《臺灣化學教育》第五十九期（2025年3月）

目錄

• 主編的話

• 第五十九期主編的話／周金城〔HTML｜PDF〕

• 本期專題【專題編輯／周金城】

• 二氧化碳教學探究：連結溫室效應、氣體行為與碳封存的環境教育實踐 ∕ 周金城〔HTML｜PDF〕
• 二氧化碳教學探究：藍碳生態系的潛力與挑戰：從碳埋藏到甲烷排放 ∕ 莊佩涓〔HTML｜PDF〕
• 二氧化碳教學探究：氣候變遷與環境教育： 二氧化碳的溫室效應實驗探究 ∕ 張詩敏〔HTML｜PDF〕
• 二氧化碳教學探究：應用紅外線熱顯像技術於加壓氣體儲存洩漏檢測之研究—以氣泡水瓶二氧化碳洩漏為例 ∕ 邱麗綺〔HTML｜PDF〕
• 二氧化碳教學探究：探究二氧化碳氣體與水的作用-氣體溶解和逸散與pH值變化 ∕ 周金城〔HTML｜PDF〕

• 教學教法／化學課程與教材【專欄編輯／陳英智】

• 雙語「熱」—小學自然科學課堂中的實踐 ∕ 陳英智〔HTML｜PDF〕

第五十九期 主編的話

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系

[email protected]

• 前言

最近又到了各縣市中小學科學展覽會的時節。每當在科展報告中看到引用「臺灣化學教育」網站上的資料，總讓人感到欣慰與鼓舞。雖然擔任臺灣化學教育網路期刊的出版工作確實壓力不小，但想到有許多師生讀者的支持與肯定，總能成為我們持續努力的動力。

在此也誠摯邀請參與科展製作的師生們，將您的科展作品加以改寫，結合化學教育的相關內容與應用，投稿至本期刊。這不僅能讓更多讀者深入了解科展的精華與價值，也能促進化學教育的推廣與交流。

• 本期專題主題「二氧化碳教學探究：連結溫室效應、氣體行為與碳封存的環境教育實踐」

行政院於2022年3月正式公布「2050淨零排放路徑及策略總說明」， 同年12月公布「12項關鍵戰略行動計畫」。確立在2050年達成淨零排放的目標（國家發展委員會等，2022）。​該策略以「能源轉型」、「產業轉型」、「生活轉型」和「社會轉型」四大轉型為核心，並在「科技研發」與「氣候法制」兩大治理基礎上推動。而其中12項關鍵戰略之一就是「碳捕捉利用及封存(Carbon Capture, Utilization, and Storage ，簡稱CCUS)」(國家發展委員會，2022）。科技研發基礎中的＂產業技術精進落實＂項目， 有1.開發低成本的二氧化碳捕捉創新技術、2.推動二氧化碳捕捉利用轉化為低碳化學品的創新技術、3.建立可運行的二氧化碳封存場域、4.推動CCUS成功經驗複製擴散。其中CCUS內容中，最重要的就是如何減少大氣中的二氧化碳，為了將此概念落實到小學教育中，加強學生對於二氧化碳性質的認識，就需要設計更多的教學與實驗內容。因此，由我邀請幾位專家學者與國小老師共同針對此主題撰文。

本期專題主要有四篇文章，這四篇文章以「碳」為核心，從不同角度引導中小學生認識氣候變遷與科學探究的關聯，並強化實作與科技應用能力。首篇由中央大學莊佩娟教授撰寫，介紹紅樹林、海草床等藍碳生態系的碳封存潛力與風險，引導學生思考自然解方在氣候危機中的角色。第二篇由國光國小張詩敏老師撰寫，透過簡易實驗讓學生觀察二氧化碳的溫室效應，認識碳排放與氣候變遷的關聯。第三篇由永安國小邱麗綺老師撰寫，運用紅外線熱像儀偵測氣體洩漏，讓學生從儀器操作中了解二氧氣體氣體壓力與溫度的關係及科技應用。第四篇則由北教大周金城教授撰寫，以實驗探究二氧化碳溶於水後的酸鹼變化，深化學生對碳循環與海洋酸化等議題的科學理解。整體內容兼顧科學原理、實驗設計與永續議題，是兼具知識性與操作性的優質教材。

• 化學教學主題

由2017年起，台北市推動開始推動國小雙語教育政策，包含國小自然領域，在不少老師的持續耕耘下，逐步跳脫出全英語教學模式，發展出適合目前我們國小學生的雙語自然教學方式。臺北市萬華區西園國小陳英智老師投稿的《雙語「熱」—小學自然科學課堂中的實踐》，以臺北市國小六年級自然課為場域，運用5E探究式教學法結合CLIL(Content and Language Integrated Learning)理念，設計出兼顧自然科學與英語學習的雙語課程，主題聚焦於「熱的影響與傳播」。課程以英語繪本導入，搭配熱現象實驗與生活應用討論，提升學生對熱傳導、三態變化等科學概念的理解，同時培養其英語詞彙與表達能力。透過Google表單調查，約六成學生對雙語自然課持正向態度，亦顯示語言難度與理解負荷仍為挑戰。研究建議運用動畫、圖示、實作與鷹架設計，協助學生跨越語言與科學的雙重門檻。雖然考量多方因素，自113學年度起，臺北市「公立國民中小學雙語教育實施計畫」中，已將自然科學課程從國小雙語課程建議科目中移除，但仍有一群認同並致力推動雙語自然教學的教師持續努力。長遠而言，發展自然科學的雙語教學確具其必要性，但在實施策略上需更具彈性與節奏，方能穩健推進。

• 結語

本期專題聚焦二氧化碳教學探究，結合氣候變遷、碳封存與環境永續等議題，從實驗設計到科技應用，展現化學教育的多元面向。此外，自製黏合劑的實驗設計讓學生從生活中體驗化學，強化實作與探究能力；而雙語自然教學的實踐，也反映教師們在科學與語言整合上的創新與努力。我們誠摯邀請更多教育現場的師生將實作經驗與教學成果分享投稿，讓化學教育與社會議題連結得更緊密，持續在孩子心中種下科學探究的種子。

最後，再次宣傳第十屆亞洲化學教育研討會訊息(https://www.nice2025.jp/)，研討會將於2025年7月26日至28日在日本的Yamagata Kokusai Hotel舉行(見圖1)。 ​NICE（Network of Inter-Asian Chemical Educators）成立於2005年，旨在促進亞洲地區化學教育專業人士之間的交流與合作。 ​該會議的目標是比較亞洲各國化學教育的現狀，討論共同面臨的挑戰，並從國際視角為各國特定問題提供建議。​NICE研討會與典型的國際研討會有所不同，強調包括中學和大學教育者參與，許多報告以海報展示或小組研討的形式進行，透過面對面的交流和實驗操作來理解彼此的想法。​目前，研討會的摘要投稿和註冊已經開始，​摘要投稿期限為2025年5月31日，​歡迎大家踴躍投稿。

圖1 2025第十屆亞洲化學教育研討會徵稿海報

• 參考文獻

國家發展委員會、行政院環境保護署、經濟部、科技部、交通部、內政部、行政院農業委員會、金融監督管理委員會（2022）。臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明。20250329取自https://ncsd.ndc.gov.tw/Fore/nsdn/about0/2050Path

國家發展委員會（2022）。十二項關鍵戰略。20250329取自https://www.ndc.gov.tw/Content_List.aspx?n=6BA5CC3D71A1BF6F

二氧化碳教學探究：連結溫室效應、氣體行為與碳封存的環境教育實踐

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系

Email:[email protected]

• 前言

面對全球氣候變遷的挑戰，環境教育已成為培養下一代氣候意識與永續行動力的重要關鍵。環境教育必須向下扎根，當小學生能夠有環境意識並建立正確的環境概念，當他們成為未來公民，才能對環境永續產生對應的行動。本期專題彙整四篇以「二氧化碳」為核心的教學研究文章，分別從溫室效應實驗、氣體性質探索、洩漏偵測技術到自然碳匯概念，呈現中小學科學教育在推動氣候素養與科學探究上的多元樣貌。

• 專題文章介紹

第一篇文章〈藍碳生態系的潛力與挑戰：從碳埋藏到甲烷排放〉是由中央大學莊佩娟教授所撰，從自然碳匯的角度切入，介紹紅樹林、海草床與鹽沼等藍碳生態系的碳封存能力與潛在環境風險，引導學生思考自然解方（nature-based solutions）在因應氣候危機中的角色與挑戰。大自然的碳循環原本就會具有自我平衡的能力，但是因為人為活動讓這個平衡被破壞，當平衡被影響的某個程度就有可能導致自然無法再自我平衡，這是最需要關注的地方。

承接自然碳匯的系統觀，第二篇文章〈氣候變遷與環境教育：二氧化碳的溫室效應實驗探究〉是由新北市國光國小張詩敏老師所撰，則將焦點轉向溫室氣體本身的加熱效應。文章以簡易實驗操作讓學生觀察不同氣體在日照下的溫度變化，透過數據佐證二氧化碳作為溫室氣體的加熱效應，幫助學生建立氣候變遷與碳排放的概念，並引導其理解淨零排放與CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage)等現代碳管理技術。透過此類活動，學生不僅能學會設計對照實驗與紀錄資料，也能具體體會科學如何回應當代環境議題，強化其將知識應用於現實世界的能力，讓中小學生可以由杜動手做實驗更直觀的方式來了解溫室效應氣體。

在理解氣候與碳管理之後，第三篇〈應用紅外線熱顯像技術於加壓氣體儲存洩漏檢測之研究——以氣泡水瓶二氧化碳洩漏為例〉是台中市永安國小邱麗綺老師所撰，展示如何利用紅外線熱像儀進行二氧化碳氣體洩漏的非接觸式觀察，提升學生對高壓氣體行為、壓力與溫度變化關係的理解，亦展現儀器應用於生活情境的可能性，增進科技素養與實驗觀察能力，進一步帶入科技應用與實作情境。高壓封存的二氧化碳，特別是在氣候科技與工業安全日益受到重視的背景下，此篇文章提供學生從「問題識別」到「儀器觀測」的完整學習歷程，有助於啟發其對科學應用的興趣與責任感。利用紅外線熱像儀進行氣體洩漏處的檢測，再生活中有需多應用之處，不只是二氧化碳的漏氣，幾乎所有高壓氣體的洩漏處，都可以此方法進行檢測。

最後，第四篇〈探究二氧化碳氣體與水的作用：氣體溶解和逸散與pH值變化〉是由作者所撰，回歸氣體本質與基本化學交互現象，聚焦於二氧化碳與水的交互作用。文章結合酸鹼指示劑進行實驗，透過簡單的實驗設計讓學生理解氣體溶解度、逸散行為與酸鹼變化的關聯，強化其對大氣碳循環與海洋酸化等議題的基礎認識。透過觀察氣泡逸散與pH值變化的過程，學生能將抽象的化學變化轉化為可視化的學習經驗，進一步發展操作技能與邏輯推理的能力。很適合中小學生進行實驗操作與探究。

• 結語

綜觀四篇文章，皆以學生為核心，結合課綱精神與探究實作，將抽象的氣候與碳循環議題轉化為可觀察、可操作、可理解的教學活動。這不僅有助於學生科學概念的建構，也能培養其批判思考與永續行動力，為邁向2050淨零碳排社會扎根基礎。回顧第五十六期以「新課綱粒子觀點教學的挑戰」為主題的專題內容，曾指出對國中小學生而言，氣體行為本就難以觀察與實驗，尤其氣體多為無形無色，使其教學更加困難。因此，設計適合學生於校園中進行的氣體觀察與操作實驗格外重要。本期專題特別提供三個與二氧化碳相關且具可行性的延伸實驗，不僅有助於學生了解二氧化碳的特性，也強化其對氣體行為、環境變遷與科技應用間連結的理解，為氣候教育的教學實踐提供具體參考。先前第五十六期的專題文章主題是「新課綱粒子觀點教學的挑戰」， 曾指出氣體行為對國中小學生而言本就難以觀察與實驗，尤其多數氣體為無形無色，更增添教學困難。因此，設計能在學校中實作的氣體觀察與操作實驗格外關鍵。本期專題提供三個適合在學校進行和二氧化碳有關的延伸實驗，也可以幫助學生更了解二氧化碳的特性。

二氧化碳教學探究：藍碳生態系的潛力與挑戰：從碳埋藏到甲烷排放

莊佩涓

國立中央大學地球科學學系
Email: [email protected]

摘要:藍碳生態系統（BCEs）如紅樹林、鹽沼與海草床，是全球重要的碳匯，能長期儲存大量有機碳。研究發現，紅樹林的淨初級生產率（NPP）極高，每年可固定大量碳，其中部分輸出至海洋，部分則長期埋藏。然而，紅樹林不僅是碳匯，也可能成為碳源。沉積物中的有機碳會因氧化還原反應被微生物分解，產生二氧化碳與甲烷，而甲烷的全球暖化潛能遠高於二氧化碳，其排放可能抵消紅樹林藍碳埋藏量的20%。本文作者過去的研究顯示，人類活動與污染可能使紅樹林相關水體的甲烷通量增加數十倍，影響碳循環與氣候變遷。儘管紅樹林在碳循環中扮演關鍵角色，但其沉積物中碳、硫、氮等元素的循環機制尚未被完整量化。目前針對紅樹林沉積物與水體的甲烷排放研究仍有限，本文作者認為未來應進一步量化相關元素的生物地球化學循環，以精確評估紅樹林對氣候變遷的影響，並建議台灣投入更多研究資源。

• 前言

藍碳生態系統（Blue Carbon Ecosystems, BCEs）如紅樹林、鹽沼與海草床，是全球重要的碳匯，雖占海洋面積不到1%，卻貢獻超過50%的海洋沉積碳埋藏量。本文整理了過去針對紅樹林生態系統的重要性，以及沉積物中碳的埋藏與分解相關研究進行回顧，希冀未來台灣也能夠投入更多相關研究。紅樹林淨初級生產率（Net Primary Productivity, NPP）達每年92至280億公噸碳，沉積物碳儲存量高達每公頃956公噸碳，使其成為熱帶地區碳含量最高的生態系統之一。然而，紅樹林亦可能成為碳源。有機碳分解受氧化還原條件影響，當氧氣耗盡後，微生物利用錳氧化物中的四價錳（Mn⁴⁺）、硝酸鹽（NO₃⁻）、鐵氧化物中的三價鐵（Fe³⁺）與硫酸鹽（SO₄²⁻）進行厭氧氧化還原反應分解有機碳，最終可能產生甲烷（CH₄），其全球暖化潛能遠高於二氧化碳。研究顯示，紅樹林NPP約每年200 億公噸碳，其中34.1 億公噸碳（20%）回到大氣，117.9 億公噸碳（60%）輸出至海洋，僅18.4至34.4 億公噸碳能長期埋藏。此外，甲烷排放可能抵消紅樹林藍碳埋藏的20%。未來研究應進一步量化紅樹林沉積物中碳、硫、氮等元素循環，以精確評估其氣候變遷影響。

• 藍碳生態系統重要性

氣候變化主要由大氣中二氧化碳濃度增加所驅動，是地球面臨的最重大全球環境問題之一（Nellemann et al., 2009），減緩策略包括減少排放以及保護和增強自然碳儲存（Rosentreter et al., 2018）。大多數保育計畫著重於恢復陸地生態系統，如熱帶雨林，並增強農業耕地中的碳儲存（Pan et al., 2011; Agrawal et al., 2011）。近年來，沿海植被生態系統因其為重要的天然碳匯也開始受到重視（Mcleod et al., 2011; Duarte et al., 2013），如2009年「藍碳」一詞的提出，主要是因為人們日漸意識到海洋生態系統在氣候變化緩解中可能具有的量化重要性（Nellemann et al., 2009; Lovelock and Duarte, 2019）。藍碳 (BC, Blue Carbon）由海洋生物捕獲大氣二氧化碳並被封存在海洋環境，包含沿岸藍碳生態系（BCEs, Coastal Blue Carbon Ecosystems）及開放海洋藍碳生態系（Open Ocean Blue Carbon Ecosystems）。沿岸藍碳生態系包含鹽沼、紅樹林和海草床構成濱海碳循環熱點，是地球生物圈最大碳匯之一。鹽沼、海草床、紅樹林，僅占海洋和海岸面積不到1％，但它們儲存了海床中大部分自然生成的碳且具許多生態系統功能，它們的碳埋藏速率比熱帶雨林高出40倍，並且佔海洋沉積物中碳埋藏量的一半以上（Duarte et al., 2005; Macreadie et al., 2021）。

鹽沼、海草床和紅樹林等藍碳所具有的生態系統功能包含：產生氧氣、過濾病原體、懸浮物、污垢和污染物質以及減緩海洋流動、波浪和風暴潮，因此面對海平面上升問題，藍碳系統能保護海岸免受侵蝕和積聚沉積物（Krause-Jensen et al., 2018; Macreadie et al., 2019）。同時，它們還可提供食物（魚、貝類、螃蟹），有助於人們的休息和健康，吸引了眾多遊客，從而為沿海居民創造了額外的工作機會和收入來源。健康的植被，豐富的海岸生態系統有助於沿海居民最好地適應氣候變化（Arkema et al., 2023; Macreadie et al., 2021）。因此，對現有的鹽沼、海草床、紅樹林進行恢復和擴建的投資具有多重好處。它們有助於降低大氣中的二氧化碳濃度（減緩氣候變化），在正確的方法下增強生物多樣性，並有助於降低氣候風險（氣候適應）（Macreadie et al., 2019）。

• 藍碳的紅樹林生態系統為重要大氣碳匯

藍碳的紅樹林生態系統在自然碳循環中扮演著關鍵角色，被視為一種高效的天然碳匯，在理想情況下，它們可以保存碳的時間長達數個世紀，甚至數千年（Choudhary et al., 2024; Serrano et al., 2019）。這些生態系統位於陸地與海洋的交界區域，與周邊生態系統之間持續交換著營養鹽和有機物質，使它們成為生物圈中生物地球化學活動最為活躍的區域之一（Mcleod et al., 2011; Duarte et al., 2005）。儘管紅樹林森林僅佔全球沿海地區的一小部分，但它們生產力很高，淨初級生產率為每年92至280 億公噸碳（Jennerjahn & Ittekkot, 2002; Bouillon et al., 2008; Alongi and Mukhopadhyay, 2015），在紅樹林生態系統中，植物、生物量（Biomass）和沉積物共同儲存了大量的有機碳，也使其成為熱帶地區碳含量最高的生態系統之一（Donato et al., 2011），特別是在沉積物中，全球紅樹林的平均碳儲存量估計為每公頃高達 956 公噸碳，遠高於熱帶雨林、泥炭沼澤、鹽沼和海草床（Alongi, 2014）。與陸上森林相比，紅樹林在沉積物和土壤中的碳積累量更為顯著，這主要歸因於自生和異源輸入的量大，以及缺氧條件下有機物分解速率較低的特點（Donato et al., 2011; Kristensen, 2008）。目前估計紅樹林生態系統中有機碳累積的速率估計為每年18.4至34.4 億公噸碳（Jennerjahn & Ittekkot, 2002; Duarte et al., 2005），貢獻了高達15％的海洋沉積物中的總碳累積量（Jennerjahn & Ittekkot, 2002）。

• 藍碳的紅樹林生態系統也可能是重要大氣碳源

紅樹林生態系統中的生物體死亡後，會以有機物質形式埋藏至沉積物中，有機物質是否能成為藍碳被保存或是被分解產生二氧化碳或甲烷流失(此為大氣碳源)，與沉積物所在環境的氧化還原條件有關，主要是因有機物質在沉積物中會經由微生物活動被分解，微生物分解有機物質將氧氣消耗後，沉積環境由有氧轉為厭氧狀態，在厭氧條件下，發酵或水解作用會將有機物質由大分子分解為小分子，之後由一系列厭氧微生物將它們氧化成二氧化碳，這些厭氧微生物根據能量產出依次利用以下電子接收者：Mn⁴⁺、NO₃^–、Fe³⁺和SO₄^2-，電子接收者用盡後，才有機會生成甲烷，因此這一系列的氧化還原反應，也驅動著碳、錳、鐵、硫、氮、磷、氧等元素循環（圖1）（Froelich et al., 1979; Burdige, 2006; Kristensen et al., 2008）。硫酸鹽還原反應（sulfate reduction; 圖1），無論是在有氧還是無氧條件下，通常被認為是紅樹林沉積物中微生物分解有機物質最重要的反應（Kristensen et al., 2008），佔總有機碳分解量的75至125%（Alongi et al., 1998），然而硫酸鹽還原反應卻產生大量危害紅樹林生態系統的有毒物質-硫化氫（Jacotot et al., 2023）。

因此近期的研究發現，在紅樹林生態系統中，儘管有機物質的埋藏可以移除大氣中的二氧化碳，並將其長期儲存，但因這一過程也伴隨著上述微生物活動的分解作用，導致固定的碳以其他形式流失（Bouillon et al., 2008; Alongi & Mukhopadhyay, 2015）。若用每年200 億公噸碳估算紅樹林的淨初級生產量（NPP），有一部分的碳會透過二氧化碳通量流失或再次循環回到大氣中（每年約34.1 億公噸碳，約占20%）或以顆粒有機碳（POC）、溶解有機碳（DOC）和溶解無機碳（DIC）等形式輸出至海洋（每年約117.9 億公噸碳；約占60%）（Alongi and Mukhopadhyay, 2015; Rosentreter et al., 2018）。因此，真正作為藍碳埋藏的量為每年18.4至34.4 億公噸碳（Bouillon et al., 2008; Mcleod et al., 2011; Alongi, 2014; Rosentreter et al., 2018）（圖1）。更有研究指出，在紅樹林生態系統中的甲烷古菌在缺氧的沉積物中產生甲烷（CH₄），將有機物轉化為甲烷後排放至大氣中（Methanogenesis; 圖1）。考慮到甲烷的全球暖化潛能遠高於二氧化碳，這種排放可能會抵消一部分透過碳埋藏移除的二氧化碳效果。如果考慮20年的全球暖化潛能，較高的甲烷排放率可能平均抵消紅樹林沉積物中藍碳埋藏率的20%（Rosentreter et al., 2018）。

圖1: 沉積物中微生物所驅動的有機物質分解，呈現出與深度相關的氧化還原序列，這反映了微生物分解有機物質依所獲得能量高低，會使用不同電子接收者，並可見隨深度釋放相關溶解有機基質 (修改自Jørgensen et al., 2022)。

• 結語

本文作者過去也定量討論了墨西哥（Yucatán, Mexico）鄰近紅樹林的潟湖生態系統中，甲烷生成機制及通量與其他微生物所驅動之生物地球化學反應的關係（Chuang et al., 2016），該區沿海潟湖中的甲烷生成與消耗受不同作用所控制，包括物理作用如與海水或地下水混合和潮汐，以及生物地球化學作用如硫酸鹽還原、甲烷生成和氧化等。這些因素也造成了甲烷濃度和通量在時間和空間上的顯著變化。儘管鹽度和硫酸鹽濃度高，Yucatán紅樹林沉積物中的甲烷不但沒被硫酸鹽消耗殆盡（甲烷厭氧氧化反應; AOM; CH₄ + SO₄^2– + 2H⁺ → H₂S + TCO₂ + 2H₂O），還能在沉積物表層與硫酸鹽共存，且甲烷產生率仍然很高，這是因為沉積物中有機質含量高以及甲烷生成菌利用非競爭性基質，甲烷可在淺層孔隙水中累積。加上潟湖水淺以及潮汐調節的壓力變化，促成非常高的甲烷通量逸氣至水層與大氣（Chuang et al., 2017）。如果這些地點的通量能代表其他與紅樹林相關的水體，這些系統的通量可能佔全球濕地排放到大氣中總量的相當大一部分。Chuang等人（2017）的研究也顯示在Yucatán紅樹林潟湖生態系統，受人類活動和汙染影響的濕地環境會使甲烷通量相較自然濕地環境增加10至100倍，這項研究對碳循環在紅樹林生態系帶來重要意義，也讓我們深入了解自然與人類活動因素所造成的環境變遷會對紅樹林潟湖生態系統碳循環產生顯著差異。然而，目前只有少數研究同時考慮到了紅樹林生態系統中沉積物和水體的甲烷排放（Chuang et al., 2017）。未來對藍碳的評估中，各地紅樹林生態系統無論是自然和受人類活動汙染的環境，甲烷逸散至大氣通量，也需深入調查。淺水海洋環境（即海灣、河口、潟湖、沙洲和大陸棚）占海洋初級生產力的14-30％以及有機物質埋藏量的80％（Gattuso et al., 1998）。目前尚未有研究定量估算紅樹林生態系統，有機物分解所驅動的各項主要以及二級氧化還原反應的反應速率，以及所參與沉積物生物地球化學循環的主要元素如碳、錳、鐵、硫、氮、磷、氧等元素進出沉積物的通量。建議未來可在台灣投入相關研究。

• 參考文獻

Alongi, D. M. (2014). Carbon cycling and storage in mangrove forests. Annual Review of Marine Science, 6(1), 195–219. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-010213-135020

Alongi, D. M., & Mukhopadhyay, S. K. (2015). Contribution of mangroves to coastal carbon cycling in low latitude seas. Agricultural and Forest Meteorology, 213, 266–272. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2014.10.005

Alongi, D. M., Sasekumar, A., Tirendi, F., & Dixon, P. (1998). The influence of stand age on benthic decomposition and recycling of organic matter in managed mangrove forests of Malaysia. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 225(2), 197–218. https://doi.org/10.1016/S0022-0981(97)00223-2

Agrawal, A., Nepstad, D., & Chhatre, A. (2011). Reducing emissions from deforestation and forest degradation. Annual Review of Environment and Resources, 36, 373–396. https://doi.org/10.1146/annurev-environ-042009-094508

Arkema, K. K., Delevaux, J. M. S., Silver, J. M., Winder, S. G., Schile-Beers, L. M., Bood, N., Crooks, S., Douthwaite, K., Durham, C., Hawthorne, P. L., Hickey, T., Mattis, C., Rosado, A., Ruckelshaus, M., von Unger, M., & Young, A. (2023). Evidence-based target setting informs blue carbon strategies for nationally determined contributions. Nature Ecology & Evolution, 7(7), 1045–1059. https://doi.org/10.1038/s41559-023-02081-1

Bouillon, S., Borges, A. V., Castañeda-Moya, E., Diele, K., Dittmar, T., Duke, N. C., Kristensen, E., Lee, S. Y., Marchand, C., Middelburg, J. J., Rivera-Monroy, V. H., Smith, T. J. III, & Twilley, R. R. (2008). Mangrove production and carbon sinks: A revision of global budget estimates. Global Biogeochemical Cycles, 22(2). https://doi.org/10.1029/2007GB003052

Burdige, D. J. (2006). Geochemistry of Marine Sediments. Princeton University Press.

Choudhary, B., Dhar, V., & Pawase, A. S. (2024). Blue carbon and the role of mangroves in carbon sequestration: Its mechanisms, estimation, human impacts and conservation strategies for economic incentives. Journal of Sea Research, 199, 102504. https://doi.org/10.1016/j.seares.2024.102504

Chuang, P.-C., Young, M. B., Dale, A. W., Miller, L. G., Herrera-Silveira, J. A., & Paytan, A. (2017). Methane fluxes from tropical coastal lagoons surrounded by mangroves, Yucatán, Mexico. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 122(5), 1156–1174. https://doi.org/10.1002/2017JG003761

Chuang, P.-C., Young, M. B., Dale, A. W., Miller, L. G., Herrera-Silveira, J. A., & Paytan, A. (2016). Methane and sulfate dynamics in sediments from mangrove-dominated tropical coastal lagoons, Yucatán, Mexico. Biogeosciences, 13(10), 2981–3001. https://doi.org/10.5194/bg-13-2981-2016

Donato, D. C., Kauffman, J. B., Murdiyarso, D., Kurnianto, S., Stidham, M., & Kanninen, M. (2011). Mangroves among the most carbon-rich forests in the tropics. Nature Geoscience, 4(5), 293–297. https://doi.org/10.1038/ngeo1123

Duarte, C. M., Losada, I. J., Hendriks, I. E., Mazarrasa, I., & Marbà, N. (2013). The role of coastal plant communities for climate change mitigation and adaptation. Nature Climate Change, 3(11), 961–968. https://doi.org/10.1038/nclimate1970

Duarte, C. M., Middelburg, J. J., & Caraco, N. (2005). Major role of marine vegetation on the oceanic carbon cycle. Biogeosciences, 2(1), 1–8. https://doi.org/10.5194/bg-2-1-2005

Gattuso, J. P., Frankignoulle, M., Bourge, I., Romaine, S., & Buddemeier, R. W. (1998). Effect of calcium carbonate saturation of seawater on coral calcification. Global and Planetary Change, 18(1), 37–46. https://doi.org/10.1016/S0921-8181(98)00035-6

Jacotot, A., Gayral, I., Robin, S. L., & Marchand, C. (2023). Soil concentrations and atmospheric emissions of biogenic hydrogen sulphide (H₂S) in a Rhizophora mangrove forest. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 291, 108439. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2023.108439

Jennerjahn, T. C., & Ittekkot, V. (2002). Relevance of mangroves for the production and deposition of organic matter along tropical continental margins. Naturwissenschaften, 89(1), 23–30. https://doi.org/10.1007/s00114-001-0283-x

Jørgensen, B.B., Wenzhöfer, F., Egger, M., and Glud, R.N. (2022). Sediment oxygen consumption: Role in the global marine carbon cycle. Earth-Science Reviews, 228, 103987. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.103987

Krause-Jensen, D., Lavery, P., Serrano, O., Marbà, N., Masque, P., & Duarte, C. M. (2018). Sequestration of macroalgal carbon: The elephant in the blue carbon room. Biology Letters, 14(6), 20180236. https://doi.org/10.1098/rsbl.2018.0236

Kristensen, E., Bouillon, S., Dittmar, T., & Marchand, C. (2008). Organic carbon dynamics in mangrove ecosystems: A review. Aquatic Botany, 89(2), 201–219. https://doi.org/10.1016/j.aquabot.2007.12.005

Lovelock, C. E., & Duarte, C. M. (2019). Dimensions of blue carbon and emerging perspectives. Biology Letters, 15(3), 20180781. https://doi.org/10.1098/rsbl.2018.0781

Macreadie, P. I., Costa, M. D. P., Atwood, T. B., Friess, D. A., Kelleway, J. J., Kennedy, H., Lovelock, C. E., Serrano, O., & Duarte, C. M. (2021). Blue carbon as a natural climate solution. Nature Reviews Earth & Environment, 2(12), 826–839. https://doi.org/10.1038/s43017-021-00224-1

Macreadie, P. I., et al. (2019). The future of Blue Carbon science. Nature Communications, 10(1), 3998. https://doi.org/10.1038/s41467-019-11693-w

McLeod, E., et al. (2011). A blueprint for blue carbon: Toward an improved understanding of the role of vegetated coastal habitats in sequestering CO₂. Frontiers in Ecology and the Environment, 9(10), 552–560. https://doi.org/10.1890/110004

Nellemann, C., et al. (2009). Blue Carbon: A Rapid Response Assessment (Vol. 80). United Nations Environment Programme, GRID-Arendal.

Pan, Y., Birdsey, R.A., Fang, J., Houghton, R., Kauppi, P.E., Kurz, W.A., Phillips, O.L., Shvidenko, A., Lewis, S.L., Canadell, J.G., Ciais, P., Jackson, R.B., Pacala, S.W., McGuire, A.D., Piao, S., Rautiainen, A., & Sitch, S., Hayes, D. (2011). A large and persistent carbon sink in the world’s forests. Science, 333(6045), 988-993. https://doi.org/10.1126/science.1201609

Rosentreter, J. A., Maher, D. T., Erler, D. V., Murray, R. H., & Eyre, B. D. (2018). Methane emissions partially offset “blue carbon” burial in mangroves. Science Advances, 4(6), eaao4985. https://doi/10.1126/sciadv.aao4985

Serrano, O., Lovelock, C. E., Atwood, T. B., Macreadie, P. I., Canto, R., Phinn, S., Arias-Ortiz, A., Bai, L., Baldock, J., Bedulli, C., Carnell, P., Connolly, R. M., Donaldson, P., Esteban, A., Ewers Lewis, C. J., Eyre, B. D., Hayes, M. A., Horwitz, P., Hutley, L. B., … Duarte, C. M. (2019). Australian vegetated coastal ecosystems as global hotspots for climate change mitigation. Nature Communications, 10(1), 4313. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12176-8

二氧化碳教學探究：

氣候變遷與環境教育：二氧化碳的溫室效應實驗探究

張詩敏^1、2

¹新北市國光國小

²國立臺北教育大學自然科學教育學系

Email: [email protected]

摘要：本教學內容結合氣候變遷議題與自然科學課程，旨在提升學生對溫室氣體與全球暖化影響的理解，並認識「淨零排放」及CCUS技術。透過課程設計，引導學生了解氣候變遷對臺灣造成的多重影響，包括氣溫升高、農漁業減產、生態破壞、水資源分配不均與極端氣候事件頻繁等問題，強化學生環境永續意識。同時，配合「溫室氣體實驗」，比較空氣、二氧化碳與丁烷在日照下的溫度變化，結果顯示二氧化碳升溫最明顯，佐證其為主要溫室氣體，有助於學生建立科學概念與實證能力。實驗不僅提升學生對氣候變遷議題的關注，也培養其動手實作與觀察能力。整體課程銜接108課綱精神，結合理論與實作，促進學生對環境議題的理解與行動力，期望透過教學引導，激發學生思考自身行為對氣候的影響，進而實踐減碳行動，邁向永續發展目標。

• 前言

我們的地球只有一個，維護環境永續是全球共同的責任。近年來，氣候變遷問題日益嚴峻，聯合國氣候峰會 COP29（Bhatti, 2024）警告，2023 年為有紀錄以來最熱的一年，全球平均地表溫度較工業化前上升約 1.4°C。若要將升溫控制在 1.5°C 內，必須在 2030 年前將全球碳排放量減少約 50%，然而，2023 年全球碳排放仍上升 1.1%，距離目標仍有明顯落差，科學界估計，每年碳排放至少需減少 7% 才有機會達標。

在臺灣，因應氣候變遷的挑戰，108 課綱自然科學領域第三階段 特別納入「自然界的永續發展」相關學習內容，強調學生對環境變遷的認識與行動能力，包括：

• INg-Ⅲ-1自然景觀和環境一旦被改變或破壞，極難恢復。
• INg-Ⅲ-3生物多樣性對人類的重要性，而氣候變遷將對生物生存造成影響。
• INg-Ⅲ-4人類的活動會造成氣候變遷，加劇對生態與環境的影響。
• INg-Ⅲ-7人類行為的改變可以減緩氣候變遷所造成的衝擊與影響。

康軒版(王美芬，2025）、南一版（盧秀琴，2025）與翰林版(賴信志，2025)六年級自然科學課本，三個版本皆提到「INg-Ⅲ-1自然景觀和環境一旦被改變或破壞，極難恢復。」。翰林版和南一版皆有提到自然界、人類和氣候變遷之間的關係，並說明臺灣為因應全球氣候變遷2023年通過《氣候變遷因應法》，希望能降低與管理排放溫室氣體，明定於2050年達到「溫室氣體淨零排放」的目標。而法規中所謂溫室氣體是指二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF₆）、三氟化氮（NF₃）及其他經中央主管機關公告者。

氣候變遷對臺灣的影響已逐步顯現，若無法有效減少溫室氣體排放，將帶來一系列環境與社會挑戰。夏季可能延長，高溫與酷熱日數增加，影響公共健康並加劇都市熱島效應。農作物如水稻、玉米及畜牧產量將因高溫而下降，海水升溫亦將衝擊漁業生產。生態方面，森林適生海拔上升，棲地面積縮減，導致物種生存受到威脅。水資源方面，春季降雨減少，乾旱加劇，豐枯水期差距擴大，影響農業與供水安全。此外，極端氣候事件發生頻率增加，颱風與豪雨的強度更甚以往，使災害應變與水資源管理面臨更大挑戰（許晃雄等，2024）。即便堤防可因應海平面上升，颱風暴潮仍可能提高沿海地區的淹水風險。

面對這些變遷，透過環境教育培養下一代的氣候意識與行動力，將是因應未來挑戰的關鍵。本研究希望透過溫室氣體科學實驗，讓學生親身觀察不同氣體對環境溫度的影響，深化對氣候變遷、淨零排放與 CCUS 減碳技術的認識，並進一步思考如何在日常生活中落實減碳行動，為永續未來盡一份心力。

• 認識淨零排放與CCUS的關係

根據聯合國政府間氣候變遷專門委員會（IPCC, 2021），「淨零排放」是指在人為排放的二氧化碳（CO₂）與人為移除的 CO₂ 之間達到平衡，使大氣中 CO₂ 濃度不再上升，以穩定氣候變遷。目前全球多國已承諾在 2050 至 2060 年間實現碳中和，其中臺灣於 2023 年通過《氣候變遷因應法》，規劃 2050 年達成淨零排放目標。

CCUS（Carbon Capture Utilization Storage）被視為減少碳排放的關鍵技術，主要分為三個步驟：碳捕集（Carbon Capture）、碳利用（Utilization）、碳封存（Storage）。目前 CCUS 技術已應用於火力發電廠、高碳排工業（如水泥、鋼鐵、石化業），甚至與生質能結合（Bio-Energy CO2 Capture and Storage, BECCS），以實現負碳排放。然而，CCUS 仍面臨高成本與技術發展的挑戰，未來需要透過碳稅優惠、碳權交易與政策支持，提升其經濟可行性。

除了政府與企業推動淨零技術，個人也能透過節能減碳、支持低碳產品、參與碳補償計畫來減少碳足跡，為全球氣候行動盡一份力。當政府、企業與個人共同努力，我們才能真正邁向 2050 年的淨零排放目標，共同打造永續未來。

• 動手做觀察溫室氣體實驗

我們希望能透過簡單的溫室氣體實驗，讓學生能更深入理解溫室氣體對環境溫度上升的影響。教學時，可以參考由作者協助拍攝上傳到國教署CIRN網站讓小學方便操作觀察溫室氣體與溫度上升之間關係的「溫室氣體實驗」(周金城，2025)，我們準備三個寬口的透明罐、三個溫溼度計、棉線、小蘇打粉、醋酸、瓦斯罐，分別製備二氧化碳氣體和瓦斯瓶中的丁烷氣體當作實驗組，空氣當作對照組。首先，將透明罐中放入溫溼度計，並將溫溼度計用棉線吊在罐子中間，溫溼度計盡量不要碰到瓶子側邊或底部，因為可能會有熱傳導或對流產生，造成溫度誤差。

此進行實驗時，我們特別注意水蒸氣的影響，因為水蒸氣本身也是重要的溫室氣體，能吸收與儲存熱能，進而影響實驗結果。不同罐內的濕度可能會有所差異，若未加以控制，可能導致測量誤差。因此，我們使用乾燥劑來調整濕度，使三個罐內的水蒸氣含量相近，讓濕度值相似，以確保實驗能專注於二氧化碳與丁烷的影響。

該實驗探討不同氣體對環境溫度的影響，以驗證溫室氣體的熱吸收能力。我們選擇二氧化碳（CO₂）與丁烷（C₄H₁₀）作為實驗組，並以空氣作為對照組，觀察它們在陽光照射下的溫度變化。實驗中使用三個透明罐、溫溼度計、棉線、乾燥劑等設備，確保變因控制，避免因水蒸氣或熱傳導影響測量準確性。此外，透過向上排空氣法填充二氧化碳與丁烷，以確保氣體的純度與均勻性。

丁烷是本實驗選用的氣體之一，主要因其在日常生活中容易取得且為純氣體，如打火機燃料、露營瓦斯罐等。相較於甲烷、乙烷等工業氣體，丁烷較為常見，且可在控制環境下安全操作。

將三個罐子放置於陽光可直射的窗台上，經過兩小時的照射後，各罐內的溫度皆有上升，但幅度有所差異，二氧化碳的溫度增幅最高，其次為丁烷，空氣的變化最小。完整數據詳見表 1，實驗步驟詳見表2。

表1 太陽光照射2小時前後罐中溫度變化情形

表2 溫室氣體實驗之實驗步驟

1.取出瓦斯罐，並在前端接上粗吸管，再將粗吸管深入罐子內，這樣可以使丁烷更順利地灌入罐子中。	2.將小蘇打粉和醋加入夾鏈袋中，靜置以產生二氧化碳。接著，將管子插入罐子內，並在管內塞入棉花以降低濕度，再將產生的二氧化碳灌入罐中。
3.將裝好丁烷、二氧化碳和空氣的三個罐子同時置於陽光下的情形。	4.三個罐子在陽光下晒2個小時後的情形

實驗結果顯示，二氧化碳對熱能的吸收與保留能力最強，證實其為主要的溫室氣體，能有效提升環境溫度。丁烷雖非主要溫室氣體，但仍具有一定的熱效應，且燃燒後會產生二氧化碳，進一步加劇全球暖化。本次實驗提供了直接觀察溫室氣體影響的證據，幫助學生更直觀地理解氣候變遷與減碳行動的重要性。本次實驗透過科學數據驗證了溫室氣體對地球溫度上升的影響，進一步強化了學生對氣候變遷與減碳行動必要性的認知。

• 結語

氣候變遷的挑戰已深刻影響全球環境與人類社會，而教育在提升公眾認知與推動行動力方面扮演著關鍵角色。本文說明可透過科學實驗與課程內容的結合，幫助國小學生理解溫室氣體如何影響環境溫度，並進一步認識淨零排放與 CCUS 技術在減緩氣候變遷中的作用。透過親身參與實驗，學生能夠直觀體驗科學原理，培養批判思考能力，並加深對環境永續發展的理解。

然而，減少溫室氣體排放不僅是科學問題，更涉及社會、經濟與政策等層面。因此，我們期望透過未來更多跨領域的探究與實作課程，引導學生建立科學素養、環境意識與行動力，鼓勵他們在日常生活中採取減碳行動，如節能減排、支持再生能源或參與環境保護活動。當每個人都能夠關心氣候變遷並付諸行動，才能真正朝向永續發展與低碳社會邁進，為地球的未來盡一份心力。

• 參考文獻

王美芬 主編（2025）。國民小學自然科學6下。新北市：康軒文教事業股份有限公司。

周金城(2025)。溫室氣體的探究與實作 [影片]。CIRN-國民中小學課程教學資源整合平台。https://cirn.moe.edu.tw/Module/WebFileVideo/index.aspx?sid=1225&mid=16636

教育部。(2018)。十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域。臺北市：教育部。

許晃雄、王嘉琪、陳正達、李明旭、詹士樑 (2024)。國家氣候變遷科學報告2024：現象、衝擊與調適 (許晃雄、李明旭 主編)。國家科學及技術委員會與環境部聯合出版。

盧秀琴 主編（2025）。國民小學自然科學6下。臺南市：南一書局。

賴信志 主編 (2025)。國民小學自然科學6下。臺南市：翰林出版事業股份有限公司。

Bhatti, T. T. (2024, June). State of the climate crisis and priorities for COP-29. Spotlight of Regional Affairs, 42(6). https://irs.org.pk/Spotlight/SP06012024.pdf

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). (2023). Global carbon and other biogeochemical cycles and feedbacks. In Climate change 2021 – The physical science basis: Working Group I contribution to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (pp. 673–816). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781009157896.007

二氧化碳教學探究：應用紅外線熱顯像技術於加壓氣體儲存洩漏檢測之研究—以氣泡水瓶二氧化碳洩漏為例

邱麗綺

臺中市西屯區永安國小

Email:[email protected]

摘要：本文探討紅外線熱像儀技術在小學科學教育中的應用，我們透過檢測氣泡水瓶中二氧化碳的洩漏，幫助學生理解氣體溶解度、壓力與溫度變化之間的關係。氣泡水中的二氧化碳溶解度受壓力與溫度影響，當瓶蓋打開或瓶身發生洩漏時，氣體逸出會導致局部溫度下降，而這種變化可透過熱像儀進行非接觸式觀察。我們利用熱像儀測量瓶蓋與瓶身的溫度變化，判別是否發生微洩漏，並探討測量距離、環境條件與誤差控制方法。結果顯示，熱像儀能有效檢測高壓氣體洩漏，並可應用於氣體鋼瓶、滅火器、瓦斯罐等設備的安全檢測。此外，透過實驗與視覺化觀察，我們讓學生更直觀地理解二氧化碳的溶解、逸散與固碳概念，進而提升他們對科學學習的興趣。未來，紅外線熱像儀也有機會可作為二氧化碳封存技術的檢測工具。

• 前言

國小自然科學在高年級教材有認識空氣的相關單元，內容主要是引導學童認識空氣的組成、特性及其在生活中的作用。教材涵蓋氧氣與二氧化碳的特性，探討燃燒、滅火和鐵生鏽等現象與空氣的關係。透過實驗活動，學生將學習氧氣的助燃性、二氧化碳的滅火性，以及影響鐵生鏽的因素。 此外，教材也探討有關預防火、防災及逃生避難的知識以及二氧化碳排放過多對環境的影響，還有固碳對減緩全球暖化的作用。

在南一版五年級下學期《認識空氣》單元中為例(盧秀琴，2024)，教材介紹了二氧化碳的排放與固定的概念。植物能透過光合作用吸收大氣中的二氧化碳，並將其轉化為養分儲存在體內，從而減少大氣中的二氧化碳含量，有助於減緩地球暖化。種植樹木是一種有效的減碳方式，特別是森林植物，由於其吸收與固定二氧化碳的能力較強，因此在調節大氣中的二氧化碳濃度方面發揮重要作用。這個過程稱為「固碳」，對環境保護至關重要。

目前固碳方法可分為自然固碳與人工固碳，主要目的是減少大氣中的二氧化碳含量，減緩全球暖化與氣候變遷的影響。以下是幾種主要的固碳方式(國家科學及技術委員會、經濟部、環境保護署，2023）：

一、自然固碳﹕森林、土壤與海洋碳匯在自然碳封存中扮演重要角色。

（一）森林碳匯（Forest Carbon Sink） 透過光合作用將大氣中的二氧化碳固定於植物體內，並將碳儲存在土壤、有機物及木材產品中，減少碳排放對環境的影響。

（二）土壤碳匯（Soil Carbon Sink） 是陸域系統中最大的碳儲存庫之一，能夠長期封存碳，並透過適當的農業管理技術有效降低溫室氣體排放。

（三）海洋碳匯（Marine Carbon Sink） 則藉由海洋吸收並儲存大氣中的二氧化碳，特別是沿岸生態系（如紅樹林、海草床、鹽沼等）在碳封存方面具有重要作用，能夠穩定調節大氣中的二氧化碳濃度，有助於減緩全球暖化的影響(行政院農業委員會，2023)。

二、人工固碳: 碳捕捉與封存技術（CCUS）是減少二氧化碳排放的重要手段，包括碳捕捉（Carbon Capture）、碳利用（Carbon Utilization） 和 碳封存（Carbon Storage）三大部分。碳捕捉技術透過燃燒前、燃燒後或富氧燃燒等方式，從燃煤電廠、鋼鐵廠、水泥廠、石化廠等大型固定排放源直接攔截二氧化碳，避免其進入大氣。捕捉到的 CO₂ 可進一步碳利用，轉化為燃料（如甲醇、合成氣）、化學品、建材（如碳酸鈣）或透過微生物與藻類吸收轉化為生質產品，提升經濟效益。未被利用的 CO₂ 則透過碳封存技術（CCS），長期儲存於地質構造（如枯竭油田、深層鹽水層）或海洋，以確保其不再釋放回大氣，達到減碳目標。這三者相互配合，形成完整的碳管理技術，為全球減碳與氣候變遷因應提供可行方案。

由於二氧化碳的封存這些概念較為抽象，不容易直接教導學生，因此我們嘗試設計一個能讓學生觀察到具體現象的實驗，幫助他們理解二氧化碳封存的相關概念。在日常生活中，學生最常接觸到的二氧化碳來源之一就是二氧化碳氣體鋼瓶，例如氣泡水機會使用二氧化碳鋼瓶來製造氣泡水，空氣手槍則可能使用較小型的二氧化碳鋼瓶，而二氧化碳滅火器與汽水機則使用更大容量的二氧化碳氣體鋼瓶。我們希望透過這些生活中的實例，讓學生更直觀地認識二氧化碳的封存與應用。

前幾年因為疫情的關係，每個學校都會購置熱顯像儀用來測量學生體溫，我們利用這個被閒置的工具，並拿生活中學生常接觸的「氣泡水」進行實驗觀察，讓學生對於二氧化碳的認識能更視覺化。

• 高壓增加二氧化碳溶解於水的現象

要認識二氧化碳對小學生來說，碳酸飲料最貼近他們的生活經驗，而近幾年流行的氣泡水主要原理是將二氧化碳（CO₂）溶解於水中形成碳酸（H₂CO₃），其反應式為CO₂+H₂O⇌H₂CO₃。當瓶蓋打開時，溶解的二氧化碳會釋放出來，形成氣泡。在製造過程中，工廠會將純水放入加壓設備，並在高壓環境下注入二氧化碳氣體，使其大量溶解於水中，轉變為碳酸水。二氧化碳的溶解度受溫度與壓力影響，壓力越大，溶解度越高，因此氣泡水在未開封時瓶內壓力較高，而溫度越低，二氧化碳溶解度也越高，這使得冷藏氣泡水比常溫氣泡水保留更多氣體。當二氧化碳溶於水時，會與水分子發生可逆反應，生成少量碳酸（H₂CO₃），使氣泡水帶有微酸性（pH 約 3-4），這也是氣泡水喝起來帶有刺激感的原因。

當瓶蓋打開時，瓶內壓力突然下降，原本溶解在水中的二氧化碳會重新轉變為氣體並逸出，形成上升的氣泡，使氣泡水發出「嘶嘶聲」。如果瓶子在開啟前經過搖晃，氣體釋放的速度會更快，可能會導致氣泡水噴出。這些特性使氣泡水具有獨特的口感與飲用體驗。

二氧化碳氣體對水的溶解度，可以用亨利定律來計算。氣體溶解在水中的量，會隨著氣體的壓力增加而增加。換句話說，壓力越高，二氧化碳溶解得越多，壓力降低時，二氧化碳就會從水中跑出來變成氣泡。這就是為什麼氣泡水在瓶蓋打開時會冒出氣泡的原因。另外，溫度也會影響二氧化碳的溶解度。當水的溫度越低，二氧化碳溶解得越多；當溫度升高，二氧化碳就更容易從水中跑出來。因此，冷藏的氣泡水比常溫氣泡水保留更多氣體，而熱的氣泡水則會變淡，因為二氧化碳比較容易逸出。簡單來說，氣泡水中的二氧化碳會因為壓力與溫度的變化而影響溶解度，這也是為什麼氣泡水需要在高壓、低溫的條件下才能保留最多的氣泡。

瓶裝飲料中灌入二氧化碳的其中一個目的，就是讓打開時飲料的溫度降低。這是因為當瓶蓋打開後，瓶內的壓力下降，溶解在飲料中的二氧化碳迅速逸出並轉變為氣體，在這個過程中會吸收熱量，造成氣體膨脹冷卻效應，使得飲料溫度稍微降低。這種現象與噴霧罐噴出液體時感覺變冷的原理類似，都是因為氣體擴散時會帶走部分熱量。因此，當我們打開氣泡飲料時，會能聽到「嘶嘶聲」，還可能感覺到瓶口附近變得稍微涼爽。

如果寶特瓶裝的氣泡水放久了變得沒有氣，通常是因為瓶蓋沒有鎖緊，導致二氧化碳慢慢逸出。我們可以利用高壓氣體洩漏時需要吸熱的特性來檢測瓶蓋是否有漏氣。當二氧化碳從瓶蓋縫隙洩漏時，周圍的溫度會稍微降低，而這個變化可以透過學校購買的熱顯像儀來觀察。使用熱顯像儀後，瓶蓋有漏氣的部分會顯示出較低的溫度區域，讓這個現象變得清楚可見。

• 熱像儀使用說明

在前幾年新冠肺炎嚴重時期，學校門口得有使用讓顯像儀來測量進學校的人員是否有發燒的情形。但是，因為疫情緩和後，學校就將讓顯像儀封存起來，因此我們想到可以使用學校採購的顯像儀來進行一些有趣的測量工作。我們使用的紅外線熱像儀，型號是FLIR E5XT紅外線熱像儀，根據網站說明書標示的可偵測溫度範圍為 -20°C 至 +400°C，紅外線解析度 160×120像素。然而，在進行實驗觀察前，仍需先進行儀器溫度校正。為確保測量的準確性，我們需先比對熱像儀偵測到的溫度與電子溫度計測得的溫度之間的差異，確認儀器的準確度後，再進行後續實驗。

圖1 熱像儀-FLIR E5XT	圖2 熱像儀測量溫度的照片

在校正過程中，我們分別設定5 公分至 100 公分的測量距離，並逐步增加熱像儀與待測物之間的距離，以分析測量誤差的變化。結果顯示，當熱像儀與測量物的距離介於 20 至 40 公分時，測量誤差較小。因此，在後續的實驗設計中，我們將熱像儀與偵測物的距離統一設定在 20 至 40 公分之間，以確保測量數據的準確性。

在使用熱像儀進行偵測時，需嚴格控制環境溫度，以確保測量結果的準確性與穩定性。熱像儀可設定並顯示偵測範圍內的最高溫或最低溫，因此在實驗過程中，環境條件需保持一致，以減少外界因素對測量數據的干擾。首先，應避免陽光直射，以防止輻射熱影響測量結果。其次，偵測時應確保測量區域內無人體或其他發熱源，以降低熱輻射干擾。此外，建議在室內環境中開啟空調，以維持恆溫狀態，避免環境溫度波動影響熱像儀的熱場解析。透過有效控制這些變因，可提升熱像儀測量的準確度與可重複性，確保實驗數據的可靠性。

體溫會影響待測物溫度，故手勿直接接觸實驗相關物品。若是直接用手接觸物品，手的熱量會與物品有讓熱量交換作用，造成後續溫度判斷的誤差。因此在實驗過程中需要使用品質較好的隔熱手套或是夾子接觸相關物品，避免因為熱量交換，導致後續要花較多時間等待測物品要降溫到室溫的時間。

圖3 測量時勿以手直接握瓶子會影響測量               圖4 手直接握瓶子會造成接觸瓶身處溫度上升

熱像儀顯示的顏色為相對溫度值，而非絕對溫度值。藍色代表相對低溫區域，紅色則表示相對高溫區域，然而顏色本身無法直接對應實際溫度。由於本儀器無法手動設定顏色變化範圍，而是由儀器自動調整並鎖定顯示範圍，因此在進行實驗時，應根據每張熱像圖右側的溫度尺標來判讀各區域的實際溫度，而不可直接以不同熱像圖的顏色進行跨圖比較。這樣可確保溫度判讀的準確性，避免因儀器自動調整顏色範圍而產生誤判。

• 使用熱像儀來檢測氣泡水加壓二氧化碳氣體的洩漏

我們找了兩瓶氣泡水，可以發現沒有漏氣的氣泡水，整個瓶子的溫度都與環境溫度一樣，但是若是有微漏氣的瓶子，雖然肉眼看不出來氣泡水有在漏氣，但是瓶蓋處的溫度的確比較低，這樣我們就可以知道有在微微的漏氣，相當的方便。

圖5 氣泡水瓶長時間放置室溫下，由熱像儀可看出氣泡水瓶溫度與室溫非常相近

圖6氣泡水瓶長若是有洩漏情形，由熱像儀可看出氣泡水瓶瓶蓋的溫度比環境溫度低

透過熱像儀觀察，有助於讓溫度變化視覺化，學生從實驗觀察中也可以了解到，這種漏氣檢測方式或許也能應用於其他領域，例如卡式瓦斯罐、攜帶式氧氣瓶、液化石油氣等壓縮氣體鋼瓶，以及汽車或自行車輪胎的氣嘴與氣閥。當這些設備發生微漏氣時，洩漏處可能會因氣體擴散導致局部降溫，而透過熱像儀可以快速偵測這些溫度變化，從而判斷是否有氣體洩漏。這項技術適用於任何涉及高壓氣體封存的場景，不僅能提供非接觸式的快速檢測方法，還能在安全維護與設備檢修方面發揮重要作用，具有廣泛的應用潛力。

由於不同類型的氣體洩漏通常需要專門的儀器來檢測其氣體分子，但大多數高壓氣體洩漏時都會吸收熱量並導致局部降溫，因此熱像儀可以作為基礎檢測工具，提供初步的洩漏偵測，幫助快速篩選可能的洩漏位置，再進一步使用專業儀器進行確認。這種方法既高效便捷，又能提升檢測效率，對於氣體設備的安全管理具有極高的實用價值。

• 結語

本文探討了紅外線熱像儀技術在小學科學教育中的應用，特別是其對加壓氣體（二氧化碳）洩漏的觀察與分析。透過熱像儀，我們能夠即時、非接觸地檢測氣泡水瓶中二氧化碳的微洩漏，並透過溫度變化視覺化該現象。這不僅提升了學生對氣體溶解度、壓力與溫度變化之間關係的理解，也提供了一種創新的教學工具，使抽象的科學概念更具體化。此外，本研究結果顯示，熱像儀能夠有效辨識漏氣位置，具有潛在的應用價值，如應用於其他高壓氣體設備的檢測。未來可進一步擴展至不同類型的氣體與更精確的溫度分析，以強化此技術在教育與工業檢測上的應用。此外，若未來推動二氧化碳高壓封存技術，紅外線熱像儀亦可作為一種簡單且非接觸式的檢測工具，透過偵測封存設備表面的溫度變化，快速辨識可能的洩漏點，提高監測效率並確保封存系統的安全性與穩定性。

• 參考文獻

行政院農業委員會（2023）。臺灣2050淨零轉型「自然碳匯」關鍵戰略行動計畫。2025年2月28日檢索自 https://www.ey.gov.tw/File/EF63415FAC210FF2?A=C

亞斯科技（n.d.）。FLIR E5XT 熱像儀。2025年2月28日檢索自 https://www.astek-tw.com/product-category/hardware/flir/ext/

國家科學及技術委員會、經濟部、環境保護署（2023）。臺灣 2050 淨零轉型「碳捕捉利用及封存」關鍵戰略行動計畫。2025年2月28日檢索自https://www.ey.gov.tw/File/EF63415FAC210FF2?A=C

教育部（2014）。十二年國民基本教育課程綱要總綱。臺北市：教育部。

盧秀琴（主編）（2024）。國民小學自然科學5下。臺南市：南一書局。

二氧化碳教學探究：探究二氧化碳氣體與水的作用-氣體溶解和逸散與pH值變化

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系

Email:[email protected]

摘要：本文探討二氧化碳在水中的溶解與逸散過程，並透過實驗讓學生理解氣體溶解度、壓力與 pH 值變化的關聯。我們首先分析108 課綱及三大版本國小自然科學教材對二氧化碳的介紹，發現各版本均涵蓋其性質、來源、檢測方法與應用，但對環境影響與固碳概念的深度有所不同。為了深化學生的理解，我們設計了探究實驗，讓學生在透明塑膠杯中加入純水與廣用指示劑，並透過吹氣、靜置與打氣筒等方式，觀察二氧化碳的溶解與逸散如何影響水的酸鹼值。結果顯示，二氧化碳溶解會降低 pH 值，而逸散則使 pH 值回升。為強化學生的探究能力，建議可以讓學生探討溫度變化、攪拌、氣體交換速率等因素對二氧化碳溶解度的影響，並與海洋酸化、湖泊水質變化及氣候變遷進行連結。透過這些活動，我們不僅幫助學生建立二氧化碳的科學概念，也讓他們思考如何減少碳排放，以減緩全球暖化。此外，本研究亦提供教師可行的教學策略，使科學探究更貼近生活，提升學生的環境素養與問題解決能力，並鼓勵他們在日常生活中實踐環保行動。

• 前言

隨著全球暖化問題日益嚴重，提升國小學生對二氧化碳的相關知識已成為重要的教育課題。二氧化碳（CO₂）作為大氣成分之一，不僅在自然界的氣體循環中扮演關鍵角色，也與氣候變遷、環境污染及能源使用等議題密切相關。因此，如何在小學科學教育中深化學生對二氧化碳的認識，並幫助他們理解其性質、來源、檢測方式與環境影響，是值得探討的課題

根據108自然科學課程綱要（第三學習階段），學生需學習以下與二氧化碳相關的知識：

INa-Ⅲ-4(4-1)：了解大氣主要氣體的組成，包括氮氣、氧氣、二氧化碳與水蒸氣。

INb-Ⅲ-2(2-2)：透過助燃性不同，鑑別氧氣與二氧化碳。

INb-Ⅲ-2(2-3)：透過澄清石灰水實驗，鑑別二氧化碳。

INd-Ⅲ-1(1-2)：透過蠟燭燃燒實驗，認識氧氣與二氧化碳的製造與性質，並探討空氣對物質變化的影響。

INe-Ⅲ-2(2-3)：透過實驗或影片觀察化學反應，如紙張燃燒產生二氧化碳、鐵生鏽、雙氧水與胡蘿蔔產生氧氣等，進一步理解化學變化形成新物質的概念。

然而，除了這些基本課綱內容，是否能透過更多簡單實驗，讓學生更深入理解二氧化碳的性質與環境影響，值得進一步探討。

我們整理了康軒版(王美芬，2024）、南一版（盧秀琴，2024）與翰林版(賴信志，2024)五年級自然科學課本中空氣相關單元中有關二氧化碳的內容。三個版本皆介紹了二氧化碳的基本性質、來源、檢測方法及應用，並強調二氧化碳是不助燃的氣體，可與氧氣的助燃性做區別。此外，教材皆提及澄清石灰水檢測法，說明二氧化碳能與氫氧化鈣反應，使澄清石灰水變混濁。雖然三個版本都提到植物透過光合作用吸收二氧化碳，但僅南一版明確提及「固碳」的概念，解釋植物如何固定二氧化碳以減少大氣中的含量。

在二氧化碳的來源部分，南一版與翰林版特別提到蠟燭燃燒後，廣口瓶內的二氧化碳濃度上升，使澄清石灰水變混濁，而康軒版與翰林版則皆提到酵母菌發酵可產生二氧化碳，使麵包蓬鬆。在環境影響方面，南一版與翰林版明確指出二氧化碳是溫室氣體，並說明過量排放可能導致全球暖化。整體而言，南一版對固碳與環境影響的討論最為完整，而翰林版則補充了二氧化碳在日常生活中的應用，如碳酸飲料與乾冰，使學生能加理解二氧化碳的影響與用途。

由於二氧化碳是主要的溫室氣體之一，因此學生應該進一步學習其來源、影響、應用及管理方式，以培養對環境變遷的理解，並思考如何減少碳排放。首先，二氧化碳的平衡是大氣環境中的重要議題。大氣中的二氧化碳來自自然過程（如火山噴發、生物呼吸、燃燒）及人為活動（如工業生產、交通排放）。透過學習二氧化碳的來源，學生可以更清楚人類活動如何影響環境，並思考如何減少額外的二氧化碳排放，以維持自然碳循環的平衡。

其次，學生應該認識二氧化碳對環境的影響。過量排放的二氧化碳會導致全球暖化，進而引發氣候變遷，如冰川融化、海平面上升與極端氣候。此外，二氧化碳溶解於水中可能會降低水的pH值，導致酸雨的形成，進一步影響生態環境。學生可以透過二氧化碳溶解於水的實驗，探討二氧化碳如何影響水體酸鹼值，模擬其對生態系統的影響。

除了環境影響，學生也應學習二氧化碳的應用與管理。在日常生活中，二氧化碳可應用於食品製造（如發酵過程產生氣體使麵包蓬鬆、碳酸飲料製造），也可作為乾冰、滅火器的主要成分。此外，為了減少二氧化碳對環境的影響，現代科技發展出二氧化碳捕集與封存技術（Carbon Capture and Storage, CCS），以及再生能源技術，如種樹減碳、使用太陽能、風能等環保能源，這些都是學生應該認識的環境保護策略。

為了讓學生更深入理解二氧化碳的性質與環境影響，教師可以設計更多探究實驗。例如，透過小蘇打與醋反應製造二氧化碳，並驗證其不助燃的特性，讓學生實際觀察氣體的產生與特性。此外，進行蠟燭燃燒與澄清石灰水變混濁實驗，幫助學生理解燃燒產生二氧化碳的過程。最後，可透過溶解度與氣體逸散實驗，觀察二氧化碳如何影響水的酸性，模擬海洋酸化的現象，讓學生更具體理解環境變遷的科學原理。

透過這些實驗與討論活動，學生不僅能強化對二氧化碳的理解，還能思考如何在日常生活中落實環保行動，如節能減碳、減少浪費、選擇低碳能源等，以實際行動減少二氧化碳的排放，為環境永續發展貢獻力量。

• 認識生活中的二氧化碳溶解於水中的概念

二氧化碳在水中的溶解與逸散過程，與自然水域的酸鹼變化、水生生物的生存，甚至極端環境下的氣候災害息息相關。當二氧化碳溶入水中時，會與水分子結合形成碳酸（H₂CO₃），使水的 pH 值降低，導致水體酸化。然而，當水體受到攪動或氣體交換加快時，二氧化碳會從水中逸散，使水的 pH 值回升。這一現象不僅影響海洋與湖泊的水質，也與人類管理水生環境的方式息息相關。

在人工水域中，魚缸與池塘通常使用打氣機來維持水質與魚類的生態平衡。打氣機的作用在於攪動水體，促進氧氣溶解，防止水中氧氣不足而導致魚類窒息。同時，這種攪動也會加速氣體交換，幫助水體排出過量的二氧化碳，避免水質因二氧化碳累積而變酸。特別是在夜間，水生植物停止光合作用但仍會釋放二氧化碳，若無適當氣體交換，水質可能會變得過酸，影響魚類與其他水生生物的健康。因此，打氣機不僅能提供充足的氧氣，還能維持水體的酸鹼平衡。

然而，在某些極端環境下，二氧化碳的溶解與逸散可能會造成嚴重災害。例如，1986 年 8 月 21 日，非洲喀麥隆的尼奧斯湖突然釋放大量二氧化碳氣體，造成近 2000 人窒息死亡。這場災難的主因是湖泊的熱分層現象導致二氧化碳長期積累於深層水域，當湖水因強風吹拂或季風冷卻發生對流時，深層水快速上升至表層，壓力驟降導致水中的二氧化碳迅速逸散，形成高濃度的二氧化碳氣團，最終導致附近居民與動物因缺氧窒息。這一事件顯示出，環境變化對氣體溶解與逸散的影響，不僅影響水體生態，也可能對人類安全造成威脅（Zumdahl & DeCoste, 2016, p. 716）。

透過溶解度與氣體逸散的探究實驗，學生可以進一步理解二氧化碳如何影響水的酸性，並模擬海洋酸化的過程。這些科學概念不僅能幫助學生理解水體化學變化的機制，也能引導他們思考如何減少二氧化碳排放，以降低對環境的影響。

我們設計簡單的實驗方法，幫助國小學生認識二氧化碳對水的作用性質。在透明塑膠杯中加入約 5-6 mL 的清水，建議使用瓶裝水，以確保初始水質接近中性。一般而言，自來水多為中性或微鹼性，但若發現水偏酸，可更換水源。接著，在水中滴入一滴廣用指示劑，觀察顏色變化。為了方便教師的教學使用，建議將指示劑分裝到滴瓶中使用。

圖1 廣用指示劑	圖2 將指示劑分裝到滴瓶中

實驗開始前，加入廣用指示劑的純水應呈現藍色或綠色。接著，學生以嘴巴使用吸管對杯內的持續吹氣約 30 秒，使二氧化碳溶入水中，就可觀察溶液顏色變為黃色，顯示水的酸性增加。注意當水量增加，要讓溶液變色吹氣的時間也會變久。

圖3 吹氣前溶液呈現淡藍色	圖4 吹氣後溶液呈現淡黃色

塑膠杯中溶液顏色，可以使用廣用指示劑pH1~11的參考對照表，確認溶液的酸鹼性。對照酸鹼圖卡，我們知道溶液由偏鹼性轉變為偏酸性。也可以讓學生嘗試吹氣再久一點，觀察水溶液是否可以越吹越酸。當然，我們知道不可能再越吹越酸，因為水對二氧化碳的溶解量是有固定比例的，且是達到一個飽和平衡狀態。

圖5 廣用指示劑的pH1~11的參考對照表

若實驗只做到溶解階段，學生可能會誤以為二氧化碳能夠永久溶解在水中，且不會再逸散。因此，教師應設計進一步的觀察，讓學生發現二氧化碳的逸散過程。可以將已變成黃色的水溶液靜置約一小時，此時水中的二氧化碳會逐漸逸散回空氣中，導致溶液酸性降低，顏色逐漸恢復至原本的藍色，顯示水的 pH 值回升至接近中性。

然而，由於等待一小時的時間較長，可能不利於課堂教學時間安排，因此可使用打氣筒對變成黃色的水溶液打入空氣，約30 秒到 1 分鐘，即可觀察到溶液顏色逐漸由黃色變回藍色，說明二氧化碳從水中逸散。同時，教師也可設計對照組，讓學生對變成藍色的水溶液打氣，觀察其顏色是否發生變化，以確認打氣的影響主要來自二氧化碳的逸散，而非其他因素。

為了進一步探究影響二氧化碳溶解與逸散的因素，教師可設計更多變因操控的實驗，讓學生進行思考與操作。除了使用打氣筒，學生還可以探討其他物理或化學方式來影響二氧化碳的溶解度與逸散速率，例如：

1.改變水溫：加熱或冷卻水，觀察水溫對二氧化碳溶解度的影響。

2.攪拌或搖晃水體：增加氣體與水的接觸機會，加快二氧化碳的逸散。

3.增加氣體接觸面積：將溶液倒入較寬口的容器，觀察是否會加速二氧化碳逸散。

4.注入更多空氣：使用鼓風機或吹氣，模擬環境中氣體交換的影響。

透過這些探究活動，學生可以更清楚氣體在水中的溶解與逸散機制，進一步理解海洋酸化與二氧化碳在環境中的動態變化，培養科學探究能力與環境保護意識。

• 結語

透過動手做實驗，學生能夠觀察二氧化碳在水中的溶解與逸散過程，並理解氣體交換如何影響水體的酸鹼變化。當持續打氣時，空氣中的氣體與水體進行交換，使溶液中的二氧化碳逐漸逸散，而水中的碳酸（H₂CO₃）會解離回二氧化碳與水，進而降低氫離子（H⁺）濃度，使水的 pH 值回升至接近中性。這個現象與碳酸平衡反應（H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ CO₂ + H₂O）息息相關，與環境中的海洋酸化、湖泊水質變化有著相似的科學機制。

這項實驗不僅幫助學生理解二氧化碳的水溶性與逸散機制，還能促使他們思考人類活動如何影響大氣與水體的碳平衡。例如，海洋酸化現象正是因為工業排放導致大氣中的二氧化碳增加，使海水吸收更多二氧化碳，進而降低 pH 值，影響珊瑚礁與水生生物的生存。同時，這也可與酸雨的形成進行連結，讓學生進一步探討如何透過環保行動減少二氧化碳排放，保護地球環境。

透過這樣的探究活動，學生不僅能學習科學概念，還能培養觀察、變因控制與數據分析的能力，進一步訓練科學思維。這項實驗能讓學生從簡單的氣體溶解與逸散現象，延伸至全球環境議題，提升他們的環境素養與問題解決能力，並思考如何透過日常行動，如節能減碳、減少污染與保護水資源，為環境永續發展盡一份心力。

• 參考文獻

王美芬主編(2024)。國民小學自然科學5上. 新北市：康軒文教事業股份有限公司。

教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域。臺北市：教育部。

盧秀琴主編(2024)。國民小學自然科學5下。臺南市：南一書局。

賴信志主編(2024)。國民小學自然科學5下。台南市:翰林出版事業股份有限公司。

Zumdahl, S. S., & DeCoste, D. J. (2016). Principle of Chemistry. (8th) CA: Cengage Learning.

雙語「熱」—小學自然科學課堂中的實踐

陳英智

臺北市萬華區西園國小

[email protected]

摘要：本文以六年級學生的自然課作為實踐5E探究式教學法的場域，並於課堂中初次加入CLIL的理念，研究的主要目的是實驗新的教學方法以及調查學生對實施雙語自然課後的看法。研究者以物理和化學的重要主題｢熱的影響與傳播｣出發，於課堂中使用英語詞彙和句型，搭配中文解釋，以建立學生基礎觀念。為了深化學生的閱讀素養與科學實作的能力，採用Kathleen Weidner Zoehfeld 於2015年出版的科學繪本 What Is the World Made Of? All About Solids, Liquids, and Gases啟發學生去觀察生活中物質遇熱時的三態變化，順帶學習英語的表達，在示範教學的一堂課和學生一同討論熱學基本原理的生活應用，輔以學生的實驗紀錄發表與學習單當作形成性評量。經Google表單調查發現64%的學生對這樣的雙語課持正面回饋，但仍有不少課程與學習上的難點尚待克服。

• 前言

雙語教育近年來在臺灣教育現場已成為熱門關鍵字。不論是生活、健康與體育、藝術、音樂、綜合，甚至讓許多學生視為畏途的雙語數學或雙語自然課，也有一些學校正在推行。第一線的教師與專家學者對雙語政策的推行看法分歧。如何達到自然課的課程目標，又能培養學生的語言理解能力，這確實對自然教師和學生來說皆是挑戰。研究者以六年級翰林版第一章：「熱的影響與傳播」當作主題，以5E(Engagement, Exploration, Explanation, Elaboration, Evaluation)探究式教學法為教學設計的骨架，並加入CLIL(Content and language integrated learning，內容和語言的整合學習)的理念，希望能創造出一些教學上的火花。

• 課程設計

課程設計採學生和學科為中心的折衷模式，流程修改自陳佩英與愛思客團隊(2018)課程設計思考流程，而評量方式以學生實驗與創作的內容與學校傳統的紙筆評量搭配而成(見圖1)：

圖1 課程設計思考流程圖

「熱」這個單元是化學、物理的重要基礎。本次教學的重點在於

一、帶領學習者認識物質在不同溫度產生體積脹縮的現象。

二、建立學習者的粒子觀念，使學習者更能體會物質三態變化的過程。

三、引導學習者透過實驗探究熱傳播的方式。

四、啟發學習者應用所學到的「熱」知識到生活中。

五、鼓勵學習者認識科學英語詞彙，閱讀和收聽相關科普介紹。

周金城(2021)指出國小自然雙語教學可分成科學概念教學和科學實驗操作兩部分。在科學概念教學的時候，可以列出該單元重要中、英語單字介紹，並且使用表達因果句型的英文字，在中文講解時逐步增加英語比例。至於實驗操作，因為能搭配動作，可以逐步增加英語使用比例並鼓勵學生多使用中、英語表達。以此概念做為雙語自然教學時的目標，並設計授課的流程如圖2所示：

圖2 教學流程執行步驟

根據Bybee(2009)5E探究式教學法為課程骨架建立學生觀念，主要分為以下步驟：

1.參與(Engagement)：研究者透過Kathleen Weidner Zoehfeld(2015)所創作的英語繪本提問「這世界究竟是由什麼組成?(What is the world made of ?)」「你（妳）曾經看過人穿牆嗎?(Have you ever seen anyone walk through a wall?)」用不尋常的問題吸引學生注意，並帶入之前所學有關物質三態的觀念。在教「熱傳導」這個單元時，請學生觀察生活中一些「熱」現象(如圖3)來連結本單元和學生的生活經驗。

2.探索(Exploration)：學生經由實驗觀察現象，如：奶油在鐵尺上不同位置的融化速度比較、從冷熱廣口瓶中線香白煙上飄或下沉思考溫度改變對物質形態和運動有何影響。如果實驗和預期結果出現不同時又該如何去處理? 如：奶油加熱後卻遲遲無法融化的原因。

3.解釋(Explanation)：學生以自己的觀察進行說明或提問：「為什麼熱氣球會往天空上飄?是因為重量比較輕嗎?」「為什麼打開冷凍庫時周圍的白煙是往下沉?」此時研究者引入體積和密度的基本概念讓學生可以澄清迷思。

4.精緻化(Elaboration)：此時研究者加入一些挑戰學生思維的問題，讓學生能深入思考。「為什麼冷氣機要擺靠近天花板的位置，而電暖爐一般放在地板附近?」「凹陷乒乓球泡熱水會回復原狀是熱脹原理的應用?還是跟乒乓球本身材質有關?」

5.評量(Evaluation)：聽完繪本的介紹，請學生在家找一些生活用品或食物，觀察這些東西加熱或冷凍後會產生什麼變化，做一個觀察報告或跨領域的創作。從中訓練學生建構自己的探究和表達能力，並評量學生是否達到學習目標。

圖3 生活中的熱現象 (圖片來源：Canva Creative Studio簡報範本)

    由於學生對雙語課程不太熟悉，研究者一開始先以傳統講授法搭配實驗操作讓學生對基本物質三態觀念有些認識，之後選擇 What is the world made of ? 這本書。這是一本關於生活中物質三態觀察的繪本，選擇原因是它符合CLIL4C原則（林律君，2018）：1.學科(content):以自然科學和英語文兩學科為主；2.溝通(communication)：可以學到物質三態的英語(solid, liquid, gas)、物質性質的一些動詞表達(~is made of~, hold their shapes, take up space, take on the shape of~, change water from a liquid to a solid state)、形容詞敘述(hazy gas, slippery cooking oil, sticky maple syrup)；3.認知(cognition): 經由閱讀與教師提問，能啟發學生對生活事物的更深認識。例：書中提到溫度改變會造成物質的狀態的改變，如放入冰庫的水變成冰，而放在手上的冰會化成水。大家想想，常溫下原先固態的巧克力融化成軟軟滑滑的巧克力醬，還有煎熟的蛋，這些都可以復原嗎？還有書末提到生活中有些事物並非包含一種狀態，如：一碗熱湯麵，就包含固態(麵條)、液態(高湯)和氣態(熱氣) 三種狀態，生活中有些看似平常現象背後並不簡單；4.文化(culture)：從老師導讀的過程中，學生可以感受不同於國內自然課本以陳述性知識(descriptive knowledge)為主，國外的繪本則是以經驗知識(acquaintance knowledge)、著重學生感官體驗的敘述為導向，使程度較弱的學生認知負荷(cognitive load)不至於太大，是雙語科學教育的重要素材。

此次雙語教學共計三堂課，第一堂課著重於科學繪本的導讀；第二堂課則是聚焦於複習之前學過的觀念與生活應用，以學生的實驗報告和討論作為評量依據；第三堂則是彼此分享學習單的上關於｢熱傳播｣的設計。每堂課英語和中文的比例大約各占50%。學生回答時多用中文或英語單詞，如:hot, cold, solid, liquid, gas, water…，如果學生回答不出－往往是題目範圍太大，相關詞彙和句型學生未學過，教師可以先給予簡易問題當鷹架，並搭配手勢、圖示和表達示範，讓學生在表達上不會一下子就遭遇到阻礙，例：

Teacher: How does a thermos flask work?

Student A: …

Teacher: First, you see the outer wall of the bottle.

(指向保溫瓶圖片的外層) What color is it ?

Student A: It’s 銀色.

Teacher: Silver!

Student A: It’s silver.

Teacher: The silver wall in the thermo bottle stops heat loss.

(手掌向前，表示阻止；講到heat loss，指著熱水杯上的熱氣，請學生跟述。)

Student A: The silver wall in the thermo bottle stops heat loss.

(一來一往建構表達鷹架，但是花費的時間很多!所以難的句型讓學生用中文表達即可。)

除了繪本的介紹，搭配課文提到熱的傳播方式與保溫、散熱的方法，同時給予學生充足的學科知識與語言鷹架，藉由影片、文章閱讀、示範等為讓學習更有成效(陳秋蘭等，2018)。研究者在設計時考量到學習者初次接觸到雙語課程十分陌生，所以英語輸入著重在聽和讀，而英語口語表達則放在詞彙的唸讀，語句的產出則放在之後的課程中練習，暫時還不是本次教學的核心。

文末附錄一是第二堂課所設計出的教案，而附錄二則是教學時所使用的學習單。

• 教學回饋

一、學生回饋

學生對雙語課的回饋以Google 線上表單收集，回答人數是觀課班共25名學生。以下是回覆結果如下表1：

表1 學生初次上完雙語課的回饋統計

整體觀之，從問卷第一題：關於自然課有中文也有英文的感覺為何，回答「有趣、還好、可以接受」的學生有64%，而覺得「難懂」的有36%，班上半數以上的學生對雙語自然課的回饋是偏向正向的；第二題：覺得困難的部分？學生回答困難的部分有52%覺得是科學英語句型，其次是科學英語單字(24%)。其實即便是高年級學生，很多科學英語句型，如: 1. How does ______ work? / 2. What happens when __________?  是英語課本沒有教過的，而科學英語單字如: conduction, convection, radiation 在一般生活對話也不常見，學生認為困難是很自然的；第三題：請學生想想印象深刻的部分。學生回應認為最主要是有動畫(36%)和有同學的報告(32%)。由此可知在這個網路影音普遍、AI當道的時代，電腦動畫生動地呈現熱傳遞影像讓學生記憶猶新，是可以深入發展的區塊，一些電腦建模網站(如: CoSci、NetLogo、SageModeler等)或因材網的AI學習小幫手—e度都能為教學增添一股活水。至於學生在家動手完成的科學觀察實驗也能引起學生對雙語科學課的興趣；第四題為雙語自然課與一般自然課有何差異。有76%的學生感到雙語課壓力大。與第四題呼應，關於第五題的回應，多數學生都希望往後若有雙語自然課時，使用的字彙能簡單一些，或是有翻譯。研究者認為科學專有名詞可以用圖片、動畫、簡單英語字加動作輔助解釋，學生真的不懂即便翻譯也無妨，但是避免句句翻譯。授課教師可以指導學生模仿母語人士正確的發音和表達，多給學生練習機會，讓學生和同儕互相交流，即便有發音文法錯誤也不中斷，才能達到溝通的目標。此外，有些時候學生的「不懂」不是英語單字沒聽懂，而是科學觀念不清楚，產生另有概念(alternative conception)。如：把熱看成是種氣體，類似蒸氣。未來教學可以引導學生進行概念改變的教學(盧姍姍，2022)。

二、個人教學反思

如何把生硬的科學知識連結學生的生活經驗一直是一個重要研究課題，而又要融入外語學習的元素確實讓不少老師和學生大喊吃不消。凡事都有第一次，這些學生們之前並沒有上過類似課程的經驗。所以剛開始把教學重點放在科學詞彙和常用表達句型的認識，以輸入為主，包括聽讀，說的部分則是能講出關鍵字彙即可，相關表達句型則需要更多的機會練習。個人把教學重點放在學生個人探究與實作的報告上，希望學生去當個科學世界的探索者，而不是實驗室裡的聽眾。整體來說學習單內容偏難，鷹架在搭建的過程中可能因為時間的關係所以並沒有循序漸進，所以學生跟不上。因此，雙語教學除了要考量自然課程本身概念的難度外，學生的英語水準本身也是設計時的考量重點，要如何精準地拿捏這部分並不容易，有賴教學者深度觀察學生學習狀況後滾動式地調整教學，將來教學時也可以輔以熱的概念圖(如下圖4)或電腦建模(如：使用PhET: States of Matter: Basics，如下圖5) 加深學生印象。

圖4 熱的概念圖 (圖自繪，改自黃國禎，2008)	圖5 互動式類比教材(PhET)模擬粒子受熱降溫的變化

• 結論

根據課程實踐的結果，雙語科學教育對於國小生而言有其困難度。主要的難點在於相關英語詞彙和句型學生並不常用，且有些詞語構詞複雜，學生不易理解。若要全面推行，教師可以使用動畫、互動軟體、實物、動作、繪本以及和生活有關的趣味小實驗來引起學生的動機，促進學生理解，進而提高學生的參與感。例如：學生在教學後，能對生活中的物品如：巧克力、冰淇淋、奶油、顆粒狀棉花糖、養樂多、蠟燭、起酥片等進行觀察和紀錄(圖7至圖13)，說明物質受熱變化的情形。

「熱」這個單元看似稀鬆平常，但是許多的物質受熱或冷凍後的變化絕對不是一句「熱脹冷縮」就能輕描淡寫的，而人類的科學發展往往就從對科學現象中的邏輯思辨和鉅細靡遺的觀察與紀錄中逐漸發展起來，就如同正在發展的雙語教育一樣，期待在不久的將來持續成長、茁壯。

圖7 巧克力受熱融化	圖8 冰淇淋受熱融化
圖9 奶油受熱融化	圖10 顆粒狀棉花糖受熱膨脹
圖11 養樂多遇冷結凍	圖12 蠟燭燃燒
圖13 學生用四格漫畫記錄起酥片受熱受冷變化

• 參考文獻

周金城(2021)。英語融入自然科學之雙語教學。載於陳錦芬(主編)，雙語教學理論與實務(頁247-265)。臺北市：國立臺北教育大學師資培育暨就業輔導處。

林律君(2018)。CLIL在繪本教學的運用。載於鄒文莉、高實玫(主編)，CLIL 教學資源書：探索學科內容與語言整合教學(頁87-104)。臺北市：書林。

祝勤捷、陳美卿(2021)。越〝自然〞愈好－國立臺北教育大學附設實驗小學。載於陳錦芬(主編)，英語沉浸式跨領域雙語教學課程架構與教學活動設計(頁25-50)。臺北市：國立臺北教育大學。

陳佩英、愛思客團隊(2018)。跨領域素養導向課程設計－初階工作坊實踐手冊，30。取自 https://ppt.cc/fKZNGx

陳秋蘭、胡潔芳、戴雅茗(2018)。CLIL在自然科學領域的運用。載於鄒文莉、高實玫(主編)，CLIL 教學資源書：探索學科內容與語言整合教學(頁119-136)。臺北市：書林。

黃國禎(2008)。概念構圖與評量教學簡報。http://140.118.48.162/gjhwang/course%20materials.html

盧姍姍 (2022)。化學教學模式與教學策略。載於畢華林(主編)，化學教學論(頁74-99)。北京:北京師範大學出版社。

Bybee, R. W. (2009). The BSCS 5E instructional model and 21st century skills. The National Academies Board on Science Education.

Zoehfeld, Kathleen Weidner (2015). What Is the World Made Of? All About Solids, Liquids, and Gases. ‎ HarperCollins Publishers.

• 附錄二

學習單正反面

《臺灣化學教育》第五十八期（2024年12月）

目  錄

• 主編的話
  • 第五十八期主編的話／周金城〔HTML｜PDF〕
• 本期專題【專題編輯／楊悠娟】
  • 理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育／楊悠娟〔HTML｜PDF〕
  • 理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國小自然科學領域的素養導向教學與評量：以水溶液酸鹼概念為例／陳文正、陳健忠〔HTML｜PDF〕
  • 理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國小「食物電池」全民科學週教案設計與闖關實作／柯凱珮〔HTML｜PDF〕
  • 理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國中、小「維生素C的定量分析」實驗設計與闖關實作／連經憶〔HTML｜PDF〕
  • 理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國中「化腐朽為神奇」全民科學週教案設計與闖關實作／劉曉倩〔HTML｜PDF〕
  • 理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國、高中「五色仙女，降落！」全民科學週教案設計與闖關實作 ／ 謝佶霖〔HTML｜PDF〕
  • 理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—高中「亞鐵三明治：二茂鐵實驗」 瑪麗居禮科學營課程與實作 ／ 周芳妃、陳平、鄭晉哲、羅文琪、范智傑、呂家榮〔HTML｜PDF〕
  • 理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—以問題導向法建立學生於農藥殘留檢驗之 基本概念 ／ 江政剛〔HTML｜PDF〕
• 化學新知／多元教學法【專欄編輯／鐘建坪】
  • 開發以會考試題為基礎的探究教學／鐘建坪、鍾曉蘭、沈秀君〔HTML｜PDF〕
  • 探究與實作課程之外—師生的教學相長／劉獻文〔HTML｜PDF〕
• 化學實驗與評量／化學課程與教學【專欄編輯／楊水平】
  • 透過MS-Excel學習滴定曲線的原理／游文綺、胡景瀚〔HTML｜PDF〕
• 化學實驗與評量／化學課程與教材【專欄編輯／楊水平】
  • 萃取實驗：適用於教師示範和學生動手做 ／ 謝佶霖、彭郁惠、楊水平〔HTML｜PDF〕
• 化學新知／多元教學法【專欄編輯／周金城】
  • YENKA軟體實驗模擬軟體在小學自然教學上的應用–氧氣、二氧化碳與燃燒 ／ 林繼煒〔HTML｜PDF〕

第五十八期 主編的話

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系

[email protected]

2023年被視為「AI元年」，因為在這一年，生成式AI技術取得了顯著進展，並迅速應用於各行各業。 回顧2024年，在教育方面AI也逐步進入各階段學生的學習過程中，但教育者仍需要研究何時以及如何適當地將AI融入教學，以確保其有效性和適切性。 未來，學生需要被培養更高階的問題解決能力與創造力， 在AI技術快速發展的背景下，化學教育應積極探索AI的應用與發展方向。 這需要我們共同努力，推動教學方法的創新，提升學生的未來核心素養，並確保教育與科技進步同步發展。

本期專題主題為「理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育」，由國立東華大學自然資源與環境學系楊悠娟教授擔任客座主編，邀請國小、國中、高中與大學的教師共同撰文，豐富了討論的廣度與深度。楊悠娟教授專長於環境與永續教育、化學教育、仿生教育等領域，致力於科學實作與探究設計、科普推廣與傳播，以及環境與綠色化學的研究。本期專題共有七篇文章，依序第一篇是花蓮縣光復鄉大興國民小學的陳文正老師，與宜蘭縣頭城鎮二城國民小學陳健忠老師所共同撰寫《國小自然科學領域的素養導向教學與評量：以水溶液酸鹼概念為例》，針對國小酸鹼實驗教材內容分析，並提出評量設計方法。第二篇是花蓮縣北埔國小柯凱珮老師所撰寫《國小「食物電池」全民科學週教案設計與闖關實作》，針對食物當作鋅銅電池電解液的探究實驗設計，提供學生延伸學習活動。第三篇是國立嘉義大學應用化學系連經憶教授所撰寫《國中、小「維生素C的定量分析」實驗設計與闖關實作》，內容是分別介紹適合國小學生與國中學生可以使用來定量維生素C的方法、以及藉由科學新聞來引發學生進行小黃瓜對維生素C穩定性的探究活動。第四篇是國立彰化高級中學的劉曉倩老師所撰寫《國中「化腐朽為神奇」全民科學週教案設計與闖關實作》，內容是針對豆腐的製作過程來探討不同物質對凝聚作用的影響。第五篇是高雄市立新莊高級中學謝佶霖老師所撰寫《國、高中「五色仙女，降落！」全民科學週教案設計與闖關實作》，內容是針對不同金屬鹽類的焰色反應，來了解煙火色彩的原理，能引發學生的參與興趣。第六篇主要是由臺北市立第一女子高級中學周芳妃老師與其合作團隊所共同撰寫《高中「亞鐵三明治：二茂鐵實驗」瑪麗居禮科學營課程與實作》，內容是針對二茂鐵(Ferrocene)氧化還原反應過程導致溶液變色的過程，並使用紫外光-可見光光譜儀來測定，並可用於定性與定量之探究實驗設計。第七篇是國立東華大學化學系江政剛教授所撰寫《以問題導向法建立學生於農藥殘留檢驗之基本概念》，內容主要是以問題導向學習法策略來說明農藥的基本原理與最大殘留容許值等概念，並介紹農藥檢驗方法與流程，以及常見的三種台灣農藥殘留檢驗相關技術，可以拓展讀者對於實務工作有更深的了解。

本期還有五篇一般性文章，第一篇是新北市立錦和高中鐘建坪老師、新北市立新北高中鍾曉蘭老師，和新北市康橋中學沈秀君老師所撰寫《開發以會考試題為基礎的探究教學》，針對元素符號的標示進行會考試題分析，討論表徵模型之間的轉換，元素符號探究教學等面向，並思考如何由會考試題方向來開發探究教學活動。

第二篇是國立臺南第一高級中學劉獻文老師所撰《探究與實作課程之外—師生的教學相長》，針對高中探究與實作課程中，透過開設為課程與撰寫小論文等方式，並設計探究式教學，來培養學生批判性思維與解決問題能力。

第三篇是國立彰化師範大學化學系游文綺與胡景瀚教授所共同撰寫《透過MS-Excel學習滴定曲線的原理》。使用EXCEL來設計酸滴定曲線模擬器，可以讓使用者調整酸鹼數量，並呈現出滴定過程的曲線，可以讓學生更加了解酸鹼反應過程的pH值變化情形。

第四篇文章由高雄市立新莊高級中學謝佶霖老師、桃園市立幸福國民中學彭郁惠老師以及國立彰化師範大學化學系楊水平教授共同撰寫《萃取實驗：適用於教師示範和學生動手做》。內容包含兩種教師示範實驗，分別是固相‒液相萃取，萃取薑黃素並製作薑黃試紙，以及液相‒液相萃取，萃取廣用指示劑並製作廣用試紙；此外，針對學生的家庭實驗設計則包括從口水中萃取自身DNA及從鮮乳中萃取DNA。文章提供了詳細的教學指引、課堂討論問題以及適合學生探究與實作的活動，內容豐富且完整，具有高度的實用性與教育價值。

第五篇文章是由國立臺北教育大學教育系創新與評鑑碩士班研究生林繼煒所撰，主題為《YENKA軟體實驗模擬軟體在小學自然教學上的應用–氧氣、二氧化碳與燃燒》，是使用全校授權YENKA軟體來設計國小學生不易微觀觀察燃燒實驗，並且實踐於國小教學中，可以提升學生的學習興趣，也具有相當的學習成效。

最後，我們協助宣傳兩場重要的化學研討會，為化學教育與學術交流注入新活力。2025化學年會將於2025年3月7日至9日在靜宜大學舉行，以「智慧化學 • 跨界永續ESG」為主題，匯聚國內外頂尖學者與專家，共同探討化學領域的創新發展與永續實踐。會議特色包括跨領域議程、國際學者演講、高中生壁報展示，以及多項鼓勵青年學者的競賽與獎項安排，這將是一場充滿啟發與交流的學術盛會。

此外，第十屆亞洲化學教育研討會（2025 Network of Inter-Asian Chemistry Educators Conference）將於2025年7月26日至28日在日本山形市舉行，由日本山形大學主辦，大會主席栗山恭直教授（Yasunao Kuriyama）領銜。我們誠摯邀請各界同仁踴躍參與，共襄盛舉，為亞洲化學教育的未來發展貢獻智慧與力量！