製作可逆式微型氫氧燃料電池並進行探索活動 游宗穎 高雄市立高雄女子高級中學教育部高中化學學科中心zwitterion.tw@yahoo.com.tw n  影片觀賞 可逆式微型燃料電池是教育部高中化學學科中心教學資源研發推廣小組2010年研發作品之一，本實驗幫助學生認識氫氧燃料電池，親手動手製作可逆式微型燃料電池，瞭解微型燃料電池如何對外作功。影片是由作者在高雄中學實驗室拍攝，本文提供其製作的詳細過程。 （影片網址：可逆式微型燃料電池，YouTube, https://youtu.be/VZqNHgObYtE.） n  簡介 本實驗利用氫氣與氧氣透過此燃料發電元件，進行氧化還原作用而輸出電能的原理，設計一套可攜帶、實際可用，在高中教學上方便學生瞭解氫氧燃料電池的小型可逆式燃料電池。此自製「可逆式微型燃料電池」電解產生的氫氣與氧氣無須在鉑或鎳的催化下，進行逆向反應使電解出的氫氣和氧氣放電。 本實驗係透過燃料電池之實作與探索活動，幫助學生認識「燃料電池」與其運作原理，以下說明氫氧燃料電池的製作過程以及涉及的原理和概念。 n  藥品與器材 一、藥品：硝酸鈉（NaNO3）、硫酸鈉（Na2SO4）、硝酸鉀（KNO3）、硫酸鉀（K2SO4） 二、器材：市售廢棄乾電池（3號AA）、9 V電池、塑膠試管（10 mL）、塑膠筆蓋、鱷魚夾導線電池座、熱熔膠槍、瓦斯噴燈、三用電表。使用之器材如圖1所示。 圖1：製作氫氧燃料電池所需之器材 n  實驗步驟 一、石墨棒（電極）之活化處理 1.        以尖嘴鉗拆除一顆廢棄3號乾電池，取出石墨棒並留下電池的金屬墊片和石墨的固定環。 2.        將取出的石墨棒浸泡於乙醇1天，或以超音波震盪機清洗數次，清洗乾淨之後，烘乾備用。（此石墨棒會殘留乾電池的一些電解質和糊狀物質，必須清理。） 3.        以鉗子夾住石墨棒，分別將石墨棒的上、中、下三部分在高溫瓦斯噴槍之火焰上加熱至紅熱（溫度約為1300℃），約5分鐘後，將其迅速插入冷水中使其急速冷卻。 4.        重複步驟3三次以上，使整支石墨棒之每一部位皆達紅熱後再急速冷卻，使石墨棒表面充分活化，去除石墨間的膠結物和雜碳相，活化後的石墨棒表面會出現一些細微孔洞增加表面接觸面積。圖2為石墨棒處理過程。   圖2：廢電池之石墨棒、金屬墊片、固定環（左），石墨棒表面活化處理（右） 二、可逆式微型氫氧燃料電池組裝 可逆式微型氫氧燃料電池組裝的流程簡圖，如圖3所示。 圖3：微型氫氧燃料電池組裝流程簡圖 詳細的組裝步驟，如下步驟所示。 1.        取兩支透明塑膠筆蓋（內徑8 mm），切割長度為15 mm，並在底部鑽孔（直徑約3 mm的小圓孔） 2.        將已活化的石墨棒插入塑膠筆蓋之管口，然後蓋上廢棄乾電池之石墨的固定環，使石墨棒一端露出墊片約3 mm長。再用熱熔膠將石墨棒之上方固定在墊片和筆蓋口上，使其與管口密閉。重複製作，完成兩支相同電解管的製作。電解管完成圖如圖4所示。    圖4：組裝電解管（左），兩支燃料電池之電解管（右） 3.        取一支10 mL的塑膠試管，切成兩條長度約4 cm的塑膠管。 4.        將兩支燃料電池之電解管，經由步驟1的小圓孔，裝填1.0 M的NaNO3。 5.        用熱熔膠先固定一支電解管在塑膠管的一端後，再裝填適量的1.0 […]

實踐史懷哲精神教育服務— 師資生在偏鄉國中進行爆炸實驗示範教學 顧展兆、洪于涵、蔡欣展、楊水平* 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw n  緣起 教育部為了鼓勵師資生實踐史懷哲關懷弱勢和專業服務的精神，並且發揮教育大愛，擬定了「教育部補助大學師資生實踐史懷哲精神教育服務計畫作業要點」[1]，其服務內容兼顧偏鄉弱勢與都會弱勢，師資生到高級中等以下學校和幼兒（稚）園，進行弱勢學生和幼兒（包括原住民、清寒子女、外籍配偶子女、偏遠或特殊地區學生和幼兒以及都會弱勢學生和幼兒），進行課業輔導和學習活動，內容也包括了生活品德教育和生涯規畫輔導。 國立彰化師範大學長久以來致力於培養學生的服務奉獻精神，並積極投入社會服務工作已持續十年之久，在每年的暑假舉行，為期四星期[2]。本校依照教育部之計畫制定「國立彰化師範大學104年度師資生實踐史懷哲精神教育服務計畫」[3]，其目標有三方面：(1)關懷弱勢的人道精神，(2)專業知能的奉獻服務，(3)無私無我的人倫大愛。自97年起至今，彰化縣境內的線西國中和芳苑國中為本校長期實踐史懷哲精神教育服務計畫的合作學校，歷年實施成效良好且獲得兩校師生的好評[4]，圖一為彰化師範大學師資生的偏鄉國中自然科教學現場之一隅。   圖一：彰化師範大學師資生的偏鄉國中自然科教學現場之一隅 n  服務團隊目標和行政執掌 修習教育學程的師資生在未來大多期望邁進教職之路，本校透過「史懷哲精神教育服務計畫」，創造一個極佳的學以致用機會，招攬許多有志於擔任中學教師的師資生，利用暑假到偏鄉國中服務，由師資生自己設計課程並進行實際教學，以累積教學實務經驗，並養成教育服務的熱忱，為未來成為優秀教師的生涯規劃累積實力。本計畫104年度執行的目標有三方面：(1)透過服務學習強化師資培育的內涵，培養師資生服務精神；(2)使受服務國中學生得到關心與輔導，積極向學，並引導學生建立良好的品德生活及生涯規劃；(3)促進彰化師範大學與受服務國中建立雙向互動回饋機制，形成長程服務學習策略聯盟[3]。 本校「史懷哲精神教育服務計畫」的服務團隊，從行政業務到各科教學完全由參與的師資生一手扛起，104年度的服務團隊成員共有50位（線西國中有23位和芳苑國中有27位），線西國中學生參加暑期輔導有兩班，共計33位。服務團隊的工作除了課程設計和現場教學外，也要負責整個營隊的行政運作，包括與學校相關單位溝通、教務排課、總務器材和採購、學務和導師以及學生生活管理等。此服務團隊的行政組織分為：召集人、課程組、總務組、器材組、生活組以及文書組。其中課程組的工作：(1)討論學科課程，確立內容和方向並編製課表；(2)各科課程的資料收集與統整，製作學生講義手冊；(3)瞭解學生學習成果和個別落差。 n  自然科課程設計和教學 本校「史懷哲精神教育服務計畫」的教學課程分為六科：國文科、英文科、數學科、自然科、社會科以及綜合輔導科，皆由精熟該領域的師資生編寫適當教材並擔綱授課教師。以下描述國中自然科方面的課程設計。 在國中自然與生活科技領域方面，化學科編列在二和三年級為主，由於本次服務對象為一年級升二年級的學生，因此自然科的教學主要規劃以複習和預習同時進行。在複習課程內容方面，主要以生物科為主；在預習課程內容方面，主要以化學和地球科學為主。由於授課對象多半是對學習低落或失去學習意願的學生，因此在自然科授課伙伴們的討論下，決定以實驗活動和示範教學來進行，以激發學生的學習興趣，再帶入他們到科學知識和概念的學習。表一為本次史懷哲教育服務線西國中自然科的授課主題及其授課節數和比重，自然科共有15節，每一節上課時間為45分鐘。 表一：自然科課程的授課主題及其授課節數和比重         本次自然科的授課教師有：國立彰化師範大學化學系學生顧展兆、蔡欣展及洪于涵三人，指導教授為楊水平老師。由於今年線西國中服務志工團隊成員沒有物理系、生物系及地理系的師資生，因此所有自然科的教學就由化學系的師資生擔任授課教師，這在課程教學的安排上是一項極大的挑戰，有教學夥伴被分配到較不熟悉的科目，需要花更多時間準備上課的教學內容。 n  化學示範教學 本次理化教學以化學示範（chemical demonstrations）為主。化學反應千變萬化，聲光色俱全而且多彩多姿，化學示範是透過驚奇有趣的化學實驗來展示化學的奧妙和魅力。在教學中常創造歧異事件（discrepant events）以互動方式來引起學生對化學的興趣，並且讓學生自主思考和討論，進而促進學生對化學知識的理解。因此，化學示範強調娛樂性和教育性，它是一種非常有勁道的教學策略[5]。 在化學科課程設計和教學方面，化學系的師資生可以學以致用，教學容易上手勝任。由於化學科是國一升國二學生尚未學習的科目，為激發學生的學習興趣，課程設計與新聞事件做連結，因此我們以粉塵爆炸和高雄氣爆作為規劃的主題，除了讓學生了解影響反應速率的因素之外，也能讓學生了解實驗安全防護，我們設計兩個小規模的爆炸反應—粉塵爆炸和氫氣爆炸，讓國中學生瞭解塵爆和氣爆的化學原理及其危險性，以及如何安全防護操作實驗。 一、  粉塵爆炸實驗 以下為粉塵爆炸的示範教學流程，以預測‒觀察‒解釋（prediction-observation-explanation, POE）模式進行，本實驗主要參考資料來源有[6]和[7]。 1.        教師穿實驗衣並戴安全眼鏡，也要求學生戴安全眼鏡，準備演示粉塵爆炸示範實驗。 2.        首先，教師在黑板上寫出數種粉末（麵粉、太白粉、小蘇打粉、胚芽米粉、奶精以及糖粉），學生進行預測：哪些粉末能夠引起燃燒？並且記錄在學習單上。 說明：由於多數學生有看過八仙樂園的塵爆新聞，因此學生會產生迷思，誤以為只要是粉末都會燃燒。 3.        然後，教師放置適量的麵粉粉末於小碟子上，再放入改造過的塑膠桶內，點燃桶中的蠟燭，蓋上桶蓋。 4.        教師於安全位置（距離塑膠桶約1.0公尺），以打氣筒吹氣使麵粉粉末飛散，如圖二所示。 5.        學生觀察是否有燃燒現象，並紀錄在學習單上。 6.        教師重複示範步驟2～4，依序進行其他粉末的爆炸與否的實驗。 7.        教師與學生進行討論（見圖三）：引起粉末燃燒的原因為何？是否符合燃燒三要素？   圖二：教師對奶精粉末噴氣前（左）和爆炸的瞬間效果（右）   圖三：示範爆炸實驗後，教師與學生進行互動討論 粉塵爆炸是微細顆粒懸浮在空氣中的快速燃燒，但是不一定在一個密閉的空間中發生。粉塵爆炸可能發生在足夠高濃度的任何分散粉末狀可燃材料且在大氣在中或其他氧化氣體的媒介，如氧氣[8]。粉塵爆炸有四個必要條件：可燃性的粉塵、在空氣中有足夠高濃度的懸浮粉塵、有氧化劑（通常為大氣中的氧氣）、以及有一個點火源。在一些傳統的報告中，密閉的空間（confinement）被認為是第五個必要條件，但這不是一個必要條件，此條件會導致極大的物理傷害[8]。點火源並不一定需要明火，可能為靜電放電、摩擦、設備產生電弧、表面發熱、軸承過熱、明火、菸蒂餘燼等[9]。報載八仙樂園塵爆事件專案小組鎖定爆炸的原因是高溫燈具所造成的，當晚使用的BEAM200電腦燈，燈泡的背部溫度超過1000℃，表面溫度長時間使用能超過400℃，而當天電腦燈使用時間至少超過1個半小時，足以超過玉米粉的燃點430℃[10]。 二、  氫氣爆炸實驗 以下是氫氣的爆炸的示範實驗流程，仍然以預測‒觀察‒解釋（prediction-observation-explanation, […]