第三章 研究方法
第四節 教案設計
壹、教案一
教案名稱
能源的未來-燃料電池車設計者:
趙偉強教案目的
本活動的主題是設計一套教學用燃料電池車(Fuel Cell Car)模組，利用燃 料電池產生乾淨能源做為玩具車之動力來源，並透過燃料電池車的實際 組裝與操作，從而了解燃料電池產生電能、水的電解與燃料電池的基本 運作原理，藉此生動活潑且可實際操作的實驗，啟發社會大眾或中小學 學生對科學的熱愛與燃料電池的基本瞭解。
教案材料
燃料電池車模組(太陽能電池板、車體馬達上蓋、注射器、短透明軟管、車輪、可逆式質子交換膜燃料電池、電池盒、附馬達車體底座、儲氣 筒、儲水筒(氫氣／氧氣)、長透明軟管、太陽能板、電線)、剪刀、純水、
乾電池。
課程內容
組裝過程1.將4個車輪安裝在車體底座上。
2.將車體馬達上蓋安裝在車體底座的馬達上方。
3.用剪刀將透明軟管剪成2個4公分長度的短透明軟管，各塞上紅色及黑 色的栓塞，即成為組件，並將剩餘的透明軟管剪成兩個對等長度的長 透 明軟管。
4.將黑色塞頭的短透明軟管連結到燃料電池的氫氣側，並將紅色塞頭的 短透明軟管連結到燃料電池的氧氣側。
5.將燃料電池安裝在車體底座上。
6.將氫氣及氧氣儲水筒安裝在車體底座上。將2個儲氣筒各自安裝在儲 水筒中，並注意儲氣筒底下的透氣小孔沒有被覆蓋。
7.將2個長透明軟管連接到2個儲氣筒上方的管嘴，另一端則各自連接 到燃料電池二側較低的氫氣及氧氣管嘴，完成品如圖3.3。
圖3.3 燃料電池車教具 圖3.4 注射器抽水示意圖
8.在儲水筒中倒入約40毫升的純水，然後將短透明軟管上的紅色及黑色 栓塞拿開，可以觀察到儲氣筒中的水位上升至滿，即可將兩個栓塞置入 短透明軟管。
9.為了讓燃料電池的離子傳導性良好，必須先進行燃料電池的濕化：使 用注射器分別連接到燃料電池二側的透明軟管，抽取注射器讓水浸潤 燃料電池並流入注射器如圖3.4，然後靜置3到5分鐘讓燃料電池完全浸 濕，如圖3.5。
水電解產生氧氣
1.將電池盒的開關移至”off”，並放入2個三號電池(AA)。
2.將電池盒上的紅色及黑色電線分別插入燃料電池的紅色及黑色插孔。
3.將電池盒的開關移至”on”開始進行水電解反應，可以觀察到氫氣及 氧 氣產生並儲存在各自的儲氣筒中，氫氣和氧氣的產生比例為2：1，時間 約為5分鐘，如圖3.6。
4.當氫氣儲氣筒已經滿溢，並有氫氣氣泡從儲氣筒外溢漏，將電池盒開 關移至＂off＂。
圖3.5燃料電池浸濕 圖3.6水電解示意圖 圖3.7燃料電池車運作
啟動燃料電池車
1.將電池盒的電線從燃料電池上移除。
2.確定透明軟管沒有接觸到車輪。
3.將馬達電線的紅色及黑色香蕉頭插入燃料電池上的紅色及黑色插孔，
燃料電池車即開始運行，車上的LED 燈泡也會開始閃亮。燃料電池車遇 到障礙物會自動轉向，並運行到氫氣消耗殆盡為止，如圖3.7。
活動照片
1. 2.
圖3.8 燃料電池車教學 圖3.9 燃料電池運作情形 3. 4.
圖3.10 燃料電池車學生實際操作 圖3.11 燃料電池車學生實際操作
貳、教案二
教案名稱
太陽能模型車設計者:
趙偉強教案目的
本活動的主題是設計一套教學用太陽能電池車(solar Cell Car)模組，利用 太陽能電池產生乾淨能源做為玩具車之動力來源，透過此教案學生可以 學習到太陽能是如何轉換成電能，進而利用此一乾淨能源和生活中的不 同是物做結合，以達到節能減碳的目的。學習利用三用電錶測量太陽能 電池的電壓。
教案材料
太陽能電池車模組(太陽能電池板、車體馬達上蓋、車輪、附馬達車體底、電線)、剪刀、乾電池、三用電錶。
課程內容
一、三用電表基本功能圖3.12 三用電表
OFF 電源開關
DCV 直流電壓範圍 1000v、200v、20v、2v ACV 交流電壓範圍 750v、200v
DCA 2mA、20mA、200mA 最大直流電流範圍10A
Ω 歐姆值範圍 2M、200k、20k、2k、200
二、操作三用電表(太陽能電池只需用到電壓和電流測量) 直流電壓測試 (DCV)
1.將紅色測試棒插入“V/Ω”插座，黑色測試棒插入“COM”插座。
2.旋轉開關轉至 DCV 區域。（若不知道待測電壓的約略值，則轉至最高 檔，再依實際測量值轉至最佳解析度為止），如圖3.13。
3.將測試棒與待測線路並聯。
4.從液晶顯示器讀取待測電壓值。
圖3.13 三用電表測量電壓示意圖 直流電流測試 (DCA)
1.將紅色測試棒插入“mA”插座（大於 200mA 則插入 10A 插座），黑色測 試棒插入“COM”插座。
2.旋轉開關轉至 DCA 區域。（若不知道待測電流的約略 值，則轉至最 高檔，再依實際測量值轉至最佳解析度為止），如圖3.14
3.將測試棒與待測線路串聯。
4.從液晶顯示器讀取待測電流值。
紅色電線 接V/Ω 黑色電線
接COM
請轉至 DCV
圖3.14 三用電表測量電流示意圖 三、太陽能電池操作測量電壓
1.測量太陽能板無負載電壓數值，將太陽能板置於陽光下，太陽能板紅色 正極接至三用電表紅色探棒，太陽能板黑色負極接至三用電表黑色探棒，
將三用電表旋鈕轉至20V 位置，讀取數值。調整太陽能板角度，找出最高 的電壓值，並紀錄太陽能板各角度的電壓值，如圖3.15。
圖3.15 太陽能板測量電壓示意圖
2.測量太陽能板無負載電流數值，將太陽能板置於陽光下，太陽能板紅色 正極接至三用電表紅色探棒，太陽能板黑色負極接至三用電表黑色探棒，
將三用電表旋鈕轉至直流電流10A位置，讀取數值。調整太陽能板角度，
並記錄所有角度的電流大小，如圖3.16。
紅色電線 接V/Ω
黑色電線 接COM 黑色電線 接COM 紅色電線
接mA
請轉至 DCA
圖3.16 太陽能板測量電流示意圖
3.將太陽能車組裝，如圖3.17，讓太陽能車運轉，體驗太陽能車的運作。
圖3.17 太陽能車教具
4.測量太陽能板負載馬達運轉電壓數值，將太陽能板置於陽光下，將三用 電表與電路並聯，電路如圖3.18，將三用電表旋鈕轉至20V位置，讀取液 晶螢幕上的電壓值，調整太陽能板角度，找出最高的電壓值，並紀錄最高 電壓值。
太陽能板 負載電壓 三用電表
圖3.18 電路示意圖(電壓並聯)
5.測量太陽能板負載馬達運轉電流數值，將太陽能板置於陽光下，將三用 電表與電路串聯，電路如圖3.19，將三用電表旋鈕轉至直流電流10A位置，
讀取液晶螢幕上的電流值。調整太陽能板角度，找出最高的電 流值，並 紅色電線
接mA 黑色電線 接COM
V M
紀錄最高電流值。
太陽能板 負載電流 三用電表
圖3.19 電路示意圖(電流串聯) M
A
参、教案三
教案名稱
行動劇-地球生病了設計者:
趙偉強教案目的
現今社會隨著科技的進步，先進電器越買越多，對於地球造成的汙染非 常嚴重，這些汙染會產生溫室氣體，使得地球越變越熱，溫室氣體更會 影響氣候變化，使得颱風的強度越來越大，大氣溫度也越不穩定，因此 本研究藉由行動話劇與生活習慣做連結，讓學生們了解對於地球的傷 害，進而引發學生對於環境和自然資源的珍惜，落實於日常生活中養成 良好的生活習慣。
參與人員
人員六位(地球、大氣、颱風、科技(人)、溫室氣體與自然資源)話劇內容
太陽系中有一顆最美麗的星球—地球，原本是太陽系中最閃耀的一顆行 星，但近年來卻變的烏煙瘴氣，原來是人類的活動造成的，要如何才可 以解救生病的地球呢？
科技(人)：在房子裡吹著冷氣、用電腦、看電視和一堆電器同時使用著。
地球：咳咳咳!!
大氣：地球你怎麼了。
地球：可惡的人類，生活越來越便利，電器、冷氣也越開越多，無形間 污染了我，使得我生病了，病的越來越嚴重。
大氣：在這樣下去連我也會開始崩潰，造成嚴重的後果。
自然資源：對阿！無知的人類，竟然一直使用我來產生產品，讓我的使 用年限越來越少。
溫室氣體：對於人類的地球上的活動，例如：開車、吹冷氣。對於我是 愈來越壯大，造成地球嚴重的後果。
颱風：嘿嘿嘿！這樣才好阿，無知的人類都依照自己的需求無止境的使
用自然資源，對地球造成無止境的傷害，這也才讓我的力量越來 越大，才可以讓人類受到制裁。
眼看的地球越來越不適合人類居住，部分擔心的人類，開始有了想要治 療地球的想法。
科技(人)：地球，妳怎麼了，為什麼有這麼多的天然災害呢？
地球：還不都是妳們這些人類，在我身上胡作非為，垃圾亂丟，車子造 成空氣汙染，隨意使用天然資源，這些都是造成我這樣的主因。
自然資源：對啊!地球說的沒錯，因為你們人類隨意的開發和使用我，一 點也不愛惜我，如今才會造成嚴重的後果！
溫室氣體：都是你們人類的科技排放二氧化碳，才會造成我越來越壯大 進而造成天然災害越來越多，傷害也就越來越大。
颱風：沒錯多虧了你們人類，我才會越來越強壯，這是對你們人類的報 復，都是你們咎由自取的。
科技(人)：我們知道錯了，但是我們應該要怎麼做才可以使地球回復以 前萬物欣欣向榮的樣子呢?
地球：首先要改善對於自然資源的浪費。
自然資源：在平常的時候，如果有不要用的燈就要隨手關掉和不要用的 電器用品的插頭就拔掉，還有路途不遠的地方就不要開車，
改成騎腳踏車或者走路，不僅可以減少碳的排放量又可以運 動健身，你們看這樣是不是一舉兩得。
大氣：自然資源說的沒有錯。
溫室氣體：難道這樣做，就可以解決地前生病的原因嗎??
地球：當然不夠，還必須依靠人類找尋再生能源。
科技(人)：再生能源?是水力、風力、太陽能和燃料電池…等的再生能源 嗎?
自然資源：沒有錯，除了珍惜原有的自然資源外，還必須依靠再生能源 的開發，可以舒緩自然資源的耗竭也可以把地球的病治好，
就可以還給妳們人類一個健康的地球。
科技(人)：目前地球狀況很緊急，必須先解決哪一類問題呢?
大氣：在找到大量再生資源發電系統之前，可以先從運輸系統下手。
溫室氣體：運輸系統造成的環境危害和空氣污染是很嚴重的。
溫室氣體：運輸系統造成的環境危害和空氣污染是很嚴重的。