國中自然「熱的傳導」單元延伸實驗 ——運用紙箱烤雞活動落實綠色化學精神,引導國中生探討降低空氣懸浮污染物排放之課程範例

資料來源
60-05
文/謝昆宏

 前言


筆者在國二理化「熱的傳播」課程中,曾遇過學生提問:「烹煮食物一定要使用大量的熱源嗎?如果烤肉的時候,不使用過多炭火,降低能源使用與空氣污染,是否能達到將食物煮熟之相同目的?」沒想到當學生提出這個問題時,多數學生都很有興趣,一片嘩然地討論著。

細細想來,許多民眾都喜歡在戶外烤肉,尤其中秋節更是國內烤肉活動盛行的節日,然而,在戶外烤肉會產生大量的煙霧,這些煙霧(例如PM2.5)對環境空氣會造成巨大的污染。近年來,環境污染霧霾的狀況越來越加劇,其中霾是懸浮在大氣中的大量微小塵粒、煙粒或鹽粒的集合體,例如:空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等,使大氣層混濁、能見度惡化並影響生物的健康。

為了解決「能否運用更環保的方式烤肉,降低能源使用與空氣污染」的問題,達到綠色化學概念上的「防廢」、「節能」、「可解」、「監控」之落實,於是筆者參考國立高雄師範大學黃琴扉教授團隊所設計的紙箱烤肉課程,融入筆者教授的中學食品科學的課程,將國中理化「熱的傳播」、「空氣汙染」等概念融入課程中,讓學生透過實作的過程,進而了解紙箱烤雞與日常生活中烤肉造成的空氣汙染物的差異性。

 課程目標


本次課程的學習目標如下:

1.學生能以所學的理化概念「熱的傳播」來減少熱量散失(達綠色化學概念的「節能」)。

2.學生能自行製造出特殊構造的紙箱。

3.學生能透過將鋁箔紙放入紙箱中,打造成一個隔熱良好的加熱環境。

4.學生能確實減少紙箱裝置之熱量散失(達綠色化學概念的「節能」)。

5.學生能了解在加熱過程中,炭火可能會產生的空氣汙染物(達綠色化學概念的「防廢」)。

6.學生能設計可降解氣體產物之實驗器具:氣體產物在實驗後,應可降解,而不會在環境之中累積(達綠色化學概念的「可解」)。

7.學生能全程觀察並降低氣體污染:在過程中進行全程監控,以減少或消除氣體產物的生成(達綠色化學概念的「監控」)。


 活動所需器材


課程活動所需物品器材如下:


※小提醒:由於最後製作出來的食物會讓學生進行試吃,故使用之物品與器材應符合衛生與食品安全條件(如使用全新鋁箔紙和乾淨紙箱)。

 教學活動


本次教學活動從基礎到應用,共設計五個活動。

活動一、認識加熱方式

1.教師準備幾種生活中常見的加熱方式圖片,例如:木炭燒烤、瓦斯爐、烤箱、氣炸鍋…等。

2.請學生用視覺來觀察加熱方式,再請學生進行口頭發表:哪一種加熱方式所造成之空氣汙染物較少。


活動二、紙箱和鋁箔紙的裝置(讓學生先自行操作裝置鋁箔紙)

1.教師在課堂中發下鋁箔紙,讓學生自行將紙箱和鋁箔紙進行加熱容器的製作,如圖1所示。

2.請學生記錄紙箱包覆鋁箔紙的實作結果,教師在旁講解紙箱的鋁箔紙如何包覆,才能有效降低熱量的散失。

3.使用器具(串肉的鐵叉子)在紙箱上較低處穿刺小洞,並請學生思考、探究此步驟目的為何,如表一所示。



圖1. 學生使用鋁箔紙包覆紙箱內部

表1. 學生進行穿刺紙箱的原因探究


活動三、製作紙箱烤雞容器(教師示範操作紙箱裝置鋁箔紙)

1.教師示範包覆鋁箔紙過程:將鋁箔紙平整地與紙箱黏貼,內部和上蓋都要包覆著鋁箔。

2.請學生回想生活中自身烤肉的經驗,並請學生口頭發表。待引導學生回溯生活體驗後,再進行紙箱烤雞實驗,此實驗中使用鋁箔紙包覆紙箱之原理與國二上理化課程「熱的傳導」相關(保溫杯內部為什麼是光滑和銀色的原因)。在此階段最後,本課程將播放紙箱烤肉製作的影片,讓學生更了解紙箱內部鋁箔製作的過程。
(影片:https://www.youtube.com/watch?v=tsuS5XwWeeA)

3.請學生思考加熱的原因,讓學生小組討論並進行預測,最後記錄下來。

4.讓學生進行探究實驗。根據實驗中,學生的討論與發表,可以發現多數學生提到「隔絕熱量散失」是加熱食物的主要原因,之後本課程請學生選擇不同的變因,以驗證自己提出的觀點。其中,有組別的學生選擇「紙箱完整包覆有穿刺小洞」來進行實驗;而有些組別學生認為「只用炭火加熱」是加熱成功的主要原因,因此他們選擇「紙箱不封蓋有穿刺小洞」的設計,如圖2所示。

5.本課程的最後,也請學生分享實驗結果,再由教師歸納出加熱食物成功與否的主要成因,以及觀察在加熱過程中產生的空氣物染物的多寡(白煙)。



圖2. 學生加熱食物時加蓋


圖3. 學生加熱食物時未加蓋

6.最後,筆者帶領學生共同反思,鋪鋁箔紙的目的有二:第一是鋁箔紙熔點和燃點高,能有效把紙箱和火隔開,避免紙箱燒起來;第二是運用鋁箔紙反光的材質,將木炭以熱傳導散發出的熱能,全都包在紙箱內,且不斷反射,運用熱輻射烤熟食材。


活動四、探討加熱過程中汙染物的形成

1.將木炭直接放在烤盤下面加熱食材,觀察其產生煙霧的多寡。

2.將木炭放置紙箱中加熱食材,觀察其產生煙霧的現象,如圖4圖5所示。

3.將食材放置開放空間烤盤上以及紙箱烤雞內,觀察加熱過程產生煙霧的變化,並記錄在學習單上,如圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示。



圖4. 學生製作密封紙箱烤雞


圖5. 紙箱烤雞直接加熱中(沒有密封)


圖6. 食材放入開放空間中


圖7. 加熱炭火中


圖8. 食材放入密閉紙箱中

活動五、實驗結果來檢測食材是否有加熱成功

1.請學生自行記錄食物加熱後的狀況,如圖9、圖10、圖11所示。

2. 實驗結果:




圖9. 加熱食物狀況


圖10. 烤盤加熱食物


圖11. 確認食物熟成度


圖12. 直接烤盤加熱食物

表2. 學生進行有用紙箱烤雞及烤盤烤肉檢測煙霧的描述和食物成熟度


表3. 紙箱烤雞實做課程與綠色化學關聯性


學生在學習單上之回饋,大部分以正向居多,大部分學生提到製作紙箱烤雞是很有趣的,透過實作的課程,讓學生可以了解熱的傳播以及如何降低空氣汙染,從生活中進行學習,同時豐富教學的內容。

 教師教學省思


筆者引導學生進行紙箱烤雞的過程中,發現該活動可以引導的科學與環保議題十分豐富,學生也覺得非常有趣,而在活動帶領中需要關注的是「此實驗在鋁箔紙的包覆」、「炭火的高度」還有「空氣流通的狀況」,這些細節都是學生易比較容易忽略的,但如果上述變因控制不良,將會導致結果不夠準確,建議未來辦理此活動的老師,在前置作業與實驗過程需多費心思指導學生。

此外,筆者建議在實驗過程中可跟學生說明,所產生的氣態物質造成環境之危害和影響,以及直接烤盤烤肉和紙箱烤肉,氣體汙染物的明顯差異,如此不但可以提升學生的觀察力,更是綠色化學概念的落實;再者,在實驗的熱源部分,烤盤烤肉的消耗木炭要比紙箱烤肉來的多,也就是能量利用的有效率是不一樣的,筆者從活動過程中發現,紙箱烤雞的能量效能較高,可提高能源效率,符合綠色化學的要素。

若要提升趣味度,並瞭解熱源與食材的交互作用,也可以讓學生自製紙箱烤雞活動時,帶各種不同的食材來進行比較,這樣的過程不但同時可以讓學生多了解食材本身的食物特性,也可以探討食材表面積、加熱時間、加熱位置等也會影響食材的熟成度快慢。例如雞翅和雞腿的加熱時間不相同,可以增加實驗的豐富度,也可以讓學生從生活中觀察科學,將食物和科學做結合。

 結語


在國中二年級上學期理化的熱傳導實驗,大多是加熱液體測量上升溫度,而減少熱量散失單元,是以講解保溫杯內部構造來說明。實際在課堂上操作實驗後發現,學生對於熱傳導的觀念無法完全明瞭,只知道加熱液體會有溫度上升,以及單純背誦熱傳播的方式分為傳導、對流、輻射三個方式,並沒有特別注意到熱量散失的部分。

但是,在紙箱烤雞的實驗中,不論是減少熱量散失,或探討提供冷空氣會導致加熱效率提升等概念,學生都可以直接感受到,不但提高了學習動機,也讓學生更容易理解熱傳播的概念。在規劃這個課程時,筆者蒐集了相關的科展資料,找到有關紙箱烤雞的文章,同時也回想起自己本身每年在教導國中學生熱的傳播單元過程中,學生對於熱的概念太過於抽象。鑑此,筆者將紙箱烤雞內容融入到「熱的傳播」單元中,讓學生實際操作體驗,實驗結果也可以讓學生食用增加成就感。之後,筆者再設計了一系列的食品科學的課程(分子料理以及乾冰水果),讓學生在對於食品跟科學之間的(物理和化學)關聯性可以緊密的結合。讓學生有更高的學習動機,進而提升學習成效,以達到內化成自己的知識。

身為教師的我,最有成就感的就是在課堂中,學生們露出專注的眼神;當學生願意注意每個實驗步驟,認真和細心的操作,且在過程中驚呼聲不斷時,所有的辛苦都消失了。我想教學的樂趣就是讓學生能樂在學習中,這也是筆者在教學過程中最大的動力來源。

 謝誌


本文特此感謝國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所黃琴扉教授,提供本文架構調整與內文修正之意見,和高雄餐旅大學附屬高級中學國中部802班和803班學生參與此實驗,在此謹深摯謝忱。
 

 參考資料

一、書面資料

張智翔、鄭竹吟、陳信宏、林政儀 (2007)。快意陽光下-節能又環保的太陽能烤肉。 中華民國第四十七屆中小學科學展覽優勝作品專輯。國立台灣科學教育館。

二、網路資料

LIS實驗室。超懶人烤肉法大公開!用紙箱來烤雞?!。取自https://www.youtube.com/watch?v=tsuS5XwWeeA
高雄師範大學團隊和國立台灣科學教育館合作研發紙箱烤肉法。取自https://www.cna.com.tw/news/ahel/201909130166.aspx
聯合新聞網。高師大團隊科學新教案「獨創紙箱烤肉」。取自https://udn.com/news/story/6885/4045489



謝昆宏
高雄市小港區高雄餐旅大學附屬高級中等學校
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所