探索能源的奧秘－以太陽能為例
劉崇武、彭秀美
國立高雄師範大學工業科技教育學系 研究生
國立高雄師範大學工業科技教育學系 研究生
二十ㄧ世紀太陽能將會替代石油成為最主要的能源，它的優點是零污染、取之不盡、用之不竭的燃料。如何利用它的熱能來幫助我們解決生活上的一些問題，供應我們迫切需要的能源將是本研究最終目的。是以：如何透過教學活動設計，讓學生在實際操作中了解、認識太陽能的特性及其效益；引導學生漸次進一步去探索太陽能的功用；更深一層研究太陽能科技，甚至普及運用在日常生活中。
「我聽過，我忘記；我看過，我記得；我做過，我瞭解」，這種杜威「做中學」的理念促使研究者認為：學生在實驗操作與現象觀察中可以得到具體且直接的感受，故希望融合實驗操作與現象觀察的POE實驗教學活動來強化學生的科學研究及學習。
台灣師大科教所所長
使用POE模式教學時，發現由於作「預測」較少受到「什麼是正確答案？」的想法影響，平時內向不善表達的學生較能在同學鼓勵下發言；兒童在實驗中運用，學生的投入度亦有所提昇。所以將POE模式運用在實驗活動中以及教學單元中，以求提昇合作學習之教學成效即改進實驗教學。
實驗的特色：(1)以實驗幫助學生聚焦思考， 學生觀察的科學現象常是許多事件一起發生，因此常會因其他因素誤導以致產生『聚焦不準』的情形，故實驗能幫助學生聚焦思考。(2)以實驗引導深入思考，當學生學學到基本的科學原理後，透過實驗的設計讓學生觀察其他的科學現象，若學生運用所學的知識來解釋所觀察的現象，其概念也藉此獲得擴展。
以POE（觀察-預測-解釋）實驗教學法與趣味科學實驗啟發學生思考、學生具體操作實驗與探索太陽能之概念理解，並以實驗來證明學生所習得概念。本研究旨在深入探討個案學生在POE（Prediction-Observation-Explanation）實驗教學活動中的對能源概念認知發展情形。
台灣地區對電力轉換所需的能源總量基本上仍將隨經濟與地方發展而持續成長，預期國內未來的電源開發，將以配合現實環境條件並追求更高效率與安全可靠性，而太陽能源不但具備此一特色，其發展更有助於解決地球石油能源日益短缺及滿足生態與環境保護的要求，然太陽能發電，近年來正快速發展，已成為世界各國積極推動的主流，其前景可期，太陽能已被公認為最具發展潛力的替代能源。
為臺灣的永續生存，於容易取得且無污染之替代能源的研發，對臺灣地區顯得更為迫切，而台灣地區位處亞熱帶，太陽幅射能極為豐富，由於太陽能早已被公認為是未來極具開發潛力且符合環保之最佳能源。
再則我們今天所使用的能源，多年來因無限制的開採，不僅面臨即將用磬的窘境；能源轉換過程所產生的廢棄物，嚴重影響地球生態環境。開發無污染之新能源，已成世界先進國家努力的目標。我為能源稀少之國家，大部分能源都須仰賴進口。台灣受制於地理環境，能源的取得更是艱難，故對此問題應予於關注。如何培育我們的幼苗對太陽能概念的認知，相形重要；由概念的學習進而將太陽能技術應用於日常生活中，更是教育中不可或缺的一環。
因此本研究將透過P0E實驗教學，讓學生由基本的觀察一天中溫度變化的情形為出發點；經多項的實驗研究，讓學生了解如何利用太陽的熱能，幫我們解決生活上的一些問題，供應我們迫切需要的能源，具有環保概念的太陽能！將是我們這一代年輕學子不可不挖的大寶藏。學生透過實驗研究對太陽能有更深一層的認知，靈活應用於日常生活中。
參、研究目的
一、以實驗來探討各項問題，引起學生興趣。
二、如研究過程之各項實驗。
三、從實驗過程中，運用科學方法，培養科學精神，以達學以致用。
肆、待答問題：
一、一天中，溫度變化的情形？
二、不同地面及高度的溫度變化情形？
三、不同樓層高度對溫度變化情形？
四、同材質不同顏色吸收太陽熱能的程度？
五、不同材質吸收太陽熱能的程度？
六、同材質不同厚度的不銹鋼片吸收太陽熱能的程度？
七、同材質不同面積大小，吸收太陽熱能的程度？
八、不同材質的布料保溫效果如何？
九、不同材質的布料保溫效果如何？
十、 環境影響吸收太陽熱能的程度？
伍、研究設備與器材
溫度計50支、手錶5只、各種不童材質容器、各種不同材質布料、各種不同材質玻璃、固定架20個、不銹鋼片15塊、放大鏡6支。
陸、研究過程
一、探討一天中，溫度變化情形？
(一)預測：下午1時為一天中溫度最高時候？
(二)方法：學生六人一組、分五組輪流觀察記錄，並選擇兩種不同材質的兩處，在同一區域，由早上9時至16時，每隔一小時測量一次氣溫，取平均值。
(三)記錄：（參考圖表一）
表一：一天中溫度變化表
(四)結果：由各組學生觀察記錄比較，互相討論並提出問題，引發學生更深入的思考。並從實驗紀錄中發現一天溫度最高是在下午一時，與預測符合。學生由觀察中了解PU較易吸熱，故比泥土地溫度高。
二、探討不同地面及高度的溫度變化情形？
(一)預測：
①水泥地的溫度最高。
②高度愈高、離太陽愈近，溫度愈高。
(二)方法：學生各組分別選擇不同地面及不同高度，每天早上9時至16時，每隔一小時測量一次氣溫，取平均值。
(三)記錄：（參考圖表二）
表二： 不同地面及高度的溫度變化表
(四)結果：
①由實驗紀錄中發現沙地的溫度＞水泥地＞柏油地……溫度最低的是樹下泥土地。因為
沙地、水泥地、柏油地受太陽直射易吸熱，溫度較高。樹下泥土地沒有受太陽直射，
故溫度最低。與預測水泥地溫度最高有誤差但已接近。
②地面溫度＞50㎝＞100㎝，故離地面愈近、溫度愈高，因為地面易吸熱，又無風吹拂，
故溫度較高；高度愈高，空氣易流通易散熱，故溫度較低。與預測觀念有出入。
三、探討不同樓層高度對溫度變化的情形？
(一)預測：樓層愈高，溫度愈高。
(二)方法：選擇不同樓層，每天早上9時至16時，每隔一小時測量一次氣溫，取平均值。
(三)記錄（參考圖表三）
表三：不同樓層高度溫度變化表
(四)結果：樓層愈高，空氣流通快，風較大、散熱快，溫度愈低，與預測不符。但有新
的發現，二到四樓的溫度較高。
四、討同材質不同顏色吸收太陽熱能的程度？
(一)預測：黑色在太陽光下最容易吸收太陽熱能，所以溫度最高。
(二)方法：選擇同一地點，將溫度計包顏色紙，從早上9時至16時，每隔一小時測量一次氣溫。
(三)記錄：（參考圖表四）
表四：同材質不同顏色吸收太陽熱能的程度表
(四)結果：從實驗紀錄中，發現深色系列（黑色、棕色）的顏色，在太陽光下較易吸儲
太陽熱能，故溫度最高與預測符合。
五、探討不同材質吸收太陽熱能的程度？
研究一：
(一)預測：鐵材料在陽光下最容易吸熱，所以溫最高。
(二)方法：選擇不同材料，從早上9時至16時，每隔一小時測量一次氣溫，取平均值。
(三)記錄：（參考圖表五）
表五：不同材質吸收太陽熱能程度表
(四)結果：
①鐵、不銹鋼在太陽光下溫度最高，與 預測符合。
②由記錄觀察發現，材料比熱小傳熱快，溫度也高，但散熱也快。
研究二：
(一)預測：依研究一再選擇最易吸儲陽光的材質再比較。
(二)方法：選擇最易吸儲陽光的材料，從早上9時至16時，每隔一小時測量一次氣溫，
取平均值。
(三)紀錄：（參考圖表六）
表六： 不同材質吸收太陽熱能程度
(四)結果：
①以不鏽鋼（黑色）、鐵（黑色）、鋁（黑色）、塑膠（黑色）在陽光下最易吸儲陽光，故溫度較高。
②由觀察記錄發現材質表面粗糙，溫度愈高，表面愈光滑，溫度較低。
六、探討同材質不同厚度的不銹鋼片吸收太陽熱能的程度？
(一)預測：不銹鋼片厚度愈厚，在太陽光下最易吸收太陽熱能，故溫度最高。
(二)方法：選用不同的不銹鋼片，每天早上9時至16時，每隔一小時測量一次氣溫，取平均值。
(三)記錄：（參考圖表七）
表七：同材質不同厚度的不銹鋼片吸收太陽熱能程度表
(四)結果：
①從實驗紀錄中，發現材料厚度愈薄，吸儲太陽光熱量快，溫度最高，與預
測不符合。
②觀察中再度發現，材料厚度愈薄，溫度升高愈快，但冷卻也較快。
七、探討同材質不同面積大小，吸收太陽熱能的程度？
(一)預測：面積愈大，吸收太陽直照面大，故溫度最高。
(二)方法：選用大小面積不同的不銹鋼片，每天早上9時至16時，每隔一小時測量一次氣溫，取平均值。
(三)記錄：（參考圖表八）
表八：同材質不同面積大小吸收太陽熱能程度表
(四)結果：從實驗紀錄中，發現面積愈大，受太陽直照愈多，所以吸收太陽熱能較多，故與預測符合。
八、探討同容器內，水量的深淺，對吸收太陽熱能的程度？
(一)預測：容器內水量愈多，吸收太陽熱能較多，故溫度最高。
(二)方法：選用大小相同、材料相同的容器，內裝不同水量，每天早上9時至16時，每隔一小時測量一次氣溫，取平均值。
(三)記錄：（參考圖表九）
表九：同容器內水量的深淺對吸收太陽熱能程度表
(四)結果：水量高度愈低，溫度升高的愈快也愈高，但同時冷卻的速度也愈快，與預測不符合
。
九、探討不同材質的布料保溫效果如何？
(一)預測：棉花在太陽光直照下，溫度最高。
(二)方法：選用不同材質的布料在陽光下，每天早上9時至16時，每隔一小時測量一次氣溫，取平均值。
(三)紀錄：（參考圖表十）
表十：不同材質的布料保溫效果表
(四)結果：
①由觀察紀錄中發現牛仔布、毛絨的材質最易吸儲太陽的熱量，溫度較高，
與預測不符。
②牛仔布和毛絨布為冬天穿著的較佳衣因保溫效果良好。
十、探討環境影響吸收太陽熱能的程度？
研究一：
(一)方法：容器上加上不同材質的蓋子。
(二)實驗：每天早上 9時至16時，每隔一小時測量一次水溫。
(三)紀錄：（參考圖表十一）
表十一：環境影響吸收太陽熱能程度表
(四)結果：
①蓋子使用不透明玻璃的水溫最高，因為太陽光線的波長較不易反射出去，
故溫度較高。
②加放大鏡效果不佳，有可能是放大境對大面積水量而言，陽光的吸收量（焦點一點而已），面積受到限制而效果反而差。
研究二：
(一)方法：在容器的四周，使用不同型式的防風墻，並討論及預測其效果。
(二)實驗：每天早上 9時至16時，每隔一小時測量一次水溫。
(三)紀錄：（參考圖表十二）
表十二：在容器的四周使用不同型式的防風墻溫度表
(四)結果：型式
③的為最佳，因三面防止風的吹入，使溫度不易被吹散（散熱），故溫度最高。
研究三：
(一)方法：選用同材質的蓋子、容器，灑下不同灰塵量。
(二)實驗：每天早上 9時至16時，每隔一小時測量一次水溫。
(三)紀錄：（參考圖表十三）
表十三：選用同材質的蓋子容器灑下不同灰塵量溫度表。
(四)結果：蓋子上面灰塵愈多，防止太陽光射入，故溫度較低。反之灰塵量少，太陽光射入多，溫度高。
柒、結論
目前地球上最重要的能源大都依賴石油，然近來石油價格一路飆漲，進而影響到了每一個人的生活，使得世界各國越來越重視替代能源方案的開發。本教學設計的完成與實施，對『地球資源取之不盡用之不竭』觀念的匡正，亦當有所助益。
太陽的熱能對大地來說，是取之不盡的大寶山，也是地球不可或缺的熱源，可從以上之實驗得到證明。
一、水泥、沙地是溫度最高的地方，若加上防風牆，溫度可提高4至5度左右。
二、樓層愈高溫度愈低，故大廈使用太陽能熱水器，不實用。2至4樓較佳。
三、深色的顏色，吸熱愈多，溫度較高，所以校服夏天以淺色為主，白色最佳較為涼爽。冬天以深色為主，黑色最佳易吸熱保溫。
四、住在亞熱帶或熱帶地區，房屋四周外牆如油漆，以淺色或白色為主較涼爽，其他地區以粗糙、黑色或深色為主，屋內較溫和。
五、太陽能熱水器集熱板內的管子，使用不銹鋼管效果較好，不生銹溫度又高，使用期間又長，不易因溫度高而損壞破洞。
六、面積愈大，厚度愈薄，吸收太陽熱能較快也較高，故太陽能熱水器，不可使用太厚與面積太小的集熱板。
七、使用太陽能熱水器應在北邊或三邊（南邊除外），加上防風牆，以減少熱量損失、並提高溫度。
八、灰塵量也是影響太陽熱能吸收的效度，故應視四周環境灰塵量的多寡，每一至二個月，擦拭集熱板上之灰塵一次，以增加受熱的效果。
九、集熱板與太陽直、斜射角度有關，斜射角地區應每三至四個月，最少每半年要調整一次角度。
十、太陽能的使用被科學家寄以厚望，它是零污染又易獲得的能源，在二十一世紀中，將是提供我們最乾淨、最便宜的能源。
此次的實驗，讓我們告訴學生如何來解決日常生活上所遇到的問題，學生在實驗操作與現象觀察中可以得到具體且直接的感受，故希望融合實驗操作與現象觀察的POE實驗教學活動來強化學生的科學研究及學習。此教學的設計精神首重學生觀察、推理能力的培養，及所學過的知識來解釋新的實驗現象的能力。
捌、參考文獻
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