能源科技學習活動之探討　

能源科技學習活動之探討－太陽爐

*_林姿華、**_陳馨雯、***_蘇全屏 *_{國立高雄師範大學工業科技教育學系碩士班研究生} **_{國立高雄師範大學工業科技教育學系碩士班研究生} ***_{高雄市立小港高中教師} 壹、 前言 近年來油價居高不下，世界各國於是都傾全力研究節省能源及開發新能源，太陽能即為 再生能源的新寵兒。能源也將會是下一個世紀人類爭相爭取的重要資源，有鑒於此，從高中階 段就讓學生能夠深入地去了解能源的意義、種類及如何節約能源變得相對重要許多。尤其台灣 地區天然能源缺乏，既沒有蘊藏足以開發的石油、天然氣，也沒有大量的煤礦，甚至連風力、 水力、潮汐等天然發電的來源也非常困乏，絕大多數的能源還是需仰賴進口。所以，如何開發 使用太陽能，以及高中教育來推展能源教育，訓練學生從了解能源做起、進而培養學生養成節 約能源的習慣，將是未來能源教育的一大課題。 貳、 教學活動設計 一、 單元名稱：太陽爐製作 二、 教學對象：國二學生 三、 教學先備知識：對能量轉換、光學有基礎的認識 四、 教學時數：八節課 五、 教學目標：1.認識熱能的傳導、對流、輻射。 2.培養學生面對問題主動探索，並利用科學的方法實施驗證。 3.培養學生與人溝通表達、團隊合作及和諧相處的能力。 4.引導學生從生活中去觀察太陽能、並利用製作太陽爐收集太陽能源。 5.引導學生如何操控太陽爐，使其發揮最大的效能。

六、課程綱要對照：核心課程： 三-2-5 瞭解能源之類別、開發、應用與動力裝置之安裝、原理及與生活的關係。 四-2-1 利用文字、圖表、工程圖、電腦繪圖或其他方式，清楚的表達創意與構想， 並且能實際安排完整的製作程序。 四-2-2 能夠將創意、構想與設計以實作呈現。 進階課程： 五-1-1 探討能源與動力和生活的關係。 五-2-1 探究能源的形式、開發、轉換、儲存、應用及未來發展等主題。 五-5-2 能夠將創意、構想與設計以實作呈現。 七、教學程序： 1.引起動機：利用日常生活中熱能傳導的實際問題，請學生發表意見。 2.確定問題：詢問學生如何收集大量熱能？並且有效儲存？ 3.導入主題：詢問學生是否瞭解知道什麼是「太陽爐」？ 4.呈現主題：介紹太陽爐的專題製作。 5.導入活動：將學生分組，並由各組設計並製作一個太陽爐。 6.呈現活動：依照學生各組自行設計之太陽爐進行製作，並針對測試結果進行改良。 7.評量活動：選擇一天中午舉辦太陽爐的實驗競賽。 8.教師講評：針對各組表現作總結，給予學生適時的回饋。 八、評量方式： 1.檔案評量：以學生在寫作學習單上的表現及收集與整理資料的情形評量。 2.實作評量：針對學生在活動實作上的表現情形、努力過程與最後成果。 3.學生自評：學生在自評過程中的內省與改進情形。

九、教材架構圖

教 學 活 動

利 用 教 學

PPT 介紹太

陽 爐 的 製

表達意見與 小組討論 發現問題適時 講解式教

太陽爐

製作

主動探索與 發現疑惑並解決

評 量 活 動

選 擇 一 天

中 午 舉 辦

太 陽 爐 的

實驗競賽

太陽爐

實 際 操 作

設 計 並 製

作 小 組 的

太陽爐。

畫設計

圖

同儕間腦力

製作

太陽爐

實際驗證理論 學習歷程總整理 如何有效 的收集熱 能？ 實際驗證理

確 定 問 題

利用學習單

引導設計時

應考慮的問

如何儲存 熱能，保 住溫度？ 熟悉網 路

引 起 動 機

生 活 周 遭

實 際 問 題

的討論。

穿深色衣 服會比淺 色衣服覺 腦力激盪 為什麼 「保溫 瓶」可以 小組討 汽車停在 大太陽 下，整台 主動探 為什麼冰 淇淋要用 保麗龍盒 主動探索與

參、 教學流程 教學流程 活 動 階 段 教 學 活 動 時 間 評 量 要 點 注 意 事 項 課 前 準 備 活 動 1.教師製作多媒體簡報。 2.確定教學媒體器材可以正常操作。 第 一 節 1.將教學媒體架設好。 2.學生先預習上課進 度。 引 起 動 機 透過下列生活中常見的問題，引導學 生思考： 1.夏天汽車停在大太陽底下，沒多久整 台車就會像烤箱一樣？ 2.從大賣場買冰淇淋回家，為什麼要用 保力龍盒子裝著？ 3.保溫瓶為什麼可以保溫？ 4.夏天穿深色系的衣服會比穿淡色系 的衣服覺得熱？ 1.學生發言的 秩序及創 意。 1.複習學生在理化課 所學的知識，並利 用生活中的經驗說 明。 2.鼓勵學生天馬行空 想法，如此才能激 盪出各種創意。 教 學 活 動 1.利用教學 PPT 介紹太陽爐的種類與 製作過程。 2.利用 PPT 及學習單說明這次太陽爐 設計的各種限制。 2.發下學習單。 3.藉由學習單，與學生討論如何設計一 個有效能的太陽爐。 1.學生發言的 秩序及師 生互動情 形。 1.事先將單槍投影 機、電腦準備好。 2.針對太陽爐的種類 與製作過程詳加說 明。 3.用問答法，隨時與學 生保持互動。 4.注意學生上課情形。 結 束 活 動 1.說明下一節課活動主旨「設計並製作 太陽爐」 1.注意學生討 論時的秩 1.請學生回去收集相 關資料。

2.說明學習單內容及之後活動方式。 序。 活 動 階 段 教 學 活 動 時 間 評 量 要 點 注 意 事 項 引 起 動 機 1.詢問學生學習單製作的情形？ 2.複習太陽爐設計的條件限制。 第 二 節 1.學生發言的 秩序及創 意。 1.鼓勵學生天馬行空 想法，激盪出各種 創意。 教 學 活 動 1.指導各組學生進行設計。 2.利用學習單複習這次太陽爐設計的 各種限制。 3.指導各組進行太陽爐實際製作的過 程。 1.學生發言的 秩序及師 生互動情 形。 指導學生需注意： 1.符合條件限制嗎？ 2.設計是否有創意？ 3.能在時間內製作完 成嗎？ 4.所需的材料方便取 得嗎？ 結 束 活 動 1.說明下一節課活動主旨「製作太陽 爐」。 2.請學生自行分配工作內容。 3.下次上課攜帶所需要製作的材料。 1.請學生回去收集相 關資料。 活 動 階 段 教 學 活 動 時 間 評 量 要 點 注 意 事 項 引 起 動 機 1.詢問學生太陽爐設計的情形？ 2.複習太陽爐設計的條件限制。 第 三 節 1.學生發言的 秩序及創 意。 1.鼓勵學生天馬行空 想法，激盪出各種 創意。 教 學 活 動 1.指導各組學生進行實際製作。 1.學生製作時 的秩序及 小組互動 情形。 指導學生需注意： 1.小組分工情形？ 2.使用危險工具的安 全性。

3.遇到製作上的瓶頸 時，適時協助解決 學生的問題。 4.多鼓勵學生，維持其 製作動機。 結 束 活 動 1.說明下一節課活動主旨「太陽爐測 試」。 2.請學生利用時間將尚未完成的工作 完成。 3.下次上課攜帶太陽爐進行測試。 1.請學生回去收集相 關資料。 活 動 階 段 教 學 活 動 時 間 評 量 要 點 注 意 事 項 引 起 動 機 1.詢問學生太陽爐製作的情形？ 2.觀察每組的優缺點，並提出。 第 四 ~ 六 節 1.學生發言的 秩序及創 意。 1.鼓勵學生，讚揚各組 的優點。 教 學 活 動 1.指導各組學生進行實際製作。 2.請同學在製作的同時，觀察其他組別 的優缺點，並改進自己組的缺點。 1.依評分表實 施評分 活 動 階 段 教 學 活 動 時 間 評 量 要 點 注 意 事 項 引 起 動 機 1.各組進度狀況。 2.下節課將開始比賽。 第 七 節 教 學 1.指導學生最後修正太陽爐。 1.依評分表實

活 動 2.學生能瞭解並說明自己組太陽爐的 優點。 施評分 結 束 活 動 1.學生準備下節課各組太陽爐的設計 源由。 活 動 階 段 教 學 活 動 時 間 評 量 要 點 注 意 事 項 評 量 活 動 1.帶領學生至空曠地點放置太陽爐進 行測試。 2.請學生發表這次太陽爐製作的心得 並說明該組的設計源由。 3.對於這次活動的過程進行講評。 4.利用等待沸騰的時間，針對各組的造 型進行評分。 第 八 節 1.依評分表實 施評分。 1.注意學生不要離開 視線亂跑。 2.測量溫度時，注意不 要燙傷。 結 束 活 動 1.對於這次活動進行講評，並對表現優 良的小組進行表揚。 2.請學生檢討小組的表現，討論如何使 小組的太陽爐更有效率？ 後 續 活 動 1.辦理全校性的太陽爐競賽，讓不同班 級學生相互觀摩。 1.配合學校行事曆。

肆、小組競賽流程表 一、規劃時間 老師說明製作太陽爐這項作品所需要的步驟，包含提出初步 構想、進行資料蒐集、選擇最佳方案、資料分析與設計討論、 小組工作責任分配、問題解決與討論、成果評鑑、改進檢討， 學生小組擬定各階段所需的時間。 二、提出初步構想 學生分配好組別後，各組初步描述對太陽爐的基本構思，有 了初步的想法才有辦法進行下一個蒐集資料的動作。老師可 以提供一些想法及圖片讓學生有方向去思考，以集思廣益的 方式要學生不斷地提供新意見，甚至以腦力激盪的方式想出 更多的點子。 三、進行資料蒐集 有了初步的構想之後，小組成員開始進行資料的收集，將收 集來的資料進行分析，討論初步構想的可行性是否高。請每 組學生構思兩種以上不同的設計方案，讓學生了解有選擇才 能選出最好的。 規劃時間 提出初步構想 進行資料蒐集 選擇最佳方案 四、選擇最佳方案 每組至少構思有兩種以上的不同設計方案，讓學生在眾多方 案中選出最好的方案。要學生選出最好的方案，究竟什麼才 是最好，老師要列出一些標準來幫助學生做抉擇，學生在構 想討論的過程中，偶而會有天馬行空的想法，這些都可提出 來做為討論再修改的意見。

五、資料分析與設計討論 太陽爐方案確定後，將定案後的資料進行分析。另外，從資 料收集的過程當中將構想做更完整的修改。學生根據所選的 構想，用筆畫出大致的草圖，在畫圖的過程當中可以訓練學 生用圖來表達自己的想法，以免淪為空談，因此越詳細的描 繪越好，並且每個部位的功能寫出來，最後再經由設計和分 析，並標示詳細尺寸、比例、材料、單位等，太陽爐的設計 圖也因此產生。 六、小組工作責任分配 設計圖確定之後，就要列出太陽爐所需的材料、工具，小組 內開始安排工作分配負責購買、攜帶的同學，列出工作步 驟，大家一起分工合作完成。當材料拿到時，組長就可以輕 易的分配好所有人的工作項目，如此可以有效率的完成作 品，也可讓大家參與其中，體驗分工合作獲得的成就感。 七、問題解決與討論 在製作太陽爐的過程中會出現各種問題，小組內可以共同討 論並嘗試解決，而老師所扮演的角色就是協助學生解決問 題、引導學生正確的方向，讓學生從挫敗中學習獨立研究， 培養學生在錯誤中學習也是一種挑戰自我的策略。 八、成果評鑑 在各組製作好太陽爐之後，選擇一天對太陽爐的效能進行測 試比賽。各組可以相互觀摩及進行評分。 資料分析與設計討論 小組工作責任分配 問題解決與討論 成果評鑑 改進檢討 九、改進檢討 在各組比賽結束之後，老師可以針對各組學生所製作的太陽 爐進行講評，並讓學生去討論出各種太陽爐的優缺點及可以 增加或改進的地方，在下一次製作時做為參考的意見。

伍、太陽爐的製作原理 一、太陽爐的原理 所謂太陽爐是將射達地表附近的太陽光線的放射能，盡可能有效率的集合起來。集中在狹小 面積上而得到高溫的光學系統，稱之為太陽爐。因此在光學系統上共同的問題就是製作一個有 高度能集中放射率的光學系統，同時要留意太陽的變化位置，才能使太陽爐發揮最大的功效。 除此之外太陽能具可再生與環保的優點，但有氣候條件與能量密度低等的限制，然而只要適當 地利用光學的反射及折射定律便能很容易收集光熱。除了收集光熱能之外，便要考慮如何將熱 能加以儲存利用，亦即保溫的設計。保溫的概念即防止熱能從傳導、對流、輻射三個方式散失。 太陽爐的製作重點在於一方面能有效率的收集熱能，另一方面是把收集來的熱能加以保存，同 時藉由製作太陽爐的活動讓學生們重視能源這項課題。 二、太陽爐設計構造 筆者自行繪製太陽爐的剖面構造圖，請參考圖 5-1。太陽爐內的主要構造及功能則以表格的 方式說明之。

圖 5-1 太陽爐参考範例剖面圖 構造名稱 功能 外箱或容器 它可以固定並保護其他組件，以免受天候的影響而損壞， 例如：廢棄紙箱、鍋蓋等。在教學上可採用回收紙箱，既 方便又環保，容器的內層中央則放置受熱體。 反射面 分主反射面與次反射面。其中，次反射面為內層的四周壁 面。當太陽爐放置於日光之下時，光線除了直射至受熱體 外，也經由反射面的反射而加熱受熱體。反射面的材質與 大小決定光熱的輸入量。可利用鋁箔紙、廢棄的光碟片、 光面鏡、鏡子等替代。 絕熱體 通常安置於底部與側面，以求最小的熱損失，使得導熱性 差的材料，用以隔絕太陽爐內的熱能不使其散失。可利用 廢報紙、廢布料、紙板和木料等易取得的熱絕緣材料。

透明的覆蓋 透明覆蓋太陽爐的目的是能穿透輻射能的材料，可以使光 線能透過去加熱受熱體，保持爐內溫度的功能，因溫度上 升所造成的熱流能經過鍋蓋有效的阻隔而進行二次加熱並 保持太陽爐內部的溫度。鍋蓋覆蓋材料的透光度會影響光 線加熱的效果，厚薄度會影響熱傳導。可利用一張紙或者 是玻璃板、塑膠板、保鮮膜等容易取得的材料。 受熱體 受熱體須由熱傳導良好的材料製成如鐵、鋁，這些金屬所 製成的鐵罐或鋁罐等，可將受外表塗成黑色以幫助吸收光 熱。可利用鐵罐、便當盒等。 陸、教學成果展示 筆者將實際教學時之學生作品測試與展示情形拍攝後，呈現如圖 1-圖 12 所示。 圖 1 小組太陽爐測試 圖 2 充分利用反光面吸收太陽能

圖 3 小組太陽爐測試 圖 4 以炒菜鍋做為集熱面板，十分有創意

圖 5 小組太陽爐測試 圖 6 利用紙盒收藏方便，節省空間

圖 7 小組太陽爐測試 圖 8 廢紙箱做成太陽爐，達到環保資源再利用

圖 11 最後在測試太陽爐溫度時，請同學戴上手 套避免高溫燙傷 圖 12 小組成員進行太陽爐組裝工作 柒、結語 太陽爐是集中太陽光線，藉由日光照射而得到高溫的裝置，它具有可再生利用、潔淨安全、 取得容易等各項優點。比上其它的能源，太陽能的取得只要將裝置擺滿地面，人人都可以捕捉 太陽能，但事實上卻稱不上是充分的利用太陽能，多數設計太陽能的裝置會被認為是觀賞用途 居多，在實用效能上卻有許多需要改進的空間。 太陽能與空氣、海水同樣是地球到處都有的資源，人們認定石油、煤炭、天然氣、鈾才是 使用最便利的資源，主要是太陽能製作的成本問題仍然是現今面對的困境，但我們必須認真利 用太陽能源，在成本上或技術上都要有更大的突破才行，因為化石燃料有限、核能發電也有許 多汙染環境的問題，雖然太陽能在利用上還有許多未開發或需要克服的問題，但只要找出適合 太陽能的利用方法，再加上政府積極推動利誘，給予財政上的補助或稅制上的各項優惠，有朝 一日，化石燃料資源耗盡，太陽能的成本或許會變成合理。

參考書目 黃文雄(1978)。太陽能之應用及理論。臺北市 : 協志。 日本太陽能協會（1987）。太陽能。台北市：科技圖書。 徐氏基金會（1980）。太陽能之應用。台北市：科學圖書大庫。 蔡秉修。太陽爐設計與製作。生活科技教育月刊，第 36 卷，4 期。 谷下市松撰；賴耿陽譯（1981）。太陽能基礎與應用。台南市：復漢。 大原儀撰；黃鼎昌譯(1976)。太陽能的利用。臺北市 : 華聯。 太陽爐資料庫http://solarcooking.org

<附錄一>太陽爐製作教師評分表 活動名稱：太陽爐製作 組別： 組員座號： 日期： 內容 項目 評 量 內 容 評量方式 配分 比例 得分 1、太陽爐體的材料以紙箱為主，隔熱 材料是否環保 視材料環保性加分 5% 2、反射材料是否使用違規材料 使用違規材料則扣分 5% 3、體積小於 9000 cm3 超過 9000 cm3 則依序扣分 5% 4、反射面積小於 1500 cm2 超過 1500 cm2 則依序扣分 5% 5、製作成本少於 200 元 超過製作成本則依序扣分 5% 6、重量少於 2 公斤 超過重量則依序扣分 5% 7、加熱室溫 100 cc 的水，在 1 小時內 將水加至沸騰 依沸騰順序遞減分數 30% 條件限制 65% 8、能依日照方向調整反射面並固定 能調整反射面並能固定者 為最佳 5% 1、學習單的製作 視資料蒐集程度加分 5% 2、設計圖的表達 設計圖是否完整、清楚 5% 3、太陽爐的設計創意 視裝飾的創意程度加分 10% 4、學習態度 視學生平時表現加分 5% 整體表現 35% 5、反省、檢討能力 依據測試結果提出的修正 10% 合 計 總 成 績 100%

<附錄二>太陽爐製作學生自我評鑑表 活動名稱：太陽爐製作 組別： 組員座號： 日期： 評分表【得分欄打ˇ】 評分項目 劣 2 分 尚可 4 分 可 6 分 優 8 分 特優 10 分 對於製作太陽爐之前資 料的蒐集完整性 □ □ □ □ □ 針對測試結果進行改進 情形 □ □ □ □ □ 學 科 知 識 太陽爐製作精細程度 □ □ □ □ □ 太陽爐的效能 □ □ □ □ □ 太陽爐的外觀 □ □ □ □ □ 製作整體金額是否超過 預算 □ □ □ □ □ 太陽爐材料是否兼顧環 保原則 □ □ □ □ □ 作 品 自 評 小組內的分工情形 □ □ □ □ □ 投注於此次活動的心力 □ □ □ □ □ 情 意 方 面 上課時的秩序 □ □ □ □ □ 合計得分 我覺得這次班上那個小組所製 作 的 太 陽 爐 最 棒 ？ 為 什 麼 ？

<附錄三>太陽爐 學習單Ⅱ 二年 班 第 組 各位同學：上一堂課已經介紹完太陽爐的製作了，今天你們小組內互相討論要做一個怎樣與眾 不同的『太陽爐』，並將討論出來的結果記錄在這張學習單裡面。 一、請將你們小組的太陽爐設計圖畫出來。 二、你們預計會使用到的材料，請列出來： 器 材 名 稱 數量 花費金額 器 材 名 稱 數量 花費金額 三、老師將從下列幾項來評量各組的表現，每一項各佔 25 分，共 100 分。而各組小組則從下 列各項進行自我評量： 評 量 項 目 太陽爐造型 花 費 金 額 材 料 環 保 分 工 情 形 小 組 自 評 分享： 老 師