以地球環境變遷為主題之應用科學展覽教學探究
新北市環教輔導團研究員 余秀琴
國立台灣科學教育館科教教師 楊憲吉
前言
法國哲學家Raymond Aron曾表示，人類為二十世紀的工業化與經濟繁榮而沉醉，企圖維持及延伸既有的成就，缺乏更長遠的思考。因此二十一世紀我們正面對著空前的化石燃料污染問題、溫室效應氣候異常暖化問題、能源短缺等等問題群正成幾何級數累增，若無法從「教育」預先提昇新理念增長智慧，下一代將要接受巨大的挑戰。因此「再生替代綠色能源科技」將可融合各種思想導向，讓我們看到或聽到創造過程的模式。
「能源科學教育」是環境教育中的一環，萬物互利共生，人類為萬物之靈，在物種當中應有維護平衡萬物之重責大任才是；地球資源有限，如何節約與運用？甚至再生利用都是新世紀應重視的問題；因此呈現與生活息息相關的教學題材，讓學生瞭解「能源」在自然界中的地位與角色、終結環境污染、能源和人類間之關係，進而培養關愛生態環境的情操是教育當務之急。
鑑於能源教育的重要性，以及教學者對九年一貫相關議題獨缺能源教育課程感遺憾，故教學者試圖採用統整化教學的設計方式，將九年一貫各科課程相互融合，透過有系統的課程規劃與實施，而發展以校園體系進行探索、觀察、實驗操作活動及專題或獨立研究二者並重的綜合性能源教育計畫。
壹、研究主題訂定
●教學活動一：認識能源，如何從各類型能源中確定主題？
（一）準備各種有趣的能源操作材料，如太陽能車船、風力發電機、小水力發電機、海水空氣電池、生質能吹氣球等活動中，請學生發表有什麼共通性？
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| 海水空氣電池 | 太陽能爬梯車 | 小水力發電機 | 風力發電機 |
◎引導小朋友覺察：分組討論活動，認識再生能源並擬研究計畫。（附學習單）
＊太陽能照射到地球可應用的是光與熱，光源產生光伏效應，進而產生電子、電洞，即可轉換成電能。輻射熱可烹調食物與加溫。
＊風力發電是藉由空氣的流動來轉動風力機的葉片，然後透過齒輪箱與發電機組將風能轉換成電能。
＊水力發電是水的位能轉換成動能，帶動水輪機旋轉再與發電機做連結產生電能
＊海洋能源能量巨大，海水鹽度與碳、鋁可製成空氣電池，由化學能轉換成電能，無汙染之優點，可再生使用；其它如波浪能、潮汐能、溫差能、洋流能等。
＊生質能垃圾也能變黃金，所有有機物及一般廢棄物，經過焚化、氣化、裂解、發酵等技術轉換成燃油、燃氣與電力。
※參考資料~~歷屆能源相關的科展作品
＊未來能源的轉換與利用~太陽能車的探討
＊神奇的大力士~太陽能曲桿爬梯車與槓桿原理的探討
＊油啊油！游啊游！~除油好幫手太陽能除油船
＊美麗的空中蔬果花園─太陽能水耕植物
＊來電100~節能減碳綠建築
＊地球暖化終結者-太陽能風扇對生物節律的探討
＊21世紀新ENERGY~新店溪迷你水力發電的探討
＊神奇的風能~風力發電
＊海洋牧場~潔能節能海水空氣電池的探討
＊勇闖海龍宮~神奇的波力發電
＊超酷落葉發酵火箭~生質能纖維素酒精汽油的探討
＊垃圾廚餘也能變黃金~有機肥料的研究
＊溫室效應的終結者~水生植物與CO2的探究
＊ 國立科學教育館歷屆科展參展資料網
http://www.ntsec.gov.tw/m1.aspx?sNo=0000262
＊ 國立科學教育館歷屆科展優勝作品資料網http://www.ntsec.gov.tw/m1.aspx?sNo=0000263
（二） 各組確定能源主題後，帶至圖書館或上網文獻蒐集並分析與運用。
◎引導小朋友覺察：文獻的探討可增進對整個能源環境及其相關問題之知識，以奠定好先備概念與擬進度考核表。（附學習單）
＊請組員記錄文獻蒐集如圖書類、期刊文章、網站資源等名稱、作者、出版日期、出版社、出版地、頁數、網址，並作為日後完成說明書中最後項目參考資料用。
貳、研究架構發展
●教學活動二：摘要、動機、目的、研究問題、研究設備與器材、研究過 程
（一）依研究主題舉出動機與目的等架構，並配合如下活動，學習如何假設驗證實驗概念、變因控制設計與修正，數據表與統計圖製作。舉例 『海洋牧場~海水空氣電池的探討』研究問題：
1、哪一種水溶液的pH值與電流最強？
2、哪一種炭產生的導電最強？
3、何種礦物產生的導電電流最佳？
4、海水溶液的溫度會影響電流的強弱與持續的時間？
5、海水水量的多寡是否會影響海水電池發電的情形？
6、強酸強鹼加入海水中是否增加電量與持續性？
7、海水加入各種鹽類是否能使電流增強呢？
8、使用過的備長炭是否會影響電流量？
9、如何製作各種海水電池提供海洋牧場的使用？
●教學活動三：市面上傳統電池為何要回收？傳統電池構造如何？能以海水、備長碳、鋁箔紙製作海水空氣電池替代嗎？
（一）調查市面上電池的種類與構造。
（二）說明製作海水空氣電池的動機與目的，並發給每個小朋友實驗材料：備長炭、200c.c.c海水、毫安培計、透明杯子、鱷魚夾、馬達、葉扇。
（三）實驗步驟如下 :
1、取200c.c的海水，將備長炭用鋁箔紙６×１０ｃｍ2包在1/3處。
2、取10克、20克備長炭，放在天秤上。
3、毫安培計正極夾在炭，負極夾在鋁箔紙放進透明盆子裏並注入200c.c.c海水，測試三次每次十分鐘並觀察毫安培計的電流量？
◎引導小朋友提問、思考與推論：
〈1〉海水的溫度會影響電流嗎？
〈2〉使用過的海水和備長碳是否會影響電流強弱？
〈3〉鋁箔紙全包住備長碳，電流會減少嗎？
（四）在問題探討中能分工執掌，讓小朋友從實驗中解決問題，然後請小朋友自 由發表，能操控變因與技巧，做流程規畫，有計畫的進行操作。教師依發表者的發現論述，引導所有學生操作並驗證發表者的論述，可能步驟如下：
◎ 引導小朋友思考與推論：
〈1〉海水溫度越高電流就越強。
〈2〉使用過的備長碳越重電流越強。
〈3〉鋁箔紙全包住電流越弱。
叁、實驗方法與步驟
●教學活動四：實驗中應確立的各種變因與實驗的方法步驟？
（一）瞭解並確立變因：
1、在問題探討中能分工執掌，讓小朋友從實驗中解決問題，然後請小朋友自由發表，能操控變因與技巧，做流程規畫，有計畫的進行操作。
2、教師依發表者的發現論述，引導所有學生操作並驗證發表者的論述，可能步驟如下：
〈1〉加熱到沸騰時電流非常強，並且馬達葉扇轉得很快。
〈2〉水溫漸漸降低時電流也漸漸弱，馬達葉扇轉得很慢。
（二）引導小朋友如何以電腦Excel或Word統計實驗後的數據表與統計圖：
1、加熱到降溫的溫度、時間與電流數記錄下來。
2、學習電腦表格與插入圖檔中圖表的製作。
（三）引導小朋友如何拍照或實錄留下記錄：
1、利用媒體如拍照實驗過程並傳輸至電腦編輯、撰寫說明。
2、也可實錄下來傳輸至電腦剪輯製作科學專輯，並檢討改進。
肆、實驗活動執行與實驗結果統整
●教學活動五：實驗模型設計製作與操作
＊各組依據實驗設計步驟進行實驗，完成實驗記錄，拍照並延伸實驗製作生活應用產品（如活動五），統整實驗結果。舉例 『海洋牧場~海水空氣電池的探討』
問題九：如何製作各種海水電池提供海洋牧場的使用？
方法〈一〉製作手提海水電池
1、實驗材料：毫安培計、鋁罐、省能馬達(1V)、保麗龍、各式葉扇、吸管、木板、竹筷、塑膠杯、塑膠碗、塑膠繩、熱熔膠、熱熔槍、焊槍、焊鍚、剪刀、美刀工、培養箱、餅干盒、發光二極體燈泡、備長炭20g、鋁箔紙、細鹽。
2、實驗步驟：
（1）回收250 ml和350 ml鋁罐數個。
（2）備長炭20g直接放入鋁罐中
（3）海水200c.c.和300c.c.加入細鹽，倒進鋁罐和餅干盒中，用鱷魚夾夾好正負極再測電流。
表九-1 鹽度高產生的電流量
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鋁罐容量(ml) |
細鹽(g) |
海水(c.c.) |
電流(mA) |
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250 ml |
0 |
200 |
90 |
|
250 ml |
10 |
200 |
150 |
|
250 ml |
20 |
200 |
170 |
|
250 ml |
30 |
200 |
200 |
表九-2鹽度低產生的電流量
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鋁罐容量(ml) |
細鹽(g) |
海水(c.c.) |
電流(mA) |
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350 ml |
0 |
300 |
58 |
|
350 ml |
10 |
300 |
60 |
|
350 ml |
20 |
300 |
130 |
|
350 ml |
30 |
300 |
180 |
◎引導小朋友操作與驗證推論：
（1）利用各種大小鋁罐也可讓海水空氣電池應用於生活上。
（2）製成手提式海水空氣電池讓風扇轉動起來。
（3）製作一座旋轉盤可驅蚊蠅，也讓陀螺轉動起來。
（4）鹽度高電流量就較強，
方法〈二〉製作迷你型及攜帶型海水電池
1、實驗材料：毫安培計、伏特計、省能馬達(0.5~6V)、各式葉扇、塑膠盒、紗布、迴紋針、2 g（磨碎）及30.7g、63.7g、97.1g備長炭、1.7V發光二極體燈泡、鋁箔紙、。
2、實驗步驟：
（1）裁剪鋁箔紙5.5×5.5（㎝2）和紗布11×5.5（㎝2）。
（2）備長炭2g磨成碎狀放置在紗布上，鋁箔紙上下覆蓋。
（3）海水2c.c.滴進紗布沾濕，用迴紋針夾好正負極再測電流與電壓與測試風扇轉動速度和1.7V發光二極體燈泡。
（4）用4 c.c.沾溼海水的紗布包住於重量不同塊狀備長炭，外圍用鋁箔紙覆蓋以迴紋針夾好正負極，並測出電流和電壓與步驟（2）作比較。
表九-3 磨碎備長炭迷你型海水電池串聯關係表
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2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
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電壓（V） |
0.4 |
0.8 |
1.2 |
1.6 |
2.0 |
2.4 |
2.8 |
3.2 |
3.6 |
4.0 |
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轉動 風扇 |
ˇ |
ˇˇ |
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是否 亮燈 |
╳ |
╳ |
╳ |
╳ |
ˇ |
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ˇ |
表九-4塊狀備長炭海水電池重量不同產生的電流與電壓
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重 量 （g） |
30.7 |
63.7 |
97.1 |
|
電 壓 （v） |
0.6 |
0.6 |
0.6 |
|
電 流 （mA） |
100 |
170 |
430 |
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是否轉動風扇 |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
結果分析：
每種物質的溶解度各不相同之下，在20℃時100克水中最多可溶解約36克的鹽，達到溶解限度就稱為飽和溶液，鹽度高電流量就較強，海水電池環保又可攜帶。
經過改良研發製作體積小方便使用的迷你型海水電池，發現串聯後電壓成等差列式增加因此增一層風扇就轉得越快，1.7V發光二極體燈泡在九層後電壓夠了全亮了，亮度也增強，2g磨碎備長炭4層為8g但電壓就有0.8V，而塊狀備長炭三種不同重量都超過30g其電壓都是0.6V，所以磨碎平鋪接觸空氣面積較大，體積雖小卻是小兵立大功。
◎引導小朋友操作與驗證推論：
（1）磨碎備長炭平鋪接觸空氣面積較大，每一層電壓0.2V，所以1.7V發光二極體燈泡，在九層後電壓夠了。
（2）2g磨碎備長炭4層為8g但電壓就有0.8V，而塊狀備長炭三種不同重量都超過30g其電壓都是0.6V。
（3）鋁形成電荷的排斥力，通過導線至碳棒，這樣電子移動稱為電流；透過海水電解後，從鋁來到碳棒的電子，被碳周圍的氫離子抓住變成氫原子〈氫氣〉，電子移動連續發生也可稱為空氣電池。統整結果分析與討論、結論。
伍、研究結果統整與展示
＊ 各組完成研究報告指定的所有項目包括靜態、動態研究成果展現與實作觀摩評比。
●教學活動六：成果展示與觀摩，完成說明書與解說研究內容。
◎ 引導小朋友主動統整操作與說明
＊ 舉例 『海洋牧場~海水空氣電池的探討』活動之說明書內容
※注意事項
1.說明書列印訂成冊：卷宗資料整理與電腦文書處理。
2.製作看版與刊頭：版面設計力求顯眼明白以統計圖呈現數據。
3.整理實驗器材：每一問題的實驗過程作有順序的排列在展示桌上。
4操練模型：製作研發的作品能現場操作說明才能產生說服力。
5.練習解說：每組員皆可展現研究實驗結果讓師生共評。
6.互相觀摩改進與宣導：應以客觀理智嚴密徹底的科學態度。
7.講評與獎勵：以培養其問題解決的能力，視科學研究為學習過程。
~~ 結束 ~~
實驗操作
活動一 海水空氣電池發電應用
浩瀚的海洋占地球表面70.8%，「海洋能」蘊藏量極為豐富，利用「海水」當電解質，環保可再利用的導電體「鋁」，及備長炭，自製「海水電池」，將「化學能」轉換成「電能」應用於生活上的替代能源。
（一） 什麼是海水空氣電池？
利用海水當電解質加上導電體鋁〈回收鋁罐或鋁箔紙〉及備長碳或竹碳就可以做成「手提海水電池」，不僅風扇可以快速轉動，還能讓發光二極體的燈亮起來。
（二）想要探討的問題：
1、每一種碳都可以導電嗎？
2、電極的材質會影響電的產生嗎？
3、電解液的溫度有沒有影響生電？
（三）材料：
細鹽、清水、裝水容器 （透明量杯）、鋁箔紙、備長炭、滴管、紗布、毫安培計、鱷魚夾、省電小馬達(1V) 、小型風扇、三用電表、毫伏特計、剪刀、尺、鋁罐、美工刀備長炭粉末、LED燈、及養樂多空瓶。
（四）動手做做看
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1. 用細鹽10g、清水90c.c調出濃度10%的溶液，裝在透明量杯。剪一塊紗布和鋁箔紙各6x4cm2 。
2. 把紗布包在備長炭內圈，鋁箔紙包在備長炭外圈。
3. 用滴管滴幾滴鹽水至紗布裡，讓紗布保持濕潤。
4. 鱷魚夾正極夾住備長炭，負極夾住鋁箔紙。
5. 小型風扇套進省電小馬達軸心，省電小馬達電線接好。
能讓風扇轉起來並持續三分鐘就過關。
6. 利用三用電表、毫伏特計測試觀察記錄電流量和電壓量。
7. 選一個回收鋁罐，刮平瓶口較尖銳的地方和蓋子。
8. 用細鹽20g、清水180c.c調出濃度10%的溶液。
9. 備長炭放入鋁罐中，鱷魚夾正極夾住備長炭，負極夾住鋁罐蓋。讓風扇轉起來並持續三分鐘
10.剪裁鋁箔紙、紗布，直徑大約6ｃｍ。依塑膠罐底面積的大小，內緣先鋪鋁箔紙，再將一匙碎狀的備長炭放在紗布上並滴1c.c.的海水疊在鋁箔紙上，再一層一層放入罐子中，依此法做數十個。
11.海利用三用電表測試發光二極體LED燈，海水電池電壓 與LED燈相等以上
12.鱷魚夾正極壓在碎炭上，負極夾在鋁箔紙罐上。讓LED燈亮起來，應用在何處，請自行取個主題名稱設計造型。
（五）原理
鋁形成電荷的排斥力，通過導線至碳棒，這樣電子移動稱為電流，透過海水電解後，從鋁來到碳棒的電子，被碳周圍的氫離子抓住，變成氫原子〈氫氣〉，電子移動連續發生，也可稱為空氣電池。
＿ +
活動二 太陽能牛頓船
當你拍桌子的時候，你的手有什麼感覺呢？是不是會痛這時候因為桌面也會回送你一個相反的力量，所以，我們也利用這相反的力量，應用製作一台牛頓船。
（一）什麼是「牛頓船」？
利用牛頓第三運動定律【作用力與反作用力】讓風扇 吹送出力量而獲得回送的相反力量，使車子前進，也可以成為水路兩用太陽能車船，就是水上的船利用太陽能轉換成電力，讓渦輪扇葉轉動產生高速氣流推進行駛，在陸地時加裝摩擦力小的輪子更能快速前進。
（二）想要探討的問題：
1、錳乾電池3V為動力來源時，風扇速度如何？
2、太陽能電池3V為動力來源時，風扇速度如何？
3、如何找到牛頓車船的重心與平衡點？
4、太陽能晶片並聯電流會增強嗎？
5、太陽能晶片串聯電壓會增加嗎？
（三）我會動手做做看
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| 太陽能船模型 | 加上三個輪子變成車子 |
步驟1：材料準備
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材料 |
太陽能單晶 1V、太陽能專用省能馬達0.5V~ 6V 10mA、 珍珠板1片、葉扇1個、輪子4個、竹2支、竹籤、吸管、高密度泡棉、電線、電池盒、錳乾電池1.5V 2個。 |
步驟2：工具準備
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工具 |
焊 槍、導電膠布 |
測光儀、電壓電流計 |
雙面膠、保麗龍膠、熱熔膠 |
白熾燈50瓦 |
水槽、賽車跑道 |
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用途 |
電路焊接、導電 |
測量照明度與電壓電流 |
粘貼 |
室內試船、 試車 |
試船、 試車 |
步驟2：進行製作
（1）珍珠板長18公分寬7.5公分，厚0.5公分一塊。
（2）竹籤2支各10公分當輪軸，套進8公分的吸管。
（3）距珍珠板長各2公分處固定前輪與後輪的位置。
（4）輪軸與吸管黏在珍珠板下方前端與後端，套輪子。
（5）兩個高密度泡棉疊粘在珍珠板尾端，一個平放在下，一個橫放在上面（或重疊）。
（6）馬達粘在橫放的高密度泡棉上，葉扇套在馬達軸心。
（7）馬達輸出線分別焊接（焊槍插電，熱起觸熔負極的錫紅色電線即刻接著，焊槍即刻拿開；黑色電線焊接方式亦同）在太陽能板。焊接時注意安全勿燙到。
（8）用雙面泡棉膠黏合太陽能板在船板上即完成。
（9）錳乾電池因有電池盒較重會沉船，但動力強適合當車。
（10）牛頓船可不裝輪子，用太陽能單晶 1V，130mA可行進。
（11）太陽能單晶1V兩片，正負極串聯，用導電膠布黏貼。
（12）太陽能單晶1V兩片，正正極並聯，用導電膠布黏貼。
（13）用三用電錶或電壓電流器測出串聯與並聯後的數據。
步驟3：室內試船
（1）牛頓太陽能船放在水槽中，用白熾燈50瓦測試是否會啟動前進或轉彎？
（2）若是無法啟動請檢查是否要調整線路？
（3）前兩項都沒問題為自己的船造型設計並取個名字。
（4）為了加速，可再加槳或舵讓船直行。
步驟4：室外賽船
（1）把水槽放在操場中央，陽光照射得到之處。
（2）參賽者影子不可遮住賽船。
（3）一次若干台的賽船就位，水槽水道用尼龍繩隔開發號施令才放開手掌，讓賽船前進。
（4）採雙循環賽或計時，仍可敗部復活。
步驟5：室內試車與室外賽車
（1）牛頓車放在跑道上，用白熾燈50瓦測試是否會啟動
前進？室外賽車在充足的陽光下競賽即可。
（2）若是無法啟動請檢查是否要調整線路或電壓不夠？
（3）為了加速，車體盡量輕盈，動力不足可以串聯或並聯或整片電壓高、電流強的太陽能電池。
（4）觀察車子前進時是否直線前進。
（四）原理
活動三 水路兩用太陽能車船
太陽能船能防止大海、河川受到污染，而是否也可以在馬路上行駛呢？讓我們發揮大小腦的功能，從太陽能船加裝成路上行走的DIY車吧！
（一）什麼是水路兩用雙棲太陽能車船？
n 簡單來說，就是水上的船利用太陽能轉換成電力，讓渦輪扇葉轉動產生高速氣流推進行駛，在路地時加裝摩擦力小的輪子更能快速前進。
（二）想要探討的問題：
1、要增加車速需要什麼條件？
（三）我會動手做做看
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| 後輪加鋁片成為渦輪輪子 | |
步驟1：材料準備
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材料 |
西門子太陽能單晶 2.5V. |
圓型鋁片螺旋槳竹籤、輪子 |
太陽能專用省能馬達 0.5V~ 6V 10mA |
塑膠板、保麗龍1片 紙板、粗吸管、迴紋針 |
步驟2：工具準備
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工具 |
焊 槍 |
螺絲起子組 |
測光儀 |
泡棉膠 |
白熾燈50瓦 |
圓規 |
光滑跑道 |
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用途 |
電路焊接 |
小號起子 |
測照明度 |
粘貼 |
室內試船 |
畫輪子 |
長60cm寬30cm |
步驟3：進行操作
（1）裁剪珍珠板做為船身以增加浮力，大小及材質自己決定 。
（2）前輪可用竹籤穿過保麗龍球讓兩側平衡起來。
（3）馬達和齒輪要咬合正確。
（4）保留原來製作的太陽能碳纖維車後輪以便於陸地行進。
（5）後輪外加鋁片製成的渦輪，可在水中划水前進。
（6）太陽能晶片要焊接馬達的紅線（正極）和黑線（副極）。
（7）設計自己喜歡的造型。
步驟4：室內試車
（1）太陽能車放在陽光跑道上，測試是否會啟動前進？
（2）若是無法啟動請檢查是否要調整線路？
（3）為了加速，車體盡量輕盈，或腦力激盪設計出加速的方法。
（4）觀察車子前進時是否直線前進。
步驟5：室外賽車船
（1）把水槽和跑道接在一起放在操場中央，陽光照射得到之處。
（2）參賽者影子不可遮住賽船。
（3）一次若干台的兩棲用車船就位，水槽水道用尼龍繩隔開發號施令才放開手掌，讓賽車船前進水上與陸地。
（4）採雙循環賽或計時，仍可敗部復活。
（四）原理
| 水動力汽車影片 | 海洋牧場實驗影片 |
