以地球環境變遷為主題之應用科學展覽教學探究

               新北市環教輔導團研究員      余秀琴

               國立台灣科學教育館科教教師  楊憲吉

前言

    法國哲學家Raymond Aron曾表示,人類為二十世紀的工業化與經濟繁榮而沉醉,企圖維持及延伸既有的成就,缺乏更長遠的思考。因此二十一世紀我們正面對著空前的化石燃料污染問題、溫室效應氣候異常暖化問題、能源短缺等等問題群正成幾何級數累增,若無法從「教育」預先提昇新理念增長智慧,下一代將要接受巨大的挑戰。因此「再生替代綠色能源科技」將可融合各種思想導向,讓我們看到或聽到創造過程的模式。

    「能源科學教育」是環境教育中的一環,萬物互利共生,人類為萬物之靈,在物種當中應有維護平衡萬物之重責大任才是;地球資源有限,如何節約與運用?甚至再生利用都是新世紀應重視的問題;因此呈現與生活息息相關的教學題材,讓學生瞭解「能源」在自然界中的地位與角色、終結環境污染、能源和人類間之關係,進而培養關愛生態環境的情操是教育當務之急。

  鑑於能源教育的重要性,以及教學者對九年一貫相關議題獨缺能源教育課程感遺憾,故教學者試圖採用統整化教學的設計方式,將九年一貫各科課程相互融合,透過有系統的課程規劃與實施,而發展以校園體系進行探索、觀察、實驗操作活動及專題或獨立研究二者並重的綜合性能源教育計畫。


壹、研究主題訂定

●教學活動一:認識能源,如何從各類型能源中確定主題?

(一)準備各種有趣的能源操作材料,如太陽能車船、風力發電機、小水力發電機、海水空氣電池、生質能吹氣球等活動中,請學生發表有什麼共通性?

海水空氣電池 太陽能爬梯車 小水力發電機 風力發電機

◎引導小朋友覺察:分組討論活動,認識再生能源並擬研究計畫。(附學習單)

*太陽能照射到地球可應用的是光與熱,光源產生光伏效應,進而產生電子、電洞,即可轉換成電能。輻射熱可烹調食物與加溫。

*風力發電是藉由空氣的流動來轉動風力機的葉片,然後透過齒輪箱與發電機組將風能轉換成電能。

*水力發電是水的位能轉換成動能,帶動水輪機旋轉再與發電機做連結產生電能

*海洋能源能量巨大,海水鹽度與碳、鋁可製成空氣電池,由化學能轉換成電能,無汙染之優點,可再生使用;其它如波浪能、潮汐能、溫差能、洋流能等。

*生質能垃圾也能變黃金,所有有機物及一般廢棄物,經過焚化、氣化、裂解、發酵等技術轉換成燃油、燃氣與電力。

※參考資料~~歷屆能源相關的科展作品

*未來能源的轉換與利用~太陽能車的探討

*神奇的大力士~太陽能曲桿爬梯車與槓桿原理的探討

*油啊油!游啊游!~除油好幫手太陽能除油船

*美麗的空中蔬果花園─太陽能水耕植物

*來電100~節能減碳綠建築

*地球暖化終結者-太陽能風扇對生物節律的探討

*21世紀新ENERGY~新店溪迷你水力發電的探討

*神奇的風能~風力發電

*海洋牧場~潔能節能海水空氣電池的探討

*勇闖海龍宮~神奇的波力發電

*超酷落葉發酵火箭~生質能纖維素酒精汽油的探討

*垃圾廚餘也能變黃金~有機肥料的研究

*溫室效應的終結者~水生植物與CO2的探究

*    國立科學教育館歷屆科展參展資料網

http://www.ntsec.gov.tw/m1.aspx?sNo=0000262

*    國立科學教育館歷屆科展優勝作品資料網http://www.ntsec.gov.tw/m1.aspx?sNo=0000263

(二) 各組確定能源主題後,帶至圖書館或上網文獻蒐集並分析與運用。

◎引導小朋友覺察:文獻的探討可增進對整個能源環境及其相關問題之知識,以奠定好先備概念與擬進度考核表。(附學習單)

*請組員記錄文獻蒐集如圖書類、期刊文章、網站資源等名稱、作者、出版日期、出版社、出版地、頁數、網址,並作為日後完成說明書中最後項目參考資料用。


貳、研究架構發展

●教學活動二:摘要、動機、目的、研究問題、研究設備與器材、研究過 程

(一)依研究主題舉出動機與目的等架構,並配合如下活動,學習如何假設驗證實驗概念、變因控制設計與修正,數據表與統計圖製作。舉例 『海洋牧場~海水空氣電池的探討』研究問題:

1、哪一種水溶液的pH值與電流最強?

2、哪一種炭產生的導電最強?

3、何種礦物產生的導電電流最佳?

4、海水溶液的溫度會影響電流的強弱與持續的時間?

5、海水水量的多寡是否會影響海水電池發電的情形?

6、強酸強鹼加入海水中是否增加電量與持續性?

7、海水加入各種鹽類是否能使電流增強呢?

8、使用過的備長炭是否會影響電流量?

9、如何製作各種海水電池提供海洋牧場的使用?

 

●教學活動三:市面上傳統電池為何要回收?傳統電池構造如何?能以海水、備長碳、鋁箔紙製作海水空氣電池替代嗎?

(一)調查市面上電池的種類與構造。

(二)說明製作海水空氣電池的動機與目的,並發給每個小朋友實驗材料:備長炭、200c.c.c海水、毫安培計、透明杯子、鱷魚夾、馬達、葉扇。

(三)實驗步驟如下 :

1、取200c.c的海水,將備長炭用鋁箔紙6×10cm2包在1/3處。

2、取10克、20克備長炭,放在天秤上。

3、毫安培計正極夾在炭,負極夾在鋁箔紙放進透明盆子�堥礙`入200c.c.c海水,測試三次每次十分鐘並觀察毫安培計的電流量? 

◎引導小朋友提問、思考與推論:

〈1〉海水的溫度會影響電流嗎?

〈2〉使用過的海水和備長碳是否會影響電流強弱?

〈3〉鋁箔紙全包住備長碳,電流會減少嗎?

(四)在問題探討中能分工執掌,讓小朋友從實驗中解決問題,然後請小朋友自 由發表,能操控變因與技巧,做流程規畫,有計畫的進行操作。教師依發表者的發現論述,引導所有學生操作並驗證發表者的論述,可能步驟如下:

◎    引導小朋友思考與推論:

〈1〉海水溫度越高電流就越強。

〈2〉使用過的備長碳越重電流越強。

〈3〉鋁箔紙全包住電流越弱。

叁、實驗方法與步驟

●教學活動四:實驗中應確立的各種變因與實驗的方法步驟?

(一)瞭解並確立變因:

1、在問題探討中能分工執掌,讓小朋友從實驗中解決問題,然後請小朋友自由發表,能操控變因與技巧,做流程規畫,有計畫的進行操作。

2、教師依發表者的發現論述,引導所有學生操作並驗證發表者的論述,可能步驟如下: 

〈1〉加熱到沸騰時電流非常強,並且馬達葉扇轉得很快。

〈2〉水溫漸漸降低時電流也漸漸弱,馬達葉扇轉得很慢。

(二)引導小朋友如何以電腦Excel或Word統計實驗後的數據表與統計圖:

  1、加熱到降溫的溫度、時間與電流數記錄下來。

  2、學習電腦表格與插入圖檔中圖表的製作。

(三)引導小朋友如何拍照或實錄留下記錄: 

  1、利用媒體如拍照實驗過程並傳輸至電腦編輯、撰寫說明。

 

  2、也可實錄下來傳輸至電腦剪輯製作科學專輯,並檢討改進。


肆、實驗活動執行與實驗結果統整

●教學活動五:實驗模型設計製作與操作

*各組依據實驗設計步驟進行實驗,完成實驗記錄,拍照並延伸實驗製作生活應用產品(如活動五),統整實驗結果。舉例 『海洋牧場~海水空氣電池的探討』

問題九:如何製作各種海水電池提供海洋牧場的使用?

方法〈一〉製作手提海水電池

1、實驗材料:毫安培計、鋁罐、省能馬達(1V)、保麗龍、各式葉扇、吸管、木板、竹筷、塑膠杯、塑膠碗、塑膠繩、熱熔膠、熱熔槍、焊槍、焊鍚、剪刀、美刀工、培養箱、餅干盒、發光二極體燈泡、備長炭20g、鋁箔紙、細鹽。

2、實驗步驟:

(1)回收250 ml和350 ml鋁罐數個。

(2)備長炭20g直接放入鋁罐中

(3)海水200c.c.和300c.c.加入細鹽,倒進鋁罐和餅干盒中,用鱷魚夾夾好正負極再測電流。

表九-1 鹽度高產生的電流量

鋁罐容量(ml)

細鹽(g)

海水(c.c.)

電流(mA)

250 ml

0

200

90

250 ml

10

200

150

250 ml

20

200

170

250 ml

30

200

200

表九-2鹽度低產生的電流量

鋁罐容量(ml)

細鹽(g)

海水(c.c.)

電流(mA)

350 ml

0

300

58

350 ml

10

300

60

350 ml

20

300

130

350 ml

30

300

180

◎引導小朋友操作與驗證推論:

(1)利用各種大小鋁罐也可讓海水空氣電池應用於生活上。

(2)製成手提式海水空氣電池讓風扇轉動起來。

(3)製作一座旋轉盤可驅蚊蠅,也讓陀螺轉動起來。

(4)鹽度高電流量就較強,

方法〈二〉製作迷你型及攜帶型海水電池

1、實驗材料:毫安培計、伏特計、省能馬達(0.5~6V)、各式葉扇、塑膠盒、紗布、迴紋針、2 g(磨碎)及30.7g、63.7g、97.1g備長炭、1.7V發光二極體燈泡、鋁箔紙、。

2、實驗步驟:

(1)裁剪鋁箔紙5.5×5.5(㎝2)和紗布11×5.5(㎝2)。

(2)備長炭2g磨成碎狀放置在紗布上,鋁箔紙上下覆蓋。

(3)海水2c.c.滴進紗布沾濕,用迴紋針夾好正負極再測電流與電壓與測試風扇轉動速度和1.7V發光二極體燈泡。

(4)用4 c.c.沾溼海水的紗布包住於重量不同塊狀備長炭,外圍用鋁箔紙覆蓋以迴紋針夾好正負極,並測出電流和電壓與步驟(2)作比較。

 

表九-3 磨碎備長炭迷你型海水電池串聯關係表

 

2

 

4

 

6

 

8

 

10

 

12

 

14

 

16

 

18

 

20

電壓(V)

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

轉動

風扇

ˇ

ˇˇ

ˇˇ

ˇˇ

ˇˇˇ

ˇˇˇ

ˇˇˇˇ

ˇˇˇˇ

ˇˇˇˇ

ˇˇˇˇ

是否

亮燈

╳

╳

╳

╳

ˇ

ˇ

ˇ

ˇ

ˇ

ˇ

表九-4塊狀備長炭海水電池重量不同產生的電流與電壓

重     量  (g)

30.7

63.7

97.1

電     壓  (v)

0.6

0.6

0.6

電     流  (mA)

100

170

430

是否轉動風扇

ˇ

ˇ

ˇ

結果分析:

每種物質的溶解度各不相同之下,在20℃時100克水中最多可溶解約36克的鹽,達到溶解限度就稱為飽和溶液,鹽度高電流量就較強,海水電池環保又可攜帶。

經過改良研發製作體積小方便使用的迷你型海水電池,發現串聯後電壓成等差列式增加因此增一層風扇就轉得越快,1.7V發光二極體燈泡在九層後電壓夠了全亮了,亮度也增強,2g磨碎備長炭4層為8g但電壓就有0.8V,而塊狀備長炭三種不同重量都超過30g其電壓都是0.6V,所以磨碎平鋪接觸空氣面積較大,體積雖小卻是小兵立大功。

◎引導小朋友操作與驗證推論:

(1)磨碎備長炭平鋪接觸空氣面積較大,每一層電壓0.2V,所以1.7V發光二極體燈泡,在九層後電壓夠了。

(2)2g磨碎備長炭4層為8g但電壓就有0.8V,而塊狀備長炭三種不同重量都超過30g其電壓都是0.6V。

(3)鋁形成電荷的排斥力,通過導線至碳棒,這樣電子移動稱為電流;透過海水電解後,從鋁來到碳棒的電子,被碳周圍的氫離子抓住變成氫原子〈氫氣〉,電子移動連續發生也可稱為空氣電池。統整結果分析與討論、結論。


伍、研究結果統整與展示

*    各組完成研究報告指定的所有項目包括靜態、動態研究成果展現與實作觀摩評比。

●教學活動六:成果展示與觀摩,完成說明書與解說研究內容。

◎    引導小朋友主動統整操作與說明

*    舉例 『海洋牧場~海水空氣電池的探討』活動之說明書內容

※注意事項

1.說明書列印訂成冊:卷宗資料整理與電腦文書處理。

2.製作看版與刊頭:版面設計力求顯眼明白以統計圖呈現數據。

3.整理實驗器材:每一問題的實驗過程作有順序的排列在展示桌上。

4操練模型:製作研發的作品能現場操作說明才能產生說服力。

5.練習解說:每組員皆可展現研究實驗結果讓師生共評。

6.互相觀摩改進與宣導:應以客觀理智嚴密徹底的科學態度。

7.講評與獎勵:以培養其問題解決的能力,視科學研究為學習過程。

~~  結束  ~~



實驗操作

活動一  海水空氣電池發電應用

    浩瀚的海洋占地球表面70.8%,「海洋能」蘊藏量極為豐富,利用「海水」當電解質,環保可再利用的導電體「鋁」,及備長炭,自製「海水電池」,將「化學能」轉換成「電能」應用於生活上的替代能源。  

(一) 什麼是海水空氣電池?

    利用海水當電解質加上導電體鋁〈回收鋁罐或鋁箔紙〉及備長碳或竹碳就可以做成「手提海水電池」,不僅風扇可以快速轉動,還能讓發光二極體的燈亮起來。

(二)想要探討的問題:

1、每一種碳都可以導電嗎?

2、電極的材質會影響電的產生嗎?

3、電解液的溫度有沒有影響生電?

(三)材料:

細鹽、清水、裝水容器 (透明量杯)、鋁箔紙、備長炭、滴管、紗布、毫安培計、鱷魚夾、省電小馬達(1V) 、小型風扇、三用電表、毫伏特計、剪刀、尺、鋁罐、美工刀備長炭粉末、LED燈、及養樂多空瓶。

(四)動手做做看

 

1. 用細鹽10g、清水90c.c調出濃度10%的溶液,裝在透明量杯。剪一塊紗布和鋁箔紙各6x4cm2 。

2. 把紗布包在備長炭內圈,鋁箔紙包在備長炭外圈。

3. 用滴管滴幾滴鹽水至紗布裡,讓紗布保持濕潤。

4. 鱷魚夾正極夾住備長炭,負極夾住鋁箔紙。

5. 小型風扇套進省電小馬達軸心,省電小馬達電線接好。

   能讓風扇轉起來並持續三分鐘就過關。

6. 利用三用電表、毫伏特計測試觀察記錄電流量和電壓量。

7. 選一個回收鋁罐,刮平瓶口較尖銳的地方和蓋子。

8. 用細鹽20g、清水180c.c調出濃度10%的溶液。

9. 備長炭放入鋁罐中,鱷魚夾正極夾住備長炭,負極夾住鋁罐蓋。讓風扇轉起來並持續三分鐘

10.剪裁鋁箔紙、紗布,直徑大約6cm。依塑膠罐底面積的大小,內緣先鋪鋁箔紙,再將一匙碎狀的備長炭放在紗布上並滴1c.c.的海水疊在鋁箔紙上,再一層一層放入罐子中,依此法做數十個。

11.海利用三用電表測試發光二極體LED燈,海水電池電壓 與LED燈相等以上

12.鱷魚夾正極壓在碎炭上,負極夾在鋁箔紙罐上。讓LED燈亮起來,應用在何處,請自行取個主題名稱設計造型。

 (五)原理

    鋁形成電荷的排斥力,通過導線至碳棒,這樣電子移動稱為電流,透過海水電解後,從鋁來到碳棒的電子,被碳周圍的氫離子抓住,變成氫原子〈氫氣〉,電子移動連續發生,也可稱為空氣電池。

 

_                                                              +

 


活動二   太陽能牛頓船

當你拍桌子的時候,你的手有什麼感覺呢?是不是會痛這時候因為桌面也會回送你一個相反的力量,所以,我們也利用這相反的力量,應用製作一台牛頓船。 

(一)什麼是「牛頓船」?

    利用牛頓第三運動定律【作用力與反作用力】讓風扇  吹送出力量而獲得回送的相反力量,使車子前進,也可以成為水路兩用太陽能車船,就是水上的船利用太陽能轉換成電力,讓渦輪扇葉轉動產生高速氣流推進行駛,在陸地時加裝摩擦力小的輪子更能快速前進。 

(二)想要探討的問題:

1、錳乾電池3V為動力來源時,風扇速度如何?

2、太陽能電池3V為動力來源時,風扇速度如何?

3、如何找到牛頓車船的重心與平衡點?

4、太陽能晶片並聯電流會增強嗎?

5、太陽能晶片串聯電壓會增加嗎? 

(三)我會動手做做看

太陽能船模型 加上三個輪子變成車子

步驟1:材料準備

材料

太陽能單晶 1V、太陽能專用省能馬達0.5V~ 6V  10mA、

珍珠板1片、葉扇1個、輪子4個、竹2支、竹籤、吸管、高密度泡棉、電線、電池盒、錳乾電池1.5V 2個。

步驟2:工具準備

工具

焊  槍、導電膠布

測光儀、電壓電流計

雙面膠、保麗龍膠、熱熔膠

 白熾燈50瓦

水槽、賽車跑道

用途

電路焊接、導電

測量照明度與電壓電流

粘貼

室內試船、

試車

試船、

試車

 步驟2:進行製作

(1)珍珠板長18公分寬7.5公分,厚0.5公分一塊。

(2)竹籤2支各10公分當輪軸,套進8公分的吸管。

(3)距珍珠板長各2公分處固定前輪與後輪的位置。

(4)輪軸與吸管黏在珍珠板下方前端與後端,套輪子。

(5)兩個高密度泡棉疊粘在珍珠板尾端,一個平放在下,一個橫放在上面(或重疊)。

(6)馬達粘在橫放的高密度泡棉上,葉扇套在馬達軸心。

(7)馬達輸出線分別焊接(焊槍插電,熱起觸熔負極的錫紅色電線即刻接著,焊槍即刻拿開;黑色電線焊接方式亦同)在太陽能板。焊接時注意安全勿燙到。

(8)用雙面泡棉膠黏合太陽能板在船板上即完成。

(9)錳乾電池因有電池盒較重會沉船,但動力強適合當車。

(10)牛頓船可不裝輪子,用太陽能單晶 1V,130mA可行進。

(11)太陽能單晶1V兩片,正負極串聯,用導電膠布黏貼。

(12)太陽能單晶1V兩片,正正極並聯,用導電膠布黏貼。

(13)用三用電錶或電壓電流器測出串聯與並聯後的數據。

步驟3:室內試船

(1)牛頓太陽能船放在水槽中,用白熾燈50瓦測試是否會啟動前進或轉彎?

(2)若是無法啟動請檢查是否要調整線路?

(3)前兩項都沒問題為自己的船造型設計並取個名字。

(4)為了加速,可再加槳或舵讓船直行。

步驟4:室外賽船

(1)把水槽放在操場中央,陽光照射得到之處。

(2)參賽者影子不可遮住賽船。

(3)一次若干台的賽船就位,水槽水道用尼龍繩隔開發號施令才放開手掌,讓賽船前進。

(4)採雙循環賽或計時,仍可敗部復活。 

步驟5:室內試車與室外賽車

(1)牛頓車放在跑道上,用白熾燈50瓦測試是否會啟動

     前進?室外賽車在充足的陽光下競賽即可。

(2)若是無法啟動請檢查是否要調整線路或電壓不夠?

(3)為了加速,車體盡量輕盈,動力不足可以串聯或並聯或整片電壓高、電流強的太陽能電池。

(4)觀察車子前進時是否直線前進。

(四)原理


活動三  水路兩用太陽能車船

太陽能船能防止大海、河川受到污染,而是否也可以在馬路上行駛呢?讓我們發揮大小腦的功能,從太陽能船加裝成路上行走的DIY車吧! 

(一)什麼是水路兩用雙棲太陽能車船?

n     簡單來說,就是水上的船利用太陽能轉換成電力,讓渦輪扇葉轉動產生高速氣流推進行駛,在路地時加裝摩擦力小的輪子更能快速前進。 

(二)想要探討的問題:

1、要增加車速需要什麼條件?

(三)我會動手做做看

 
後輪加鋁片成為渦輪輪子

步驟1:材料準備

材料

西門子太陽能單晶 2.5V.

圓型鋁片螺旋槳竹籤、輪子

太陽能專用省能馬達

0.5V~ 6V  10mA

塑膠板、保麗龍1片

紙板、粗吸管、迴紋針

步驟2:工具準備

工具

焊  槍

螺絲起子組

測光儀

泡棉膠

白熾燈50瓦

圓規

光滑跑道

用途

電路焊接

小號起子

測照明度

粘貼

室內試船

畫輪子

長60cm寬30cm

步驟3:進行操作

(1)裁剪珍珠板做為船身以增加浮力,大小及材質自己決定 。

(2)前輪可用竹籤穿過保麗龍球讓兩側平衡起來。

(3)馬達和齒輪要咬合正確。

(4)保留原來製作的太陽能碳纖維車後輪以便於陸地行進。

(5)後輪外加鋁片製成的渦輪,可在水中划水前進。

(6)太陽能晶片要焊接馬達的紅線(正極)和黑線(副極)。

(7)設計自己喜歡的造型。

步驟4:室內試車

(1)太陽能車放在陽光跑道上,測試是否會啟動前進?

(2)若是無法啟動請檢查是否要調整線路?

(3)為了加速,車體盡量輕盈,或腦力激盪設計出加速的方法。

(4)觀察車子前進時是否直線前進。

步驟5:室外賽車船

(1)把水槽和跑道接在一起放在操場中央,陽光照射得到之處。

(2)參賽者影子不可遮住賽船。

(3)一次若干台的兩棲用車船就位,水槽水道用尼龍繩隔開發號施令才放開手掌,讓賽車船前進水上與陸地。

(4)採雙循環賽或計時,仍可敗部復活。

(四)原理

水動力汽車影片 海洋牧場實驗影片