簡易氫氣燃料電池車的實作及其探索活動 張志聰 屏東縣立大同高級中學教育部高中化學學科中心*e8322033@msn.com n  影片觀賞 雖然燃料電池是大學學測考題的常客，但是在高中化學課本中卻僅針對方程式介紹以及電壓、電解液等簡略介紹，並強調其在運作上需高溫、昂貴的貴金屬電極等缺點，讓人覺得燃料電池都是極其複雜且昂貴的裝置，僅能在實驗影片中才能看到。本實驗分享一種可以在一般教室中進行的簡易燃料電池車實驗，並可以讓學生進行一系列能源動力相關的實驗。 影片網址：https://goo.gl/lrCeBH, YouTube. n  簡介 氫氧燃料電池是直接將化學能轉變為電能的氧化還原裝置，主要燃料以氫氣為主，透過氫氣與氧氣的電化學反應產生電能與熱能，且熱能遠低於一般燃燒石油所產生的熱值，過程中節省了轉換為機械能所需要的能量損耗，因此展現出比內燃機更高能量轉換率。 本實驗利用包覆不織布的碳棒作為電極，使用直流電（3 V）電解食鹽水取得氫氣和氧氣，而包覆在電極上的不織布可減緩氣體自水中逸出的速率；約電解3~5分鐘，即可累積足量的氫氣和氧氣吸附在電極之上。移除直流電源後，充滿氣體的碳棒即可組成簡易的燃料電池，接上裝有低電流馬達的小車後，可使其穩定行進約4公尺的距離，電池放電完畢後，只需再度以直流電進行電解，即可重複使用。 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、能量轉換等有關能源議題，以下說明簡易氫氧燃料電池車的原理及製作過程。 n  藥品與器材 (一)藥品：氯化鈉（NaCl）、氫氧化鈉（NaOH）、碳酸氫鈉（NaHCO3）、醋酸（CH3COOH）自來水。 (二)器材：飽和食鹽水、膠帶、4 cm × 10 cm塑膠底板、輪胎組、鱷魚夾、3號電池座、快乾膠、馬達、不織布、碳棒、泡棉、長25 cm粗塑膠管、9 cm細塑膠管大齒輪、小齒輪、三用電表，如圖1所示。 圖1：製作簡易氫氣燃料電池車所需之器材 n  實驗步驟 一、氫氣燃料電池組裝 1.        利用不織布將碳棒包覆起來，多餘的不織布反摺後，以膠帶固定使其不會鬆脫，如圖2所示。   圖2：利用不織布包覆碳棒，並以膠帶固定不織布使不脫落 2.        取一塊泡棉，將包覆有不織布的碳棒穿過泡棉，如圖3所示。   圖3：兩根電極穿過事先鑽好小洞的泡棉 3.        取長25 cm的粗塑膠管底部以泡棉塞緊使不會漏水為原則，注入10%（重量百分比）食鹽水，食鹽水的高度離上方管口約2 cm，再塞入穿有電極的泡棉固定備用，即完成一個簡易的燃料電池，如圖4所示。※安全提醒：食鹽水濃度不可過高，否則電解可能產生有毒的氯氣，危害身體健康。 圖4：燃料電池組完成圖 二、電解食鹽水收集氫氣及氧氣 1.        組裝完成的燃料電池並沒有正負極之分，需視電解後收集的氣體種類來決定正負極。預先將頂端泡棉上的碳棒調成一長一短，長端接電池正極進行電解，短端接電池負極電解，方便辨識電解完成後的正負極辨識，如圖5所示。 圖5：調整碳棒長短方便辨識充電後的正負極 2.        將電池盒上的黑色線路鱷魚夾（負極）與短端碳棒接上，再將紅色線路鱷魚夾（正極）與長端碳棒接上，打開開關進行電解食鹽水，觀察有何現象，如圖6所示。 圖6：電解食鹽水進行氣體收集 3.        電解約5分鐘後關閉電源，移除兩極的鱷魚夾後，以三用電表量測燃料電池兩極的電壓，如圖7所示。 圖7：測量燃料電池電壓約1.65 V 三、燃料電池車組裝 1.        將透明細塑膠管剪成長兩段，取其中一段塑膠管套入鐵質軸心，再套入大齒輪，輪胎固定在左右兩側，即完成前輪，如圖8左所示。然後，組裝另一段塑膠管形成另一輪胎套件，即完成後輪，再將2組輪胎套件分別使用快乾膠固定於塑膠底板備用，如圖8右所示。 […]

飲食文化與化學：創意生活趣味化學—高職化工科科普社團實作課程模組 錢偉鈞*、林柏佑、黃文彥、蘇建彰 朝陽科技大學應用化學系*wjchien@cyut.edu.tw n  緣起 多元化自由選擇的社團活動是學校的幸福圖像的重要項目之一，校園多元化發展，著重以學生為中心的發展模式，成為當前教育改革的趨勢。各級校園中學生社團扮演著讓教學得以多元延伸的功能。學生社團是依學生志趣、能力所組成的團隊，在學校負責督導下，基於共同的理想與理念，透過活動的規畫與參與，擴大生活領域、增廣見聞、豐富學習的內涵與強化學習的效果，促使學生培養多元的興趣與能力[1]。透過社團的活動功能，協助學生在生活中善用學習資源，培養自我探索、自我肯定、自我突破、自我了解以至於自我實現的能力是社團首要的教育目標[2]。 2008年一項針對二十所高職學校1200名學生，所進行問卷調查結果顯示：高職學生社團活動參與程度與學習成就成顯著正相關，亦即社團參與程度越高的同學，其學習成就也越高，然而學生社團類型以體育性社團最多，最少者為服務性社團及學術性社團。高中職校學術性社團的主要目標在於透過社團運作可以達到培養研究風氣，提昇專業技能，進而能藉此逐步培養未來就業優勢[3]。如何能發揮高中社團活動活潑有趣的特性，融入專業教學的議題，激勵學習興趣，在不落入正規課程的拘束與框架的同時，又能達到培育專業技能的延伸效果，是值得投助心力規劃的。 n  飲食與化學 我國是米食是文化最為精緻地區，除了作為主食外，更發展出多元且具地方特色的美食，不僅與每個人的生活緊密聯繫，也蘊釀出特有的文化內涵，特有的口感風味締造出每個人專屬的飲食經驗與飲食習慣。食品的口感風味與其中成分（例如澱粉）的性質有密切的關聯，為了追求更精緻的口感（像是〝彈牙”），促進品嚐意願（例如顏色、甜度與香味），或是需要延長保存的期限（例如有效的賞味期），通常都需藉助食品添加劑的使用，顯示美食背後與化學密不可分的關聯。 自三聚氰胺事件以來，食安議題已躍上媒體焦點，引發社會高度關注，新聞中的專業名詞，不論是添加劑的本身，或是相關的特性、毒性的介紹，乃至於檢測的方法，都彷彿上了一堂化學課，如能配合實作教學單元系統性的整合規劃，透過食品風味、外觀與口感的經驗，銜接具有創意的趣味實驗，融入以實作為主的研習性社團活動，以飲食為素材拉近化學教學與生活距離，期能進而引導健康的飲食習慣與食安觀念。 n  目的與規劃 以「創意生活，趣味化學」為主題，彙整趣味實驗單元，針對高工化工科學生化學研習社團設計實作型課程模組，結合食物口感與食安議題，從生活體驗的趣味角度，結合時事增進參與感，讓參與同學透過實務操作，在競賽與遊戲的氣氛中，寓教於樂，不落入正規課程的拘束與框架的同時，又能達到培育專業技能的延伸效果。藉此增廣化學與生活銜接的體驗，豐富學習內涵，更為未來生涯探索規劃提供思考與衝擊的機會。 設計三大主題的趣味實作課程模組，每一主題涵蓋兩項單元活動內容，每項單元活動之設計符合二小時的社團活動時間。 主題一：米的滋味 顏色密碼 單元1. 以米中所含的澱粉為主題，呈現米的口感與澱粉型態的關係，以碘與澱粉作用的呈色的差異，作為判斷澱粉型態的指標[4]。延伸至震盪反應中的碘鐘反應的變色時間之掌握，以競賽方式進行[5]。 單元2. 介紹修飾澱粉與追求〝Q彈”口感的省思，引入順–丁烯二酸不當添加的議題。 主題二：甜蜜光影 左旋右轉 單元1. 以醣類的光學特性—折射與旋光性為主題，以市場與果園中常見的折光式甜度計為應用延伸[6]。 單元2. 由變色搖瓶實驗體驗葡萄糖的還原性，並由亞甲基藍與靛藍胭脂紅的氧化還原致變色特性呈現顏色變化[7]。 主題三：毒物現形 食安把關 單元1. 以豆乾製品驗出二甲基黃為主題，探討顏色與食物的關聯，測試具有指示劑功能的二甲基黃酸鹼致變色特性[8]，並實際體驗二甲基黃的紫外光–可見光光譜的操作與光譜判讀。 單元2. 以穀物製品中的黴菌毒素為主題，介紹原本隱而不見的毒素的螢光特性，進而體驗螢光檢測器在毒素檢驗中的應用。 圖一為埔里高工化學創意社團實作模組課程之架構圖，各獨立主題之間皆有相關性相互呼應，銜接印證。醣類是澱粉的延伸，黴菌毒素以穀物食品作為取樣對象；碘鐘反應與變色搖搖瓶均屬震盪反應，設計為趣味實驗，適合作為小組競賽項目；順–丁烯二酸與二甲基黃則是為了滿足消費者口感或視覺感官所使用的非法添加劑；不同分子的光學特性，引導學員探觸分析檢驗的基本原理。 實驗器材的設計上，主題一與主題二大都由生活中隨手可取得器材或樣品進行實驗與觀察，主題三則拓展至食品安全把關領域中儀器分析的原理與檢驗流程的體驗。讓課程逐步進階，銜接生活與專業。每單元活動均設計學習單，活動成效於整體活動結束後，透過學員滿意度調查表及活動回饋單進行統計評量。 圖一：埔里高工化學創意社團實作課程模組架構圖 n  活動成果 104年11月至105年1月間，「創意生活，趣味化學」實作課程模組由朝陽科技大學應用化學系學生志工科普團隊—小種籽志工服務隊」，配合南投埔里高工化工科學生社團—「化學創意社」，於週五下午社團活動時間實施，社團成員人數為29人，共舉行六梯次活動，其中五次活動在埔里高工化工科實驗室舉行，為配合黴菌毒素檢測所需器材與設備，該次活動在朝陽科技大學應用化學系亞洲穀物中心實驗室以校外小型專題製方式舉行。本學期活動前，首先舉辦整體課程內容的綜合講解說明，強調學習重點，同時也預告活動有趣可期之處，激勵學習興趣，綜合講解授課實況如圖二所示。結合「化學創意社」活動的實作課程實施紀錄呈現於圖三。圖四呈現活動中藉由分組競賽激勵學習樂趣，同時強調同學分工互助的團隊學習的體驗，活動中同學間的討論與互動也是學習過程中重要的一環。 圖二： 「創意生活，趣味化學」實作課程綜合簡介課程的教學實況   圖三：創意生活趣味化學活動紀實：變色搖搖瓶實驗前的講解（上）；碘鐘反應小組競賽，同學聚精會神秤藥品（中）；黃麴毒素分析分組實驗（下）     圖四：「創意生活，趣味化學」實作課程透過小組競賽激勵學習興趣（左）；也強調同學透過協同合作，完成實驗的學習過程（右） 埔里高工化工科化學創意社學生參與活動後的滿意度調查結果顯示，喜歡整體活動安排的同學佔84% （非常滿意者佔32%）; 認同活動所安排的主題者佔88% （非常滿意者佔40%）；喜歡活動中所介紹的化學概念者佔88% （非常滿意者佔48%），喜歡活動中實驗操作技術的同學佔89% （非常滿意者佔46%），認為本次實驗活動有助提升自己學習化學的意願的同學佔88% （非常同意者佔52%），參與本次活動學生中有80%表示未來進大學會選擇化學/化工系為專業主修（非常同意者佔56%）。 對於本次活動的整體安排以及主題內容多數反映〝滿意”卻不到〝非常滿意”，根據回饋意見顯示，參與同學希望活動內容能夠與所學基礎銜接而不要太〝進階”，但同時也希望能增加實作的時間，特別是對儀器原理及操作的學習。顯示在社團活動設計跳脫框架的同時，多少還是受到正規課程的限束，卻也呈現出本次活動的設計對同學所帶來的衝擊所在。多數學生對於活動中的操作技術及專業概念的安排，都是給予較高的肯定，同時也表示未來有機會想接觸更多關於毒素檢測相關認識，由此可得知本次活動在拓展視野的同時，也有助於激勵學生對學習化學的意願。各單元中〝黴菌毒素檢測”是最能引起學生興趣，且最能吸引參與專注力的一項實驗，不僅讓參與同學印象深刻，在回饋單中紛紛表示未來對黴菌毒素相關主題會更想要進一步了解。由於本項活動是配合校外參訪的方式舉行，實驗之操作過程中使用到比較不熟悉的儀器與設備，程序也相對繁複，因此讓學生特別對此實驗印象深刻。而在高中階段較少機會能接觸到關於黴菌毒素方面的知識與實作，本次活動透過專業檢測實驗室的資源，讓學生近距離的認識毒素特性以並體驗檢測方法，提升參與同學對化學專業知識的理解與認識，相對也激勵了繼續學習動機。其次，讓學生印象深刻且覺得有趣的實驗為變色搖搖瓶，實驗本身的化學概念是由葡萄糖的還原性所導致的溶液顏色變化，同學對於變化明顯的實驗都感覺新奇較有興趣，也適合可以多安排以國小或國中年紀較小的同學作為展示實驗項目。 n  […]