拔河比賽又是誰勝出?為什麼發現新大陸的探險家是哥倫布,而不是明朝鄭和?從科學發明成功與失敗的歷史,激發出讀者創意與思考批判能力,轉換到現代的新挑戰。在人工智慧與機器人衝擊下,我們更需要智慧與行動力。
作者簡介:
吳明德
因為父親是高中地理老師,小時候閱讀大量科學、史地書籍。這成長背景讓我嘗試寫書著作,本書是寫作的第九本書。
高中加入航空社製作航空模型,擔任社長時領導社員參加航模競賽。預官擔任陸軍兵工學校教官,參與開發戰車模擬訓練器、公開資訊月攤位。這閱歷讓我體認,學習求知倚靠動手實踐與主動好奇,絕對不是學校教科書或考試。
擔任中學物理教師超過30年,現已退休。開發科學教具、指導科展,榮獲臺北市科展指導老師獎、全國科展指導老師獎、物理教育學會中學教學獎、旺宏科學指導教師獎、教育部教學卓越獎金質獎等肯定。
章節試閱
第三堂課(節錄)
飛行世紀~動力飛行
吳老師問同學:「人類為什麼不能用雙手拍翅飛行?」
夢翔說:「人體最強壯的肌肉,不是手臂而是在大腿部位。但人的體重過重,加上手臂肌肉力量不足,所以雙手拍翅飛行僅存在神話之中,實際嘗試會因力量不足而失敗。」
小慧說:「信天翁等大型鳥類,起飛時站在懸崖旁,伸展雙翼接受海風吹拂起飛,並不是費勁力氣拍翅起飛!所以人類飛行不應該模仿小型鳥類拍翅飛行,而是要模仿大型鳥類展翅翱翔。」
小瑜說:「鳥的雙翼同時具備拍翅作為推進的動力,伸展雙翼提供飛行所需的升力。人類擁有製造發明的能力,不需要完全模仿鳥兒的飛行方式!」
老師說:「我們在這一章〈飛行世紀∼動力飛行〉要探討人類學習飛行過程經歷的故事。」
輕於空氣的飛行器
夢翔提問說:「十八至十九世紀人們,是如何利用當時的科技開發出飛行器?」
吳老師說:「當時是蒸汽機時代。在1763∼1775年間,瓦特(James Watt)受波爾頓支持下,改良蒸汽機(Boulton and Watt steam engine),讓蒸汽機有效率節省燃料。但蒸汽機要添加笨重的水與煤炭,經過長時間燃燒才能產生蒸氣。蒸汽機可裝在輪船、火車,但不適合裝在輕巧的飛機作為動力來源。」
夢翔說:「那就不要裝在飛機上,改為裝在巨大的氣球上不就好了!」
吳老師說:「1852年法國亨利‧吉法爾(Henri Giffard)在充滿氫氣的飛船上,裝設蒸汽動力發動機推動螺旋槳旋轉,讓飛船緩慢前進。」
夢翔說:「氣球應該是球體?為什麼會變成橄欖球外型?」
小慧說:「橄欖球的外型,是為了減空氣阻力,老師在前面的課程有講過!」
小瑜說:「氫氣是世界上最輕氣體,而且與氧氣混合後極易燃燒?與蒸汽機在一起,會不會有燃燒爆炸的危險?」
吳老師解釋說:「氣球與飛船(airship)擁有巨大氣囊。裝有比空氣輕的氣體,例如:熱空氣或是氫氣、氦氣,依靠著浮力升空。原理就像浮力能使木頭浮在水面。而鳥及飛機需要不斷地前進,利用氣流通過翅膀或機翼產生的升力來飛行。」
吳老師說:「同學準備一下,報告氣球或飛船歷史故事。」
小慧說:「我要先報告,在法國誕生的熱氣球故事。」
「拿破崙稱帝前,最後一個法國皇帝路易十六還在位的1783年,法國造紙商孟格菲兄弟(Montgolfier Brothers),以棉布與紙製作熱氣球。接著當著國王、王后及巴黎市民面前,從凡爾賽宮升空表演。這巨大熱氣球飛行時,還乘載著鴨子、羊及象徵法國的公雞飛行。」
小瑜說:「孟格菲兄弟的熱氣球,是依靠地面爐火產生熱空氣上升,等到氣球上升之後就很難受到爐火加熱,所以肯定無法飛得高又遠。」
夢翔說:「孟格菲兄弟是第一家利用空中廣告的廠商,讓每個法國人都知道他們家賣的紙張!」
小瑜說:「孟格菲兄弟進行熱氣球載人飛行。但這對於法國的科學界,可說是相當難堪,升空飛行壯舉居然被賣紙的商人給搶先奪走了。化學課本裡給呂薩克‧查理定律的查理(Chavles),在同年的年底,用鐵屑與硫酸所產生氫氣,灌注在不透氣的橡膠綢布內,製作出巨大的氫氣球。」
小瑜補充說:「我們知道同體積氫氣遠比熱空氣的密度更小,這代表氫氣的浮力更大。這氫氣球還升空到達3000公尺高空,並載著科學家測量氣壓、溫度與溼度等科學數據。」
夢翔說:「我知道熱氣球加熱會上升,不加熱逐漸冷卻後就會下降,那氫氣球要如何控制上升與下降?」
小瑜說:「投下沙包減輕重量氣球就會上升,放出氫氣損失浮力,氣球就會下降高度。」
小慧說:「我看過Netflix電影《熱氣球飛行家》(The Aeronauts),由女飛行員艾蜜莉‧芮恩,科學家詹姆士‧葛萊舍真實故事改編的氫氣球飛行冒險故事。」
吳老師說:「小瑜、小慧的氣球故事很精彩,那夢翔,你想要講什麼故事?」
夢翔說:「氣球沒有動力隨著風飄動,僅能控制升降。但是飛船擁有動力能夠控制航向。」
「飛船還擁有飛機沒有的優點,就算引擎故障,飛船也不會像飛機一樣墜落,因為飛船擁有巨大浮力,能夠載送沉重貨物長時間飛行,甚至可以垂直起降到達沒有機場的偏遠地方,例如北極浮冰或赤道雨林的樹梢上。」
第三堂課(節錄)
飛行世紀~動力飛行
吳老師問同學:「人類為什麼不能用雙手拍翅飛行?」
夢翔說:「人體最強壯的肌肉,不是手臂而是在大腿部位。但人的體重過重,加上手臂肌肉力量不足,所以雙手拍翅飛行僅存在神話之中,實際嘗試會因力量不足而失敗。」
小慧說:「信天翁等大型鳥類,起飛時站在懸崖旁,伸展雙翼接受海風吹拂起飛,並不是費勁力氣拍翅起飛!所以人類飛行不應該模仿小型鳥類拍翅飛行,而是要模仿大型鳥類展翅翱翔。」
小瑜說:「鳥的雙翼同時具備拍翅作為推進的動力,伸展雙翼提供飛行所需的升力。人類擁有製造發明的能...
作者序
在「學習伊甸園」裡思辨世界的運作
不知道從幾歲起,小孩子開始逐漸失去好奇心,不再詢問「為什麼?」也沒有心思閱讀課外書籍。我擔心這與必須花大量時間精熟的分科課程是否有關?表面上教材分門別類並歸納整理,經過課綱審定,專家名師編寫。但是學生卻不曉得,為什麼需要知道這些無聊的教材內容?
我認為知識不該畫上不同科目邊界,僅僅為方便劃定授課時間與考試範圍。相反地基本知識是不分科目,能在不同領域皆用得到,才能稱得上重要基本概念。教育宗旨應該是讓學生學會,能夠在不同場域將「基本知識」靈活運用,並分析解決問題! 我發現雖然受過教育,部分同學不習慣理性的思考,仍用感性來面對這個世界的運作,所以想要撰寫這本書。
電視上記者訪問民眾香雞排漲10元的感受,卻不從雞隻玉米飼料價、航運油價、房價租金分析漲價。面對行動運算、人工智慧等新興科技,僅報導大量科技術語,卻不探究過去科技是如何被發明的?2025年諾貝爾經濟學獎,就從歷史視角,揭示經濟成長不能僅有科學發展,技術基礎與創新開放環境,三者是同樣重要。
所以本書不從自然、社會作分類,不談枯燥理論。而從輪軸、飛行以及航海議題,討論創新發明科學史、車、船、飛機等主題講故事,與主題相關的議題如:利益與法令衝突、公關媒體與行銷、地理大發現、植物與材料,都是課堂中可以與同學們盡情討論的話題。當遇到問題需要知識解決時,才會適時提及原理。當然動手實作專題更是本書重點。有限的篇幅內,如何饒富趣味地陳述這些跨領域,又彼此相互關聯的知識呢?
本書運用許多名著採用的敘事技巧,就是「對話與講故事」。在文字創造前的人類,就是透過講故事紀錄文明。藉由師生「提出有意義的問題」、「同學彼此討論」與「上台報告」,是想改變目前教育現況,老師單向授課的窘境。
部分讀者習慣的媒介,已經不是閱讀冗長文字,而是看到圖片後才能想像,筆者自己就是視覺導向思考者。許多圖片是師生間對話框,是模仿漫畫或社群軟體風格,目的是能幫助快速瀏覽文本。利用圖文書的形式來拓展讀者,希望能從小學、中學、大學生,到繁忙的成年人或家長,都是本書的讀者群。
最後,在所有故事設定裡,都需要不同人物角色與場景出現。設定場景發生在「明白實驗中學」裡,筆者化身為吳老師講授「科學與工程」,而夢翔、小慧、小瑜幾位學生,則是歷年所教授優秀學生或實習老師的化身。期望本書描繪的理想「學習伊甸園」,有一天能夠成為真實的授課環境。
在「學習伊甸園」裡思辨世界的運作
不知道從幾歲起,小孩子開始逐漸失去好奇心,不再詢問「為什麼?」也沒有心思閱讀課外書籍。我擔心這與必須花大量時間精熟的分科課程是否有關?表面上教材分門別類並歸納整理,經過課綱審定,專家名師編寫。但是學生卻不曉得,為什麼需要知道這些無聊的教材內容?
我認為知識不該畫上不同科目邊界,僅僅為方便劃定授課時間與考試範圍。相反地基本知識是不分科目,能在不同領域皆用得到,才能稱得上重要基本概念。教育宗旨應該是讓學生學會,能夠在不同場域將「基本知識」靈活運用,並分析解決問題! 我...
目錄
推薦序一
推薦序二
推薦序三
前言 在「學習伊甸園」裡思辨世界的運作
故事主角介紹
校長與吳老師的對談
運輸串聯世界資源與消費
第一堂課 奔馳地面的輪子
輪子∼人類偉大的發明
跨越崎嶇的路面
車輪與地面摩擦力
煞車回收能源
妨礙科技進步的法規
線控電動車製作
第二堂課 沒有動力為何能飛?
蘋果為何掉下來?
機翼升力與阻力
滑翔的基本原理
飛機的安定與操控
手擲滑翔機的製作與試飛
第三堂課 飛行世紀~動力飛行
輕於空氣的飛行器
竹蜻蜓的前世今生
動力飛行的夢想
萊特與蘭利飛行競爭
製作橡筋動力直升機
第四堂課 征服海洋的船舶
帆船的小故事
大航海時代∼地理大發現!
測量地球的尺寸
第五堂課 成果發表
從明輪到螺旋槳
噗噗蒸汽船
探測海洋的船
推薦序一
推薦序二
推薦序三
前言 在「學習伊甸園」裡思辨世界的運作
故事主角介紹
校長與吳老師的對談
運輸串聯世界資源與消費
第一堂課 奔馳地面的輪子
輪子∼人類偉大的發明
跨越崎嶇的路面
車輪與地面摩擦力
煞車回收能源
妨礙科技進步的法規
線控電動車製作
第二堂課 沒有動力為何能飛?
蘋果為何掉下來?
機翼升力與阻力
滑翔的基本原理
飛機的安定與操控
手擲滑翔機的製作與試飛
第三堂課 飛行世紀~動力飛行
輕於空氣的飛行器
竹蜻蜓的前世今生
動力飛行的夢想
萊特與蘭利飛行競爭
製作橡筋動力直升機
第四堂課 征服海洋的船舶...