跨領域的台灣土肉桂探究之旅–抗菌設計篇 陳許玉鈴1*、廖旭茂1,2 1台中市立大甲高級中等學校、2教育部高中化學學科中心 *neuron-d@yahoo.com.tw ■ 前言     本刊上期文章「跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇」（廖旭茂，2021）一文中提到選用台灣土肉桂作為自然科學探究與實作課程設計的對象，利用台灣土肉桂開發出「精油微型蒸餾」、「薄層層析TLC鑑定」等課程，做為跨科課程的教材研發夥伴，筆者認為，身為台灣特有種的台灣土肉桂，因其極易與外來種陰香混淆（張上鎮、林群雅，2014；陳正豐、尹華文、呂勝由，2008），且葉部含精油等特性，在生物課程中，不管是植物分類、型態、生理等領域，都有很多值得讓學生深究的價值，是一個適合開發課程的好材料。 ■課程設計概念與教學目標     根據研究顯示台灣土肉桂葉部精油具有極佳的抑菌（周佳頤，2016）、抗螨、抗蚊…等生物活性，同時也具有抗氧化、降血糖、抗發炎、抗癌等人體生理功效（林鍵男，2011；吳淑靜，2005；張育維，2014）。針對肉桂或是台灣土肉桂精油抑菌能力進行探討的研究頗多，總括而言肉桂精油對不同的微生物抑制能力不同（何振隆、蘇裕昌，2008），且因台灣土肉桂不同品系中的精油成分差異（鄭森松、林群雅、王亞男、許原瑞、張上鎮，2008），故不同品系的抑菌能力也有所差別，以肉桂醛型台灣土肉桂的抑菌效果明顯較佳（張上鎮、林群雅，2014）。     為延續「跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇」（廖旭茂，2021）的課程設計，筆者選擇以「肉桂精油的抗菌功效」為主題，設計微生物培養實作課程，因先前課程中已向學生介紹肉桂精油的抗菌功效，故不應再以「驗證肉桂醛的抗菌能力」來作為學生實驗設計的主題，所以本教案設計的主要教學目標訂為讓學生學習「如何有效進行數據量化」，由學生自行設計量化分析方式，學習黴菌培養的方法，並希望學生能利用自己所設計的量化方式，進行實驗結果的數據分析，完成科學性實驗報告的撰寫。 ■器材與藥品    每組所需的器材與藥品可能會因各組的設計不同而有所差異，但老師所需要的與需準備的必須包括以下各項： 1.  儀器：滅菌鍋、無菌操作台、電子天平、電磁加熱器（含攪拌子）。 2.  器材：微量吸管（含tip）、微量離心管、三角塗抹棒、滅菌袋、移植針（解剖針）、1000ml燒杯、油性簽字筆、塑膠培養皿、錫箔紙 3.  藥品：葡萄糖、胰化蛋白腖、瓊脂、70-75%酒精、蒸餾水（已滅菌）、肉桂醛（標準品）、青黴菌（固態培養） ■課程實施步驟 一、課前教師的準備工作     因是大班教學的分組實作，且整個黴菌培養實驗的所有步驟不可能讓學生在兩節課的時間內完成，所以為了讓整個課程能在有限的時間內如期完成，老師的課前準備項目非常重要。 必須由老師完成的項目有：   （一）黴菌菌種培養     雖然肉桂精油對多種微生物都有抑制效果，但考慮學生操作的方便性與安全性，筆者選用能讓學生帶離實驗室自行培養的黴菌。筆者建議至少於課前7-10天開始進行菌種培養。學生實作時建議老師提供的菌種是為1盤/組，若培養基中的黴菌數量夠多，則可沿用至下一班，若授課班級數眾多，則菌種培養盤數則需再增加。 圖1：黴菌菌種（青黴菌）培養   （二）學生實作用培養基     筆者選擇固態培養基而捨棄液態培養主要是考量有兩點，第一點學生不具有使用塗抹棒與無菌操作的先備知識與技巧，故為使實作過程能簡單易懂、好上手，實作時讓學生以塗抹棒塗抹精油，菌種則改採用接種針接種的方式，避免學生混淆、汙染器材。第二點接種菌後，學生需自行培養黴菌一星期，故為了讓學生培養、攜帶方便，使用固態培養會比液態培養適合。     為了簡化學生需要實作的步驟與減少學生因實作技巧不純熟而干擾實驗結果的風險，筆者採用由教師事先製備好培養基後再供各組使用的方式。在此課程中，學生每組能獲得2盤培養基，所以學生設計實驗時，必須考量培養基數量有限的條件。若學生塗抹精油時導致培養基破裂時，學生可向老師索取新的備用培養基重新施作。     配置培養基時，每1公升的蒸餾水中，添加葡萄糖等原料，約可製作65-75盤的固態培養基，相關培養基配方如下表1所示：                 表1：培養基原料配方 培養基製備步驟： 1. 量取上述各種成分放入1000ml燒杯中。 2. 上述配方使用電磁加熱器攪拌溶解、煮沸後，以錫箔紙加蓋，經121 ℃、1.1atm 滅菌15分鐘，冷卻至約為50 ℃後。 3. 將滅完菌的培養基（約15ml/盤左右）倒入至無菌塑膠培養皿中，於室溫下靜置、凝固後冷藏備用。（倒培養基需在無菌操作台進行）  （三）器材滅菌與分組     本實驗所使用的微量吸管頭尖、固態培養基、接種針、塗抹棒等器材與蒸餾水都必須事先進行高溫高壓滅菌。理想情況是讓學生在無菌操作台中進行所有步驟，但因實驗室的操作台數量與空間都有限，故筆者採用的簡便方式是直接在一般實驗桌進行各項步驟。各組需要的溶液或材料實驗前均已分發到各組實驗桌上，實作前學生需先以75%酒精消毒實驗桌面與手，戴上口罩後，盡可能不再走動，且打開培養皿操作的步驟也要盡可能快速完成，期望能盡量減少雜菌汙染的機會，實驗完後實驗桌也要再酒精消毒一次。 圖2：抗菌實驗學生小組器材 […]

學思達教學法融入國中自然領域課程設計 —以水的電解為例 張耕碩 宜蘭縣立中華國民中學 cgs@tmail.ilc.edu.tw n  改變緣起     多年前，國內開始興起翻轉教學，本文作者盼搭上這股浪潮，思考著如何翻轉教學？設計怎樣的課程與教學，可以讓孩子真正主動的學習，培養面對未來世界的能力？參加多場研習、工作坊與入班觀課（包括學思達創辦人張輝誠老師的課堂）後，開始嘗試設計學思達講義，結合學思達教學法，甚至再陸續融入探究教學、科學史等，自我期許從「知識的傳遞者」轉變為「知識的啟發引導者」，並以學思達教學講義平台上的一句話：「備一堂孩子喜歡且有效的課」，作為個人的教學信念。 n  學思達教學法與其基本流程     學思達教學法，是「以學習者為中心」的教學法，在每一堂課培養、訓練學生自「學」、閱讀、「思」考、討論、分析、歸納、表「達」、寫作等綜合多元能力的教學法（張輝誠，無日期）。     教師的專業介入，製作以問答題為導向、補充完整資料的講義，掌控學生學習的最佳專注時間，不斷切換學習樣貌；透過小組之間「既合作又競爭」的學習模式，讓教師轉換成主持人、引導者、課堂設計者，將學習權交還學生。每一堂課、每一種學科都以促進學生學習興趣、增強學生學習能力為主要教學目的（張輝誠，無日期）。     其具體的操作流程有五個部分：學生自學→思考問題→小組討論→學生表達→老師統整（張輝誠，2019）。 一、學生自學：     學思達教學五步驟其中的「自學」，是學思達教學法與其他教學方法最大的不同之處。通常將情境設計或是任務說明編排在講義最前面，如果學生還沒有自學習慣與能力，建議教師先講解，再帶領學生自學，透過閱讀文本或觀賞影片等進入自學狀態。 二、思考問題：     科學的學習本質，理當激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，進行主動探索、實驗操作與多元學習。前面的設計情境或任務能引發好奇心與學習動機，接下來的提問則是促進學生思考的關鍵，探究式的課程設計，其問題及任務的設計依循著課程脈絡，引導學生建構知識鷹架，從中養成其素養及能力。 三、小組討論：     探究與實作的歷程中，不論是現象的觀察、或是結果分析，教師透過小組的形式（同質性或異質性），鼓勵學生進行實質的討論，在這個階段，自學、思考與表達是複雜地交織、動態地進行，怎樣幫助學生的合作、思辨，創造好的互動經驗，教師的鼓勵、引導與陪伴給予很重要的幫助。 四、學生表達：     表達的形式有「口語」、「文字」及「圖表」等，而內涵則是涵蓋分析歸納、製作圖表、提出疑問等。教師可由學生表達其如何思考或是具體陳述觀點，回饋檢視原問題設計是否達成學生學習目標，判斷是否尚需加入哪些提問鷹架，或是最後進到教師統整階段時的補充。 五、教師統整：     除依據學生表達內容適時地再提出問題引導思考外，也可以再進行補充或是歸納、再次強調本單元關鍵的學習內容。這個階段，就仰賴教師的統整歸納及講述。課堂全部時間僅用講述，學生的學習效益並不高，因此在學思達教學法中，配合學思達課堂流程與學生專注力時間，教師的講述有著其比例及必要性。 n  以「水的電解」單元為例        接著透過學思達策略實際以水的電解單元進行教學說明，讀者可查閱文末附錄的詳細流程規劃與學思達講義內容。 學生自學：     學生對於電解的概念應該不陌生，應可以連結八年級「元素與化合物」、「認識電解質」等單元概念於學思達講義，透過閱讀講義先讓學生自學複習（見圖1）。接著，以科學史脈絡建立情境：在伏打發明了人類史上第一顆電池後，整個科學界為之瘋狂，開始嘗試用電池電解各種物質，包括水，如將電池的兩極通入水中後，看看會發生甚麼現象？ 思考問題、小組討論：     接下來就是透過一連串的提問設計並結合探究實作，引導學生觀察、發現、思考並試著歸納：純水是否容易導電（見圖2）？如果加入幫助導電的物質（氫氧化鈉）（見圖3），導電效果為什麼更好？還有甚麼可能的變因會影響氣泡產生的快慢？兩極產生甚麼變化？有何不同？如何檢驗連接正極與負極的試管所收集到的氣體（及其性質）（見圖4）？     進行實作前，請學生可以先將講義問題先瀏覽一遍。而分組通常採隨機分組、異質性分組、同質性分組（三至四人一組為最佳）等，不論是哪一種方式，都是培養他們學習選擇與責任承擔的能力。如這節課的探究實作、小組討論比例稍重，則建議小組採併桌的座位安排，除方便觀察、操作外，也是營造合作、方便討論的環境。還可利用小白板、工具包，請各小組寫下指定的內容（見圖5），為接下來上台分享表達做準備。 學生表達、教師統整：     根據上個階段的提問設計，由自願回答的學生或是進行抽籤，依班級的屬性在座位上或是站上講台（見圖6），簡單地問好、複述題目後，回答所觀察到的現象、特別的發現，或是討論後的解釋、推論等。這個階段則特別考驗老師的功力，除回應學生的回答、報告外，更精簡的統整歸納，診斷出學生的迷思概念，或是精準地補充學生未提及的重要概念等，都是老師在這堂課最後必須使力完成的重要任務。課堂結束前，除提醒學生完成學思達講義，通常還會以隨堂測驗、回家作業等形式作為學習評量的內容。       圖1：閱讀講義自學 圖2：電解RO純水 […]

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 […]

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。                   […]