大氣壓力實驗與建模課程 鄭志鵬 臺北市龍山國中 jjpong@lsjh.tp.edu.tw         前言       「思考智能」與「問題解決」兩大面向是108課綱中自然領綱學習表現著重的部分。前者重視想像思考運用，後者重視實證證據的取得與分析。要探究一科學主題，必然包含此兩部分，且想像思考運用和實證證據的驗證，往往是交互出現相互印證的。 但在科學探究與實作的教學中，有時會看到缺少思考模型的猜想和推理的問題解決課程，或是缺乏實驗驗證的推理思考課程。有些課程可能因為設定的學習目標本來就強調其中一部分的學習表現訓練，當然就會呈現偏重一邊的情況。但有時候是因為課程受限於理論難度過高，或是工具不足以致於需要在課程設計中有所取捨。也有時候是因為在課程設計的思考上，要做出兼顧兩者的課程太過複雜。導致許多課程往往偏重一邊而忽略了另一邊。 本課程以學習大氣壓力單元為例，運用電腦2D物理模擬引擎Algodoo和Arduino開發板作為工具。前者幫助學生進行抽象思考、推論與模型建立；後者幫助學生方便在實驗中取得壓力數據。建立課程步驟，在課程中讓學生進行思考與實證雙向的學習。 課程設計理念 現今許多的探究課程，大致上可以分為兩大類型。一種著重在新課綱「問題解決」的能力，是培養科學方法的課程。另一種課程，著重在新課綱「思考智能」的能力，是培養邏輯推理、論證或建模的課程，但很少課程能兼顧兩者。這可能是因為許多中學科學課程知識的理論背景以及推論深度都已經超過中學生的能力，我們在課程中難以設計兼顧思考智能與問題解決的能力。所以才導致課程設計會將兩者分開。 但我們也都知道，缺乏了理論基礎的「問題解決」，常常會變成亂槍打鳥的在選擇操作變因，沒辦法依據某種待驗證的理論提出待驗證的問題；缺乏了實驗實作的「思考智能」也往往會流於空想，缺少以實際實驗證據檢驗理論的強度。實際上適當的提供理論，就能讓課程兼顧兩者。 有老師會認為提供給學生理論等於告訴學生答案，就沒有探究的意義了，總是希望學生能藉由探究產出自己的理論。但其實科學活動一直都不是從零開始的，每一項科學研究都基於某些已知理論，學生也不需要從零開始探究。 那要怎麼樣才能在課堂中適當的給予理論呢？課程中有時候可以給學生正確的理論，有時候可以給予有瑕疵的理論，有時候可以兩個理論都給，有時候可以給予多個有瑕疵的理論，有時候可以給予正確的但不完整的理論。關鍵是不需要告訴學生哪個理論才是正確的。於是學生扮演的角色，就可能是驗證理論的正確性、排除錯誤理論或是幫不完整的理論補充完整。如此一來，就可以從觀察階段進入定題，並從定題之後帶入實驗階段與思考智能的能力培養。 以下將運用arduino作為測量壓力的儀器，用algodoo作為粒子碰撞模擬的工具，以「大氣壓力」作為例子，說明如何在學習大氣壓力單元時，在課程中納入思考智能與問題解決的學習。 運用工具 一、Arduino與大氣壓力的測量         利用Arduino開發板，搭配氣壓測量的感測器和對應的程式，就能輕易的測量到大氣壓力數值。這次的課程，運用兩種不同的氣壓感測器，分別是BMP180（圖一）和MPX4115ap（圖二）。BMP180是體積很小，消耗功率也極小的壓力計。它可以測量所在空間的大氣壓力，測量精準度高達3Pa。可以輕易的測量到一間教室的天花板和地板之間的氣壓差距，如果上下移動數個樓層，變化更是明顯。MPX4115ap則是體積較大，精密度較低且價格較高的氣壓感測器。MPX4115ap可測量的壓力範圍為15000Pa ~115000Pa，在Arduino nano下精準度約為100Pa。可以知道此感測器只能測量較低氣壓，且精準度較低。但是前頭的測量開口，可以很容易的接上風管，與針筒連結測量密閉空間中的氣體壓力，方便許多氣壓相關實驗的進行。寫入適當的程式後，就能讓氣壓數值顯示在連接的液晶螢幕上，成為在氣壓相關課程中，方便學生讀取應變項數值的裝置。以BMP180搭配arduino製作的壓力計，以「BMP壓力計」稱之；以MPX4115ap搭配arduino製作的壓力計，以「MPX壓力計」稱之。 圖一、低功率高精度的BMP180氣壓計 圖二、可以以風管和針筒相連，測量密閉系統內的大氣壓力的MPX4115ap   寫好程式後，就能在液晶螢幕上直接讀取壓力數值（圖三）。將連接在MPX4115ap的針筒拉開後，可以看到壓力下降了（圖四）。用手觸摸溫度計的話，可以看到溫度被手加熱而上升（圖五）。用此裝置，就能在實驗中，測量我們需要的數值。 圖三、用Arduino搭配適當的感測器，可以同時測量溫度和壓力。左上角是BMP180，測出的壓力數值顯示在最下排；右下角是連接著針筒的MPX4115ap，測出的壓力數值顯示在第二排。最上排則是測量到的溫度值。 圖四、將連接的針筒往外拉，可以看到測量到的MPX氣壓下降了。 圖五、用手觸摸溫度計，可以看到溫度上升 Algodoo程式功能與環境設定說明         Algodoo是由Emil Ernerfeldt創立的程式。是一種虛擬實境研究時所開發的物理引擎，使用者可以透過Algodoo提供的界面進行二維空間中牛頓力學、運動學、機械、光學等物理實驗的模擬。使用者可以在虛擬空間中，創造粒子、活塞與障壁。並且調整參數，讓環境成為無摩擦力、完全彈性碰撞的空間，提供學生大氣壓力來自氣體分子碰撞的想像。以下簡單介紹在此課程中，進行模擬的環境設定。 先在上下左右，以平面工具創造四個垂直的平面作為密閉空間的邊界，並將「材質」參數設定為：摩擦係數＝0；彈性係數＝1。如此一來就得到一個碰撞時不會有能量損耗的密閉空間如圖六。 圖六、上下左右用「平面工具」圍出空間，並將四面平片的性質參數設定為摩擦力（係數）＝0，彈性（係數）=1。 接下來，在空間中製作一個長方形作為活塞。長方形活塞的高度，會略小於空間的高度，讓活塞可以在空間中自由活動。長方形活塞的寬度要作寬一點，讓活塞被碰撞時不會有太大的傾斜。最後製作一個小圓球作為一個氣體粒子。活塞與空氣粒子當然都要設定摩擦係數=0和彈性係數=1。接下來，右下角有個蘋果圖案和蘋果右邊的綠色球圖案，分別代表環境中的重力以及空氣阻力與浮力。先把這兩個關閉，讓環境變成無重力無空氣影響。這樣就完成了初步的環境設定（圖七）。 圖七、以長方形做出活塞，圓形做出氣體粒子，並將它們的性質都設定為摩擦係數=0，彈性係數=0。 接下來，如果按下「時間開始」的按鈕（圖八），會發現所有的東西都處於靜止狀態。這是因為活塞與氣體粒子都處於初始狀態靜止，且不受力情況，自然會維持原本的狀態不改變。此時可以點選氣體粒子，並賦予氣體粒子速度（圖九）。氣體粒子就會在空間中移動，當碰撞到活塞時，就會反彈並且推動活塞移動（圖十）。接下來，就可以根據課程需要，與學生討論，將不同數量的氣體粒子放在不同位置改變氣體量；調整活塞位置改變體積；調整粒子速度改變溫度等等。作為想像創造、推理論證、建立模型等課程使用。詳細操作過程，請參考：http://gg.gg/naxrw 圖八、視窗下方有控制時間開始與停止的按鈕，以及右側有重力與空氣阻力的開關。先將重力與空氣阻力關閉，使空間成為無重力和無空氣的狀態。按下中間綠色三角形的play按鈕，讓時間開始運行。有需要的時候，也可以開啟重力觀察 圖九、點選氣體粒子，在「速度」選項中，賦予粒子速率與角度 圖十、用軌跡工具可以看到綠色的氣體粒子碰撞到活塞之後反彈，讓活塞往右移動 課程架構 一、課程說明與架構圖 課程從學生的經驗與已知出發，確認學生對於氣壓有哪些理解。接著以實驗確認經驗的正確性，一方面確認經驗與知識，一方面學習應變變因的測量工具。接著用algodoo引進微觀粒子碰撞的模型，讓學生以此模型思考影響壓力大小的因素。接著思考在模型中調整的參數，要如何在真實世界中執行，並且根據模型預測實驗結果。然後根據過程技能進行實驗設計，實際進行實驗，收集數據，分析數據，確認模型思考的結果是正確或是需要修正的。接著試著以已確認的粒子碰撞模型，思考為何高處壓力較小，低處壓力較大？以新模型來思考舊有經驗。最後教師統整說明（圖十一）。 圖十一、從已知切入，進入模型思考，並回到真實實驗的歷程。圖中紅色部分，屬於真實世界的操作；綠色部分，屬於模型想像的思考；黃色部分則是連結兩者的過程。 二、課程進行說明 （一）課程背景與教學目標 本課程背景與相關教學目標呈現如表1所示。 表1  課程背景與具體學習目標 領域/科目   […]

108課綱–核心素養試題評量：以半導體3D封裝技術為例 張佑祥 工業技術研究院 機械與機電系統研究所 研究員 yhchang@itri.org.tw 為符合108課綱強調的「核心素養」[1]，很多專家學者們認為，若要達到核心素養的目標，不只是要從教學的角度著手，也需要從試題評量上同步進行相關的搭配[2]，所以核心素養試題評量在最近教育界是一個非常熱門的話題。根據臺灣師範大學教育系陳佩英教授對素養的詮釋：素養結合知識、能力與態度，是一種持續的自我學習改變的能力[3]。綜合上述詮釋與筆者自身經驗，筆者認為若要達到「素養」的目標，除了需要給予學生足夠的空間與時間進行自我探索，同時要搭配扎實基礎科學知識學習，以及大量閱讀與動腦思考習慣的建立。更重要的是，要如何培養學生能具備國際化的視野，並建立自己的觀點與看法也是同等重要的。筆者多年來從事產業應用的技術研發，為響應素養試題評量的開發，希望透過這次拋磚引玉的素養試題評量設計，讓更多領域的專家學者與產業先進也能一同參與，畢竟教改要成功是需要每一位國民相互的配合與參與，這樣才能真正有效的翻轉教育。因此，以近年來最熱門的高科技話題，透過先進半導體封裝技術中的3D封裝（3D packaging）技術作為題材，設計以下素養試題評量提供給大家分享與參考。 試題設計緣由與背景 截至目前為止，電子產業在台灣可說是舉足輕重的重要產業，上游從晶片設計（IC design），再到晶片製造（IC foundry）、晶片封裝與測試（Outsourced Semiconductor Assembly and Test, OSAT）、印刷電路板製造（PCB manufacturing），最後到下游的系統整合商（System integrator），可見台灣的電子產業可說是非常完整。雖然，台灣有世界級完整且垂直整合的電子產業供應鏈。但是在基本國民教育中，尤其是在科學教育的領域裡，很少深入探討基礎科學對於電子產業的重要性與關聯性。 其原因很多，很大一部分可能是因為國民教育中的老師與同學，沒有機會接觸到產業界的專家、學者或工程師。也或者是因為許多產業界的知識過於深入與專業，甚至很多知識與科技應用已經超出基本國民教育內的範疇，因此導致學生常常不太清楚基礎科學知識對於科技產業界的重要性與關聯性。所以，筆者認為若能透過適當的素養試題導引，除了使學生更深一層認識產業之外，同時也認知到基礎科學知識的重要性以及和產業之間的關聯性。這樣才更有機會使學生自覺基礎學科的重要，並提升學生的自身的學習動力與動機，以達到核心素養、終身學習的目標。因此，筆者針對高中化學科的範圍，以半導體3D封裝技術為例設計出符合高中程度與當今電子科技產業實務的核心素養評量題組。 素養試題：以半導體3D封裝技術為例 半導體3D封裝（3D packaging）技術中，「Heterogeneous Integration」已是下世代半導體產業最主要的發展方向[4]。最主要的特色在於，利用中介層的大平台，同時搭配晶片堆疊技術[5]，將不同功能應用的晶片整合在一起，因此稱為異質整合。並可利用矽穿孔（Through Si Via, TSV)技術，將不同晶片的訊號連結在一起，傳遞到下方的載板，如下圖1所示。然而，為了使晶片的訊號能上下傳遞連結，又要符合輕薄短小的需求以及配合材料性質上的限制，因此需要藉由TSV技術建構一個「深寬比較高的立體導線」。一般而言，TSV中的材料，會以銅為主，因為銅具有極低的電阻率，且銅可以透過電鍍填充的方式（一般電鍍銅溶液沸點：110℃~130℃），將銅由TSV底部向上沉積填入到矽穿孔中，而這種先進的電鍍技術亦稱為填孔電鍍（Via filling）。 圖1：3D封裝技術、TSV結構和填孔電鍍缺陷種類示意圖。 TSV技術是一種在矽晶圓上製作立體導線的技術。在製作流程中需要整合很多尖端的半導體製程技術，如圖2所示。首先，必須先將TSV設計圖形透過黃光微影(Photolithography)製程，將設計好的電路圖案定義在矽晶圓上，再利用深反應性離子蝕刻(Deep Reactive Ion Etching, DRIE)製程，將TSV的結構蝕刻製作出來，後續以化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)，將介電材料(SiO2)沉積在具有TSV結構的晶圓上，接續再以物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition, PVD)，將以鈦(Ti)材料為主的擴散阻擋層和以銅為主的晶種層(導電層)沉積在具有介電材料的TSV結構晶圓上，之後再利用填孔電鍍製程，將銅填充到TSV的結構中，透過化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing, CMP)製程，將多餘的晶圓表面上的金屬材料去除，最後再透過晶圓薄化等相關後續製程技術完成 TSV立體導線的製作。 圖2：TSV製程流程示意圖。 但由於深寬比較高，填孔電鍍容易產生缺陷，如空洞或裂縫，如圖1所示。一般而言，在工程上通常會盡量避免這樣的缺陷產生，若有這些缺陷存在，通常在進行有關溫度衝擊或高溫存放/操作試驗（升溫速率：40℃/min；最高溫度為150℃並持溫1小時）的可靠度測試時，會因為這些缺陷的存在，會導致電子產品可靠度下降的風險。因此如何避免這些缺陷產生，在工程上是一大挑戰。 了解TSV的基本製造流程後，聰明的小平想到一個好方法，他想利用課本有機化學中檢驗醛官能基的方法。透過斐林試劑（Fehling’s reagent)與含醛的有機化合物，在水溶液中產生的銅鏡反應（亦稱為無電鍍銅反應），來製作銅晶種層（導電層），如化學反應方程式(二)所示。來取代目前現有且昂貴的晶種層製程技術。與專家學者討論後，小平發現若想要在具有以鈦（Ti）為主材料（擴散阻擋層）的矽基板上產生銅鏡反應，需要再透過特殊化學表面的改質技術，將催化劑吸附在基板上方，經過強烈水柱清洗乾淨後，將試片放入化學反應槽內以利銅鏡反應的進行，如圖3所示。但是，若沒有催化劑吸附在基板上方，則銅鏡反應無法發生。順帶一提，在進行銅鏡反應時，在TSV的洞口常會有大量的氣體產生。此外，此催化劑為一種奈米金屬的水溶液且照光後會產生廷得耳效應，被稀釋後可呈現布朗運動的現象。而且，若將少量的明礬（KAl(SO4)2‧12H2O）加入到催化劑中，則催化劑會產生凝析沉澱的現象。 圖3：小平與專家討論後的新製程流程示意圖。 一般而言，因電負度差異，使成鍵電子雲在原子鍊上被推向某一方向偏移的效應，稱為誘導效應(Inductive effect)。有趣的是，含醛有機化合物的結構上，其碳鍊(烷基)的長度(R)不同，則使無電鍍銅的銅離子還原反應機制也同樣受到誘導效應的影響，其詳細反應方程式如下所示。[提示：烷基為較弱的推電子(官能)基，如圖4所示]。在一般情況下，無電鍍銅反應算是一種無法停止的反應。換言之，它會不斷地進行化學反應，所以亦稱為自催化反應（Autocatalytic reaction）。 ²  化學反應方程式(一)： ²  […]

「化學元素週期表環島之旅」特展借展後記： 元素週期表的演進介紹與教學運用 廖酉鎮1、夏小雅2 雲林縣立麥寮高中 1prohamer@gmail.com  2smalljar35@gmail.com n   前言 延續2019年國際元素週期表年（Ineternational Year of the Periodic Table of Chemical Elements, IYPT）之活動，2020年由國立臺灣師範大學科學教育研究所辦理「化學元素週期表環島之旅」特展活動，將「國際化學元素週期表年（IYPT）特展」之教育資源，經由各級學校申請借展途徑，擴大展覽教育功能。本校趁此良機申請借展，並針對此特展規劃導覽解說，希望經由導覽解說，讓觀展師生更進一步了解元素週期表的相關歷史、門得列夫的週期表為何較同時期他種週期表地位更高，知悉元素週期表的多元性以及相關的一些元素知識概述等等，在一節課的導覽解說中，能對週期表與生活中常見的化學元素有更多的認識。 n   導覽解說設計發想 借展之初規劃展品陳列動線時，打算依門得列夫1869年週期表的原型以及其他各類週期表為開端探索元素週期表，緊接著元素大事記、元素命名與翻譯等為導覽主軸，輔以美國化學會（American Chemical Society, ACS） 元素海報、稀缺元素週期表、化學元素與女性科學家等延伸說明，最後參觀學生海報競賽得獎作品、IYPT 公益彩繪列車等展品。 導覽解說稿內容部分，在探索元素週期表的部分，筆者認為僅介紹門得列夫的週期表，少了一些元素概念的演進史可惜了些，也希望能說明門得列夫的週期表相較其他同時期週期表更被廣為接受的原因。 對於元素大事記的部分，則針對部分元素提供相關說明以增加趣味性。稀缺元素週期表的解說重點在於落實廢棄電子產品回收，化學元素與女性科學家部分著重於兩性平權、學生海報競賽得獎作品強調自我創意發想等。 n   導覽活動增設展品 導覽時，教師會提供學生學習單，其中包含週期表與元素之最等知識性的問題，以及金字塔型週期表紙模供學生製作，將學習單最後轉變為的擺飾品。 配合解說元素概念的演進與各類週期表，本校自行增加部分海報與金字塔週期表、物理學家週期表實體模型（Stowe’s physicist’s periodic table） （Wikipedia, 2018d）；同時，配合國一學生尚未接觸理化課程中原子模型，利用鋁線製作氫原子、鋰原子以及碳原子模型輔助，以說明Stowe的週期表；再自製現存密度最高的鋨金屬─重量模擬體驗裝置，讓學生感受高密度金屬的重量感與理解密度的概念。 n   週期表的演進導覽：從煉金術到週期表 本展覽重心在化學元素週期表，導覽便由化學（Chemistry）的字源煉金術（Alchemy）與古代的元素概念導入，以下為各項導覽解說概略內容。 1.              四元素說（Empedoclean elements）：由介紹西元前四世紀亞里斯多德所建立的四元素說展開序幕（唐登鋼，2008，頁50），介紹風、火、水、土四元素構成萬物的概念（圖1），煉金術士希冀經由添加其他物質與提煉過程，調整物質中四元素比例，達到將物質轉為黃金的效果。可引入哈利波特電影第一集「哈利波特：神秘的魔法石」，以及冰雪奇緣電影第二集中出現風、火、水、土四元素場景的相關說明，增加學生共鳴。              圖1：四元素說 （Wikipedia,2019b） （圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Four_elements_representation.svg） 圖2：神學與煉金術圖（Alchemical emblem），包含四元素、三原素、與七大金屬（Wikipedia, 2018a） （圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fotothek_df_tg_0007129_Theosophie_%5E_Alchemie.jpg）  2.              五元素說：一樣由亞里斯多德提出，認為風、火、水、土四元素之外，有稱為乙太（Aether或Ether）的中間性元素（趙匡華，1998，頁51），能藉由提煉提取，並協助物質的轉化（唐登鋼，2008，頁50）。 3.              七大金屬：七大金屬（Seven […]

《烘培咖啡》化學教育桌遊 温媺純、陳秀荷 mlwen@cc.ncue.edu.tw   n前言 許多研究資料顯示遊戲融入教學大多能正向改善學習者的學習動機、學習成就、學習情緒、學習態度或其他學習能力等等，各方資料也同時顯示台灣科學教育之桌遊的數量亦不多。因此，本文作者結合現代流行的咖啡文化與桌遊，綜合心流理論、成就系統與機制即訊息等等遊戲設計概念，初步發展出一套不需化學先備知識即可遊玩的化學教育桌遊《烘培咖啡》。期待玩家經過多次的遊戲體驗，能自我有所領悟與學習。 n桌遊介紹 (一) 《烘培咖啡》科學知識 本教育桌遊以烘焙的科學概念「物質受熱發生變化」為遊戲發展核心。烘焙的科學原理是利用熱能使物質發生物理和化學的變化。烘焙咖啡的行為即是將咖啡豆送入鍋爐中加熱，咖啡豆的溫度隨著加熱時間增加而升高，豆中各樣的物質因能量增加、彼此碰撞，而發生一系列化學變化，包含焦糖化反應，與梅納反應等等。物質的變化導致咖啡豆顏色改變和氣態物質的產生，咖啡豆體積也因此膨脹破裂。咖啡豆經烘焙後，產生一千多種的氣味物質，飄進我們鼻子裡，也就是我們聞到的咖啡香，可能感覺有堅果味、土壤味、水果香等等。 咖啡香的氣味物質主要是由碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)五種元素構成(謝雅玉，2017)。這五種元素位於週期表的右邊，屬於非金屬類，是生活中重要與常見的元素，而元素以不同的種類、數量和空間排列會組合成不同的氣味物質(如圖一)。我們聞到的咖啡香是綜合了各樣不同濃度的氣味物質，藉著每個人的嗅覺器官主觀感受到的結果。換句話說，有可能咖啡香在不同人聞起來會變咖啡臭哦！ 圖一：三張氣味物質卡 (二) 《烘培咖啡》教育方式 設計者在遊戲介紹時除了說明遊戲規則之外，同時將烘焙咖啡的科學知識帶入，使玩家了解烘焙咖啡的科學概念「物質受熱發生變化」，並具體觀察不同烘焙度的咖啡豆之顏色差異。 玩家在主要的遊戲行動中，需要將自己手牌與公開的物質資訊(如圖二)進行觀察與比對，思考如何給予三個提示才能有效幫助同伴迅速找出相對應的物質。34種氣態物質之間有結構相似者、元素數量相同者、元素種類相同者，物質的複雜成為遊戲的挑戰，在模糊不清的資訊中尋找解答達成遊戲目標成為了遊戲的樂趣。玩家重複體驗遊戲，每次拿到的手牌不同，不斷進行觀察與比對，便有機會產生自我領悟與有所獲得。 圖二：桌遊物件與公開的物質資訊 (三) 《烘培咖啡》設計方式 《烘培咖啡》是模擬烘焙的情境作為遊戲的情境，遊戲時間代表烘焙時間(如圖三)。玩家們花時間和心力從三個提示中找到與公開資訊相對應的物質，且須在遊戲的目標時間裡辨識完成，遊戲便進入尾聲，彷彿咖啡豆已烘焙到特定烘焙度可以下豆了。 設計者依據心流體驗遊戲設計模型(Kiili, 2006)、成就系統(Evans, Jennings, & Andreen, 2011)、機制即訊息(Romero, 2008)等遊戲理論，經多次測試與修改發展本教育桌遊。玩家遊玩時能專心與產生愉快，在沒有壓力與負擔下進行潛意識學習。 圖三：溫度、烘焙度、烘焙時間三合一指示牌   (四)《烘培咖啡》玩法介紹 1. 遊戲故事 在一個咖啡烘焙大師的交流會上，有一群不善表達的烘焙大師正圍坐著，一邊烘焙咖啡一邊交流著他們所聞到的烘焙味。大師們必須在幾個模糊不清地提示下，在烘焙時間內，一起合作找出所有人聞到的氣味物質，烘焙即可成功，否則一不小心可就焦黑囉！別忘記照顧隨時會來打擾大師，請教您各種問題的顧客唷！ 2. 遊戲規則 (1) 由第一位回應咖啡問答的玩家作為遊戲的起始玩家，於開始遊戲時按下手機計時器。 (2) 起始玩家選擇手上一張氣味物質卡給予三個提示，一個是物質的元素種類、一個是某元素的數量、一個是用一段話描述物質的形狀結構。提示完畢後，其餘玩家從公開資訊版圖中找出相對應的物質。成功找出後將該氣味物質卡置於版圖上，若失敗則丟棄該卡牌，並從氣味物質卡牌庫中重新抽出一張。而後逆時針輪流換下一位玩家給予提示。 (3) 每猜出兩張氣味物質卡，就有一位顧客來打擾。第一個回應咖啡問答卡的烘焙大師於咖啡問答卡(如圖四)的牌庫中抽出一張牌，並按照牌面文字所述以口語重述一次，其餘玩家負責回答，任一玩家答對即可繼續進行猜測氣味物質的遊戲，並將烘焙大師標記依逆時針移至下一位玩家。 (4) 當遊戲時間抵達一爆與二爆的烘焙時間時，所有玩家停止手邊行動，玩家輪流將氣體小球從排氣的入口吹送至出風口(如圖五)，代表排氣成功，繼續進行烘焙任務。若一爆失敗，則烘焙溫度升高，直接進入二爆，將氣體小球從入口再重吹一次，若再失敗，則烘焙焦黑，遊戲失敗。 圖四：三張咖啡問答卡 圖五：玩家輪流吹送氣體小球使之順利在排氣管紙條內移動 n  遊玩成果 《烘培咖啡》經不同年齡層，28位女性、31位男性，共59位玩家測試。玩家在設計者介紹遊戲規則後開始遊戲，設計者並不參與遊戲討論，只負責說明遊戲玩法與烘焙咖啡豆的過程。遊戲後玩家填寫心流體驗問卷(滿分5分)與學習測驗卷。 玩家遊玩時的心流體驗調查結果佳。問卷結果整體平均為4分，且無性別上的差異。結果顯示，玩家在遊玩過程能專心，並認為遊戲難易度適中；學習測驗卷的結果則顯示：60%以上的玩家，知道咖啡豆裡的物質會受熱分解而產生氣體，並對物質由元素排列組成的事實能有初步認識。測驗結果亦無性別上的差異。另外，從質性資料(如圖六)中也可窺見此桌遊能激發玩家的腦力與創意，在不知不覺中帶領玩家進入化學的世界。 圖六：玩家在遊戲互動過程中的部份對話 n  結論與建議 本教育桌遊具有遊玩與學習的功能，可單純作為遊戲使用，或是搭配課程內容作為教學活動的一部分。另外，有鑑於遊戲遊玩成果顯示心流體驗的結果與學習目標達成度無顯著相關，因此若要使用本桌遊作為與課綱有關的教學，作者建議教學者可搭配課程相對應的教材，以輔助學生能更深入、清楚有邏輯地進行學習。最後，遊戲版權屬設計者。若需使用遊戲進行教學，歡迎與本文作者聯繫。 n  參考文獻 […]

華氏、攝氏、克氏溫標與自製簡易溫度計 李啟讓1, *、洪振方2 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 *li483739@yahoo.com.tw l  前言 　　在國中自然與生活科技課程的溫度與熱曾教過華氏溫標、攝氏溫標，學生會問老師為何水結冰的華氏溫度是32 ℉，且在普通高中基礎化學(三)氣體定律學習克氏溫標，學生也常問老師絕對零度是怎麼訂出來的？因此本文簡單介紹華氏溫標、攝氏溫標、克氏溫標與溫度計的科學史，並從物質受溫度影響規律性的變化量，動手自製簡易溫度計用來量測自己體溫。 l  華氏溫標     德國物理學家華倫海特（Daniel Gabriel Fahrenheit， 1686－1736)在1709年觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時的溫度、鹽水和冰混合時的溫度；經過反覆實驗與核准，最後把一定濃度的鹽水凝固時的溫度定為0℉，把純水凝固時的溫度定為32℉，把一大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉，用℉為華氏溫度的單位，這就是華氏溫標。目前全世界只剩巴哈馬、貝里斯、開曼群島、帛琉、美國及其屬地還在使用華倫海特的華氏溫標。華氏溫度與攝氏溫度的關係為華氏溫度(℉)＝9/5*攝氏溫度(℃)+32 。 l  攝氏溫標   在華氏溫標製定的30多年後，瑞典天文學家攝爾修斯（Anders Celsius，1701－1744）於1742年改進了華倫海特溫度溫標的刻度，他把純水的沸點與凝固點劃分為100個刻度，攝爾修斯創新的刻度，比華倫特的簡便得多，所以更受到人們的歡迎，就成了現在的百分制溫度，即攝氏溫標，用℃為單位如圖1。攝氏溫度與華氏溫度的關係為攝氏溫度(℃)＝5／9*(華氏溫度(℉)-32)。    圖1溫度計，外圈為華氏溫標，內圈則為攝氏溫標（取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/華氏溫標） l  克氏溫標     在十七世紀末，法國科學家阿蒙頓（GuillaumeAmontons﹐1663～1705）開始探討氣體的壓力與溫度關係，後來的兩位法國科學家查爾斯（Jacques Charles﹐1746 ～1823）與給呂薩克（Joseph-Louis Gay-Lussac﹐1778～1850）接續研究，發現密度甚低的定量氣體，在其體積保持不變的情況下，其壓力的變化和溫度呈線性的關係。後來的兩位法國科學家查爾斯與給呂薩克接續研究，發現密度甚低的定量氣體，在其體積保持不變的情況下，其壓力和溫度呈線性的關係。若以壓力對攝氏溫度作圖，可以看出壓力和攝氏溫度的關係為不通過原點的斜直線。不同量氣體的直線，其斜率也不相同，但與溫度軸相交於同一點；此值由各種實驗發現為－273.15°C。這是最低的溫度極限，稱為絕對零度，在這個溫度下，氣體壓力為0，如圖2。 圖2定容、定量的低密度氣體，其壓力與溫度之關係(姚珩等，2018) 西元1802年，給呂薩克參考查爾斯的研究後發現，定量的氣體在定壓下，當溫度升高時，則體積也會增加，且體積的增加量與溫度的增加量成正比。不同氣體的體積與溫度均有直線關係。若將各條直線向左下方延長﹐它們相交於一點﹐且此交點會落在溫度軸上，均可發現交點所在之值為－273.15 °C，如圖3。 圖3　定壓﹑定量的低密度氣體﹐其體積與溫度之關係(源自姚珩等，2018)  因此，在西元1848年，英國科學家克耳文爵士建議採用絕對溫標，規定每度之間的大小與攝氏溫標相同，但取－273.15°C為溫標的零度。此絕對溫標也稱為克氏溫標，其單位為克耳文，記為K；因此，絕對零度為0K，而0°C則為273.15K。絕對溫度和攝氏溫度之間的換算關係為絕對溫度(K )＝攝氏溫度(℃)+273.15。 l  如何讓溫度接近絕對零度並加以測量？ 溫度在科學上的意義是物質裡含有能量多寡的一種度量。空氣分子熱的時候移動得快，有較高的動能。分子越冷，速度就越低，能量也越少。溫度冷卻的過程需要從一個物體取出能量，然後將它排放到其他的地方。藉著結合雷射冷卻與蒸發冷卻，科學家已經可以讓一團氣體原子的溫度，降到1nK（即1nanokelvin，10-9K）以下。現在的紀錄是450pK（1picokelvin為10-12K）。如何來測量這些原子的極低溫度？一個方法是直接觀看原子雲的大小。原子雲越大，原子內的能量一定越高，因為它們可以抵抗磁力而跑得更遠。另一種方法是測量原子的動能，將磁阱關掉，沒有磁力時原子會飛開，使得原子雲不受阻礙而膨脹。原子雲隨時間變大，這是一種觀測原子速度的直接方式，因此可以得到溫度。在一定的膨脹時間後，如果看到的原子雲較小，則意味著達到較低的溫度(凱特利， 2004) 。 l  伽利略溫度計     伽利略溫度計是義大利科學家伽利略(1564～1642)在1593年發明的，伽利略溫度計是一種由玻璃圓筒、透明液體及不同密度的重物所構成的溫度計。容器中的透明液體為乙醚或有機化合物等，對「溫度」非常敏感，當溫度改變時，液體的密度會隨之改變。根據阿基米德的浮力原理，液體密度越大(溫度越低)，所提供的浮力越大，玻璃圓筒底下的球也能浮起。判讀溫度的方法是，由上方液面往下數最後那顆重物的溫度近似於待測的溫度，如圖4箭頭所指的溫度。    華倫海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水銀作為測量物質，製成華氏溫度計。經過30多年，瑞典天文學家攝爾修斯於1742年改進了華倫海特溫度計的刻度製造了現行通用的攝氏溫度計。目前溫度計的種類很多，根據所用測溫物質的不同和測溫範圍的不同，有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、輻射溫度計和光測溫度計等。                   […]

科學建模本位的探究教學之教材設計—以化學電池為例 邱美虹1,*、曾茂仁1,2 1國立臺灣師範大學科學教育研究所2臺北市立大直高級中學*mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw n  前言 科學家對於模型的觀點，以及教師或學生對科學模型與建模的研究日漸受到重視，已不言而喻。十二年國民基本教育自然領域課程綱要已於107年9月16日通過，再度強調強化跨科統整的重要性，並以探究課程內容培養學生探究的能力，而且課程綱要亦提到以培養學生建模能力為主，這是首次在臺灣的課程綱要中出現的核心科學素養，本文主要的目的是介紹以建模為設計導向結合探究能力的培養，研發八年級科學核心概念之一—化學電池—的教材設計。 n  建模教材的架構 根據邱美虹（2015, 2016）提出建模過程中所需要的能力分成四階段八步驟，分別為：第一階段為模型發展階段，含模型選擇和模型建立；第二階段為模型精緻化階段，含模型效化和模型分析；第三階段為模型遷移階段，含模型應用（近遷移）和模型調度（遠遷移）；第四階段為模型重建階段，含模型修正（弱重建）和模型轉換（強重建）。這四個階段在使用時並非是序列性的，所建立的模型無法有效地呈現數據的關係時，模型即失效，無法進行問題解決，這時必須要重新選擇與建立模型，再經歷效化確認後才能用於資料處理或問題解決情境中。所以建模歷程可能不同階段會出現小迴路（loop），以利建構有效與精緻化的科學模型。此建模過程如圖一所示。 圖一：建模歷程的相互關係（邱美虹，2016） 模型的建構強調科學模型，是由多個組成成分存在特定的複雜關係，再由多個複雜關係建構成一個系統或理論(見圖二)。模型的建立首先需選擇適當的組成成分或元件、確定成分或元件之間的關係、對所建立的模型進行評估、檢測，以確保其可行性，然後就所建立的科學模型進行資料的分析與應用，最後再視需要或問題情境，進行必要的修正與轉化。 圖二：模型中成份、關係和系統(或理論)間的關係（邱美虹，2016） 選擇化學電池進行教案的設計，主要是因為化學電池概念具有以下的屬性。 (一)化學電池具有多個元件，例如：電極（A）、鹽橋（B）、電解液（C）、電解質（D）、導線（E）等。 (二)化學電池多個元件之間存在特定的關係，例如：活性大小不同的金屬可以作為電極（AA’）、電解液能與電極反應（CA）、鹽橋含有電解質（BD）以維持溶液的電中性、導線連結電極（EA）等。 (三)化學電池中數個關係可以形成一個系統，例如：電解液與鹽橋內的電解質的關係（CBD）、電極與電解液的關係（AC）、導線與電極連結（AE）等而組成一個化學電池（ABCDE等）。 n  科學建模與探究過程的關係—建模本位之探究 為何探究過程還要有建立模型的過程呢？本文作者認為，十二年國民基本教育在探究過程中強調觀察與定題、規劃執行、分析與發現、以及討論與溝通，然而建模歷程可以更明確地指出在探究的過程中科學模型的建立是科學探究中思考智能重要的環節，也是學習科學知識的目標。從科學本質的角度觀之，科學建模的歷程是透過評估、測試、應用和修正的過程，探究能力的思考智能逐漸改變而趨向於科學模型。2019年即將實施的十二年國民基本教育自然領域課程綱要將與世界科學課程接軌，強調在探究的過程能有系統地發展出科學模型，回歸科學本質，強調建模和探究關聯的重要性，兩者之間可相輔相成，使教學與學習活動的目標更加明確且具操作性。 本文將介紹如何將建模架構(邱美虹，2016)和12年國教之探究能力相互結合，成為「以建模為本的探究（Modeling-based Inquiry, MBI）」教學模式(如圖三所示)，並據此進行教學活動之設計。圖三顯示MBI的設計架構，是從驅動問題出發，學生運用自己的素樸模型進行個人模型的發展，透過觀察與想像擬定探究的主題；第二階段進行素樸概念所建立的模型的精緻化，透過推理論證與批判的歷程，計畫與執行計畫以確立模型的有效性及資料分析的功能；第三階段–模型遷移時，利用以建立且效化過的模型，經由推理、批判、分析等過程進行進遷移和遠遷移的學習(如問題解決或概念理解)；最後到達第四階段–模型重建，經歷想像創造、推理論證、批判思辨的科學表現，在這些階段皆須透過文字或語言和符號，以討論和傳達的方式進行溝通，必要時進行原來模型的修正與轉換，以形成更接近於數據與推理的結果類科學模型或是科學模型。 圖三：建模歷程與探究能力關係的建模本位探究教學模式 n  教案設計實例—化學電池 曾茂仁（2016）運用邱美虹（2015, 2016）的建模歷程到中學化學電池的教材設計。除納入建模歷程外，也融入十二年國民基本教育自然領域課程綱要中所規範的探究能力，以期未來在教學現場實施時，讓教師們可以理解建模與探究兩者之間的關係以及如何透過強化探究的過程建立對科學模型的認識與應用。 以下教案設計的內容依據建模歷程四階段，納入探究能力，逐項說明如下： 建模歷程一：模型發展階段 探究能力：觀察與定題、建立模型 模型發展階段主要包含模型選擇和模型建立，此階段主要教學目標為讓學生知道電池時所需要物件的名稱和物件的功能，能夠從教科書或教師準備的學習教材中提取出相關概念。在此階段，常用的提問為： l  一個化學電池的裝置，需要哪些的材料，才能進行運作呢？ l  一個化學電池的裝置，所選取的材料，每一個所扮演角色目的為何？ 通常學生能夠輕易的從文章中選取出構成電池元件與各元件所扮演的角色，此時的學習活動符合自然領域課程綱要中學習表現的探究能力─觀察與定題：依據過去所學的知識，與生活中所觀察到的資料，確認電池運作的原理（氧化還原）、理論或物件（電極、鹽橋）。 待確認學生具備元件的概念後，學生從教科書或是教材中提取出構成電池的元件與概念後，教師再繼續提出以下問題： l  電池的元件與元件間有什麼樣的關係呢？ l  有什麼原理可以來敘述元件之間的關係呢？ 上述的問題主要聚焦在元件與元件之間的關係，元件之間的關係通常涉及微觀的概念（粒子的移動方向）、理論（氧化還原）或是符號的表現（化學反應式）。在進入化學電池複雜的反應機制前，教師必須先確認學生已具備元件之間的關係。要完成化學電池的模型，除了元件本身和元件之間的關係外，還要考慮多重關係下建立的系統。以下說明何謂系統：由於鋅電極的活性大於銅電極，因此鋅電極丟出電子（氧化還原），電子透過導線流到銅電極（電子的移動方向），使得電解液中的銅離子獲得電子後還原成銅原子吸附在銅電極上。為了使電解液保持電中性，鹽橋中的陽離子則會朝銅電極端的電解液移動。透過上述的連接，化學電池的模型逐漸形成，符合課程綱要中學習表現的思考智能─模型建立之指標。 建模歷程二：模型精緻化階段 探究能力：想像創造、推理論證、計劃與執行、分析與發現 模型精緻化階段主要包含模型效化和模型分析，此階段的活動重點是透過探究的方式檢驗第一階段建立的模型是否正確性？是否能夠用以解釋問題的成因？因此，在第二階段，教師帶領學生在實驗室，教師說明學習目標並採用問題引導的方式讓學生進行實驗，此活動設計主要是讓學生學習改變不同的變因對實驗的影響（模型效化），活動內容如下： l  請根據實驗變因的種類，填寫化學電池的實驗變因於表一。 表一：化學電池的實驗變因  實驗 變因 影響化學電池電壓的因素 變因選項 改變電極材質 改變電解液濃度 […]