運用專案學習導入太陽能科技的應用
鄭忠河
高雄師範工業科技教育研究所
壹、研究緣起
在人類發展史上，無論是以前的農業社會或是現代的工商社會，能源一直扮演著重要的角色。近幾年來隨著石化能源逐漸短缺，全球暖化的現象加劇以及世界各國環保意識的高漲，人們對於開發再生能源的重視程度也日漸提高。而其中利用太陽能來發電可說是最安全、方便且無污染的一種能量來源。
而當發現科技的進步，學生學習管道的多元化，應不只侷限於師長，但對於生活科技的本身，是否能加以觀察、認識、了解，進而加以正確的操弄，以達真正「帶著走的能力」。
因此本研究針對太陽能的應用與發展，導入專案學習PBL( Project-Based
Learning)的模式，將學生分組合作從對太陽能的認識、如何操作、如何應用，培養其問題解決的能力，從而建構太陽能科技的知識，此種以學生為中心的學習方式，將更有效地讓學生了解現在科技，進而學習其他生活科技。
因此本科技專案學習的目的如下：
一、藉由文獻探討導入PBL的學習方式，了解師生在PBL過程中所扮演的角色。
二、藉由分組合作討論的方式，探討太陽能發電的原理。
三、利用討論及資料的的蒐集，來認識太陽能的應用與發展。
四、運用實務操作，製作太陽能風扇，來了解太陽能的可用之處。
五、提供日後學生學習其他生活科技的方式
貳、文獻探討
一、專案學習(Project-Based Learning)
專題導向學習(project-based
learning，簡稱PBL)或簡稱專題學習是一種環繞著待解決問題來組織學習活動的模式，這些問題都是一些具有挑戰性的難題或複雜的作業(鄒慧英，2001)。專題導向學習是一種具體發揮建構主義理念的學習方式，並針對教室裡的教與學，設計出引起學生發現真實問題的一個普遍的方法，其目的在於解決我們不能將所學的知識活用之現象。而為了解決這項使得教學績效不彰的難題，其主要的做法是藉由知識或技能的專題，統整不同的學科領域，安排複雜的作業，設計出能增進學習動機、發展後設認知策略、以及合作學習的情境，使學習者不僅能學到解決問題的知識、能力，也能學到如何應用知識(Blumenfeld, Soloway,
Marx, Krajcik, Guzdial, & Palincsar, 1991)。
根據學者Berger(1999)所提到的專題導向學習的特質如下：
(一) 專題導向學習是一種課程：PBL 是以專題工作為主，其他為輔的教學策略。
(二) 強調學生應有的責任感：學生對自己與他人有義務而且是大量給予自治的。
(三) 包含真實的工作：PBL 不管在教室裡和教室外，大部分時間都致力於與教室外的世界相關的事物，包含了真實的工作與產出有價值的產品。
(四) 屬於建構學習：專題導向式學習強調符合建構主義的精神，它必須激起一連串的刺激議題或問題帶領學生合作學習去對重要主題做深度的探索。
(五) 具備經常性的回饋的機會：很多PBL 的課程像報告、展覽、和同儕的評量都提供學生直接從經驗中學習的機會。
(六) 影響生活技能：雖然PBL 可以對學科為主的技能有重要的影響，但其實在於實質上努力教育的是「生活的技能」和「過程的技巧」，像自我管理，群體過程、和問題解決的技能。
專題學習的焦點是學生自行設計調查研究來回答引導問題(driving question)的活動(Marx , Blumenfeld ,
Krajcik & Soloway, 1997)。學生經由提出和界定問題、觀念的辨證、收集與分析資料、獲得結論、與他人溝通想法和發現提出新問題、創造具體成果等程序，為重要問題提出解決之道(Blumenfeld, Soloway,
Marx,Krajcik, Guzdial, & Palincsar, 1991)。專題導向式學習呈現建構主義精神的四種要素(Blumenfeld et al.,
1991, Blumenfeld Krajcik, Marx, & Soloway, 1994)：
1.引導問題(driving question)
2.調查活動及專題作品(artifact)的發展
3.合作學習的方式
4.使用科技做為認知工具
二、太陽能
在現今能源短缺、油價高漲及環保意識的抬頭，太陽能科技的發展與應用，無異是豐富、清潔、安全且不受任何壟斷的能源。它不從地球上帶走任何東西，也不會導致污染，卻默默地發出光和熱，推動生命的成長。它確實是無後顧之憂的能源。
（一）太陽能的發展歷史
1954年 Bell Labs發展出矽太陽電池 (Chapin等人，轉換效率約6%)
1958年 開始太空應用(GaAs)
1970年 開始太陽光發電系統地面應用(Si) (能源危機)
1976年 Carlson製作出第一個非晶薄膜太陽電池
1980年 消費性薄膜太陽電池應用(a-Si, CdS/CdTe)
1990年 與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成熟(Grid-Connected PV System, Si) (電力電子技術)
1992年起 歐美、日各國推動PV補助獎勵
2000年 建材一體型太陽電池應用(BIPV)
(二)基本原理
太陽能光電池簡稱為太陽能電池或太陽電池，又稱為太陽能晶片；在中國大陸稱為硅晶片；在物理學上稱為光生伏打 ( Photovoltaic )，簡稱 PV ( photo = light 光線，voltaics = electricity 電力 )。
太陽能電池係一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片，其將高純度的半導體材料加入一些不純物使其呈現不同的性質，如加入硼可形成 P 型半導體，加入磷可形成 N 型半導體，PN 兩型半導體相結合後，當太陽光入射時，產生電子與電洞，有電流通過時，則產生電力，發電原理可參考下圖。
資料來源：太陽能電池：http://www.nsc.gov.tw/dept/acro/version01/battery/electric/types/solar.htm#basic
由於單一太陽能電池所輸出的電力有限，為提高其發電量，將許多太陽能電池經串並聯組合封裝程序後，做成模板，成為太陽能電池模板 ( Solar Module ) 。太陽能電池的發電能源來自於光的波長。太陽光是一種全域波長。此外白熾燈的波長與日光燈的波長不同。而太陽能電池以陽光或白熾燈之波長為較適用。而且太陽能電池有三種，其中太陽能電子計算機上的太陽能電池是屬於「 室內型的非晶 」，如果長期拿到戶外曝曬，且串並聯為較大電壓及電流時，將導致其內部連結組織燒斷而損壞。
（三）太陽能的材料及種類
可使用的半導體材料甚多，矽 ( silicon ) 為目前通用的太陽能電池之原料代表，而在市場上又區分為：1. 單結晶矽；2. 多結晶矽；3. 非結晶矽。
目前最成熟的工業生產製造技術和最大的市場佔有率乃以單晶矽和非晶矽為主的光電板。原因是：一、單晶效率最高；二、非晶價格最便宜，且無需封裝，生產也最快；三、多晶的切割及下游再加工較不易，而前述兩種都較易於再切割及加工。最近十多年，薄膜光電池 ( thin film PV )如 Culn ( Ga ) Se2，CdTe，pc-Si，和非晶矽 ( a-Si ) 的發展迅速，光電轉換效率也快速提高。
太陽電池材料種類
資料來源：太陽光電資訊網：http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/history.asp
常見的太陽電池及模板外觀
資料來源：太陽光電資訊網：http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/history.asp
（四）製作技術
國內太陽能電池製造廠商將太陽能電池稱為晶片，把晶片 ( 或依設計所需要的電流進行晶片切割後 ) 焊上箔條導線再將許多焊好的晶片用箔條串聯成一組，再和 EVA、tedlar 與低鐵質強化玻璃層層疊疊，一同放入層壓機 ( laminate ) 的機台上做真空封裝，製成 module ( plane / panel )稱之為模組或稱太陽能板，將若干太陽能板組成方陣 ( 列陣 array )，接配上過充放保護控制 ( controller ) 及深 ( 循環 ) 放電蓄電池 ( 鉛鈣 ) 以及逆轉流器( inverter 直流轉變為交流 ) 合稱為太陽能電力系統，又稱太陽能發電站。
（五）應用領域
太陽能技術的應用以自 1950 年代的太空科技移轉至一般民生商業用途，隨者成本的降低與環保考量，太陽能電池的使用愈來愈普遍，主要應用在下列範圍。
1.家用發電系統：從 20W 至 4kW，視需要量與經濟情況而定
2.農業：灌溉及抽水等動力系統
3.交通：電動車、充電系統、道路照明系統及交通號誌
4.電訊及通訊：無線電力、無線通訊
5.備載電力：災害補救
6.小功率商品電源
7.戶外定位監視系統:電子式公車站牌
參、科技專案學習內容與方式
一、科技專案學習的流程圖
二、專案學習的內容與方式
（一）PBL前期
1、組織科技教師團隊與尋求資源
本科技專案學習的用意，在希望學生能學會日常生活當中，隨時可應用的生活科技，諸如PDA、動力車、RFID等等科技，因此極需極力爭取校內外軟硬體設備的建置，與校內多位教師的支持來組成一個生活科技團隊，以利在學生學習生活科技時，給多適當的支援，以利科技的學習。
2、選擇科技議題
依據團隊教師的專長與需求，擬定現今生活當中，學生需學會的一些生活科技內容，加以規劃，而因應現今能源與環保議題，以太陽能科技的應用與發展為主，來加以探討，期待學生能對太陽能應用，不再只是聽說，而是能真正看見陽光產生動力的神奇之處。
3、將學生分組與分工
選定實施的班級，以國小五年級學童為對象，將班上學生分組與分工，先針對PBL進行文獻探討，了解PBL的意義，釐清老師與學生所應扮演的角色，與在進行PBL所應進行的工作的分配與任務，並針對議題的內容，選擇每位學生可負責的主題項目，找尋相關資訊與資料。
4、進行議題內容的課程設計
與教師團隊針對議題的實施方式與內容進行討論與課程的開發，對於議題內容的材料與工具的取得，提出較為具體的實施方式。
（二）PBL中期
1、分析問題與議題
將學生分組，利用合作學習的方式，導入太陽能專題的研究，各自針對太陽能進行文獻探討，以了解太陽能科技相關的資訊與發展。
2、整理資料並以概念圖架構概念
整理文獻探討之後所得的資料，以了解太陽能發展的歷史、發電原理、應用……等等的太陽能相關概念與資訊，並藉以繪出概念圖，來表示太陽能科技概念的認知情況
3、尋求資源
由於太陽能板的價格不便宜，因此在開始進行PBL探討研究太陽能之前，也要先能對於太陽能相關器材的來源能加以掌握，師長們的協助與學校資源的取得，也是必需加以考量的。
4、準備材料
找尋所需的太陽能材料
太陽能電池面板數片、太陽能馬達與葉扇、基座、電線
太陽能馬達與葉扇
太陽能電面板
（三）PBL後期
1、確定問題並尋求解決
(1)電壓與電流的需求：
了解太陽能板在電壓與電流的特性，以尋求適當的太陽能電池的組裝，以利馬達的轉動。
(2)馬達的選擇：
依據所需的電壓或電流，選擇太陽能電池的組裝
(3)太陽能發電的時機
太陽能產生電力的時機為何。
2、實際操作組裝太陽能風扇並找出風扇旋轉快慢的原因
(1)陽光的強弱
(2)太陽能電池面版面對太陽的角度
(3)操作的時間：早上、中午、下午
(4)太陽能電池組裝的方式：串聯或並聯
太陽能風扇的操作
太陽能電池的組裝
3、以實作發表並形成太陽能學習社群
將所學到太陽能風扇運轉的操弄方法，加以實作發表，並藉由對於太陽能認知與操作，組成太陽能學習社群，加以學習太陽能的應用與發展，如太陽能動力車、太陽能電力的運用方式
4、成立太陽能專題網站
將太陽能的相關知識，上網成立學習網站，並將陸續研發實作的太陽能產品，上網與同好學習討論。
5、總結性評量
針對太陽能的基本認知與操作方式來作學生學習成效的評量。
肆、研究結果與發現
一、發現太陽能的奇妙
對於利用太陽光就能產生風扇電力來源的方式，給與學生很大的震撼，太陽能的神奇之處，或許能引動學生對於科技發展的興趣。
二、利用文獻探討，了解太陽能的應用與發展
對於太陽能科技的應用與發展，利用文獻探討的方式，可以更加以認識太陽能對於現今能源永續經營發展的重要性。
三、太陽能板的組裝
太陽能電池的並串聯，對於太陽能風扇的旋轉速度有影響
四、太陽照射角度
太陽光直接照射太陽能板的角度，對於太陽能風扇的旋轉速度有影響
五、操作的時間
進行太陽能風扇實驗時，上午、中午、下午的時間，對於太陽能風扇的旋轉速度有影響
六、操作的天氣
進行太陽能風扇實驗時，天氣的好壞，即使是大白天，太陽被雲遮住一下，也會對於太陽能風扇的旋轉速度有影響
伍、研究結論
化石能源終有用盡的一天，開發永續經營的能源，也一直是世界各國努力的目標，對於學生從小能給與在節能與環保重要的訊息認知，並藉由此太陽能風扇的專題學習上，讓學生從分組合作學習、文獻探討、尋求問題解決、實際操作太陽能風扇與了解當前太陽能科技的認知與發展，實是一項不錯的學習方式。因此有以下幾點研究結論
一、科技教師團隊的建立
每個老師其實都學有專精，對於現代生活科技的認知，各有各個想法，若能將各個老師的想法加以整合，針對學生對於生活科技的需求，給與適當的規劃，不但可以提昇教師教書的樂趣，也能提昇學生科技的素養。
二、建立合作學習的態度
學生對於此種學習的方式，是一次很新的學習經驗，可以培養彼此分工合作，試圖解決問題的能力，由於是自己與他人一起合作蒐集，一起建構自己的科技素養，對於學生學習影響是很深遠的.
三、提昇學生蒐集資料的能力
對於學生在資料的蒐集上，可以訓練其針對議題內容所需的資訊，利用圖書館、網際網路等方式，以找到適當而可用的資訊。
四、建構科技學習的素養
生活科技無所不在我們身邊，端賴師長如何幫助學生來建構屬於自己的科技素養與認知。
五、太陽能科技的重要
從太陽能的應用與發展上，更加讓人發現太陽能對於現今人類未來的文明發展是佔有多麼重要的地位，期待人們能永續善用地球上的每一份資源。
參考文獻
鄒慧英（2001）。課程、教學、評量三位一體的專題學習。台南師院學報，34，155-194。
太陽能電池：http://www.nsc.gov.tw/dept/acro/version01/battery/electric/types/solar.htm#basic
太陽光電資訊網：http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/history.asp
Blumenfeld, P. C., Soloway, E., Marx, R. W., Krajcik, J. S., Guzdial, M., & Palincsar, A. (1991). Motivating project-based learning: sustaining the doing, supporting the learning. Educational Psychologist, 26(3&4), 369-398.
Krajcik, J. S., Blumenfeld, P. C., Marx, R. W., & Soloway, E. (1994). A collaborative model for helping middle grade science teachers learn project-based instruction. The Elementary School Journal, 94(5), 483-497.
Berger, C. (1999). Teaching children science: A
project-based approach.
Marx, R. W., Blumenfeld, P. C., Krajcik, J. S., & Soloway, E. (1997). Enacting project-based science. Elementary School Journal, 97(4), 341-358.