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溫室氣體的影響

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適用年段
高二探究與實作
上課時間
50 X 6 分鐘(6 節課)
設計理念
利用 arduino 設計便於攜帶的器材,並以預測–觀察–解釋–比較(predicton- observation-explanation-comparison )的教學策略,簡稱 POEC 的教學方式, 在課堂上實際操作,讓學生有效的學習溫室氣體影響的實驗設計、資料查找 與數據分析。
學習目標
1. 認識溫室氣體如:CO2與 H2O,對溫室效應的影響。
2. 可以透過小組討論與資料的查找,理解實驗設計與預測實驗結果的重要 性。
3. 應用數據分析與圖表製作,對實驗結果小組討論互助學習。
核心素養
總綱素養
1. U-A2:具備系統思考、分析與探索的素養
2. U-B2:具備適當運用科技、資訊與媒體之素養,進行各類媒體識讀與批判 思考
3. U-C2:具備溝通協調與團隊合作的精神與行動
自然領綱素養
1. 自-S-U-A2:能從一系列的實驗中取得自然科學數據
2. 自-S-U-B1:能有效整理自然科學數據,並利用科學名詞呈現成果。
3. 自-S-U-C2:能從團體探究討論中,主動建立與同儕思辯、溝通協調與包容 不同意見的能力,解決科學問題。
學習重點
一、教學方式:
(1)學生藉由資料搜尋與理解,進一步進行資料檢核、判斷、討論與辯證
(2)學生藉由相關主題實驗,學習數據處理,驗證相關學習內容。
二、評量:
(1)學習單。80% (利用學習單,老師評比)
(2)口頭報告。20% (利用分組評比表,同學上台分享時互評)
三、學習內容
過去主導地球長期的自然氣候變化的原理並無法完全用來解釋近幾十年來快 速的氣候變遷情形,根據目前科學證據了解人類活動是主要因素,藉由自行 設計的實驗裝置,模擬探討溫室氣體的影響。
教學設計表教學設計表
壹、 前言:
  依照十二年國民基本教育課程綱要-自然科學領域草案裏指出,科學學習的方法,應 當從激發學習者對科學的好奇心與主動學習的意願為起點,引導其從既有經驗出發,進行 主動探索、實驗操作與多元學習,使學習者能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝 通能力,並強調跨領域學科之間的整合,以綜合理解運用自然科學。為強化上述目標,教 育部於高中教育階段增列自然科學探究與實作課程必修學分,這門課不限單一科目授課、 不限主題及方式,但是必須引導學生懂得自己發現問題、蒐集資料並進行分析、找出解決 方案。
貳、溫室氣體的影響之探究與實作模組
  二氧化碳目前存在大氣的比例,以及預估未來會排放的量,對全球暖化的影響可能最 大,到底全球暖化是否是個騙局? 又二氧化碳的濃度與溫室效應的影響程度有何關係? 以下提供了相關課程,讓學生能進一步探討這疑問。
  實驗裝置可以使用市面上,具有數位監控裝置的實驗器材,只需要能即時監控 2 個密 閉空間的溫度即可。本文則提供較經濟的做法,目前整組花費大約不到新台幣一千五百元, 其實是相當便宜的,只是老師要較費心的製作與校正器材,但製作的過程中,教師就能先 體驗探究與實作的過程,這也是創客(Maker)的精神所在。實驗裝置使用了一個大型密閉樂 扣箱,準備兩個寶特瓶放在兩側,在兩個寶特瓶內相對應的內部位置,再各裝置一個可測 量溫溼度的傳感器 DHT22,利用 Arduino 套件收集兩個密閉寶特瓶的溫濕度變化,此對照 實驗組可以一邊充填溫室氣體,另一邊為正常空氣,並在兩個寶特瓶正中間裝置燈泡模擬 太陽能,實驗裝置如圖一。
圖一 定性分析的實驗裝置,設定每 10 秒偵測一次寶特瓶內的溫濕度變化圖一 定性分析的實驗裝置,設定每 10 秒偵測一次寶特瓶內的溫濕度變化
實驗裝製組合好後須校正測試整組實驗器材,可先藉由兩個保特瓶都裝入正常空氣,開關 燈後觀察,兩邊溫溼度變化是否相同,以此作為實驗器材校正的依據,並確定實驗數據的 可信度,例如圖二的測試發現開關燈後兩邊的溫濕度變化幾乎是一致的,可以藉此確定器 材的正確性與穩定度,便可以開始溫室氣體影響的相關實驗。
圖二、在實驗前教師須先校正實驗器材,並先作圖觀察。圖二、在實驗前教師須先校正實驗器材,並先作圖觀察。
參、溫室氣體的影響之探究與實作教學流程:
第一節課
(1)先由教師示範實驗操作,步驟為左邊以鋼瓶充入 CO2 40 秒,右邊為乾燥空氣對照組 (可於前一天放入防潮箱),轉緊瓶蓋並將大樂扣箱加蓋後,Arduino 主機連接電腦, 觀察兩個密閉寶特瓶內讀取的溫溼度是否平衡達一致,然後開燈 20~25 分鐘後再關 燈,由電腦紀錄過程的溫溼度數據變化。
(2)示範操作完後,參考學習單第一個問題請各組討論 5 分鐘: 燈泡開燈與關燈後,其 中的 CO2與乾燥空氣其溫度變化情形,何者溫度上升較大? 何者溫度下降較快? 並將 預測結果依組別寫在黑板上。 各組都預測完後,在開放上網尋找相關資料 15 分鐘, 再請各組討論是否修正寫在黑板上的預測,後請各組上台說明查找資料後預測的理 由,並利用 FB 群組上傳學習單分享找到的參考資料,過程如圖六~八,讓學生學習 小組討論、蒐集有用資料以及訓練表達能力。本過程大致上使用了POEC的教學策略, 藉由此相關活動讓學生預測、觀察、解釋、比較,溫室氣體對溫室效應的影響。
圖三學生分組預測,填充溫室氣體與空氣寶特瓶,哪一個開關燈後,溫度上升及下降較快?圖三學生分組預測,填充溫室氣體與空氣寶特瓶,哪一個開關燈後,溫度上升及下降較快?
圖四 藉由小組討論,分別上網找尋相關資料,以提供預測的相關證據。圖四 藉由小組討論,分別上網找尋相關資料,以提供預測的相關證據。
圖五 上台解釋目前預測的依據,並上傳相關的參考資料於臉書等社群分享。圖五 上台解釋目前預測的依據,並上傳相關的參考資料於臉書等社群分享。
第二節課
(1)實驗數據整理作圖: 將上節課 Arduino 偵測的實驗數據,整理成 EXCEL 的檔案給各 小組,請各小組將兩寶特瓶內溫度及相對溼度隨時間變化的數據,利用 EXCEL 作圖 分析(如圖九),實驗後的結果大致上可以觀察到,含有較高濃度的 CO2寶特瓶,在開 燈後溫度的上升(橘色線)比一般空氣(黃色線)高,若實驗的結果與各小組預測的不 同時,可使用學習單規劃,請其討論是否為實驗器材與操作條件的問題,用以完成 POEC 教學策略裡觀察、解釋與比較的部份。
圖六、讓學生分析溫濕度變化的情形,並輔導其製作圖表,以利實驗數據的分析與判讀。圖六、讓學生分析溫濕度變化的情形,並輔導其製作圖表,以利實驗數據的分析與判讀。
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