以108課綱架構比較八年級自然科學教科書跨科議題內容 鐘建坪 新北市立錦和高中國中部 hexaphyrins@yahoo.com.tw     12年國民教育已於108學年度正式實施。自然領綱搭配總綱的課程目標期待啟發學生科學探究的熱忱與潛能、建構科學素養、奠定持續學習科學與運用科技的基礎、培養社會關懷與守護自然之價值觀與行動力，以及為生涯發展做準備等項目（國家教育研究院，2018）。雖然國民中學七至九年級同屬於第四學習階段，生物、理化、地球科學可依照特定比例分配教學節數，不必限定在特定年級，然而因為學校排課、教師專長等因素，教科書的內容編排目前國一以生物為主，國二以理化為主，國三則為理化與地球科學搭配。     自然領綱規定自然領域學習時數為每周3節，教科書須依照生物、理化與地球科學不同比例編制，且規定教科書每學期應至少包含1個跨科單元，用以實施跨科主題整合的探究與實作學習。實務上，教科書是許多教師教學參考的重要依據，因此教科書編撰的內容與呈現方式，影響各校教師的選納與採用。本文首先探討探究與實作的內涵，說明四階段13步驟的內容，接著說明自然領綱與美國下一代科學標準（Next Generation Science Standards, NGSS）提及的跨科概念（crosscutting concepts），最後分析最新（2020年9月）國二上學期的不同版本自然教科書跨科主題單元內容，作為教師教學參考與未來單元編修建議。 n   探究與實作     自然領綱認為探究與實作的目的，在於培養學生針對物質與生命世界，發現待解決的問題，提出適切的問題解決策略，進而提出結論與精煉溝通表達的能力。關於探究與實作的實施，領綱在普通型高中增列跨科目之主題式探究與實作課程內容（國家教育研究院，2018），強化高中階段探究能力的培養。雖然其他學習階段未有相同明確的課程內容，然而領綱亦期待各個學習階段應重視並貫徹探究與實作的精神與方法，提供學生統整學習的經驗，強調跨科或跨領域間的整合。領綱同時揭示在國民中學教育階段，每學期應該包含至少一個跨科單元，藉以施行跨科主題的探究與實作學習（國家教育研究院，2018）。     探究與實作區分出探究學習內容與實作學習內容兩部分，其中探究學習內容著重在發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享，而實作內容強調對應探究學習內容進行可操作的科學活動，例如：針對觀察所得，提出適合的探究問題（國家教育研究院，2018），摘要探究學習內容如表1。 表1：自然領綱探究學習內容（國家教育研究院，2018） n   跨科概念     跨科概念是指可以橫跨科學領域應用的概念，用以連結不同的科學領域（NGSS Lead States, 2013）。美國下一代科學標準（NGSS）認為跨科概念具有：模式（Pattern）、因果關係（Cause and Effect）、尺度、比例與數量（Scale, Proportion, and Quantity）、系統與系統模型（Systems and System Models）、能量與物質（Energy and Matter）、結構與功能（Structure and Function）、穩定與改變（Stability and Change）等。NGSS提供不同跨科概念在不同的學習階段須達成的學習內涵，以及跨科概念所含涉特定科目的核心概念。以系統和系統模型為例，NGSS認為6至8年級應該認識模型是作為系統與系統交互作用的表徵，系統可與其他系統產生交互作用，以及模型僅呈現有限度地呈現目前系統的樣態等。而9至12年級，則要求需要界定系統的範圍與邊界，不同的模型可用於模擬系統與其交互作用，以及模型可有限度的預測系統的行為等。     自然領綱認為跨科概念具有物質與能量、構造與功能、系統與尺度、改變與穩定、交互作用、科學與生活與資源與永續等。同時期待能夠藉由探究與實作精神與方法，透過議題或是主題方式進行跨領域或是跨科的統整，讓學生理解與運用相關的跨科概念（國家教育研究院，2018）。領綱提供3個跨科主題作為參考，包括：從原子至宇宙、能量與能源、全球氣候變遷與調適。以全球氣候變遷與調適為例，牽涉的次主題及涵蓋能量的形式與轉換，溫度與熱，生態系中能量的流動與轉換，生物與環境的交互作用，科學技術及社會的互動關係，環境汙染與防治，與氣候變遷之影響與調適（國家教育研究院，2018）。 n   不同版本跨科主題     與先前課程綱要不同之處在於，自然領綱要求新編制的教科書，每學期至少包含1個跨科主題，透過跨科主題的探索，連結不同學科，打破學科知識之間的藩籬。由於今年（2020年）9月是新綱關於國二理化教科書跨科主題的首次呈現，因此本文嘗試分析市售包括：康軒、翰林與南一三個版本教科書的跨科主題（見表2）並進行比較，以下分別簡稱為K版、H版以及N版進行說明： 表2：不同版本跨科主題比較 註：市售三家版本分別以K、H、N代表康軒、翰林與南一。     K版跨科主題為水與空氣的重要性。區分為兩個次主題，包括：水的淨化與再利用，及空氣的組成與空氣汙染（圖1），連結的學科包括化學與地球科學。首先，水的淨化再利用接續混合物分離的概念，於此規劃先讓學生動手自製1個簡易濾水器，蒐集資料了解作為過濾物質的棉花、活性碳、石英砂與麥飯石各有何功用。當學生已有製作經驗之後，再思考如何優化自製濾水器。課本提供假設、變因設定、設計濾水器與觀察紀錄結果的引導，讓學生完成之後，再與班上同學交流分享，並嘗試統合全班實驗結果，重新設計過濾效果最佳的濾水器。藉由提問自製濾水器可否處理家庭廢水，引導出家庭汙水的處理方式，並思索水資源的再利用與珍惜水資源。     第二個內容次主題為空氣的組成與空氣汙染。在此先介紹空氣中主要氣體的成分與性質，再進行氧氣的製備與性質探討的實驗。氧氣的製備實驗是藉由雙氧水與二氧化錳反應，以排水集氣法收集，再用點燃的線香分別置入氧氣瓶與空氣瓶，比較燃燒情況，並說明二氧化碳的製備與性質。接著，說明空氣汙染與空氣品質指標，最後探索活動了解口罩與生命吸管的構造，用以理解過濾原理的應用。 […]

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  […]