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一、研究動機
國小自然科教材某版，對起霧模擬製造操作的設計，個人認為論證力很薄弱，希望能改進設計。

二、背景介紹
該教材的模擬起霧操作設計如下：

1. 以錐形瓶盛裝少許熱水。
2. 以線香插入錐形瓶中，以提供的少許香煙，作為凝結核。
3. 用塑膠袋包衣袋冰塊，蓋在錐形瓶的瓶口。
4. 一段時間後，拿開冰塊袋，由瓶口觀察瓶內風起雲湧的樣貌。
5. 說明這是因為瓶內熱水所產生的水蒸氣，遇到冷的冰塊，結成了霧。

這樣的操作能論證教師說明的事理嗎？質疑如下：

1. 如何證明，該雲霧不就是煙粒？就算學生看得出來後期產生的雲霧，似乎比香煙還濃。事實上，雲霧不但不是煙粒，而且在自然界的現實中，煙粒並不是形成雲霧的必要條件。大部分的雲形成在灰塵稀少的高空，缺乏凝結核，但只要濕度夠高、溫差夠大（溫度夠低），一樣可以形成雲霧。帶有水蒸氣的空氣，遇冷，被降溫到露點以下，才是雲霧形成的本質。而這件事情，光憑這個演示是無法論證的。
2. 如何證明，該雲霧不是由冰塊釋出？眼尖的學生會看到冰塊袋被罩上後，看起來真的很像是由冰塊袋的下緣，不斷冒出雲霧的，一點也不像是由水面蒸騰。事實上，這是因為瓶內的對流：被底水加熱的空氣上升，接觸冰袋後，它的水蒸氣被凝結了，然後隨著冰塊周圍的冷空氣一起下沉，所以肉眼看起來，就好像是由冰塊噴出霧氣。

三、設計內容

1. 兩股空氣相遇，產生雲霧的變因有兩個，一個是溫度，一個是濕度。就不知情的學生來說，光氣體的種類，就有四種：乾冷、乾熱、濕冷、濕熱。這四種氣體取不同的兩種相遇，又有六種組合：
   (1)乾冷-乾熱
   (2)乾冷-濕冷
   (3)乾冷-濕熱
   (4)乾熱-濕冷
   (5)乾熱-濕熱
   (6)濕冷-濕熱
   這六種組合中，老師知道，只有(3)和(6)是會起霧的，如果我們要讓學生知道，霧粒的「水源」不是來自於冷的一方（當然更不是乾的一方，假設它就是「夠乾」，乾就沒有水嘛，沒有水當然就不提供水嘛），而是熱的一方夠濕。論證的方法就是做這六種組合，證明霧粒必須由濕熱的空氣提供。別說小孩了，就連大人的經驗也常誤以為：「山上的冷空氣起霧了」，而正確觀念是「原本的濕暖空氣（或山下吹上的濕暖空氣）在這裡被降溫，起霧了。」
2. 這六種組合就算不是全都要操作一遍，至少要操作幾個，而不是一個（原設計是「濕熱氣-冷物」，連「冷物的周邊會產生冷氣」都沒有顯示得很清楚）；其中(2)和(5)在「不嚴謹的論證標準」下可以不做，因為學生不難相信，兩股同溫度的氣體，只是不同濕度，那混合之後，不就是「濕度介於兩者之間，溫度照舊」的那團空氣嗎？再者(1)也可以不做----你不是說兩者都乾嗎？乾就沒有什麼水蒸氣，又怎麼會起水霧呢？好，所以至少要做(4)、(3)、(6)吧？藉由顯示(4)不會起霧，而(3)、(6)都會起霧，來證明兩件事：「(4)不會起霧」可以證明起霧的水珠不是來自濕冷的一方，「(3)、(6)都會起霧」可以證明起霧的條件是溫度的下降，而不是濕度的差異。
3. 製造乾空氣的設想：找個大塑膠袋，套住一臺除濕機，並設法將袋子撐起來，設定最低的濕度值或按「連續」鍵，烘一段時間，然後設法讓帶中的除濕機「脫身」，這樣，製造一袋乾空氣。製造乾空氣的另一種做法是將袋子裝滿空氣，丟入乾燥劑。在這裡我遇到了一大困難：我發現即使袋子看起來沒有破洞，其實還是會漏氣，差不多靜置一夜，就會消一半。這樣，我就沒有辦法和我的同事分享。
4. 製造乾熱空氣的設想：將製造好的乾空氣「想辦法」「連手帶機帶電線的」塞入一臺吹風機給他開！困難可想而知，而且很危險吧？
5. 製造乾冷空氣和濕冷空氣的設想：我想過是要用冰箱冰個空氣袋，還是冰個空氣觀察箱？這是操作裝置的問題：我想到的操作方式，是將觀察空間由小小的錐形瓶或即使改良成燒杯也沒大多少，擴大為一個透明的桶子或箱子。例如飼養箱，或那種由廠商送的薄薄的塑膠水箱兼觀察箱，上面用保鮮膜覆蓋，保鮮膜周邊用長尾夾或迴紋針固定，整箱放冰箱，這樣就可以冰出一箱冷空氣觀察箱。濕冷空氣最好做，裡面噴點水就成。問題是乾冷空氣？因為之前是用大塑膠袋做乾空氣，所以乾冷空氣應該要用塑膠袋冰出來（由大塑膠袋分裝到小塑膠袋）。
6. 濕熱空氣和濕冷空氣都由觀察箱擔任：「濕冷空氣室」如前述；「濕熱空氣室」就把原設計到入錐形瓶的熱水，改倒在觀察箱，覆保鮮膜，搖一搖就成了濕熱空氣室。另外一方用塑膠袋，以膠帶黏接一根珍珠奶茶的吸管，噴入箱形氣室（其中一袋濕冷空氣是拿塑膠袋裝點水、吹氣、放冰箱）。
7. 冷乾空氣不好製造！在常溫下用除濕機除出來的乾空氣，相對濕度大約還有30％（機器顯示，30％就顯示「Lo」表示已到極限），但這樣的氣體拿去冰，袋內一樣會結露，可見就算是用除濕機除了，還是得靠乾燥劑輔助。我想這也難怪，如果水蒸氣的飽和蒸氣壓不隨溫度存在很大的變化，沙漠地區的高山如何結得出雪水？上天真有好生之德。

四、失敗與分析

1. 以上操作是不會成功或不明顯的，就算準備好了那幾種空氣互噴，也很難成功，算是一套失敗的設計。這些噴入的動作，都不會起霧。
2. 看了看想了想，原因是：
   (1) 這兩股空氣的溫差必須非常大。冷的一方，光用冰箱冷藏室去製造，是不夠冷的。我後來又用冷凍庫去試，也不夠冷到使熱氣室起霧。
   (2) 在大自然的環境中，氣團都是大塊大塊的，接觸與混合，是一個長時間的過程，過程中，產生各種天氣現象；反之，只是在實驗室的一個瓶子裡，這麼小的空間，兩種空氣一下子就混在一起了！混在一起，就沒有冷熱乾濕的接觸現象了。我有看到他們接觸的瞬間，起了一點點霧，但是因為兩者很快的混合，這個現象也就消失了，非常不好觀察。

五、用原設計操作的一些心得

1. 錐形瓶實在不好。原設計用錐形瓶的企圖，可能是想包住熱空氣，不讓它們上升逸散太快，或是希望學生不會因為搖晃錐形瓶而逸出熱水燙到手。但我操作時發現，用燒杯的好處是，搖晃時可以「溫杯」，杯子被溫過，就不會在背內壁結露，妨礙觀察（使得原設計不得已要學生從瓶口往內觀察）。學生是有感覺的，他覺得燙自然會放手不再想搖晃，我搖起來的感覺也沒有很燙，因為杯子本身就會降低一部分的水溫，其實沒多大危險。
2. 凝結核是很重要的！我原認為，線香煙的介入，使論證多了一個質疑，欲除之而後快；沒想到，要沒這煙粒，還真起不了霧！或者應該說起霧是會起霧，問題是不明顯，要照光、睜大眼睛，才勉強看見；而加了煙粒的燒杯，裡面的霧就很洶湧。如何避免學生覺得霧是線香煙變的，還是老話----煙越少越好，有就好，最好是少到看不見（只要一點點就有顯著效果，真的不要多，廠商的示範影片加得太濃了！）這樣學生就會看到那霧是源源不絕的從冰塊冒出的（至少，至少是看到這樣，使他不認為那霧就是原本存在的煙）。

六、重新設計論證的方法
也就是說，原本的實驗還是得做，我暫時還沒想到更好的而且成功的設計，只是建議把錐形瓶改成燒杯。到上面的步驟為止，我們頂多能讓學生看見有霧從冰袋產生，但無法論證霧的水分其實來自下方的熱水。試驗到今天為止，我打算將這個論證寄託於「結露」或「結霜」的觀察上。

1. 前項操作時，你覺得霧和冰袋外結的露，是由冰袋內的冰滲出的？那這塑膠袋有破嗎？為什麼它裝水時沒有漏水？
2. 喔？水不會漏出，冰比較神，冰比較能滲透塑膠袋？（你要這麼認為其實很合理！這我目前無法證明你錯。除非我們來秤重量……收集露秤重……袋內冰秤重不減……？太難！）
3. 期待你相信水不會滲透「銅牆鐵壁」------不銹鋼便當。不銹鋼便當裡面裝冰，外面結露，是便當內的冰滲出水？你寧可不信是空氣中的水凝結？
4. 那我們準備兩袋空氣，去噴它。一袋乾空氣，一袋濕空氣，等量、等速、同時（這個在操作技術上也是非常難的）噴同一個便當的左右兩面，然後觀察結露的量，是否噴濕氣的一方比較多露水或霜？我自己一人操作時有些狼狽，如果是要孩子做，恐怕更是一團亂。
5. 上述這「用兩袋空氣噴便當」的論證法我試過了，發現困難和遺留的可能是：
   (1)不明顯，兩袋空氣一下就噴完了，露或霜沒結多少。
   (2)噴的氣體因為是常溫的（更不能是熱的或不同溫的），比霜熱，如果是要觀察結霜厚度，那個氣一噴，霜就會融化，使霜露量的比較，必須靠著下面墊一張餐巾紙（廚房用紙巾？）觀察吸水暈開的範圍大小。好，那這個操作也會碰壁：在教學現場只要學生有碰到水，桌子就會濕濕的，桌子和學生的手只要不是全乾，她就會把你要他撲在桌上的衛生紙（或廚房紙巾）弄濕，然後實驗就不用做了。壓垮駱駝的最後一根稻草是：濕氣製造袋的裡面有水！它會流出來！
   (3)要用冷乾空氣和冷濕空氣來噴會比較好嗎？答：不會，霜還是會融化，很難。冷乾空氣和冷濕空氣是用冷藏室的，教室裡常沒有冰箱，就算有冰箱，冷凍庫也沒有那麼多空間放你的冷空氣製造袋。就算製造，在教學現場拿出來的過程容易拖時間而不冷，總之現實中的操作非常困難！
   (4)最好能擁有兩個很大、透明、罩在桌面上能與桌面密合的罩子，一個內部放足量的乾燥劑，一個內部放一盤水，各靜置一段時間（一天或數天？），將兩個條件相同的冰便當，很快同時的放入掀開的兩罩之中，再過幾分鐘，觀察它們表面的結露（霜）量。這樣是否就能論證結露（霜）來自於外界空氣？依這個設計方向，我現在想到的器材是學校裡的大垃圾桶。大垃圾桶雖然不是透明的，但沒有關係，放在裡面一段時間，再拿出來看，也可以。不過這個操作只能由教師示範操作一組了，當作補充說明也不錯。我還在想，如果那兩個垃圾桶夠大，是不是可以罩住一臺除濕機......