運用科技專案學習導入再生能源之教學
貝亞倩
國立高師大工業科技教育學系碩士班
第一章 研究緣起
自從能源危機發生後，世界各國對於替代能源的開發、應用，均是相當積極努力。再生能源發電工程是二十一世紀的一門新新學問，各種天然資源的消耗日盡，環保意識的抬頭，因此人類文明即將受到嚴重的考驗。尤其是石油的使用量，即將在這五十年到一百年以內影響到我們的生活，雖然使用其他燃料的各種新的發電技術不斷的被提出，但這只是消耗其他種地球本身天然資然的治標方法。解決之道，只有發展再生能源技術，才能使地球本身的傷害達到最小，更何況再生能源發電技術是最乾淨且也是源源不絕的資源，因此發展再生能源技術可以同時兼顧做到環境的生態保持和能源供給的源源不絕。
本研究結合專案導向式學習（Project-Based Learning, PBL）融入教學，教師將再生能源應用領域為教學目標釐清概念後，學生經由分組合作，利用網路蒐集感興趣的相關領域資料，透過溝通、協調、整合等方式進行學習，並以「專案」為學習成果的呈現。這樣不同於以往的教學策略，可引發學生的學習動機，進而培養問題解決的能力，過程中皆使用引導的方式，以學生為主軸，利用引導讓學生自己發現問題，並進而思考以及構想解決方案。讓學習能達到最好的效果，最後再延伸至使用再生能源之優缺點，以及再生能源的可靠性。
第一節 計畫目標
一、教師利用引導的方式讓學生發現能源問題。
二、讓學生了解再生能源的種類，及各能源的發電現況。
三、學生能藉由討論及蒐集資料的方式知道日常生活中，再生能源可應用的範圍。
四、由小組的方式進行專題實作。
五、經由了解更進一步到重視再生能源，以及節約能源的觀念。
六、分析使用再生能源發電之優缺點。
七、結合網路，輔助教學以及幫助學生專題之進行。
八、旨在培養學生創造思考、問題解決、研究設計與分工合作的科技素養。
第二章文獻探討
第一節 專題導向學習（Project Based
Learning）
專題導向學習的想法是由Dewey 所提倡「做中學」（learning by doing）的理念延伸而來（Krajcik,Blumenfeld, Marx & Soloway, 1994）。學習必須以活動、專題及解決問題等方式作為學習的主軸（林達森，民88），經由實務的練習，學生才能獲得有意義的學習。專題導向學習是具體發揮建構主義理念的一種學習方式，其目的在解決學習者不能活用知識之現象。為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(王岱伊，2001，黃明信，2001)。
專案式學習是一種建構式取向的學習方法，讓學生組成小組，共同解決真實的、複雜的、跨學科領域的且具有挑戰性的問題，在專案進行的過程中給予學生學習的自主權，讓學生自己決定專案題目，以及將進行的探究活動。學生可以從不同的管道取得各項資源，經由整理、分析後，從中得到相關的概念、知識，最後將學習的成果整理成一個作品，展現他們的所學。這樣的過程是以學習者為中心，而老師的角色轉變為指引或提供建議的促進者，學生知識的學習及能力的培養不是直接來自於老師的教導，而是發生在專案發展的過程中，經由親手處理一連串真實問題所學到的經驗。
專案式學習的理論基礎：共有建構主義、探索式教學、動機理論、合作學習、問題解決、多元智慧等六項。專案式學習的教學設計是「以學生為主體」。教師選定真實生活中所面臨的問題作為專題學習的引導問題，學生在經由界定問題、蒐集資料、分析資料、提出解決策略等活動，最後發展出作品。「專案式學習」是一連串探索問題、蒐集資料、討論互動、驗證答案和分享成果的過程，它包含釐清概念(messing about)、搜尋資訊(finding information)、詢問與修正問題(asking and refining questions)、計劃與設計實驗(planning
and designing)、進行實驗(conducting the experimental work)、解析資料(making sense of data)、分享成果(sharing
artifacts)專案式學習的學習模式。至於專案式學習的優點則有：增進學生學習動機、增進問題解決的能力、增進圖書資訊素養能力、增進學生的合作、增進資源管理技能。
專題學習的學習模式是一個尋求問題答案與分享成果的過程，此學習模式分成七個階段(王岱伊，2001)。
Thomas等人在指導中學教師如何使用專題式學習於課堂活動時，提出一套包括六個步驟的規劃實施流程，每一個部份所要注意的重點都不一樣，分別是(Thomas, Mergendoller, & Michaelson, 1999)：
(1) 開始：決定從哪裡開始進行專題以及該給學生多少的自主性。
(2) 內容：設定一般的學習目標及重要的學習概念，並且定義出
學生的學習成效。
(3) 引導問題：提出引導問題以及可能發展的子問題，並且規畫
可能的研究探索活動。
(4) 構成要素：包括學習的成果表現、學生的學習活動及教學的
支援。
(5) 策略：設定學習的環境以及定義可用的資源及支援。
(6) 評量：建立一個公平客觀的評量標準及評分機制
專題學習的學習過程是一個反覆的程序，許多的程序會一直重複地進行直到專題活動結束或是問題得到解決為止。
第二節 合作學習(Collaborative Learning)
專題式學習特別強調合作學習的精神。合作學習與以往教學方式不同的是，合作學習提供學生更多與其他人互動的機會，不只是與老師互動，還包括一起學習的同儕，及進行專題的過程中可能會遇到的人。透過合作學習的設計，學生能夠經由表達自己的想法及與他人的互動中學習，而非只是單方面的接收老師傳授的知識。除此之外，小組成員溝通的過程當中，小組必須對不同人所提出的意見，進行溝通調適以達到大家都能接受的可行解答。在這一給一回的過程當中，學生可以重建原來的知識結構，化解衝突，並運用新的策略加以內化，達到新知識與舊知識之間的連結與調整(王岱伊, 2002)。
第三節 再生能源(Regeneration
Energy)
台灣地區自產能源貧乏，絕大部份的能源消費均須仰賴進口，而且環境保護意識日益覺醒，使得開發自產能源、利用綠色能源的重要性日益彰顯。再生能源指的是來源無所匱乏的能源，要讓人類能在球上永續發展，再生能源是必須的。目前，人們所使用的再生能源技術包括太陽能、風能、地熱能、水力能、潮汐能、海洋熱能轉換、生質能。
目前國內外的主要發電來源，主要都是由燃油發電、燃煤發電和核能發電，而其他如風力發電、水力發電、潮汐發電、地熱發電和太陽能發電所佔的發電比例量都不高。就燃油發電而言，由於地表中的石油即將使用殆盡，石油發電將立即受到嚴重的挑戰。其次為燃煤發電，但是燃煤發電所產生的煤灰卻會造成環境和空氣的污染，更會日益加重地球的溫室效應，而若持續的使用燃煤發電也只是在消耗後代子孫日益減少的資源。天然氣發電和核能發電亦是如此，其中尤以核能發電最令一般民眾和環保團體詬病，雖然核能發電可以在較小的面積內發出高密度的電力，因此具有經濟上較佳的競爭力，但由於核電廠發生事故時的核污染，會對環境產生極大的破壞。還有一個大問題就是核廢料的處理，雖然目前的科技發展是一日千里，但仍無法對核廢料做有效的處理，只能將之置於人煙稀少的地方掩埋，在日積月累下，這些核廢料數量一多，也必成為一個難以解決的問題。
第三章 計畫架構
圖一：計畫架構圖>
第一節 主題導引
一、再生能源之優點
1.石化能源枯竭，發展新能源有其必要性
火力發電不論是使用煤、石油或天然氣，終有竭盡之日（據統計石油蘊藏量為四十年，煤為二百二十年，天然氣為六十年），而風力發電則是取之不盡用之不竭的。我國能源的利用以石化能源為主，且極度仰賴進口，造成的結果是環境的高度污染，廢棄煙塵貽害國民的生活品質及健康。能源不能自足的現象則對國家安全以及自主性均有不利的影響。若能及時開發台灣得天獨厚的資源，像是沿海地區經年波濤不斷，對風力及潮汐能，還有豐富的太陽光。則不但促進能源結構的多元化，減少對單項能源的過份依賴而喪失自主獨立外，更能切合永續發展的長期策略，所以我們更應重視再生能源的提供。
2.乾淨能源，減少環境污染
自工業革命至今兩百多年以來，人類的科技進步帶來舒適方便的生活，也同時帶來對地球生態嚴重的破壞，許多科學家疾呼地球暖化現象的警報，並預測至二一００年前，海平面將上升十五至
3.引進新產業，增加就業人口
以風力發電來說，其是為一項新的工業技術，它同時也被聯合國列為「明日之星」產業，亦非常值得我國引進並開發，因為能夠提供許多就業機會。在歐洲平均每台風機可創造三個工作機會，丹麥的風電工業的就業人口甚至達3828人，為造船業的三倍，也比電力公司所提供的就業人口要多。再以西班牙為例：國家政策提供了良好的鼓勵環境（法律規定給予風電一定的電價），使得風電製造業急遽發展，連當時立法者都夢想未及；在引進製造風機技術方面，主要是許多丹麥公司與西班牙公司的合資企業，這不但使西班牙的風力發電邁上一層樓，也增加了許多就業人口，對於失業率相當高的西班牙而言，確實是一項福音。
第二節 主題介紹
1.風力發電
人類利用風能的歷史很早。遠在公元前，就已發明利用風力轉動風車的裝置，而在十八、九世紀曾盛及一時。工業革命後，因石油、煤等大量開採及電力的普及而逐漸沒落。近年來，能源危機逐漸凸顯，於是風力能又再度受到重視，歐美先進國家無不積極研究與利用。尤其科技進步，現代風力機與以往的風車，無論是性能、構造及發電效益上均有長足的進步，其主要是運用風的動能來推動風力渦輪機的機件，從而產生電力，或直接利用風力推動機械操作。
台灣為一海島地形，每年約有半年以上的東北季風期，沿海、高山及離島許多地區之年平均風速每秒皆超過
2.太陽光電
太陽能即是地球接收自太陽之幅射能，其直接或間接的提供地求上絕大部份之能量。太陽所傳到地球的總能量（到達上大氣層之總量）達0.17×1018W之輻射量，因受到吸收、散射及反射等作用，其中大約35%被反射回太空去，18%被大氣層所吸收，47%到達地面，又其中70%是照射在海洋上。假設每人平均需要103W，則一百億人才不過是需要1013W，因此只要將抵達地表太陽能的百分之一轉換成可用的能量，則滿足全球能源需求已是綽綽有餘。其方法主要是將太陽能轉換成電能的形式，使用電力電子轉換的技術，可以產生我們需要的電源波形應用於需要的場所，以達到太陽能光的充分應用。太陽光電於最近幾年之成長快速，近三年全球市場每年成長近40%。
3.生質能
生質能的廣泛定義即指所有有機物，經各式自然或人為化學反應後，再焠取其能量應用，例如由農村及都市地區產生的各種廢棄物，如牲畜糞便、農作物殘渣、城市垃圾、及工業廢水等，皆可經由直接燃燒應用，或由微生物的厭氧消化反應而產生沼氣後再行應用。目前台灣地區的生質能發電應用有垃圾焚化發電及沼氣發電二大類。
4.地熱能
多年來，人類對火山(volcanoes)、間歇泉(geysers)、噴氣孔(fumaroles)、溫泉和沸泥池(pools of boiling mud)等感到既新奇又恐懼，而這些景象散佈於世界各地，且大多發生在多地震地帶。地球內部情況全賴間接知識獲得，地球常視由五個同心層所組成，首先，大氣層環繞著地球，然後是地殼(crust)，其後依次為地涵(mantle)、液態地核(liquid core)和內部地核(inner core)。
5.水力
水力係目前唯一已被人類大量開發利用之再生能源。水力發電技術簡單而且完備，許多國家於水力發電之基礎工業，諸如水輪機、閥、水閘、發電機和相關電力設備等之製造，均已非常完善。水力開發對環境之衝擊較小，除了提供廉價電力外，且有下列之優點：管制洪水氾濫；提供灌溉用水；利於河流航運；提供尖峰時段電力調度。
第三節 再生能源發電技術
1.風力發電
風力發電簡單地說是透過風能轉動葉片，帶動齒輪轉動來發電。和傳統發電廠不同，風力發電並非一個佔地寬敞的工廠，也不需要高壓電塔、兩次變電所來進行輸配電。以一台1000千瓦的風力發電機為例，塔筒高約
2.太陽光電
太陽能發電的構想，就是在利用收集熱能或是轉換光能這兩種方式來轉換太陽能，以達發電之效用。(1)以收集熱能來說，小規模的民生利用方面，便是我們現在經常看到的太陽熱水器。較大規模方面則有所謂的集熱式太陽能發電廠，此種太陽能電廠的運作原理是將太陽光以反射鏡加以集中，藉著集中太陽能所產生的高熱來使水汽化產生蒸汽，進而推動渦輪發電機產生電力。(2)以收集光能來說，大多是利用所謂的太陽能電池板來將光能直接轉換為電能。較小型的如電子計算機上的太陽能電池板，較大型的如在房子貼上許多太陽能板，藉以達到電力自主的目的。而和太空科技有直接關係的要算是衛星上的太陽能板，現今幾乎所有的衛星的運作都得依賴太陽能電池板來提供電源。
應用的範圍像是農業方面可以作為灌溉及抽水等動力系統。日常生活的交通方面有電動車、充電系統、道路照明系統及交通號誌。電訊及通訊方面的無線電力、無線通訊以及電子式公車站牌
的戶外定位監視系統
3.生質能
目前台灣地區的生質能發電應用有垃圾焚化發電及沼氣發電二大類，前者以內湖焚化廠成效最好，目前已將其產生的部份剩餘電力回售給台電公司，連同其他垃圾焚化發電，總計裝置容量有475.3千瓩。沼氣利用在農委會及農林廳的輔助下，為豬糞尿厭氧消化處理研究首開其端，開發各種沼氣利用的途逕，包括烹調、發電及運輸。較代表性例子有高雄立大農畜公司，建立200頭豬糞尿處理系統，產生的沼氣直接供燃燒及發電之用。另在台糖公司竹南畜產研究所設10,000頭豬糞尿處理系統，產生的沼氣做為170kVA雙燃料引擎的動力，提供養豬場的電力之需。此外，經濟部及環保署於民國85年中開始協助再生能源業者開發國內垃圾掩埋場沼氣發電計畫；迄今為止，已有台北之山豬窟、福德坑、台中文山、高雄西青埔等垃圾掩埋場之沼氣發電廠順利併聯發電，合計裝置容量21.792千瓩，本公司並配合購電，未來則視成效逐步擴展至其他縣市。
利用風信子﹝布袋蓮﹞產生沼氣並淨化廢水，
4.地熱能
地熱能主要來自地球內部放射性元素衰變所釋出之能量，和儲存於地核熔岩之大量熱能，其依賴岩石之導熱性或藉助熔岩與水之向上移動而傳導至地球表面。地熱能之數量異常龐大，依粗略估算，地球之總熱含量約有3×1027仟卡。開發技術上，能有效利用者，僅為地殼底下數公里深之熱源。地殼內之地熱能，主要儲存於岩石本身，而少部分則儲存在岩石孔隙(pores)或裂隙(fractures)之水中。地熱能乃一低能量密度之能源，必須經由大量岩石集取。目前，水是地熱能之主要輸送媒介。地熱的用途甚廣，諸如發電、工業利用、農業利用等，但以能源使用觀點而言，則以利用於發電上的使用範圍最高。利用溫泉沐浴、醫療，利用地下熱水取暖、建造農作物溫室、水產養殖及烘乾穀物等，都是常見且發展已久的地熱能使用。
5.水力
水力發電是借助水流動時所產生的力量來進行的。用水力進行發電，是以人工方法，引導水流以高速度衝擊水輪機，帶動水輪機和發電機的旋轉，從而產生電力。因此，一般在水電站的上游，建造攔河壩和蓄水庫，積蓄水量，提高落差。水力發電是再生能源，對環境衝擊較小。水力發電站可通過三種形式建成，一是利用水壩將水攔著，發電時才引導河水流過渦輪機。二是在湍急的河流上建發電站，但缺點是不能控制水流量及貯存河水。三是用抽水貯存的方式，在河流的上游及下游各建造一條水壩。當日間電力需求大時，上游的水壩打開水閘，讓水經過發電站流往下游的水壩，從而製造電力。晚間電的需求下降時，下游的水會被重新抽回上游的水壩貯存，以備下次使用。例如，西寶水力發電計畫就是利用位於花蓮縣萬榮鄉、光復鄉等地區山谷中的萬里溪及馬安溪，以高度落差進行水力發電。
第四節 實作練習
一、創意設計
在介紹完再生能源的原理之後，讓學生進行分組，將全班同學分為六組，主題即為風力發電、太陽能發電、生質能發電、地熱能發電、水力發電以及潮汐能發電，每組挑選一個主題來進行討論以及進行專案，學生利用合作學習的方式能共同討論出，如何在生活中應用再生能源，具體提出構想並且設計出一個模型，像是針對某些特定之地區提出設計或是將此發電方式利用在生活的食衣住行上。
過程中教師在課堂上或是網路上隨時給予各組指導，引導學生解決製作上的問題，也鼓勵學生自行探索，蒐集資料來解決問題。學生及可利用這樣一個結合生活中問題之解決或創意的思考來設計專題，利用合作學習的方式讓學生能共同討論出，如何在生活中應用再生能源，具體提出構想並且設計出一個模型。藉此一方法讓學生不但可以了解各項再生能源，更能進一步去思考再生能源之使用以及重要性。
二、成果發表
學生在網路討論板上提出各組的成果。並且同時各組提出在執行中所遭遇到的困難，以及解決的方式，與同學分享經驗。在課堂上與全班同學一起逐一分析及討論專題之創意以及可行性。
第五節 輔助工具
一、再生能源科技專案學習輔助系統
除了課堂上
二、教師角色
在學生進行專案之中一定會遇到困難，這時教師應該要適時、適當的指引學生正確的方向，但是要以引導的方式，提供方向讓學生自行探索。適時適當的指引也讓專案的進行的更為順利。
第六節 評量方式
1.團體互動的情形：由老師評分上課學習狀況、發言情形、出席率、小組是否分工合作。
2.認知：利用學習單的方式加深知識，並測試學生的學習狀況。
3.技能：這一方面主要就是要依據學生設計出的創意來加以評分，依據可行性及創意度來做一教師評分。
4.學生互評：除了老師評分外，也開放讓同學互評的機會。
第四章分析以及結論
第一節分析
(一)透過再生能源知識的傳遞讓學生更能了解再生能源，以及更具有節源的觀念。
(二)將再生能源的課題使用專案學習的方式，並用網路來輔助學習，對學生來說應該可以提升興趣，且藉由此一方式也能讓學生獲益更多。
(三)藉由團體討論以及網路上交換意見的方式應該有助學生的思考，並且藉合作學習來幫助學習，也幫助學生的人際互動。
(四)藉由實際操作的方式讓學生能激發創意思考，以及過程中所遇到的困難也可培養學生問題解決之能力。
(五)專案學習促使教師的角色轉變為學習的輔助者，改正以往的學習經驗讓學生不在是被動的，而教師也要適時的給予輔助。
第二節結論
本文藉由再生能源專案式學習使學生了解在能源原理、應用並且也讓學生了解節源之重要，也培養學生科技素養以及創意思考和問題解決之能力。專案式學習法只要能抓住重點，讓學生在發現及解決問題中探索學習，實為一良好的教學方式。
參考文獻
王岱伊(2001)，小組合作學習策略之研究，國立交通大學資訊科學系 碩士論文。
黃明信(2000)，專題導向學習與多媒體一個建構主義的學習策略，淡江大學教育科技研究所碩士論文。
楊建裕(1996)，再生能源的成本，太陽能學刊，第一期第一卷。
王梅芳(2005)，資訊融入教學在視覺藝術課程之行動研究—以全球建築藝術專學習為例，高雄師範大學工業科技教育學系碩士論文。
再生能源發展網頁
http://www.tri.org.tw/unfccc/main05.htm。
台灣太陽能及新能源協會
http://www.solar.org.tw/。
Krajcik, J. S., Blumenfeld, P. C., Marx, R. W., &
Soloway,E. (1994). A collaborative model for helping middlegrade science
teachers learn project-based instruction.The elementary school journal, 94(5), 483-497.