青少年能源教育之研究

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青少年能源教育之研究

黃文良1 陳盟仁1 陳益和2 1 _{國立高雄應用科技大學電機系副教授} 2 _{國立高雄應用科技大學電機系研究生} bill@mail.ee.kuas.edu.tw mengjen@mail.ee.kuas.edu.tw iho1980@yahoo.com.tw

摘要

能源教育推廣是國內能源政策重要項目之一，本文針對青少年能源教育數位學習進行研究，首先將針對能量與能源二者關係加予區辨，並訂定出能源教育的工作目標。其次說明能量與能源於學校教育中所應扮演的角色。接著就青少年能源教育的內涵進行規範，及說明能源教育各個項目可能的教授內容及範圍。最後引進 e-learning 觀念應用至青少年能源教育數位學習，供後續研究建置數位學習網站之依據。文中敘述的能源教育規劃，可提供學校相關教師及學生的有力參考。

關鍵詞：能量（energy）、能源（energy sources）、青少年能源教育（teens energy education）、數位 學習（e-learning）

1. 前言

狹義而言，能源教育是針對特定的對象，於特定場所進行的教育方式，包括中小學及專科大學的能源教育、在職從業人員長短期的能源技術訓練、能源研究機構的人才培育等。廣義言之，能源教育泛指一般無特定對象無特定場所的教育及宣傳方式，如一般大眾化的能源資訊報導及宣傳等[1]。由字義來看，能源（energy sources）二字意指能量的來源，而且幾乎大家均能認同能源是近代社會中不可或缺的要素。因此，探討能源教育時，我們應先要釐清能源的定義，據此才能有效地教育大眾學習能源。如依教育部編定國語辭典解釋，能源二字意指可以產生能量的物質。一般可分三類：已開發的能源，如水力、煤、石油、天然氣；二為已確定的能源，但未大量開發者，如地熱、沼氣；三是替代性能源，正在研究開發者，如太陽、風力、潮汐

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等[2]。因此吾人將可以產生能量的物質統稱為「能源」，沒有能源人類就無法產生能量無法工作，甚至無法生存。至於能量又是什麼，為何人們需要如此地仰賴可以產生能量的各種能源呢？根據辭典定義，能量（energy）意指物體或力場所具有的工作能力，即稱為該物體或力場的能量。在相對論中，總能量等於質量乘以光速的平方。質量隨速率而變，與能量可以互相轉換[2]。另外，能（energy）這個字亦常常見到，根據定義，能指物質運動的能量。因運動形式不同而有電能、熱能、機械能、化學能、原子能等。能量間可互相轉換，以功率為計算單位。亦稱為能量[2]。由上述定義發現「能源」、「能量」及「能」之區別，不過因國內許多資訊取自英文，而英文對這三個名詞又常混用，因此極容易產生混淆[3,4]。於閱讀相關文獻時，英文字 energy，以實用的角度思考時可將之視為能源，若以科學角度討論時，應將其看成能量或能。基本上，因能量與能源二者關係相當密切，因此將之視為替代用語並不為過，唯使用者應要稍加留心辨別才是。正規的學校教育應該兼顧理論及實務，誠然能源教育如單就可以產生能量的物質部分— 即能源加予探討，因其牽連的課題原就已經相當地廣泛，例如包括能源的種類、形成、開採、轉換技術、成本、政治、經濟、節約等許多種課題；但是，不論使用何種能源，它的根本均在於產生能量，藉以提供人類工作的能力，因此可能會有一些不同的能源選擇。因此當吾人談論能源話題時，對於有關能的形式、能的測量、能的利用、熱力原理、能的轉換、能的利用效率等項目，理所當然也應該進一步學習才對。事實上，我國各級學校很早就已開始推廣能源教育，不過可能因為過去比較缺乏正統的大專能源教育，缺乏可資參考的課程標準，使得學校能源教育大多著重於能的來源（即能源）相關主題，至於能量這一部份則較為忽略，吾人應該及早導正才是[5-7]。因能量是各種能源的基本動力，各種能源可能用罄，但能量卻維持守恆，它特別需要以科學的角度探索，方能進一步明白它的意義及重要性。科學講究觀察、假設、檢定，及最後形成理論。人類善於利用能量轉換改善生活水平，靈活使用各種能源取得熱能和電能，近代人類文明於焉形成。綜言之，能源教育的工作目標包括： (1)認識能（即能量），包括能的起源、形式、原理、轉換及儲存。 (2)認識能源，包括能源的種類、各種非再生能源（煤、石油、天然氣及原子核）及再生能源（太陽、地熱、風力、水力、海洋及生質）的形成、蘊藏量、萃取技術、應用及未來發展。 (3)熟悉各種能及能源的相關議題，例如能量不滅、能源危機、能源科技、能源節約、能源與環境等。

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2. 能源教育的內涵

能源意指可以產生能量的物質，為了取得能量，自古以來，人類即想盡辦法尋找各種可以利用的能源。由中文字義，能源二字極容易與可以產生能量的來源一起聯想，例如煤、石油、天然氣、地熱、沼氣、水力、太陽、風、及潮汐等。不過當探討如何運用這些能源以產生我們需要的熱能及電能等能量時，此時關於能的轉換、效率、功率、儲存等問題亦必須深入地討論才行。如果沒有能源，人類就沒有能量，就無法正常工作，甚至沒辦法生存，而能量就是一切，我們使用能量做任何一件事情，例如我們縱身一躍、烘烤喜歡吃的麵包、或將人送上外太空等，隨時均必須有能量才行，以確保我們得到足夠的力氣順利地完成工作。能量的觀念較為抽象，我們無法看見能量，不過卻可以看見使用它的結果；我們無法製造它，只能利用它；我們無法破壞它，唯有浪費它（意即無效率地利用）；它不像食物及房子，其本身並無太多價值，必須一直等到使用它之後才會出現價值。能源與能量二者相輔相成，因此能源教育的內容應該包括這兩項主題。以下進一步分別檢視能量與能源二者的含意，除了更可深入明白二者的物理意義外，於規劃能源教育時可以更加地清楚內涵及範圍[8,9]。 2.1 能量（energy） 能或能量是人類生存最基本的動力，其含意及重要性可以自許多角度探討它，例如： (1)能量意即人工作或做功的能力，常用的單位有焦耳、爾格、瓩小時等。 (2)能量守恆定律是自然界的基本定律，它概括許多自然變化的規律，說明任何物質變化前後的總能維持不變。 (3)能量守恆定律不僅可用以觀察整個自然界，而且對於封閉或孤立系統亦同樣適用。如對某個系統不增加或減少能量，則在該系統內不論發生何種具體的變化過程，它的能量必然保持不變。 (4)愛因斯坦創立相對論後，證明質量和能量可以相互轉換。 (5)隨著人類觀測物理世界的能力擴大，新發現的現象雖日益增多，但能量守恆定律卻始終適用。 (6)能量概念不僅在解釋觀測到的物理世界方面有價值，而且能量守恆定律還極有助於探索物理世界中的未知事物，例如各種反物質粒子就是先根據這個定律作了假定，而後在實驗中獲得證實。 (7)所有各種形式的能量，都可簡單地看成為各種原子或核子的位能或動能，例如拉長的彈簧具有能量。 (8)熱能是能量最普遍形式之一，嚴格說來，熱能就是一系統中分子熱運動的動能。熱能轉

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變為機械能是工程技術上利用最多的一種方式。 (9)電能是現代技術領域中最重要的一種能量，它的應用涉及人民生活、生產以及社會活動各個方面。 (10)能量的傳遞可以是粒子的相互作用，也可以輻射的方式即電磁波的形式向空間傳播。 (11)由於加速運動的電荷或電磁場隨時間的變化引起輻射能，當輻射能被吸收或發射時就會產生能量和動量的傳遞。 (12)光是電磁輻射中最常見的一種，其他如無線電波、紅外線、X 射線等，亦都是屬於能的輻射傳播。 (13)核能是原子核內部的能量，當核的結構發生變化時可以放出，現今有兩種技術可使核結構發生鏈鎖變化，即核分裂和核融合。 (14)核分裂是當中子轟擊一個原子核時，該核會分裂成較小的兩個核，並放出巨大的能量。 (15)核融合較難發生且不易控制，例如由四個氫核結合成一個氦核，並放出能量，這是宇宙中恆星能量的來源。

2.2 能源（energy sources or energy resources）

為了取得能量，人類必須不斷地尋找能量的來源（即能源），運用能的轉換變成人類所需的各種能量（如電能及熱能），以改善及提升生活品質。 (1)人類可以利用適當設備，將燃料、流水、陽光及風等轉變為所需的能量。 (2)人類利用自己體力以外的能源是從用火開始的，而最早的燃料是木材；後來利用地表裡的化石燃料，如瀝青、泥煤、煤炭、石油及天然氣等。 (3)中國很早就利用天然氣點燈、加熱和做飯，其亦是最早開採煤礦的國家。 (4)風車可能發明於中國，後來傳入中東及歐洲地區。古巴比倫人已知利用水車灌溉，而古羅馬人的麵粉廠和鋸木廠亦已開始利用水車做為動力。 (5)太陽的熱核反應釋放巨大的能量，太陽輻射實際上為大地和太空提供無窮的能量。太陽能的熱效應引起地球大氣產生風，而河川流水的能量也是間接來自太陽的輻射。 (6)核分裂是重要的能源，一個鈾原子分裂放出的能量比燃繞一個分子的汽油大幾百萬倍。 (7)有些能量可從太陽、風力、水力、地熱及潮汐等再生能源連續產生，雖然這些能量很大，但目前只有少量可以合理的價格取得，因而只占世界所需總能的一小部分。 (8)地球大氣層外的太陽輻射能每平方公尺約為 1354 瓦，地表上某一地點接受的日射量介於 0~1050 W/m2，但實際上能利用的很少。 (9)風力斷續分散，很難加以經濟地利用，今後輸能、儲能技術如有重大改進，風力的利用將會增加。 (10)地熱的利用雖有研究，但尚無經濟可行的方法，必須有天然熱井才行，因此僅在少數

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國家得以利用。 (11)潮汐雖具有巨大能量，但利用卻很困難，目前在若干具有適當地形的地點採用潮汐發電。利用海水溫差發電也在試驗中。 (12)木材燃料在世界能源中仍具有一定地位。由農產品（如玉米）製取乙醇，有些國家將之試用為內燃機燃料。 (13)當前世界化石燃料消耗量很大，但地球上這些燃料的儲存量是有限的。預期未來核分裂仍將提供世界所需的大部分能量一段時間。 (14)控制核融合的技術如能得到解決，人類將可獲得無窮盡的能源。 (15)燃料電池及氫氣的研究發展持續進行，預期在未來能源中扮演相當重要的角色。由上說明，可以清楚看出能量及能源對人類來講均非常重要，而且二者關係非常密切，實在需要我們更深入研究及探討。根據中文字義，能源教育很容易被誤解僅針對能源部分進行推展工作，至於能量部分極可能被簡化或甚至被忽略。因此從事能源教育工作者，於規劃教材時應該特別注意才是。

3. 青少年能源教育之教材內容範圍及概述

青少年能源教育主要目的在於引導認識能源（包括能量）、培養愛惜能源及節約能源觀念，及練習動手實際操作的應用。學習教材內容應包括能量的起源、意義、形式、原理、轉換，及能源的意義、傳統能源、再生能源、能源供需，及能源相關議題（如能量不滅及節約能源等），參考圖一架構。底下簡要地分別介紹教材內容，可提供各級教師製作能源教材之參考。 3.1 能量的起源 宇宙間發生的所有活動均與能量有關，其中包括人類的活動，以及各種物理的活動如發光的太陽、繞轉的星球、移動的潮汐、與成長及衰退的動植物。探討的主題包括：能是什麼、天然能、肌肉能、火能、風能及水能；能的種類：動能、位能、熱能、電能、化學能、核能；熱力學、能量不滅、能的轉換；能的運用、蒸汽能、運輸能、住家利用的能、能的量測、通信利用的能、光合作用、食物能、化石燃料能及能的最佳利用等[10]。 3.2 能量的意義 到處都有能量，任何事件之發生蘊涵著自一種型式轉變成另一種型式的能量。能量為任何事件發生之能力，其無法創造亦無法毀滅。植物及動物從大自然取得能量幫助它們成長及生存，最聰明之動物—人類，已經發展出許多方法使用可以被利用的能量，以幫助他們改善生活的方式。遠古人類知道利用火能，並且發展出許多工具，可以更有效地使用力氣，不過

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及能量的觀念，更是各國政府的責任。隨著 e-learning（數位學習）的學習風潮，規劃建置學習網站之後，設計更富學習效果的教學內容，需要更多研究人力及時間的投入才行。

6. 結論

能源及能量是現代化社會進步的原動力，而且二者的可利用性及成本是任何國家經濟成長的主要因素。各種能源及能量的使用情形極為錯綜複雜，當我們試圖滿足光、熱、電…等能量的需求時，即得使用各種非再生及再生能源，此時我們必須將能源與各種需求連結，因煤炭堆聚一起並不會自己發電，此時要將能源及能量送至需求處，就得依靠各種搬運或轉換工具（例如運輸、鍋爐、高壓線），這些歷程均會遭遇許多包括經濟、環境、政治或其他的難題，凡此均需要我們妥善加以考量及處理。國家能源政策要點之一即推廣全民能源節約、能源利用效率及能源教育。於學校教育中特別是國中高中職青少年階段，如能成功地推廣能源教育，國家未來才有機會養成具有能源素養及充滿活力的公民。青少年能源教育如要發展成功，依照不同求學階段特質，仔細地規劃出合適的能源教材更是刻不容緩，在本土能源教育尚未成熟以前，善用網路參考先進國家的能源教育模式，並積極建置適合本土教育環境的青少年數位學習網站，藉由生動活潑的數位內容傳達正確的能源教育相關訊息，應是一種可行方法。

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