臺灣化學教育

素養導向的化學課程設計：

多元選修課程—空氣汙染與PM_2.5測量

游珮均

新北市立新莊高級中學
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■    前言

   空氣汙染日益嚴重，在課綱中對於自然界的永續發展有涵蓋空氣汙染對人體與生物的影響，為了讓學生能進一步認識2.5微米的懸浮微粒稱為細懸浮微粒(PM_2.5)，筆者設計一套實作課程模組。學生從資訊融入學習著手，利用行政院環保署的網站，藉由資料的收集來觀察生活中空氣汙染的濃度及分布，並製作校園空氣汙染地圖。另一方面，藉由自製的PM_2.5檢測裝置來測量燃燒樣品造成PM_2.5的濃度變化，模擬生活中的汙染源造成的影響。在課程最末，學生探討如何降低及防治空氣汙染，提出可行的方案，以期建立其公民意識，察覺出降低空氣污染是刻不容緩的。

■   課程設計

一、課程設計緣由

        天氣預報除了溫度及氣候外，竟也多了空氣汙染指標，臺灣的中部頻頻傳出紫爆的警示，大眾常以為PM_2.5來自焚香祭祀、抽煙、汽機車廢氣等，清大的李家維教授在科學人雜誌中也感慨PM_2.5對人體的危害，除了引發心血管疾病外，也可能導致阿茲海默症，舉凡生物無一幸免，呼籲大眾要正視問題，也表達對火力發電的關心(李家維, 2020；雪爾, 2020）。PM_2.5及空氣的汙染防治已然是生活的一部分，唯有建立全民的共識、身體力行，才能減少人類活動對地球的影響。

         在108課綱中（國家教育研究院，2019)，學習內容中的自然界中的永續發展提及「INf-II-5人類活動對環境造成影響」、「INf-II-7 水與空氣汙染會對生物產生影響」如附錄一所示。空氣汙染是臺灣的一種嚴重災害。在部定必修中，課程內容為環境汙染與防治，其中涵蓋空氣汙染如PM_2.5的危害。本課程設計希望能提升學生對PM_2.5的認識，建議可安排在多元選修課程中，進行4週的課程模組，希望能以實作的方式，讓學生重視環境的永續性，進以發揮公民道德力行減毒減廢的生活方式。

二、課程設計架構

（一）課程規畫：課程規畫如表1，4週8小時課程，適用於多元選修課程，課程採分組進行，約3至4位同學一組，以手機作為載具，課程進行時，帶著學生進行網頁資料搜尋，藉由小組討論完成學習單、實作及成果報告。

表1 四週課程規畫

週次	課程內容	教學時數	教學目標
第一週	空氣汙染介紹	2節課	藉由資訊的收集與觀察，使學生瞭解空氣汙染的種類、成因及分布。
第二週	空氣檢測器組裝   實作一、校園空氣檢測地圖的建立	2節課	使學生製作一組空氣檢測器。   使學生瞭解空氣檢測器的原理及測量的方法。
第三週	實作二、燃燒樣品與測量	2節課	使學生自製的PM2.5檢測裝置測量不同物質燃燒造成PM2.5的濃度變化。
第四週	結論與成果報告	2節課	使學生就課程模組整理成一份報告，並提出降低空氣汙染的建議。

 

1.第一週課程：空氣汙染介紹

（1）空氣汙染介紹：

a. 空氣汙染的介紹：向學生介紹空氣汙染的種類，以行政院環保署有三種分類，分別為總懸淨微粒、懸浮微粒、細懸浮微粒，最大的差異在於粒徑的直徑大小不同。

b.空氣汙染的影響：向學生介紹PM_2.5則是對人體影響果及各國製定的規範。除歐洲聯盟的規範外，臺灣的標準是高於英、美及世界衛生組織的規範(見表2及圖1)圖1：PM_2.5濃度對壽命的影響、PM_2.5對人體的影響 （圖片來源：https://group.dailyview.tw/article/detail/896?page=1）

表2 各國及世界組織PM_2.5濃度的規範 (資料來源: https://zh.wikipedia.org/wiki/懸浮粒子)

國家或組織	世界衛生組織	歐洲聯盟	美國	中國大陸	英國	臺灣
PM2.5規範	10 μg/m³	20 μg/m³	12 μg/m³	15 / 35 μg/m³   （一級/二級）	11 / 35 μg/m³   （一級/三級）	15 μg/m3

c. 空氣汙染的報導：課程中讓學生查詢相關的報導及資料，討論PM_2.5生成原因及分類，並思考生活中在何處會接觸到PM_2.5，如吸菸、焚香、燒金紙、汽機車排放廢氣等。值得注意的是，除了前述的來源外，臺灣的電力有近70%為火力發電，又以燃煤為最大宗，換句話說在舒服且便利的使用電力產品時，我們其實已加入PM_2.5 製造者之列。

（2）在地空氣品質監測：利用下列三個網站引導學生收集資料，觀察汙染物的變化趨勢，在學習單上讓學生建立自己生活環境的PM_2.5地圖。

a.行政院環保署空氣品質監測站網址 https://airtw.epa.gov.tw，網頁畫面詳見附錄二。

（a）六種汙染物的資料數據討論：利用行政院環保署空氣品質監測站可以查詢全台不同縣市即時或長期的空氣品質資料。目前監測的汙染物種類有六種，分別為PM_2.5 、PM₁₀ 、NO₂ 、SO₂ 、O₃ 、CO。以新莊區為例，如圖2所示，在新北市的地形圖中綠點為監測站的位置，右側區塊則為新莊區的空氣品質指標。

圖2：新北市新莊區空氣品質概況（圖片來源：https://airtw.epa.gov.tw/）

（b）長期及短期的資料探討：附錄二中，長期的空氣監測資料圖可以觀察到2011年至2020年各汙染物的濃度變化。每日每時PM_2.5濃度圖可以觀察到汙染物變化。

b. 環保署環境資料開放平台：https://data.epa.gov.tw 、空汙感測物聯網：https://wot.epa.gov.tw

圖3：環保署環境資料開放平台，中平國中PM_2.5監測數據及地圖（圖片來源：https://wot.epa.gov.tw/）

（a）結合民間團體及教育部計畫，部分校園裝設空氣監測盒子，在這兩個網頁可查詢到政府監測站以外的參考資料（如圖3所示）。

（b）使用地圖圖層及google map交叉比對，可觀察到區域活動對空氣品質的影響，例如工業區、商業區、住宅區等差異性。

（3）建議教學補充內容：老師們在做課程設計時，可增加監測儀器的認識，附錄三為粒狀污染物監測儀器的介紹，使學生瞭解儀器的測量範圍及解析度。

2.第二週課程：空氣檢測器組裝及實作一製作校園PM_2.5地圖

（1）課程進行方式：各組以PM_2.5檢測裝置的元件與工具組裝，組裝完成後，再將預備好的Arduino程式的隨身碟發給一組一個，引導學生在筆電中安裝Arduino程式，並解釋PM_2.5程式的涵數意義及操作介面，以自製的檢測裝置進行測量，並確定裝置可以成功執行。PM_2.5檢測裝置的元件與工具如附錄四。

圖4：PM_2.5檢測裝置的組裝線路圖

（2）PM_2.5檢測裝置如圖4，有兩種感測器。PM_2.5感測器，Sharp GP2Y1014AU0F，可感測PM_2.5濃度；MQ135，可感測氨氣、苯、酒精、氮氧化物、煙霧等。

（3）實作一製作校園PM_2.5地圖：將組裝好的PM_2.5檢測裝置作測試，以校園地圖標記數個地點，可以是操場、教室、活動中心等，如圖5。讓學生將組裝好的PM_2.5檢測裝置測量，在不同的時間點測量數值，取數值的平均值標示在地圖上。小組討論校園內PM_2.5濃度的分布位置與影響因素，例如：氣候、風速、交通位置等。由行政院環保署空氣品質監測站網址下載當天最近的觀測站資料，比較數值的差異。

圖5：校園PM_2.5地圖位置標示（圖片來源：https://www.google.com/maps/@25.0489244,121.444847,17.5z）

3.第三週課程：實作二燃燒樣品

（1）燃燒樣品實作：以自製的PM_2.5檢測裝置測量不同物質燃燒造成PM_2.5的濃度變化。

a.實驗設計與測量方式：由學生自己規劃實驗設計流程如圖6，給予各組相同的實驗器材，請學生決定樣品的種類、數量、燃燒樣品的方式、測量的位置、測量的時間等，實驗的流程如下圖7。操作實驗過程會產生有害氣體，建議配載活性碳口罩，並在抽風裝置下進行。

圖6：實驗流程圖

圖7：學生操作情形

b.數據處理與分析：

（a）數據處理使用的軟體為 excel，將Arduino收集的數據以橫軸為時間，縱軸為測得的實驗數據作圖，圖8為燃燒線香測得的MQ₁₃₅及PM_2.5數據圖。

圖8：實驗讀取數據畫面及燃燒線香測得的MQ₁₃₅及PM_2.5數據圖

（b）數據分析：引導學生進行數值分析。由於燃燒的樣品，如保鮮膜不易點燃，需製作樣品火種，即使用等重量的衛生紙包裹燃燒的樣品，在數據分析上，衛生紙的燃燒就可作為對照組，樟樹及保鮮膜則作為實驗組。對於PM_2.5的數據，由於空氣中即存在PM_2.5的背景值，可引導學生如何扣除背景值來進行分析（見圖9）。

圖9：燃燒樟樹、衛生紙、保鮮膜測得的MQ₁₃₅及PM_2.5數據圖

（c）背景值扣除參考公式：x100%

4.第四週課程：提出結論與成果報告

        如圖10所示。依小組在第三週的實驗設計將實作的結果整理、製作成果報告。最後，請小組討論如何從自身做起提出降低空氣汙染的建議，並請老師總結各組的結果。

圖10：學生報告作品及老師講評的上課情形

■     結語

課程設計中，將資訊融入教學，以行政院環境保護署的數據及自製的裝置來進行實作，使學生能就PM_2.5有進一步的認識，並瞭解不同的物質在燃燒的過程對空氣汙染的影響。除了吸煙、焚香、燒金紙、汽機車排放廢氣，乃至於火力發電等，垃圾焚化處理的方式是否也要作為積極性對空氣污染防制的處理。

另外，如圖11所示，在科學人雜誌提及：「美國黑人及拉丁裔平均接觸到的懸浮微粒含量比白人多，但他們較少消費會製造這類污染的商品與服務。」 (湯普森，2019）。若要進行跨科議題教學，可以協同公民老師以空氣汙染防治法、種族的不平等現象等方面來進行討論及思辯。PM_2.5雖然是空氣污染物的一種，但其背後涵蓋的議題是身為地球的公民需要嚴重去正視。                      

圖11：不同種族暴露在空氣汙染中的程度vs.造成空氣汙染的程度圖

（圖片來源：https://sakb.ylib.com/article/201907.9226） 

■   參考資料

李家維（2020）。PM_2.5，成仙或失智？科學人雜誌，222 。引自https://sakb.ylib.com/article/202008.9681

雪爾（2020）。心智的隱形殺手：PM_2.5。科學人雜誌，222 。引自https://sakb.ylib.com/article/202008.9698

國家教育研究院（2019）。十二年國民基本教育自然科學領域課程手冊。檢索日期：2021年11月25日。引自https://www.naer.edu.tw/PageSyllabus?fid=52

湯普森（2019）。空氣不平等。科學人雜誌，209 。引自https://sakb.ylib.com/article/201907.9226

懸浮微粒（2021年10月3日）。中文維基百科。檢索日期：2021年11月22日。引自https://zh.wikipedia.org/wiki/懸浮粒子

■   附錄

附錄一  十二年國教化學科領綱項目

附錄二 行政院環境保護署空氣品質監測網

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附錄三 粒狀汙染物監測儀器介紹

附錄四 PM_2.5檢測裝置的元件與工具