高中生活科技能源与动

高中生活科技能源與動力主題教學活動設計-以太陽能模型車活動設計為例645高中生活科技能源與動力主題教學活動設計-以太陽能模型車活動設計為例黃進和臺北市立南港高工教師摘要面對21世紀全球化與知識經濟的挑戰，每個人都需要具備創新思考、解決問題與團隊合作的能力，以提昇個人的競爭力。因此學校課程教學宜因應時代的變革與學生的需求，調整課程內涵與教學活動設計。本教學活動為綜合高中生活科技「能源與動力」單元活動，透過「動手做」(handson)、團隊合作學習等活動學習工程與科技的概念，並在教學活動中融入創新思考的方法，激發與培育學生創新思考的能力。本教學活動包含教學目標、教學活動設計、學習活動單、評量表等，提供高中生活科技教師之教學參考。關鍵詞：創新思考活動設計、生活科技活動設計、能源與動力活動設計臺北市第7屆教育專業創新與行動研究徵件暨成果發表會高職組成果集646一、單元教學活動名稱：太陽能模型車二、教學對象：綜合高中一年級學生三、教學時數：10節四、教學目標本教學活動為綜合高中生活科技「能源與動力」單元活動，主要是透過太陽能模型車的製作與競賽，學習汽車動力、電路系統的相關知識，同時瞭解到目前人類所面臨的能源問題。整個教學活動仍將延續前二個單元，運用創新思考方式，設計模型車的造型，再以簡單的手工具組合完成太陽能模型車，最後採取競賽方式，測試實際動力輸出的結果，以比較設計與實際的差異。本單元仍採取小組合作學習方式，養成團隊合作的習慣，以及分工合作的能力。本教學活動單元之具體目標為：1.培養小組合作學習的習慣。2.培養創新思考與問題解決的能力。3.瞭解動力與能源的重要性及其影響。4.瞭解太陽能基本原理及其發展。5.學習汽車與動力基本原理。6.瞭解基本電學原理。7.培養安全的工作習慣與正確的學習態度。五、活動概說國際能源組織預測，地球上的石油含量大約只剩下40-50年，能源使用問題逐漸成為列強爭奪的目標，以及控制世界經濟與科技發展的工具。2005年石油每桶創下70美元的天價，不僅嚴重影響世界經濟成長率，也使得世界經濟的主導權，掌握在少數能夠控制石油輸出的國家手上。未來十年，石油問題，乃至其他的能源問題，必然仍是國際重要的議題。近百年來石油造就了人類科技的發展，但也爲人類帶來諸多環境污染的問題。由於大量使用石化燃料，所產生的CO2造成了地球的溫室效應，影響生態環境甚大。1973年石油危機後，各先進國家無不盡力尋找石油替代品，研發替代能源，如潮汐、太陽能、風力、火力、生物能源等，其中以太陽能科技最受矚目，可說是能源的明日之星。國內已有許多太陽能晶片、太陽能電池製造工廠，高中生活科技能源與動力主題教學活動設計-以太陽能模型車活動設計為例647教育體系從大專院校到國中小學都有教授太陽能的課程或社團。因此本活動單元規劃為太陽能模型車競賽，主要是帶領同學理解能源的重要性，了解太陽能運用的方式，同時藉由模型車的設計與製作，讓同學了解汽車動力原理，以及培養創意設計的知能。六、主要概念1.動力與能源的概念；2.創新設計方法；3.合作學習意義；4.太陽能基本概念；5.基本動力原理；6.基本電學概念；7.工作安全的態度與知能。七、所需工具設備與材料(一)工具設備電腦40台印表機1台廣播教學系統1套電銲槍6台保麗龍切割器1台美工刀6把螺絲起子6組老虎鉗1把尖嘴鉗1把線鋸2把(二)材料與教學媒體電腦繪圖軟體(授權板)40套A4紙張1包銲錫1捲保麗龍珍珠板若干塊(厚3mm以下，各種顏色)保麗龍膠數瓶白膠1瓶硬紙板(各種顏色)若干張太陽能模型車素材(底盤×1、40×3.5輪胎×4、Φ3×100輪軸×2、32齒平齒輪×1、32齒×8齒中間齒輪×1、8齒柱齒輪×1、太陽能馬達0.5-6V10mA×1、馬達支座×1、齒輪支架×1、塑膠止滑管×4、太陽能晶片1V300mA×3)其他(由學生自行準備)臺北市第7屆教育專業創新與行動研究徵件暨成果發表會高職組成果集648八、教學實施程序時間老師的活動具體目標學生的活動發下教學活動單，說明本單元主題與學習目標（教學活動單）。1.聆聽老師說明，瞭解太陽能模型車的內容與學習活動目標。第一節介紹動力與能源的概念，說明本活動任務（教學活動單）。3、42.聆聽並回答老師問題，回想先前教學內容。太陽能教學影片觀賞(學習活動單一)43.注意觀賞影片內容，記錄重點並完成學習活動單內容。第二節重申本單元學習的目標，並要求學生利用課餘時間思考、蒐集太陽能相關資訊。3、44.下課後仍繼續探索，以深入探索太陽能的相關知識。基本的傳動機構、四連桿機構介紹(學習活動單二)55.注意聆聽並練習學習活動單的問題。第三節四行程內燃機、輪系介紹(學習活動單二)56.注意聆聽並練習學習活動單的問題。基本電學原理、電路聯接之電壓與電流變化介紹(學習活動單二)67.注意聆聽並練習學習活動單的問題。第四節馬力與馬達轉速及汽車速度之關係58.注意聆聽並練習學習活動單的問題。介紹太陽能模型車的設計範例(實體及圖片)（學習活動單三）。2、3、49.專心聆聽老師講解，瞭解模型車的構造及設計方式。第五節分組與指導學生討論設計構想（學習活動單三）。1、210.分組與討論太陽能模型車的設計構想，並繪製草圖11.隨時紀錄與修改小組討論結果。協助學生繼續討論，完成問題解答，及完成工作計畫(學習活動單三）。1、212.分工合作，積極參與討論，貢獻自己的構想。13.小組成員繼續思考是否作修改。第六節要求學生利用課餘時間準備製作模型車的材料1、214.依據工作計畫中所列材料清單，分工蒐集並於下次上課時攜帶至學校。示範電路焊接方式，並說明安全注意事項6、715.仔細觀察老師的操作，並熟記操作順序與安全作業規定。第七節協助與指導學生組合模型車。1、5、716.依照工作計畫中的分工，開始組合模型車。協助與指導學生繼續組合模型車及製作車身造型。1、2、517.依照工作計畫中的分工，繼續組合模型車及製作車身造型。第八節說明車身結構與車輛行進速度與摩擦力的關係518.注意聆聽老師說明。19.思考老師的說明並與同學討論如何改善模型車的結構設計，以使動力與車速得到最佳的組合。（續下頁）高中生活科技能源與動力主題教學活動設計-以太陽能模型車活動設計為例649（承上頁）指導學生計算出模型車的前進速度(學習活動單四)4、5、620.根據第二次上課所學，嘗試計算出模型車可能的前進速度。第九節安排學生進行模型車競賽4、5、621.依照老師安排，分組進行模型車競賽，並紀錄行進情形。協助與指導學生瞭解競賽及測試結果與學理不同之處。(學習活動單四)4、5、622.比對測試紀錄與原來計算值之間的差異，並回答學習單問題。第十節分發及指導學生進行自我評量(學習活動單四)123.遵照老師指導，完成自我評量工作。九、重要知能1.太陽能就是太陽所放射的輻射能，巨量的太陽能傳到地球時，大部分的能量被大氣散射掉，只47%的能量傳到地面。基本上太陽能是一種稀薄的能源，需要廣大的面積才能收集到所要的能量；此外，季節或是天氣的變化以及夜晚的影響，會使得太陽能中斷無法連續供應。太陽能電池乃是應用光電效應原理來產生電力。陽光照射到金屬的表面上時，部份光子會擊中金屬原子，光子的部份能量轉化為提升原子外層電子的位能，使該電子從原子中遊離出來，另一部份能量則轉化為該電子從原子中飛脫出來的動能。遊離出來的電子具有負電場，在導體之內形成負電壓，故此電子會流向電位相對較高(又即負值較低)的區域，若能夠適當地將之加以調控，即可以做成供人類應用的電能。近代已發展到許多太陽能轉換能源的應用，如太陽能熱水系統、太陽能暖房系統、太陽能發電、太陽能蒸餾法、太陽能炊具、太陽能冷房、太陽能冷凍系統、太陽能電池。2.動力的傳送可分為直接接觸傳動及間接接觸傳動。直接接觸傳動就是主動件與從動件彼此接觸，動力直接由主動件傳達至從動件，此類的傳動機構有摩擦輪、齒輪、凸輪。間接接觸傳送就是在主動件與從動件之間有中間媒介物，藉此媒介物將動力傳送至從動件，此類傳動機構又可依據媒介物不同區分為撓性傳動：如皮帶輪、鏈輪、繩輪；剛性傳動：如四連桿機構；流體傳動：如氣壓、液壓傳動；其他：如磁力傳動、滾珠(柱)傳動。無論採用上述何種傳動方式或傳動機構，都會因阻力或摩擦而損耗部分的動力，也就是輸入能會大於輸出功。輸出功與輸入能比值的百分比稱為機械效率(η)，效率愈高表示損耗愈少。臺北市第7屆教育專業創新與行動研究徵件暨成果發表會高職組成果集650輸出功機械效率η=──────×100%輸入能NDTA×TC輪系值e=────=──────NATB×TD3.四行程引擎工作原理：(1)進氣行程：空氣經過化油器與汽油混成為混合氣，從進汽門充滿汽缸的行程。此行程的活塞正好自上死點向下移動，進氣閥門打開，排氣閥門關閉，稱為進氣行程。(2)壓縮行程：此行程的活塞經下死點往上移動，進氣及排氣門全部關閉，活塞上升將空氣壓縮到甚小之體積，成為高溫高壓之狀態，稱為壓縮行程。(3)爆炸(動力)行程：引擎的火星塞在此時點火，引爆混合氣產生動力，活塞被爆炸的能量自上死點向下推，動力經由活塞、連桿、曲軸而輸出，當活塞到達下死點時，稱為動力行程。(4)排氣行程：此行程活塞自下死點向上移動，排氣門打開、進氣門關閉，活塞將燃燒後的廢氣排出汽缸，此為排氣行程。進、壓、爆、排為四行程引擎的一個工作循環，引擎不斷地重複此四個行程，產生動力輸出，整個引擎的動力機構，就是一組曲柄滑塊的四連桿機構，引擎的活塞為滑塊，活塞(主動件)透過連桿(中間媒介物)將動力傳送到曲柄(從動件)，曲柄再傳送動輪軸或飛輪等機構。4.齒輪在傳動機構中扮演重要的角色，主要用於傳達動力、改變從動件的運動方向、改變旋轉速度等。齒輪具有準確的轉速比、可傳達較大的動力、高低轉速均可傳送、變速操作容易、使用空間小、潤滑容易少磨損等優點。齒輪傳動是由一組輪系組合而成，從動件最後的轉速及轉向可由輪系值及主動件的轉速求得。5.車輛前進屬於直線運動，但引擎或輪胎轉動則屬於圓周運動。直線運動的距離(S)等於輪胎圓周長(πD)與轉動次數(T)的乘積，也就是S=πDT。如果將等號兩邊除以時間，就可以求出車輛的前進速度(V)=πDT/t，或V=πDN。N就是轉速，通常以RPM或RPS表示，也就是每分鐘或每秒鐘的轉動次數。以上說明，車輛的直線速度與輪胎直徑及轉動速度成正比。高中生活科技能源與動力主題教學活動設計-以太陽能模型車活動設計為例651十、教學要點1.教材選編：教師可應用本活動設計「學習活動單」作為講義授課，並可輔以高中生活科技「能源與動力」單元，作為補充教材。2.教學方法：本活動教學宜採學生中心之合作學習教學，教師為輔助性質，學生在課前宜有合作學習的經驗。3.教學評量：兼重形成性和總結性的評量，學習評量涵蓋認知、情意和技能三方面，強調學生在小組中的角色。4.教學資源：高職電子科與汽車科專業課程與實習設備，是很好的教學資源，可安排參觀或攝影後製作教學光碟，引起學生學習動機。5.教學相關配合事項：本教學活動採單元活動設計，宜配合其他活動單元規劃為完整的課程，並注意學生的學前能力，各單元活動內容相互銜接。十一、評鑑要點學習成果評量分為日常與作業評量。（一）日常評量：包含自我評量與教師評量。1.自我評量：主要針對學習態度、安全習慣等，依據評量表的評核項目進行自我評量。2.教師評量：依學生出勤情形、學習態度、小組分工合作情形、學習單填寫內容的正確性與完整性評鑑。小組每位成員的學習單成績均相同。（二）作業評鑑：1.太陽能模型車設計：分為創意設計、模型車製作、外觀等三項。2.模型車競賽：分為功能(能不能動)、前進速度、完成率等三項。3.成績計算：以上二項各占總成績50%。小組成員個人的成績計算，依個人在小組中的貢獻度(由小組成員互評)，以小組總得分乘上1.1、1.05、1、0.95、0.9、0.85的比例計算。臺北市第7屆教育專業創新與行動研究徵件暨成果發表會高職組成果集652十二、學習活動單班級：姓名：座號：太陽能模型車(一)◎活動設計概述：國際能源組織預測，地球上的石油含量大約只剩下40-50年，