碳捕獲與封存教學教案:高一綠能科技課程設計

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吳德鵬
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綠能與綠色科技課程研發──碳捕獲與封存教案設計

壹、課程計畫

課程名稱

綠能與綠色科技

課程設計者

國立武陵高中

化學教師吳德鵬

單元主題

碳捕獲與封存

實施對象

高一選修班級

授課時數

4~6 X50 分鐘

實施概念

藉由老師簡介引導、學生分組報告以及實作實驗比賽等教學方式,藉以讓學生瞭解,碳捕獲與封存的特性與發展必要性。

課程特色

  1. 為科普常識,一般的通識教育,課程目前設計4~6節課,可依照綠能相關的主題,融入延伸教學的課程。

  2. 利用化學實驗比賽,藉以提升化學實驗技巧,並增進學生解決問題的能力。自訂相關主題的報告方式,以引導學生探究學習,並訓練學生科學報告口語表達能力。

  3. 實驗器材的取得簡單,便宜且效果好,實驗時間簡短,且學習評量的判定方法明確。

實施方式

分組討論、老師講述、口語報告、實驗分析實作

學習評量方式

主題學習單、學生報告分組互評表、化學碳捕獲比賽

教學資源

電腦、投影片、學習單、自編教材、化學實驗藥品及器材

課程目標

1.根據學生學習力的理論,學生經由實驗操作、討論等學習模式可增加學生對於綠能科技的好奇心,並藉由實作提升對能源科技學習的興趣

2.藉由教師提問,融入探究式教學的精神,學生利用先備知識連接問題,建立新知識連結,並學習思考解決問題

3.學生(小組)實驗操作的觀察、紀錄表達,以夠促進同儕間的合作學習,藉由不同組的分享,學生能反思自己的觀察力與執行力

4.經由「綠能化學闖關-碳捕獲與封存」之科學活動,推廣學生們對於碳捕獲與封存的認識

貳、能力指標

目標

領域

認知目標

  1. 了解節能減碳的必要與方法。

  2. 了解碳捕獲與封存在節能減碳的貢獻。

  3. 了解目前碳捕獲與封存的方法與進展。


1-1學生能指出至少2個節能減碳的必要理由。

1-2學生能說出至少2個節能減碳的方法。


技能目標

  1. 增進上台報告的能力。



  1. 動手操作碳捕獲的化學實驗方法。


4.1蒐集並統整資料

4.2製作清楚有條理之power point

4.3訓練報告時之表達能力

5.1 酸鹼指示劑與碳捕獲量的關係

5.2 吐氣時間與碳捕獲量的關係

5.3 化學器材的使用技巧與產率的關係

情意目標

  1. 評價碳捕獲與封存實施的理想與困難點。



6.1培養學生地球村的觀念,共同為綠色能源的發展而努力。

6.2能身體力行在生活中落實節能減碳。

6.3碳捕獲封存的實施,與綠色能源使用的反思。


參、時間分配表

節次

時間

1

碳捕獲與封存技術簡介

50分鐘

2

國內現況與比賽說明及練習

50分鐘

3

學生分組報告

50分鐘

4

化學碳捕獲比賽

50分鐘


肆、教學活動流程

時間

分配




















5

5

10

5

5

5

5








10









5


35

























50
















50

備註

課程目的

(相關配合附件)

壹、 準備活動

課前準備

(一)教師準備

1. 對課程內容的了解。

2. 1克氧化鈣裝袋15份,(其中鼓勵作答獎品7)

3. 學習單的製作。

4. 將學生分組,先給予簡單論述引起動機


(二)學生準備

1. 分組討論,決定學習報告主題。

2. 探究學習主題的知識。






貳、  教學活動

第一節課(全班視人數,分6~8組進行課程)

(一)教師以影片簡介二氧化碳捕獲與地質封存CCS 影片

  1. 前言:簡介節能減碳的重要性及各種方法

  2. 碳封存技術:

    • 生物封存

    • 海洋封存

    • 地質封存

    • 礦化封存



第二節課

一)教師以影片介紹全台第一個「二氧化碳捕獲廠」影片











(二)教師說明比賽…、發藥品,鈣循環原理實驗測試。

  1. 教師簡單介紹原理,並先請各組操作濾紙過濾飽和石灰水,得到澄清石灰水兩份,同學示範吐氣後,先混濁,繼續吐再澄清的過程,體會以下反應方程式的過程。

  • CaO(s)+H2O(l) Ca(OH)2(aq)

  • Ca(OH)2(aq)+CO2(aq) CaCO3(s)+H2O(l)

  • CaCO3(s)+CO2(aq)+H2O(l) Ca(HCO3)2(aq)

  1. 第二份加入酚酞指示劑,再請同學吐氣後觀察,沉澱量與指示劑顏色的關係

  2. 觀察後請學生做紀錄,以提供第四節課的化學碳捕獲比賽的必備知識與經驗。











相關實驗影片網址:

https://www.youtube.com/watch?v=JNCexUqEkWk

https://www.youtube.com/watch?v=h59xSa6ZlWM

https://www.youtube.com/watch?v=4vg-ed5jdNg


第三節課

(一)分組報告

  1. 每組選定一個碳捕獲與封存相關的主題,或給予引導特定主題,利用相關資料介紹5~8分鐘,以及同學提問1~2分鐘,並發給”分組評比表”互評。

  2. 議題目:全球暖化、氣候變遷、綠色能源、超臨界流體、生物封存、海洋封存、地質封存、礦化封存、碳捕存國內現況、碳捕存國際現況等。

第四節課

(一)化學碳捕獲比賽參考化學碳捕獲實驗比賽辦法比賽。

  1. 發給各組定量氧化鈣0.5

  2. 在有限時間內,利用配成水溶液,增加二氧化碳的捕獲率,並考慮吹入過量二氧化碳引發碳酸鈣轉換成溶於水的碳酸氫鈣副反應

  3. 測試利用酸鹼指示劑以精準控制反應,以期捕獲最大量的二氧化碳氧化鈣碳酸鈣

  4. 過濾沉澱,並將濾紙攝氏120烘乾1小時,比較各組捕獲量,並請在下節課,請各組發表討論實驗技巧。


















教師引導

學生學習單
附件二











實驗探究、分組比賽練習



































團隊合作、探究式學習

分組評比表
附件三









學習應用

解決問題


化學碳捕獲實驗比賽辦法

附件一



附件一

化學碳捕獲實驗比賽辦法

  1. 實驗原理:

參考以下化學反應的相關方程式,將個人吐出的CO2(g),轉變成固體封存,以減少排放至大氣中。

CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g)

C aO(s)+H2O(l) Ca(OH)2(aq)

Ca(OH)2(aq)+CO2(aq) CaCO3(s)+H2O(l)

CaCO3(s)+CO2(aq)+H2O(l) Ca(HCO3)2(aq)

Ca(HCO3)2(aq) CaCO3(s)+CO2(g)+H2O(l)

二、器材與藥品:

器材: 錐形瓶250mL x4、量筒100mL x1、燒杯150mL x3、漏斗x1

刮勺x1、攪拌棒x1

藥品: 3M HCl(aq)、酚酞或廣用指示劑、氧化鈣0.5

耗材: 吸管、棉花、濾紙

三、比賽方式:

1. 利用現有器材與藥品,以控制適當的濃度、溫度,及吐氣時間,等條件,以產生最大重量沉澱為主,求得最大量的碳封存。

2. 聽取評審指示開始,操作時間為25分鐘,包括氧化鈣溶解,吐氣,及沉澱過濾操作時間。

3. 每隊可製作一份以上的石灰水,以求在有限時間內,得到最大量的沉澱。

4. 操作結束後,請交出過濾沉澱後的濾紙,並貼上各組別標籤後,由評審統一置入烘箱,乾燥1小時後秤重,評分。

四、評分標準:

1 . 固體的質量達到參賽隊伍的第一名,則可得分數100分。

2. 固體的質量達到參賽隊伍的第二名,則可得分數97分。

3. 固體的質量達到參賽隊伍的第三名,則可得分數94分。

4. 依此類推。



附件二

學生學習單


附件三

綠能與綠色科技-碳捕獲及封存課程 分組評比表

主題(請註明報告主題)

優點及建議:(:講述者活潑生動、編排流暢、內容充實…)

報告分數(1~10)

回答問題優良加分

總分

第一組






第二組






第三組






第四組






第五組






第六組






第七組






第八組






  1. 請將自己以外的組別評比,建議1~6分為”尚可”,7~8分為”好”,9~10分為”很好”。

  2. 針對同學題的問題,回答優良時給予2分加分,尚可1分加分,不對題可不加。

  3. 優點及建議,請給予各組正面鼓勵為主。

  4. 各組此評比表,請於報告及換場時短暫討論給分,請於同學報告完後繳交本評分單並同時完成背面的學習單。



附件四

碳捕獲實驗器材組內容

  1. 目的: 為實作課程順利進行,設計本實驗器材組,方便課程進行。

  2. 器材: 錐形瓶125mlx4、量筒100mlx1、燒杯150mlx3、漏斗x1、刮勺x1

  3. 藥品: 3M HCl(aq)、酚酞或廣用指示劑、氧化鈣

  4. 耗材: 吸管、棉花、濾紙

  5. 操作及注意事項:

  1. 0.05克石灰,加入100mL蒸餾水(室溫下石灰溶解度0.16g/100mL),再以濾紙過濾石灰水,得到澄清石灰水,後以吸管吐氣,可觀察先混濁,繼續吐再澄清的過程。因為人體所吐出CO2濃度不高,所以此濃度較易進行

  2. 吸管可塞入少許棉花,推入至彎管處,可防止不小心吸入,或吐入異物

  3. 氧化鈣(石灰)所製作飽和澄清石灰水,PH值約為12左右,需實驗前提醒學生








附件五

設計化學碳捕獲闖關遊戲–於大型活動時(校慶)推廣

()實驗原理:

利用金屬氧化物,捕獲自己吐出的二氧化碳(化學礦化封存)

CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2(aq)

Ca(OH)2(aq) + CO2(g) → CaCO3(s)↓ + H2O(l)

()實驗器材:錐形瓶三個、吸管三隻、燒杯、攪拌棒、氧化鈣、蒸餾水

()過關條件: 於六分鐘內

  1. 完成紫紅色,淡粉紅色,無色等三種溶液

  2. 觀察後正確說出,三瓶溶液沉澱量的多寡

()實驗步驟:

1. 將氧化鈣0.2克與60ml蒸餾水倒入燒杯並利用玻璃棒充分攪拌

( CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2(aq) )

2. 60ml氫氧化鈣水溶液,平均倒入三個錐形瓶中(20,20,20ml)

3. 再取60ml蒸餾水倒入燒杯,攪拌後平均倒入錐形瓶(40,40,40ml)

4. 由關主在三個錐形瓶中各滴入2滴酚酞指示劑(或者廣用試劑)

( 酚酞: 鹼性<紫紅色> → 中性<無色> )

5. 利用吸管吹入自己呼吸作用產生的CO2(g)

( Ca(OH)2(aq)<鹼性> + CO2(g) → CaCO3(s)↓<難溶於水> + H2O )

6.使三個錐形瓶呈現色階(其中一瓶為無色)







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