POE教學法的燃料電池教學模組（上） 吳宏達*、陳淑華 宜蘭縣立員山國民中學 *iamilp@ilc.edu.tw n  簡介 自從工業革命後，人類大量使用石油與煤，造成人類過度依賴化石燃料，這樣的舉動除了大量消耗自然資源，並造成生物瀕臨滅絕，甚至進而影響人類自我生存的問題，在這樣的衝擊下，迫使人類必須重新思考並改變能源使用模式，石油與煤這些傳統的主要化石燃料，即將在2050年前使用殆盡，因此人類必須開始尋求替代能源。然而，在一個有效的替代能源出現前，提高能源使用或轉換效益，也慢慢受到矚目，為了節約能源、也為了減少碳排放，使用綠色能源成為21世紀的重要課題。能源在自然界可以以不同的型態存在，而不同形式的能量間則可以互相轉換，以往最主要的發電方式為火力發電，主要是以化學能（燃燒化石燃料）轉換成熱能，再利用熱能加熱液態的水，使其轉換成具有動能的熱水蒸氣，最後利用水蒸氣推動發電機發電，然而，這樣的發電方式存在著相當多的缺點，例如：產生空氣污染、能量轉換效率不高…等等問題。 燃料電池相對於火力發電而言，是能源轉換效應較高的產生電能方式之一，特別是與傳統火力發電相較，其產生電能效應是火力發電兩倍以上。燃料電池的反應物又可以是非含碳化合物，因此對於節能減碳的效果又會更高，因此以現代我們生處於使用電能相當普及的時代，燃料電池又可以直接提供直流電的優勢，更不需要整流的手續而直接提供相當多數電器的使用，因此對於習慣現代生活方式的人類而言，燃料電池是相當可行的能源使用形式。 綠色能源與再生能源的大量使用已經是勢在必行的議題，然而當大多數人如果不瞭解能源相關議題，如何能夠放棄傳統低價的而對環境極不友善的火力發電模式。自從發電機被發明後，人類使用這個方便的能源型式〝電能”，已經被所有人認為是日常生活的一部分，人類幾乎快沒辦法生活於無〝電能”的環境。然而，電就像水及空氣，人類無法缺乏卻又不懂得珍惜與保護，本教案希望利用一連串動手操作的活動，進行探索學習，並配合POE教學模式讓學習者體認發電是很不容易，進而養成從日常生活以身作則珍惜資源的習慣。 本文的「透過POE教學法的燃料電池教學模組」有四項教學活動：人力發電機、濾紙電池、電解水與微型氫爆彈、以及燃料電池。分別以實驗活動的器材與藥品、實施步驟、以及操作評分方式敘述之。 n  實驗活動的器材與藥品 一、   人力發電機 燒杯、玻璃棒、刮勺、三用電表、電線附鱷魚夾 x 2、砂紙、食鹽、鋅片、銅片、鐵片、鉛片。 二、   濾紙電池 燒杯 x 3、玻璃棒、刮勺、濾紙、三用電表、電線附鱷魚夾 x 2、橡皮筋、密封袋、砂紙、硫酸鎂、鋅片、氫氧化鈉、銅、鹽酸、鐵片、鉛片、鋁片。 三、   電解水與微型氫爆彈 電源供應器或電池組（6 V）、塑膠盒（含蓋子）、迴紋針 x 2、空挽腸盒x 2、熱溶膠與熱溶膠槍、電線x 2、硫酸鎂、燒杯、玻璃棒、刮勺、絕緣膠帶、剪刀、尖嘴鉗、養樂多瓶、橡皮塞、鑽孔器、點火槍、燒杯、酒精、滴管。 四、   燃料電池 馬達組（含燈泡、電池座與小風扇）、燒杯 x 3、有蓋小瓶子、碳棒 x 3、剪刀或鐵釘、酒精燈、玻璃棒、刮勺、硫酸鎂、熱溶膠與熱溶膠槍、不織布、LED燈、電源供應器或電池組（6 V）。 n  實驗活動的實施步驟 一、  人力發電電機 本單元教學目標在於讓學習者瞭解並學會簡易的掌握變因（金屬片的種類、溶液的影響等），藉由操作人力電機時，讓學習者去想如何讓電壓、電流達最大值，同時能夠學習如何設計簡易的探索活動。學習者必須測試出最佳的人力發電機，並告知其他學習者的心得和感想。 圖1：人力發電電機實驗裝置 A.      POE教學 1.        預測（Prediction）：老師先請學習者預測，若取兩片金屬片並接上三用電表，則會有何現象發生？再預測：若改變金屬片的種類，則又會有何現象發生？請學習者將預測的理由或可能的原因寫下。人力發電電機的實驗組合，如圖1所示。 2.        觀察（Observation）：發下人力發電機的實驗器材，讓學習者親手操作，步驟如製作方法，並觀察實驗的節解，比較觀察現象是否與預測的情形相符。 3.        解釋（Explanation）：請學習者就自己操作人力發電機的實驗經驗，提出合理的解釋與原因，並做出結論。 B.       […]

POE教學法的燃料電池教學模組（下） 吳宏達*、陳淑華 宜蘭縣立員山國民中學 *iamilp@ilc.edu.tw 〔承〈POE教學法的燃料電池教學模組（上）〉〕 n  實驗活動的實施步驟 三、  微型電解水與氫爆彈 藉由操作空氣槍實驗引起動機，並體驗聽到明顯的爆炸聲、看到火焰顏色以及最後觸碰到養樂多瓶殘留的餘熱，感受火力發電除了產生電能外，常伴隨著光能、聲能以及熱能，可以讓者瞭解能源轉換效率的相關問題，並根據能量守恆，感受為何火力發電常造成產生的電能不到20％。基於此，我們亟需替代能源的使用，同時也讓學習者瞭解能源常在不知不覺中消耗殆盡，應養成節約能源的習慣。再藉由動手操作實驗，體驗電流轉換成化學能與氫氣產生的化學反應，並培養學習者對問題解決的能力與態度。 圖3：電解水與微型氫爆彈實驗裝置 A.      POE教學 1.        預測（Prediction）：老師向學習者說明電解水與微型氫爆彈實驗裝置和實驗程序，如圖3所示，並請學習者預測有何現象發生？並寫下預測的理由或可能的原因。 2.        觀察（Observation）：發下微型電解水與氫爆彈實驗器材，讓學習者自己親手組裝實驗裝置，步驟如上面的製作方式，並實際觀察實驗的結果，比較觀察現象是否與預測的情形相符。 3.        解釋（Explanation）：請學習者就自己操作實驗的經驗，提出合理的解釋與原因，並做出結論。 B.       手腦並用（製作方法） 1.        用熱熔膠固定塑膠盒底部和蓋子頂端，取2枚迴紋針，在適當的距離分別插入組裝好的塑膠盒中，利用熱熔膠固定迴紋針在塑膠盒上，如圖4（左）所示。 2.        以兩根迴紋針為電極，分別與導線連接，並剪組裝好的塑膠盒底部成為二個倒V字，如圖4（右）所示，且連接處以絕緣膠帶包住，不要使任何銅線外露。   圖4：迴紋針固定在塑膠盒上(左)和在塑膠盒底部剪成二個倒V字(右) 3.        把電極、電池和電線連成一個迴路，以開關控制電流的通過。 4.        在塑膠盒中置入硫酸鎂溶液約2/3滿。 5.        將兩個空的挽腸盒裝滿硫酸鎂溶液後，如圖5（左）所示，以手指（戴手套）按住試口，並倒插入塑膠盒的硫酸鎂溶液內，如圖5（右）所示。注意空挽腸盒裡不能有空氣。 6.        小心的把空挽腸盒分別放入迴紋針上，接通電源，挽腸盒液面開始有下降的情形。   圖5：挽腸盒裝滿硫酸鎂溶液（左）和挽腸盒倒插入塑膠盒（右） 7.        將先收集好的挽腸盒（氫氣）取出後點火，會產生藍色火焰爆鳴聲。 C.      動腦想 1.        兩支挽腸盒產生的氣體為何？如何檢驗？ 2.        當串聯電池數增加，液面下降的情形與原來會有何差異？ 3.        當兩電極距離改變，液面下降的情形與原來會有何差異？ D.      評量學習成效 1.        能夠對現象做出合理的解釋（活動單）。 2.        操作實驗是否能夠不斷的嘗試和修正，以找出實驗現象可能的原因。 3.        能夠解釋氣泡產生的原因（電流的化學效應）。 […]