應用專題導向學習進行燃料電池實驗
沈沛青
國立高雄師範大學工業科技教育學系碩士班研究生
第一章 緒論
第一節 研究背景與動機
由於地球上石化能源(Fossil Fuels)的日漸枯竭，加上其所造成日益嚴重的溫室效應與空氣污染，潔淨能源之積極開發與有效利用無疑是本世紀科技發展最重要的課題之一。在眾多可能的替代綠色能源中，燃料電池技術無疑是最耀眼的一顆明星，燃料電池不同於一般電池的是它使用外來的燃料作為能量來源，然後將燃料的化學能直接經電化學反應轉換為電能，因此具有低污染、高效率、不會有電力衰竭與不需要充電的優良特性，是目前最具發展前景的新能源方式，如能普及的應用在車輛及其他高污染之發電工具上，將能顯著改善空氣污染及溫室效應。
燃料電池是風力、水力、火力、核能及太陽能等發電技術以外的新發電技術，它不像傳統二次電池一樣只能充當電能的儲存單位，也不是如內燃機一般將燃料燃燒而產生熱來作功，而係利用電化學的原理，直接將燃料中的化學能轉化為電能並釋放出熱能的裝置。
然而順應數位時代的趨勢，適當的使用科技融入課程，讓學生認識社會、觀察自然、了解世界作有意義的學習，研究者相信學生因為具備了獲得、更新、使用知識的能力，勢必有很高的競爭力，而教師在學生求學階段給他們最好的禮物莫過於這一項「帶著走的能力」了，因此本研究擬進行設計與製造〝教學用小型燃料電池車〞(Fuel
Cell Car)，利用燃料電池產生一清淨能源做為玩具車之動力來源，並透過燃料電池車的實體組裝與測試，從中了解太陽能產生電能、水的電解與燃料電池的基本內涵，藉此生動活潑且可親自操作的實驗，啟發學生對科學的熱愛與熱力學的基本瞭解。本研究以燃料電池的專案學習的情境下，探討指導學生製造中所遭遇的問題與現象。
第二節 研究目的
隨著時代的變遷，為了應付大量接踵而來的知識，我們學習的方式也應該跟著有所改變，應用適合的教學模式來教導學生新的知識。因此，教學改革的浪潮一波接著一波湧入，其目的無非是，希望能藉由不同以往的教學法來增進學生的學習效果。而我們應該要給學生什麼樣的學習環境和教學法呢？我們都知道要教學生釣魚，而不只是給他魚吃，故教導學生釣魚的方法比直接給學生很多魚，更值得我們來研究。而教學中所謂的釣魚方法，也許就是讓學生在面對問題時能夠應用所學的知識和經驗，獨立的解決所面臨的各種問題。
因此，本研究嘗試找出適合於高中化學課程之專題導向式學習的具體實施方案，並對後續研究提出關於策劃適合現有教學環境、充分利用資源、找出提昇整體學習效果之課程與實施等課題提出具體建議。其細部的研究目的為：
一、藉由研究觀察出太陽能產生電能的過程，增進同學對燃料電池的知識。
二、藉由研究探討水電解的過程，讓學生在真實世界中主動探究問題，培養自主性學習。
三、對問題作深入的研究探討，對問題作批判性的思考，鼓勵同學作高層次的思維且鼓勵同學之間合作學習。
四、提升學生的環保意識。
第二章 文獻探討
一、專題導向學習（Project Based Learning）
專題導向學習（Project Based Learning）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「僵化現象」（inert knowledge）。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，安排複雜且真實的任務，設計出能增進學習動機、發展後設認知策略、並籍由科技為基礎的認知工具，經由一連串的探索行動，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，也能學到如何活用知識，甚至達到全面改造學校，社區服務，且具跨學科學習之效。
其前身可追溯自60年代的醫學院教育，但其想法或理念卻可追溯至杜威 John Dewey的進步主義學派，強調「做中學」（learning by doing）的學習方式，並以活動、專題、及解決問題等方式作為學習的主軸。專題導向學習呈現建構主義精神的四種要素：導引問題（Driving question）、
調查活動及專題作品（artifact）的發展、合作的學習方式、使用科技作為認知工具。
綜合以上所述，專題式學習是植基於課程統整、建構主義、與認知心理學的理論基礎上，所發展出來的一種教學與學習方法。
二、燃料電池
燃料電池是用汽油、酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉換成電流。可以替代汽車的內燃機，取代筆記型電腦的電池、手機電池、計算機、汽機車、游艇等設備之發電用。充電時，只要清空充滿副產品水的容器，然後再裝進燃料(酒精等燃料)即可。燃料電池，簡單的說，就是一個發電機。燃料電池是火力、水力、核能外第四種發電方法。
以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑， 通過化合作用發電，此種燃料電池又叫再生性氫氧燃料電池(regenerative
fuel cell，RFC)。氫和氧化學反應生成水蒸氣，不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物質，排出物是無污染的水。氫氧燃料電池排放出非常清潔的副產品，幾乎無污染且高效率。
氫氧燃料電池作用原理是以氫氣為燃料，和氧氣經電化學反應後透過質子交換膜產生電能，其具備的優點為發電效益高，且最終副產品只有熱能與純水，不會對環境造成任何威脅，相當符合環保交通工具的需求。
研發火箭之專家早在30年前人類第一次登陸月球時，就已使用液態氫和液態氧之燃料電池了。今日汽車製造業才開始應用到燃料電池。燃料電池汽車是利用氫和氧進行化學反應產生電，然後再以電能進行驅動車輛。燃料電池在德國，被用作潛水艇的動力及用於驅動汽車和居民供電供暖。
日本FCX-V3燃料電池汽車的燃料氫是填充在250個大氣壓下的高壓蓄氫槽裡。2002年12月日本豐田公司與本田公司已出產世界第一批燃料電池汽車。加拿大Mark-900燃料電池，是使用甲醇或氫為燃料，可在零下40oC低溫下工作。大量生產時，燃料電池的成本與現有內燃發動機接近。
我國業者將氫氧燃料電池運用在電動自行車上，電力用完了，只要加燃料氣即可迅速恢能電能，符合快速環保方便的需求，的確是新發明新世紀的電池。氫氧燃料電池關鍵組件是電池內部兩片基板中的薄塑膠質子交換膜，目前仍是杜邦公司的專利權。目前電動車仍多數使用鉛酸電池，部分採用鎳氫電池，而鋰電池仍有成本高及充電時間長等問題；採用燃料電池做為電動自行車電能來源，將使我國電動車產業直接跳過鋰電池，進入燃料電池時代。
燃料電池依其電解質的種類，主要可分為質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池與固態氧化物燃料電池五種燃料電池，分別為質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態氧化物燃料電池。
發展的主流，主要應用在電子產品如手提電腦、行動電話與個人數位助理等，目前是工業國家非常有興趣的組件。質子交換膜燃料電池主要可應用於電動汽車、電動機車、電動腳踏車及電動工具機。至於固態氧化物燃料電池，則可藉由微機電技術將組件模組化，可應用於分散式的電力系統或大型發電廠。
三、問題解決
洪榮昭、曾愛晶(1999)指出，就問題解決的基本模式而言，問題解決的主要
歷程包括有：發現問題、問題原因分析、根據問題做最可能的對策、驗證對策、
綜合概念整理、新問題等(見圖2-1)。因此，教師要希望學生達成問題解決的能力，就必須先培養學生發現問題、洞悉問題的真正內涵，然後再由學生的先備知識中尋找出適合此問題的解決模式，接著做出最可能的策略來解決問題。
圖1 問題解決歷程的基本架構(引自洪榮昭、曾愛晶，1999)
第三章 研究方法
本研究是採實驗研究方式，由研究者帶領全班學生，採分組的方式進行專題導向學習，以設計與製造燃料電池車為專題，進行專題導向學習，過程中學生能真實瞭解太陽能如何電能，以及水電解的過程與其反應，應用網路蒐集資料、課本的知識，並應用討論與其他團隊進行意見交流與分享，最後將問題解決過程以書面的方式呈現。研究者以參與觀察之筆記、學生學習日誌等書面資料及訪談為資料蒐集的方法。
一、研究對象
本研究所選取的研究對象是高雄市某高中二年級學生一班，所採用的研究樣本是以方便取樣的方式而得，班上有男生25位，女生位，共分為5組，每組有一位女生。
二、理論基礎
〝小型燃料電池車〞實驗活動之構想與理論基礎，實驗活動將實體組裝一〝小型燃料電池車〞並在組裝的過程中進行三方面實驗：(1) 觀察太陽能產生電能的過程；(2) 水電解產生氫和氧的過程
A.
太陽能產生電能
太陽光電系統的原理，如圖一。當太陽光照射在P.N.兩型半導體結合而成的(太陽電池晶片)時，其內之正，負離子則分別往P型區及N型區移動並集中形成兩排壁雷分明的正、負極現象，有如電池的正、負電極。但並非所有的光子都能順利的藉由太陽能電池轉換成電能，因為不同的光譜中光子所攜帶的能量不一樣︰
- 當外加能量大於能隙（Band Gap）時，電子由價電子帶躍遷至導電帶而產生所謂的電流，所以當光子所攜帶的能量若大於能隙時，便可藉由光電子轉換成電能。
- 若光子所攜帶的能量小於能隙時，就對太陽光電池沒有什麼作用，不會產生任何電流。
B.
水電解產生氫和氧的過程
電解水之原理是基於當在一電解質溶液中通入電流，則溶液中之陽離子會向陰極(負極)移動，而陰離子會向陽極(正極)移動。由於帶電荷之離子的移動而使其電荷能橫越陰陽兩極並溝通電流，此乃電解質溶液之所以會導電的原因。同時，由於帶負電荷之陰離子在陽極處放出電子，而帶正電荷之陽離子在陰極處接受電子，而引起化學反應，此一現象即為眾所週知的電解(Electrolysis)。然而由於純水是不易導電的，因此電解水時必須加入一些本身不易被電解之酸(如硫酸)、鹼(如氫氧化鈉)或中性鹽類(如硝酸鉀)等來促進其導電，而在直流電源之電流介入之下便可使水分子加以分解，在正極會產生氧氣，負極則產生氫氣。如圖二。
圖二 水電解
三、資料蒐集
為了解學生從事燃料電池實驗進行專題研究的情形、小組間分工合作及參與的程度，於上課研究指導時，在研究過程中以觀察、錄影、訪談與文件分析等方式來蒐集資料。
進行資料分析時的主要參考依據分為以下四方面：
（一）教師資料蒐集
教師的資料蒐集的來源分為二個部分進行：
（1）研究者使用做為設計課程及進行教學依據的資料，計有教科書、習作、教學指引、專題研究指導參考書籍等。
（2）研究者以書寫研究日誌的方式來記錄研究期間的事項，且不定期作教學反思的紀錄，並定期詳細記錄教學中的重要事件、處理方式及省思。
（二）學生資料蒐集
蒐集學生各項活動進行的資料，包括文件及資訊科技的使用情形，藉以分析、判斷各項活動中學生的感受與基本能力的表現。其包含內容如下：
（1）班網討論版的使用：觀察學生使用班級網頁討論版的討論情形，並蒐集合作小組於討論版討論的相關內容敘述。
（2）學生運用實際的實驗蒐集專題研究資料：在專題學習研究階段，指導學生以實驗的方式進行資料蒐集，以瞭解其使用情形及所遇到的問題。
（3）學生運用其他方式蒐集專題研究資料：在專題研究階段以查閱書籍或現場調查等方式進行研究資料蒐集，並記錄研究的情形，期間學生均需將其從事研究的情形寫在「研究日誌」中。
（三）學生反思問卷
研究者設計問卷來了解學生進行研究所遇到的困難、感受、心得等，以利於進行協助或修改指導策略。為探討整個專題研究的成效，在一次研究循環後再實施「自我評量表」、「組內互評表」、「小組評量表」及「教師評鑑表」等。
（四）晤談
分為與學生個別晤談及專題研究合作小組晤談兩種：
（1）學生個別晤談：
研究者與學生個別晤談主要是想了解個別學生在研究進行中所遇到的困難及其在小組內的溝通情形，形式為非正式課程如：下課時間的閒聊。
（2）專題研究合作小組晤談：
研究進行期間，研究者與專題研究合作小組晤談，每一小組均依其研究的題目、進度、資訊科技使用情形及小組內溝通模式，定期與研究者晤談以了解學生的研究情形，通常運用晨間活動或午睡時間分組指導晤談。
第四章 研究發現
透過專題導向學習的過程，本研究發現，學生從做中學的學習效果遠比課堂中不斷的填鴨式知識效果來的高，以燃料電池為例，若沒有經過實驗，學生永遠只會死記氧化還原反應式，甚至真真導致其變化的原因為何都不知道，透過這項實驗，學生能真正瞭解與時地的操作，不僅學到了知識，更學到了技能，其中本研究採分組進行的模式，團隊中大家互相通力合作，小組間更是透過各種媒介作為溝通的橋樑，更是達到了專案學習的目的。
第五章 結論與建議
根據研究的結果與分析，歸納學生在燃料電池實驗上運用專題學習所產生的各種問題，做出結論如下：
一、學生對於應用燃料電池實驗進行專題導向學習深感興趣：
學生在學習的過程中由於沒有這樣的學習經驗，要學習如何以實驗的方式
得知光子都能順利的藉由太陽能電池轉換成電能，以及電解水之原理是基於當在一電解質溶液中通入電流，則溶液中之陽離子會向陰極(負極)移動，而陰離子會向陽極(正極)移動。由於帶電荷之離子的移動而使其電荷能橫越陰陽兩極並溝通電流，此乃電解質溶液之所以會導電的原因。剛開始的確凌亂，也遭遇到許多挫折，但漸漸的熟能生巧，動作也愈來愈俐落，教師所提供的協助也漸漸減少，學生更能主動學習。
二、參與團隊間的觀摩與意見交流，有助學生發現自己的缺點，尋求改進，並增進表達能力。
學生透過學習日誌進度報告，可以瞭解其他團隊進行的情形，進而感覺到自己的缺點，進而更加努力，而學生在自我介紹的過程中，也能對自己有一番省思及期許，想要效法比自己能力強的人。
三、小組間的分工、協調合作能力
探討專題導向學習時針對合作小組主要觀察的重點是小組分工及小組溝通協調過程中所產生的問題，在小組工作分配原本多集中在組內某一兩個孩子身上，透過三次循環的修正後，在工作的分配像多能達到平均，但主導權仍在組內學業成績較優秀的孩子（通常為組長）身上；而在小組面臨衝突需溝通協調時，孩子們通常已能自行處理，並能瞭解到團結合作的重要性，但因為每次產生的衝突點及突發狀況皆不大相同，老師仍然需多關注組內互動的情形並即時的介入協調以免影響專題課程的進行。
四、學習態度
在探討學生學習態度的部分主要在於觀察學生在課程進行期間的參與情形，對於低成就的學生透過同儕及老師強迫性的指定分配學習內容，慢慢能融入學習當中；而對於調皮或不積極的孩子們透過老師引導及同儕之間的提醒也多有改善，且變得積極參與。
在綜合以上結論，應用專題導向學習進行燃料電池實驗，能有助於提升學生在專題導向式的學習能力、學習態度、合作小組溝通問題及科技使用能力上的培養，並能增進了學生在面對問題解決時的表現。也透過實驗的運用，讓課程設計更具吸引力，不但增加了學生的學習動機，還讓孩子能從研究過程中自主學習而達到自我建構知識的目標。
參考文獻
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