武陵高中自然科探究與實作前哨站 – 溫室氣體對全球氣候變遷之影響   吳德鵬 國立武陵高級中學 教育部高中化學學科中心 depeng.tw@gmail.com 壹、前言      依照十二年國民基本教育課程綱要–自然科學領域草案1裏指出，科學學習的方法，應當從激發學習者對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學習者能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力，並強調跨領域學科之間的整合，以綜合理解運用自然科學。為強化上述目標，教育部於高中教育階段增列自然科學探究與實作課程必修學分，這門課不限單一科目授課、不限主題及方式，但是必須引導學生懂得自己發現問題、蒐集資料並進行分析、找出解決方案；有些教師沒有相關經驗，對開課感到焦慮。筆者學校武陵高中自然科的教師，曾以綠能科技為主題共同執行高瞻計畫，結束計畫後組成了共備社群，為期一年的社群運作討論出以『全球氣候變遷』為主題，作為108學年度開設的探究與實作課程的基礎，並將於106學年度在高一開設多元選修課程以試跑此課程，筆者在此先提供目前本校的規畫架構，並詳述其中溫室氣體影響的實作單元的操作方式，以提供老師作為一個討論的實例。 貳、開課架構      目前本校預計開設的選修課程為2學分，是由物理、化學、生物、地科等共8位教師共同開課，分別授課兩班每班各24位學生，授課主題內容大致上如下: 氣候變遷的聯想:(1)『便利貼』活動(2)影片介紹 (3)分組（訂定報告主題） 科學文章閱讀：《農業排放氣體與溫室效應的關係》與《北極植物也覺得熱了》兩篇，教師挑選及擷取適當的文章，並共備設計學習單，引導學生閱讀學習基本概念。 溫室氣體影響實驗: (1)CO2(2)H2O。 顏色與融冰關聯實驗。 分組主題報告，讓學生報告有興趣的相關主題，並共同討論。 科學文章寫作教學，小論文產出。 氣候變遷辯論賽，『川普是對的嗎?』為主題，仿青年尬科學方式進行。 叁、溫室氣體的影響之探究與實作     二氧化碳目前存在大氣的比例，以及預估未來會排放的量，對全球暖化的影響可能最大，到底全球暖化是否是個騙局?又二氧化碳的濃度與溫室效應的影響程度有何關係?以下提供了相關課程，讓學生能進一步探討這疑問。      首先實驗裝置使用了一個大型密閉樂扣箱，準備兩個寶特瓶放在兩側，在兩個寶特瓶內相對應的位置，再各裝置一個可測量溫溼度的傳感器，利用Arduino套件收集兩個密閉寶特瓶的溫濕度變化，此對照實驗組可以一邊充填溫室氣體，另一邊為正常空氣，並在兩個寶特瓶正中間裝置燈泡模擬太陽能，實驗裝置如圖一。此裝置是筆者藉由化學學科中心與高師大自造者基地合作辦理，於去年年底至今年年初一系列的研習活動所製作的，也歡迎老師們參加由化學學科中心，為探究與實作所舉辦的一系列教師增能研習，交流相關教學經驗。 圖一、定性分析的實驗裝置，設定每10秒偵測一次寶特瓶內的溫濕度變化 以下說明溫室氣體的影響之探究與實作兩節課的教學流程。 第一節課 (1)   先由教師示範實驗操作，步驟為左邊以鋼瓶充入CO2 40秒，右邊為空氣對照組，轉緊瓶蓋並將大樂扣箱加蓋後，ARDUINO主機連接電腦，觀察兩個密閉寶特瓶內讀取的溫溼度是否平衡達一致，然後開燈25分鐘後再關燈，由電腦紀錄過程的溫溼度數據變化。 (2)  再請各組討論並上網尋找相關資料15分鐘，預測左右兩組寶特瓶，開關燈後可能的溫度變化情形，並請各組先將討論結果填寫在黑板上，後再請各組說明預測的理由，並在FB群組分享找到的參考資料，過程如如圖二~四，讓學生學習小組討論、蒐集有用資料以及訓練表達能力。本過程大致上使用了POEC的教學策略2，藉由此相關活動讓學生預測、觀察、解釋、比較，溫室氣體對溫室效應的影響。 圖二、學生分組預測，填充溫室氣體與空氣的寶特瓶，哪一個開關燈後，溫度上升及下降較快? 圖三、藉由小組討論，分別上網找尋相關資料，以提供預測的相關證據。 圖四、上台解釋目前預測的依據，並上傳相關的參考資料於臉書等社群分享。 第二節課 (1)   在實驗前藉由兩個保特瓶都裝入正常空氣，開關燈後觀察，兩邊溫溼度變化是否相同，以此作為實驗器材校正的依據，並確定實驗數據的可信度，例如圖五的測試發現兩邊的溫濕度變化幾乎是一致的。 圖五、在實驗前教師須先校正實驗器材，並先作圖觀察。 (2)   為實驗數據整理的部分，將上節課ARDUINO偵測的實驗數據，整理成EXCEL的檔案給各小組，請各小組將兩寶特瓶內溫度及相對溼度隨時間變化的數據，利用EXCEL作圖分析(如圖六)，實驗後的結果大致上可以觀察到，含有較高濃度的CO2寶特瓶，在開燈後溫度的上升(橘色線)比一般空氣(黃色線)高，若實驗的結果與各小組預測的不同時，可使用學習單規劃，請其討論是否為實驗器材與操作條件的問題，用以完成POEC教學策略裡觀察、解釋與比較的部份。 圖六、讓學生分析溫濕度變化的情形，並輔導其製作圖表，以利實驗數據的分析與判讀。   目前設計了三週，每週各2節的課程，分別探討以下溫室氣體及其交互的影響: 1. 乾燥二氧化碳與乾燥空氣對照實驗組:比較CO2對溫室效應的影響。 2. 潮濕空氣與乾燥空氣對照實驗組:可藉由加入少量水，來比較H2O對溫室效應的影響。 3. 潮濕與乾燥二氧化碳對照實驗組:比較CO2混合H2O對溫室效應的交互影響。      本課程還能加入CO2濃度感測器(圖七)，讓有興趣的學生，更進一步作定量分析，也能再擴充感測器的數目及種類，讓學生組裝設計不同的實驗。其中創客技術的使用，使得實驗器材的選擇更自由，能隨所需的實驗目的而調整及擴增，並且還有便宜而易於推廣等優點。 圖七、定量分析的實驗裝置，除了溫溼度的偵測外，再增加CO2濃度的感測器。 肆、結語      […]

開創新局的永續化學：利用生物質作成生物炭來反轉氣候變遷 羅芬臺 中央研究院化學研究所中央研究院天文及天文物理研究所luoft@gate.sinica.edu.tw n  溫室氣體減量的解決之道 近年來，氣候變遷的議題已被廣泛的討論，氣候變遷是指全球平均氣溫會不斷的升高或降低。2016年十一月美國太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）就認為2016年將會成為最近136年紀錄中最熱的一年。其他機構，包括英國氣象辦公室（Met Office）、美國國家海洋暨大氣總署（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）、日本氣象廳（Meteorological Agency）及聯合國世界氣象組織（World Meteorological Organization, WMO），也都表示2016年是破紀錄最熱的一年，同時將是連續第3年的新高。而且WMO的報告指出，2016年全球氣溫比工業化之前高出了1.2度。2015年聯合國氣候變遷大會（COP21）有近200個國家簽署了《巴黎協定》，它是具有法律約束力的全球溫室氣體減量新協議，雖然氣候變遷與大氣中二氧化碳濃度的關聯性已被爭論了一百多年，但《巴黎協定》成功地凝聚了全球的減碳共識，要求各國定期檢討「國家自主決定預期貢獻」（Intended Nationally Determined Contribution, INDC），確保二氧化碳減排進度要使全球平均氣溫不高於工業時代的2°C。臺灣2015年6月15日也通過了《溫室氣體減量及管理法》並宣布INDC的減碳承諾，將臺灣帶往溫室氣體減量的新里程。 到目前為止，科學家對如何將大氣中的二氧化碳濃度降低有許多建議與想法。其中利用生物質（biomass）來進行生物能源與碳捕獲和儲存（Bio-energy with carbon capture and storage, BECCS）和將生物質做成生物炭（biochar）是兩種減少大氣中二氧化碳常提到的技術。生物質通常是指不用於食物或飼料的植物或植物基材料，並且特別是指木質纖維素的生物質（lignocellulosic biomass）。植物也是有壽命的，如果不處理死掉的植物，它腐爛後會放出更多的溫室氣體，例如：甲烷和氧化亞氮，而甲烷和氧化亞氮的全球變暖潛能值（Global warming potential, GWP）分別是二氧化碳的72倍和275倍。因此，在生物質腐爛前就將生物質處理掉，應該是比較適當的做法。 生物能源與碳捕獲和儲存主要是將生物質燃燒或與煤炭一起燃燒產生能源或用於發電，再將產生的二氧化碳收集並灌注到地層深處，這種藉由植物生長吸收二氧化碳，再燃燒植物產生能源，所產生的二氧化碳再埋到地層深處是一種負排放或負碳的方式。據政府間氣候變化專業委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）評估報告指出，生物能源與碳捕獲和儲存是一個實現降低大氣中二氧化碳濃度的一個關鍵技術。英國皇家學會（The Royal Society）也已經估計這個技術將能減少50-150 ppm的二氧化碳濃度。不過，也有人擔心碳捕獲和儲存（carbon capture and storage, CCS）會不會發生二氧化碳外洩的意外？ 生物炭的製備是藉由活的生物質在生長時吸收二氧化碳，再經由生物質在缺氧狀態下的熱解而得到。熱解所產生的氣體和生物油可當能源，而固態的生物炭埋於地下，除了可以吸收多餘的水分，在乾旱時排出，而且還可以當作土壤的增強劑和吸附有毒重金屬的除汙劑，是具負碳性質的產物。2010年的Nature Communication [1] 以及2015年的Nature [2] 都發表過生物炭可降低二氧化碳的排放以減緩氣候變遷，並可提高農產量及控制污染的報告。 […]