IV-809 悶燒—『木炭』時尚新寵兒
窯洞就是以樹為材料燒製成木炭的炭窯，木材在這種無氧、高溫之下加熱，會產生乾餾而留下多孔的木炭。本教學即在探討這些現象，藉由木材乾餾及產物特性的探討，研究各種材質的木炭之物理及化學性質，及討論向外延伸的相關問題，並應用這些產物的性質，來改善我們的生活。
設計者：詹賢媛、劉醇炫、李文雄 發表日期：2000 / 08 / 01
花蓮縣吉安國民中學 接受：科學教學資源中心
內容：
一、模組結構及使用說明
(一)模組之教學概要圖
(二)活動項目一覽表
(三)主題探討活動
(四)各活動科學智能培養之一覽表
(五)模組之學習成就評量
二、教學活動舉例
(一)參觀炭窯
(二)設計實驗比較木炭之軟硬度、導電度、吸附性.......
(三)設計並自製鉛筆、簡易電池、濾水器.......
使用說明：
本模組最根本的特質就是「善用地方資源」，作為教學時的題目，使學生察覺原來「科學」是發生在我們生活之中的事事物物，關鍵是：我們用什麼角度、什麼方法去瞭解它。而透過實證、方法、邏輯的詮釋，這樣獲得的知識，即是「科學。本模組就以「木炭」惟樣本來進行探究，其他教師也可運用其身邊方便的材料來探究，而教學的流程應類似，本模組的教程設計可參考。
網址：http://www.phy.ntnu.edu.tw/nstsc/或http://www.naer.edu.tw/nstsc
(一)模組之教學概要圖
悶燒—『木炭』時尚新寵兒
˙鄉間小道旁，日夜不停地冒出青煙、造型相當怪異的窯洞，生產何物？
˙木炭主要是採用哪種樹種？用這些薪炭材料有哪些好處？ ˙如何判定木炭品質的好壞?
˙如何驗證木炭的特性?
˙木炭有哪些工商業用途?廣告中的療效與功能，你能指證是過度誇大或是不實廣告? ˙如何DIY簡易木炭的科技用品，並能使功效發揮到最佳的狀況? 觀察情境 察覺問題
○對炭窯與乾餾的介紹 ˙什麼是炭窯？ 什麼是炭燒技術？ ˙木炭主要是採用哪種樹種？用這些薪炭材料有哪些好處？ ˙判斷木炭的好壞？ ˙木炭製作的學理-乾餾× | ○木炭的製作與性質探討 ˙如何木材乾餾？ ˙探討木材乾餾產物的特性，分析何種樹種最適合做成木炭？ ˙認識碳的物理化學性質 ˙比較各種材質的木炭之軟硬度，做成炭筆時，寫出來的字哪種較黑？ ˙比較各種材質的木炭之導電度？吸附性？ | ○炭對日常生活的幫助 ˙簡易碳伏打電池製作 ˙簡易濾水器製作 ˙不同色澤的鉛筆製作 |
引導討論 確定問題
‧參觀炭窯 ‧設計實驗比較木炭之軟硬度、導電度、吸附性....... ‧設計並自製鉛筆、簡易電池、濾水器....... 分工合作 進行探究
附件二「悶燒—木炭時尚新寵兒」教學活動項目一覽表
選用 | 項目 | 活動方式 | 器材與資源 | 建議之活動內容 | 時間 |
必選 | 引起動機 | 參觀炭窯 （參觀與討論） | ˙觀察紀錄單 ˙炭窯介紹影帶 | ˙由老師帶班至炭窯實地參觀。 ˙老師引導討論。 ˙配合炭窯介紹影帶、發表參觀心得，增強研究與學習動機。 ˙教學指導語與教學資料，如附件四 | 2節 |
必選 | 確認問題 | ˙「木炭的用途」網路搜尋 ˙木炭的性質討論 （講述與討論） | ˙木炭相關網站 ˙分組報告 ˙討論題綱 | ˙以回家作業或與電腦課程協同教學方式，進行網路搜尋資料。 ˙同學分組報告分享。 ˙老師引導討論，歸納需探討的活動項目。 ˙教學指導語與教學資料，如附件五 | 2節 |
選 | 乾餾木材 | ˙木材乾餾原理介紹 ˙乾餾各種木材 （講述與實作） | ˙化學實驗室 ˙乾餾實驗器材 ˙實驗紀錄 | ˙老師講述木材乾餾原理，並指導學生實驗操作。 ˙學生乾餾自備的各種木材，並觀察、測量與紀錄實驗結果。 ˙教學指導語與教學資料，如附件六 | 2節 |
選 | 木炭的物理性質分析 | ˙色澤與硬度分析 ˙導電度分析 ˙吸附性分析 ˙紅外線分析 （實作與討論） | ˙物理、化學實驗室 ˙各項實驗器材 ˙實驗紀錄 | ˙老師講述色澤與硬度、導電度、吸附性、紅外線分析原理，並介紹實驗操作要領。 ˙學生分組認領一項至兩項分析與比較之實驗，並自行設計實驗步驟，完成觀察、測量與紀錄實驗結果。 ˙教學指導語與教學資料，如附件七 | 3節 |
選 | 應用與自製簡易科技產品 | ˙不同墨色碳筆製作 ˙簡易碳電池 ˙簡易濾水器 ˙簡易遮蔽網 ………….等 （實作與討論） | ˙物理、化學實驗室 ˙各項實驗器材 ˙實驗紀錄 ˙NHK 實驗DIY | ˙學生分組認領並以回家作業完成簡易科技產品的製作方式。 ˙老師補充講述製作操作要領。 ˙學生分組作品設計，就造型及提高產品實用性，紀錄各種試驗過程與成果。 ˙教學指導語與教學資料，如附件八 | 3節 |
必選 | 分享經驗 | 整合成果 | ˙完成作品 ˙實驗成果報告 | ˙辦一個成果發表會。 ˙將各小組設計的作品一一展示出來，提出檢討與改進的方法。 ˙教學指導語與教學資料，如附件九 | 1節 |
附件三教學成效自評表
評量指標 | 1 2 3 4 5 |
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附件四【觀察情境察覺問題】教學指導語與資料
要導引到「悶燒木炭」這個主題的方法，可以從最近流行的日本備長炭談起，或從參觀村裡的炭窯開始，也可以由「烤肉的炭」、「木炭的應用」等各式情境，導引到這個主題。
以下是一個示例：
「在鄉間小道旁有座造型相當怪異的窯洞，日夜不時冒出青煙，你知道那裡是什麼地方嗎？它可是曾有輝煌的歷史，也可產品再創新成為新興行業呦！」、「您一定會發現市面上出現，可以煮飯、泡茶、清潔、除溼的木炭。咦？木炭不是只能拿來烤肉嗎？烏漆抹黑的，真有如此不可思議的神奇效用嗎？」或「你知道嗎？早在中國唐朝，木炭就被當成取暖、藥物來使用，是外用、內服、防腐、治病………，生活中不可多得的珍寶，而近來日本更將木炭商品化，以養生木炭的姿態出現！」，環境污染、農藥殘留、輻射危害、化學物質，我們的周遭到處充滿了這些危害健康的威脅，順應注重健康的潮流，如何用天然的物質來防患污染，再度受到大家的重視；然而引發學生研究的同時，也提醒科技產品因科學是可驗證的，可藉簡易的實驗來證實廣告上所標榜的神奇功效，是否不實或誇大！
轉載馬家木炭窯網頁資料
1.主體構造-------------------
木炭窯的主體構造為磚房與乾土砌成後的中間掏空建築，
木炭窯的頂面多數為稻草堆，作用是防水，時土窯才不至於塌掉，這個土窯的主要功用是耐高溫、不會裂開
2.木炭的原料-
---------------
原料主要是以荔枝樹、龍
眼樹和相思樹為主，其中又以
相思樹較為適用，因為別的材
質燒了以後會出油，冒出來的
煙會刺激眼睛，所以本木炭所
生產的木炭大都以相思樹為主
要材料。
3.木炭入土窯乾燒的最佳溫度----
木炭放入土窯所需悶燒的溫度通常都很高，旦最佳的乾燒溫度則為750~780度。
4
.每一萬台斤木材大約需要11~12天的悶燒，然後約需再等待18~19天讓它冷卻，然後才可以開窯。
6.木炭的用途--除臭、防濕、燒考
附件五【確認問題】教學指導語與資料
木炭有哪些特性？木炭是如何增進我們的健康呢？它有哪些療效與功用？這種療效與功用與一般常用產品有什麼異同之處？可以利用木炭仿製相關科技產品有哪些？將如何設計？……
要瞭解木炭是怎麼達到它神奇的功效，首先得認識木炭及知道它的性質……，然後再來探討與比較，並藉由DIY簡易的科技產品，評估與體驗其對我們生活有多神奇影響？
附件六【乾餾木材】教學指導語與資料
乾餾與木材碳化的特性
運用乾餾原理與方法，來研究木材碳化與木炭特性。
活動一乾餾實驗
【實驗目的】
將木材高溫「乾餾」出木炭，除證明木材為「有機化合物」，並可進一步試驗木炭的物理及化學性質。
【實驗器材】鋁箔數張、各種木材、酒精燈1個、坩堝鉗1把。
【原理】◎ 乾餾：隔絕空氣加熱。
◎ 木材乾餾產物：氣體：一氧化碳、二氧化碳、氫、甲烷、水蒸氣。
液體：焦油、醋酸。
固體：碳
◎ 有機化合物：主要的成分元素是碳和氫。
【實驗步驟】
1.取木材，以鋁箔包住。
2.以坩堝鉗夾取包好的鋁箔，至於酒精燈火焰上加熱。
3.當有濃煙從鋁箔空隙處冒出時，以酒精燈火焰點燃，觀察冒出濃煙是否可燃。
加熱至不再有濃煙冒出時，將鋁箔移至旁邊以剪刀剪開鋁箔，觀察木炭的顏色及形狀。（此實驗高溫危險，小心燙傷）
附件七【木炭的物理化學性質分析】教學指導語與資料
介紹碳元素的性質及用途
一、有機化合物：
都含有碳元素，其主要成分為碳和氫，也可能含有氧、氮、硫、磷、氯等元素；碳是構成有機化合物的必要元素，本身可以互相連結，也可以與其他原子結合，所以有機化合物的種類非常多。
二、無機化合物：大都不含碳，例外：一氧化碳、二氧化碳、碳酸鹽類雖然是含碳化合物，但仍被歸類為無機化合物。
三、乾餾：將物質隔絕空氣，加熱分解的過程，稱之為乾餾。
例如：將竹筷乾餾可以分離出可燃的氣體，留下的物質大部分是碳。
四、碳（C）：石墨與鑽石是同素異構體。
(1)石墨－(a)黑色，柔軟受外力易剝落。
(b)唯一可以導電的非金屬元素。
(c)用途：作乾電池電極，鉛筆芯。
(2)鑽石－透明無色，是最堅硬的物質。
(3)活性炭－含有碳元素，具吸附力，可置飲水機或口罩中吸附雜質。
(4)瓦斯燃燒不完全時，火焰呈紅色，鍋子底被燻黑，易一氧化碳中毒。故需調整瓦斯與空氣的混合比例，使火焰呈淡藍色。
(5)影印機、雷射印表機中有碳粒，會成黑色字跡或圖案。
活動二我們的問題，我們來解決！--探討木材乾餾產物的特性
就當薪材而言，分析相思木到底是不是所有木頭中最適合做成木炭？
做成炭筆來說，各種材質的木炭之軟硬度，做成炭筆時，其寫出來的字哪一種比較黑？
人工石墨製作要訣？如何提昇木炭導電度？
證實並比較木炭的吸附性？
木炭的紅外線如何測量，與其他物質比較有其特效嗎？
觀察木炭窯的作業情形，探討造成環境污染現象，並設計改進方式。
…………並討論向外延伸的相關問題，於是我們設計以下的實驗，尋求上述問題的解答：
研究過程與方法 舉例
【問題一】誰是最佳薪材
觀察台灣杉木、日杉、檜木、相思樹………….等十一種木材的顏色、硬度及重量，並比較一『才』的價格。
2.用排水測量法測各5克原木材之體積。
3.取得各木材之密度，即軟硬度。
4. 乾餾各種木材，觀察及紀錄乾餾產物化學變化，並測試比較各木材乾餾碳化率、出油性、燃燒冒煙情形，評估誰是最佳薪材？
【問題二】墨色誰最好？
鋸各種木材，成長條狀（5㎝×2㎝×1㎝）。
乾餾各種木材。
3.用木炭試畫在紙張上，以在紙上碳粉量來判別軟硬度。
4.用木炭試畫在紙張上，以目測來判別深淺度。
5. 測量市售的鉛筆、炭筆的顏色深淺，並與自製出的木炭比較。
【問題三】人工石墨—木炭能導電嗎？
1. 利用100℃、200℃的火焰，乾餾各種木材，觀察及紀錄乾餾產物化學變化等。
2. 用三用電表在製好的木炭上約間距0.5公分測其是否導電，並紀錄其電阻。
3. 用鋁箔將各種自製木炭包致完全密封。
以噴燈強火（300℃±10℃）燃燒2~4分鐘，觀察導電性並比較。
【問題四】觀察木炭的吸附性
1. 秤取各種木炭20克，錘成顆粒大小相似的炭粒。
2.滴10滴紅墨水於盛500c.c.水的燒杯中，以玻棒攪拌均勻。
3.分別置各種木炭粒於燒杯中，並設一杯對照組，觀測顏色變化。
【問題五】木炭的紅外線真比他物強？
木炭的紅外線如何測量？可用何種儀器測量。
網路查詢相關數據並做比較。
【問題六】炭窯造成空氣污染現象改進方式？
觀察木炭窯的作業情形，探討造成環境污染現象。
2.日本科技將燒竹炭時所冒出的白煙將其收集，經沈澱過濾雜質後包裝成品名為天然竹醡液。據報導此品具有除臭、殺菌、消炎、止癢、防虫、防蟻效果絕佳。純天然，不加化學成份，成為家庭必需品。這樣化腐朽為神奇的創意是否值得我們深思與學習。
附件八【應用與自製簡易科技產品】教學指導語與資料
簡易濾水器的製作
【研究目的】探討濾水器的功能及如何製作濾水器 。
【我們的問題】
小組討論
1. 為什麼會有濾水器？
2. 濾水器製作時所需的材料是哪些？
3. 假如濾水器有各種形狀，哪一種形狀最適合做濾水器？
假如現在我們要製作濾水器，那麼要如何規劃工作程序？
為什麼要用濾水器來淨水？
分工進行
1.濾水器的過濾原理？（誰去查詢）
2. 濾水器的材料有哪些？活性炭的來源有哪些？（誰去查詢）
3. 我們打算如何設計濾水器？（誰去繪製設計圖）
4. 我們打算如何製作、裝置濾水器？（誰來準備器材？誰來操作？）
5.濾水器對於人的健康有何益處？（誰去查詢）
〔探究活動〕
1. 收集及報告資料
2. 選擇用什麼材料？裝置成什麼形狀？
3. 選擇一個最適合的形狀（怎麼知道？）看看各種形狀的差別在哪裡？
〔檢討改進〕
1. 由所製作的濾水器和蒐集到的有關濾水器的知識，去分析簡易濾水器提昇淨化水質的功能相關技術與變因。
〔綜合討論〕
1.濾水器對於淨水有何益處？如何判斷濾水器品質的好壞？
2.我們所設計出來的濾水器有何優點與缺點？
3. 我們所設計出來的濾水器有改進的空間嗎？如何才能做得更好？
轉載主婦聯盟生活環保自製簡易濾水器篇
自製隨身攜帶一個簡易濾水器，可在露營時，或山間或溪流野地飲用到乾淨又安全的水；掛在家中自來水龍頭下，減低自來水中的氯氣含量。 在此介紹一種自己就能做的「簡易濾水器」，不僅效果佳，並且經濟實惠，值得一試：
一、利用塑膠飲料容器，如保特瓶、牛奶瓶、果汁瓶等，用剪刀將底部截掉，兩側各鑽
一個孔，穿一條繩子（約30公分長）並在兩側各打一個結。
二、把25公分×60公分大小的紗布兩張對摺，縫成袋子狀。
三、把粒狀椰殼活性碳約250公克（化學原料行可買到或試其他木炭可否取代？），裝入紗布袋裡，袋口以棉線紮緊。
四、開小水量的水在水龍頭下面充分揉洗，直到洗出的水，顏色由黑色變成透明無色為止，再將它裝入容器內。
五、蓋子上放二、三層紗布，再把打洞的蓋子扭緊。
六、把瓶底朝上的簡易濾水器，直接掛在水龍頭上，注入自來水，瓶口流出的即為水質乾淨的水了。
※每隔半個月，紗袋中的活性碳要用鍋子在水中煮5分鐘，以防雜菌繁殖，同時也可恢復活性碳的吸附能力，如此活性碳可重覆使用達2年之久，成本低，既經濟又實惠。
※使用簡易濾水器可濾掉水中的霉味及殘留的餘氯，將濾過的水拿來泡茶、沖咖啡，味道特別甘美，沒有苦澀味。
本文轉載自主婦聯盟生活環保
碳鋁伏打電池的製作
〔我們的問題〕
※伏打電池的故事
西元1800年伏打以含食鹽水的溼抹布夾在銀和鋅的圓形板中間，按 銀→布→鋅→銀→布→鋅‧‧‧的次序，然後堆積成圓柱，利用導線連接最頂端的銀圓板和最底層的鋅圓板，製造出最早的一個電池，稱為"伏打電池"。
1.伏打電池原理?
2.”含食鹽水的濕布”功能為何?
3.電池中鋅板與銀板可以用別的金屬板替換嗎?改用日常用品『木炭與鋁罐』試試看?
觀看並參考NHK 實驗DIY第17輯電池影片（15分鐘），
自製一個電池吧！
【研究目的】
試著製作碳鋁伏打電池，探討伏打電池的性質及結構。
【實驗原理】
１．鋁(Al)會放出電子而形成鋁離子(Al 3┼)，溶解在溼衛生紙的食鹽水此外，還會形成電子(e-)，電子會沿著電線形成電流，並和木炭中所吸附大量空氣中的氧氣作用，形成氧離子(O 2-)，附著在木炭上或溶解食鹽水中。
２伏打電池是最早的電池之一，市面上數種的電池都是將伏打電池加以改良，但是其基本原理都差不多。
【研究器材】
三用電表、導線(附銅夾)、燒杯(250ml)、面紙、食鹽溶液、木炭棒、木炭或各種碳粒、鋁罐、鐵鎚。
【實驗步驟】
請戴手套，以剪刀剪開鋁罐，用砂紙磨除鋁罐內乙烯樹脂護膜。
配置飽和食鹽水1000c.c.。
用鐵鎚將木炭搗成顆粒狀。
含食鹽水的溼面紙夾在木炭和鋁罐中間，按 鋁罐→溼面紙→木炭顆粒層→木炭棒的次序，然後以鐵鎚柄堆實木炭顆粒，利用導線連接最頂端的木炭棒和最外層的鋁罐，製造一個"伏打電池"。
連接三用電表，並觀察其變化，並記錄其電壓與電流。
設計造型及改進實驗器材，增進本電池的實用性。
取
計算機、電燈、小電扇或電動玩具火車、電動玩具連接自製的電池，展示成果分享經驗。
鉛筆不含鉛摘記於發現第40期 88年12月1日出刊
鉛筆不含鉛，為什麼叫鉛筆？
鉛筆芯是什麼成分？
鉛筆芯不含鉛，其主要成分是石墨。
由於鉛在岩石或牆壁上書寫時，會有黑色痕跡，因此在古希臘及羅馬時代，人們使用鉛作為繪圖及寫字工具。中國古時，書寫於絹帛及紙上，若有錯誤，則以鉛粉塗改，所以古文中確有「鉛筆」一詞，但與現代的鉛筆不同。
十五世紀時，石墨礦被發現，當時的人並不知道石墨的成分，就稱石墨為「黑鉛(blacklead)。大約在1492年，英國開始有人使用石墨製成的筆，就稱為鉛筆。一直到１７７９年，科學家才知道石墨是碳的一種形式。」 由石墨研磨成粉後，與黏土混合，再灌入兩片半圓型的木管中製成，近年也有塑膠製的筆桿上市。
為了適應各種需要，鉛筆筆芯中石墨與黏土可以用各種不同的比例混合，混合比例不同，筆芯的性質與用途也不同。例如作為素描用的筆芯須要軟一點、黑一點；學生寫作業用的筆芯需要硬一點、顏色淺一點。我們在買鉛筆時，要注意筆上的標示，其中H代表堅硬(hard)，F代表堅實(firm)，B代表黑體(bold)。根據廠商提供的資料，各種鉛筆由軟到硬的順序為
HB-B-2B-(*)-9B-F-H-2H-(*)-9H
其中(*)化表介於2B與9B或2H與9H之間的代號。
為配合電腦閱卷,許多考試都要求考生要使用鉛筆在卡劃記答題,同學們在進入考場,前務必檢查所攜帶的鉛筆是否2B鉛筆。帶錯了筆,電腦可不認識你寫的答案喲！
鉛筆的製作過程
可參考雄獅鉛筆網頁 。
附件九【分享經驗】教學指導語與資料
以下是一個示例：
辦一個成果發表會。
將各小組設計的作品一一展示出來，提出檢討與改進的方法。
回應每個活動的「評量表」：學生可以在「分組成果發表會」上提出問題，或私下參訪各小組成員，討論評量單上的問題。
對於探討工作之檢討，例如
．在此次製作過程中，你們小組最有成就的是什麼？
．對於作品的設計上，你們覺得哪裡最難設計？
．你認為自製作品是否有要改良的地方？
【綜合評鑑推廣應用】
以下是一個示例：
1.教學成效評鑑。
2.學生之學習成就檢核
科學與技術認知的學習
˙可將本議題探討的內容中與課程綱要相關的科學概念列舉出來，配合各小組的探究活動，設計成試題，由學生填答或口頭報告
˙將作品陳列出來，並做評量
「過程技能」、「思考智能」與「科學應用」之檢核
˙由學生在蒐集資料時表現之觀察、分類、組織與歸納等能力來評量
˙由學生撰寫報告、討論的能力來評量
˙由學生處理問題的態度、提出策略之創意及安排工作流程等能力來評量
「科學態度」之檢核
˙由學生熱衷參與及求真求實的精神來評量。
附記：參考資料
主婦聯盟生活環保自製簡易濾水器篇
陳文典教授模組
發現第40期 88年12月1日出刊
雄獅鉛筆網頁
NHK 實驗DIY第17輯電池影片
馬家木炭窯
http://www.fgu.mlc.edu.tw/multimedia/html/fengshues/mahome.htm
http://www.taconet.com.tw/mizi424