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綠能數位與實作教材之發展與運用



文/盧玉玲
「綠色能源」是未來國家可持續發展的關鍵板塊，國民對此科技議題的了解與態度將影響國家競爭力和社會的發展，故應將此素養的培育扎根於國民教育的階段，同時強化一般大眾對此綠色能源的基本認知。

國際能源總署（International Energy Agency, IEA）每年發布的世界能源展望報告（World Energy Outlook, WEO），在2010年開始將議題重點置於再生能源的發展應用。近年來更是將能源相關的經濟和環境等面向進行整合，期望各國政府制訂有效之節能減碳政策，並引領經濟與產業結構朝向低碳、低能源密集方向發展（經濟部能源局，2014；IEA, 2018）。英國石油公司（British Petroleum, BP）於2018年發布之2040能源供需展望報告，其提出再生能源的比重將以五倍速度成長（張素美，2018）。由此可知低碳或是再生能源產業為未來能源科技發展的重點，而這些能源包括水力發電、風力發電、生質能、太陽能和地熱等。其中，風力發電與太陽能發電的能源供給將占再生能源總發電量的64％（科技部科技發展觀測平台，2018；IEA, 2018）。國內為了搭上世界綠能科技產業發展潮流與因應發展的需要，也於2016年提出新能源政策，提出「積極開發綠色新能源，2025再生能源發電量占總發電量的比例達20％」，並將推動如太陽光電、離岸風電產業等綠能科技（行政院，2018；經濟部能源局，2018）。

因應這個需求，如何在這個全球性「綠色能源」發展潮流中，加強教師與學生的「綠色能源」素養應有高度之必要。數位時代來臨，人們的學習型態產生了改變。現有之相關研究指出數位教材可以是一種有效的學習媒介。在此背景下，本研究室研發「綠色能源」數位教材，除可用於培養學生相關素養外，亦有助培育學生之高階思考能力。教材係整合情境式數位學習與實作探究而成，以風力發電為主題，包括：
(1)情境式數位學習電子書；
(2)風力發電機虛擬模擬器App；
(3)風力發電機實作探究教材包；
(4)融入混合實境（mixed reality, MR）體驗之風力發電機組裝系統。
可用於引起學生或是大眾探索科學科技的興趣，使其了解綠色能源知識，落實學生及國民的生活知識與價值觀。相關教材內容說明如下：

1.情境式數位學習電子書


本研究室將「離岸風力及海洋能源」之新興科技發展成適用學生及大眾使用之情境式數位學習電子書，主要學習內容包括：
(1)「風力發電」：瞭解臺灣的發電狀況、風力發電的原理、構造、優缺點、應用；
(2)「離岸風力發電」：比較陸域風力與離岸風力，以及離岸風力的優缺點，藉此讓使用者瞭解風力發電及離岸風力發電的差異；
(3)「海洋替代能源」：介紹海洋能源相關的技術與知識，包括：「波浪發電」、「海流發電」、「潮汐發電」和「溫差發電」等不同發電原理及能量轉換概念。
透過情境式數位故事的學習除可增加學習的趣味性，書中具備即時回饋的選擇題互動功能更加深學生的認知學習。相關電子書資源皆放置在本研究室建置之「豆豆趣--數位教學資源」網站，互動式電子書相關內容畫面，如圖1所示：











圖1. 開發之情境式數位學習電子書教材畫面

2.風力發電模擬器App：

本研究室發展一套風力發電模擬器App（如圖2所示），內容包括：風車大組裝、模擬器操作書、小工程師能力檢核三個關卡。首先進行發電機組的組裝，讓使用者瞭解風力發電的運作原理；再透過不同變因的風力發電探究模擬實驗，讓學生瞭解不同風力發電機組的發電差異，最後進行學習評估，透過比較不同的發電方式，讓學生瞭解綠能對環境的影響。





圖2. 風力發電模擬器App實際操作畫面

3.風力發電機實作探究教材包：

本研究室設計一款可供進行探究之風力發電實作教材包（如圖3所示），主要實作材料包括：立架、軸架、底座、線圈、LED燈、鐵軸、齒輪、葉片等（詳細說明請見圖3）。此教材包之組件經過研究室多次改良，主要組裝結構最後改由3D列表機印製，將風車主要的機座拆分成三個元件，再透過簡易卡榫設計進行組裝，節省鎖螺絲的時間。此外，本款教材包亦搭配學習單，提供線圈（500圈、1000圈和1500圈的線圈）和葉片（風車葉片數、風車葉片形狀、葉片角度）等器材，讓學生進行科學探究。讓學生經由實驗所得數據，設計自己的最佳風力發電機，並提升學生探究與實作能力。



圖3. 風力發電機實作探究教材包

4.融入混合實境（MR）體驗之風力發電機組裝系統：

本研究室透過混合實境（MR）技術，開發可供學生體驗3D風力發電機元件組裝的數位教材。由於現實風力發電機的設計涉及許多艱深的知識，而本系統的標的對象為國中小學生，教學目標在於讓學生瞭解風力發電機的基本運作原理，因此本系統將風力發電機元件進行簡化，主要分為：風車葉片、齒輪、轉軸和發電機（相關模型畫面如圖4）。而學生在戴上MR頭盔眼鏡後，會看到一個3D的風力發電機座如魔術般真實地呈現在教室的空間中，學生運用手掌抓取空間中的風車元件，裝入風車箱中，組裝成功後，風車葉片將會順利轉動。本研究發現透過雙手與虛擬元件的互動，可以讓學生更清楚瞭解到風力發電機的結構，系統操作過程如圖5。

圖4. 風力發電機元件模型


圖5. 戴上MR頭盔進行風力發電機組裝畫面

呼應全球環保的思潮與行動，透過各種教學活動引發學生對環境覺知與敏感度，培養學生對環境有正確的價值觀以及具備解決環境議題時的認知與技能，使之成為一個有環境素養的公民，為科學教育重要一環。學生能了解各類能源的相關知識，並能感受和體認全球環保思潮為能源教育不可忽視之教學重點。希望以上本研究所發展的「綠色能源」教材能為教學者提供多元教材選擇，更企盼對能源教育的落實有所助益。


 參考文獻


行政院（218）。能源政策專案報告。
科技部「科技發展觀測平台」（2018）。美國2018年到2050年的能源展望與預測。
張素美（2018）。BP能源展望（2017~2040）。經濟部能源局。
經濟部（2014）。2014年能源產業技術白皮書。經濟部能源局。
經濟部能源局「能源報導」（2017）。前瞻引領綠能，建構產業競爭力。
EIA (2018). Renewable & Alternative Fuels




盧玉玲
國立臺北教育大學自然科學教育學系教授