臺灣化學教育

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。

圖1：K版跨科議題概要架構

    H版跨科主題為太陽—地球的生命之光，區分為六的次主題，分別是生命的原動力、地球的能源、太陽的畫布、紅外線的發現、光的直進性與日地月相對運動、光傳播速率的測量（圖2），連結的學科包括地球科學與物理。首先，以實作活動模擬靠近太陽與遠離太陽接收到的輻射量，再說明地球位於太陽的適居區。其次，以圖文整合方式呈現太陽與常見的能源的關係，並說明常見的能源名稱。接著，利用實作活動模擬白天與傍晚天空的顏色，並說明天空不同顏色變化的原因。緊接著，透過閱讀方式學習紅外線的發現，以及地表吸收能量與紅外線輻射對於地表氣候的影響。再來是使用竹筷、黏土與手電筒模擬地球與月球相對運動，探討月相的變化。最後次主題是藉由閱讀理解光傳播速率測量的科學史，說明笛卡爾（Rene Descartes）、伽利略（Galileo Galilei）與羅莫（Ole Romer）等人是如何測量光速。除了能源型態之外，每一個次主題都會提供相關的問題，讓同學思考該次主題介紹的內容。

圖2：H版跨科議題概要架構

    N版跨科主題為波動與地震，包括3個次主題，依序為認識地震、地震的預警與因應與紀錄地震波（圖3），連結的學科包括物理與地球科學。首先，認識地震單元介紹地震的成因並認識地震測報中心網站。藉由查詢網站資料理解不同項目資料的意義，並由提問的方式讓學生確認網站資料與查詢相關偵測地震科技。接著說明地震產生的S波、P波與地震預警系統，並以遊戲式的探索活動讓學生思索震央如何定位，再說明防震措施，並計算P波與S波時間差，讓學生體會當地震發生時，有多少時間可以因應。最後製作地震儀促進學生對地震儀如何記錄地震資訊的理解，並在完成作品之後思索改進與優化作品，並能和同儕分享學習成果。

圖3：N版跨科議題概要架構

n   不同版本主題差異

    本文分析目前三家出版的自然教科書跨科主題內容，差異說明如下：

一、跨科含涉學習內容不同，三家版本跨科主題設置位置不同

    K版跨科主題著重在過濾與空氣組成等概念，因此跨科主題設置在第二章之後。N版跨科主題著重在波動、板塊與地震的關係，與第三章介紹波的概念相關，因此跨科主題設置在第三章之後。而H版跨科主題是孕育生命的太陽，與第四章的概念最為接近，H版未將其至於第四章光、影像與顏色之末，而是將跨科議題設置在課本最末。

二、空氣組成的學習內容，H與N版是編排在一般章節內

自然領綱將大氣的組成氣體，包括氮、氧、水氣、二氧化碳等氣體設置在地球科學，因此K版將屬於化學學習重點的混合物分離、家庭廢水、空氣品質與空氣汙染學習內容，結合空氣的組成形成跨科主題。但其他2個版本仍將空氣的組成安排在第二章物質世界中介紹。

三、跨科主題有以輻射發散、有以雙主題連結、有以單一主題連貫呈現

三家版本跨科主題的設計呈現不同方式。H版以太陽為主題輻射出6個次活動，6個次主題內容環繞太陽，但是次主題之間的關聯性較為薄弱，其優點是每個次主題可單獨授課，然而缺點是對於次主題的探索不易深入（見圖2）。K版以水與空氣的重要性為跨科主題，一開始以探究活動設計水質過濾器，認識與珍惜水資源之後說明空氣的組成、空氣品質與空氣汙染，最後再以探索活動連結過濾原理在口罩與生命吸管的應用。K版以雙次主題模式，文末再以過濾原理連結2個次主題（見圖1）。N版的波動與地震主題，則以認識地震為出發點，接著了解地震的預警與因應，再藉由實作活動理解地震儀如何紀錄地震波，屬於以單一主題，次主題連貫呈現（見圖3）。

四、多著重學習重點與實作，較少強調探究歷程

    3個版本皆有提供探索活動。H板實作活動偏向食譜式實驗、簡單觀察或是推論，再以想一想問題，提供學生相關的思索。N版實作活動嘗試藉由網站尋找資料、分析資料的內容，計算P波與S波時間差，並嘗試製作、優化與創新簡單的模擬地震儀。眾多的實作活動中，只有K版在自製濾水器中完整呈現探究歷程，強調假設的填寫、變因的設定、依據變因設計實驗、觀察並紀律結果，並與同儕進行討論與發表。

n   結語與建議

    自然科學與科技發展迅速，學生無法記憶所有事實性的知識內容。藉由核心概念（discipline core ideas）、跨科概念與跨科主題的學習，可讓學生得知學科的核心知識，學習不同領域間共通的概念，進行跨領域的整合。教科書設計的跨科主題能夠牽涉多種不同的跨科概念，並得以納入多種不同學科的核心概念。因此，跨科主題的學習可以提供機會協助學生整合相關的學科與領域知識。最後，依據領綱跨科議題需要符合探究與實作的精神與方法，提供建議如下：

一、同一跨科主題，可藉由次主題的前後關聯不斷深入

    為求主題的深入探討，跨科主題的呈現，可藉由次主題前後脈絡相連。讓前一個次主題的結果形成下一個次主題的因，自然而然形成一個主題探索的發現歷程。

二、同一跨科主題，可藉由探索活動，提供完整探究歷程

    雖然期待教科書的正規實驗可以擺脫食譜式實驗，但是因為學生往往第一次接觸特定實驗，且概念較深，使得正規實驗在探究面向的開放性較低。因此，跨科主題即可以一個探索活動，設計完整的探究歷程，讓學生能夠界定問題，設計簡易實驗，進行數據的收集與資料的分析，確定結果並進行分享與發表。

n   參考文獻

南一書局（主編）（2020）。國民中學自然科學課本（初版，第三冊）。臺南市：南一書局企業股份有限公司。

國家教育研究院（2018）。十二年國民基本教育自然科學領域課綱。新北市：國家教育研究院。檢索自網站：https://www.naer.edu.tw/files/16-1000-15486.php?Lang=zh-tw

康軒文教（主編）（2020）。國民中學自然科學課本（初版，第三冊）。新北市：康軒文教事業股份有限公司。

翰林出版（主編）（2020）。國民中學自然科學課本（初版，第三冊）。臺南市：翰林出版事業股份有限公司。

NGSS Lead States (2013). Next generation science standards for states, by states. Washington DC: The National Academies Press.

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  化學反應方程式(二)：(銅鏡反應)

圖4：推電子基示意圖。

•  素養評量題組：

1.      試問題幹中，所謂「Heterogeneous」的意思，與下列哪一個選項最接近？

(A) 不勻的物質相態。

(B) 不同的功能應用。

(C) 不同的成份組成。

(D) 不同的化學結構。

Ø  試題解析：本試題主要目的在於，希望學生從題目的字裡行間中，歸納、了解並推測出其中Heterogenous的涵義。並同時了解Heterogeneous這個字不同領域所代表的意思不同。在化學領域，Heterogeneous稱為不勻的物質相態，但在半導體領域，Heterogeneous代表的意思異質，也可說是不同功能應用的意思

Ø  參考答案：(B)

2.      試問題幹中，「深寬比較高的立體導線」意思，與下列哪一個選項最接近？

(A) 指立體導線的結構，又高又細。

(B) 指立體導線的結構，又矮又粗。

(C) 指立體導線的結構，又矮又細。

(D) 指立體導線的結構，又高又粗。

Ø  試題解析：本試題主要目的在於，希望學生透過題幹中的資料，加以推測並圖像化題幹所描述內容，並同時放入工程上無因次群的概念，讓同學了解工程上無因次群所帶來的涵義與方便性。

Ø  參考答案：(A)

3.      試問為何在進行高溫存放/操作的可靠度測試時，填孔電鍍製程中產生的缺陷，會造成電子產品可靠度下降，其可能的原因為何？ (嘗試利用高中化學所學習到的知識進行回答) (簡答題)

Ø  試題解析：本試題主要目的在於，希望學生透過題幹中的資料，利用學會的知識加以融會貫通，並推測出可能的原因。以訓練學生在思考問題時的邏輯性與科學性。

Ø   參考答案：由題幹可知，可靠度測試的升溫速率為40℃/min且最高溫度為150℃且持溫1小時，所以主要原因是因為缺陷中的電鍍殘留的液體被快速汽化(因升溫速率過快且最高溫度>電鍍銅溶液沸點)。同時，根據理想氣體方程式(PV=nRT)，當體積不變的情況下，溫度上升，壓力會隨之變大，因此有可能因TSV內部壓力過大，造成導線破裂的問題，進而導致電路斷路，因此導致電子產品的可靠度下降。

4.      試問此催化劑溶液的狀態，與下列何者較為接近？

(A) 食鹽水。

(B) 酒精。

(C) 豆漿。

(D) 糖水。

Ø  試題解析：本試題主要目的在於，希望學生透過題幹中的資料(廷得耳效應、布朗運動以及加入少量的明礬因電荷中和而產生的凝析沉澱的現象)，並判斷出液態催化劑屬於膠體溶液，透過對於膠體溶液的認知選擇較為接近的答案。

Ø  參考答案：(C)

5.      試問此催化劑吸附在基板上，可能是以下列何種方式進行？ (複選題)

(A) 共價鍵

(B) 氫鍵。

(C) 離子鍵。

(D) 金屬鍵。

(E) 倫敦分散力。

Ø  試題解析：

(1)       關於選項(C)離子鍵：本試題主要目的在於，希望學生透過前一題的答案(帶電荷的膠體溶液)與題幹中的資料(再經過強烈水柱清洗乾淨後)，可進一步由題幹的論述中，推測出催化劑與基板之間有化學鍵的生成，並思考題幹背後的涵義，嘗試猜想可能的反應機制，因此離子鍵是可被推測出來的。

(2)       關於選項(A)共價鍵：若矽基板上最表層具有NH₂的官能基，同時奈米金屬外圍具有COOH的官能基，可脫水產生醯胺鍵，所以共價鍵也是可能的方式之一^[6]。另外，奈米金屬外圍的COOH官能基，經過水解後會產生COO^–，同樣屬於帶電荷的膠體溶液，因此同樣符合題幹描述的內容^[6-7]。

(3)       綜合解析：對於程度中上的學生而言，選出離子鍵應該並不困難。可是對於多數學生而言，能夠共價鍵還是極為困難的。雖然在高中有機化學中有提及醯胺鍵生成的原理與機制，所以嚴格來說共價鍵的選項並無出範圍。因此若學生能選出共價鍵，則必須對於溶液、化學鍵以及有機化學等內容與知識已有充分的理解。換言之，這或許也暗示學生可能在化學領域中，已具備極高的天賦與想像力。

Ø  參考答案：(A)、(C)

6.      小平在進行銅鏡反應時，為了使反應不要太過劇烈，試問以下何種方法比較有機會達成目標？

(A) 加入極少量的氫氧化鉀(KOH)水溶液。

(B) 升高反應槽的溫度。

(C) 加入極少量的硫酸(H₂SO₄)水溶液。

(D) 加入大量的甲醛(HCHO)水溶液。

Ø  試題解析：本試題主要目的在於，希望學生透過化學反應方程式，訓練學生思辨能力與邏輯思考，判斷出銅鏡反應只有鹼性下才會發生，因此若加入極少量的硫酸（H₂SO₄）水溶液，因酸鹼中和，所以pH值會開始下降，造成反應活性會下降，導致反應速率會變慢，進而使銅鏡反應趨向緩和。

Ø  參考答案：(C)

7.      小平在做銅鏡反應時，他會不斷用手搖晃正在進行銅鏡反應的試片，試問小平做這個動作，最主要原因可能為何？

(A) 增加反應低限能，以利反應進行。

(B) 降低反應活化能，以利反應進行。

(C) 使反應快速達到平衡狀態，以利反應進行。

(D) 使產生在TSV開口處的氣體快速消失，以增加反應物質在TSV內的傳遞速率，有效進行銅鏡反應，並形成連續的晶種層。

Ø  試題解析：本試題主要目的在於，希望學生透過題幹中的敘述(在進行銅鏡反應時，在TSV的洞口常會有大量的氣體產生)，測試學生是否對於化學反應有足夠的認知以及實驗細節的觀察，並推測出可能的答案。

Ø   參考答案：(D)

8.      試問在化學反應方程式(一)和(二)中，(C₄H₄O₆)₂^4-(aq)扮演何種角色？

(A) 氧化劑。

(B) 錯合劑。

(C) 還原劑。

(D) 酸鹼中和劑。

Ø  試題解析：本試題主要目的在於，希望學生透過化學反應方程式的觀察，測驗學生對於斐林試劑的了解與認知，並由化學反應方程式中判斷出酒石酸根((C₄H₄O₆)₂^4-
(aq))為錯合劑。

Ø   參考答案：(B)

9.      含醛有機化合物的結構上，因其碳鍊長度(R)不同，則銅鏡反應的機制也有所不同。試問下列哪一項比較接近可能的原因？

(A) 碳鍊長度越長，其還原力越弱，所以氧化數變化量較小。

(B) 碳鍊長度越短，其還原力越強，所以氧化數變化量較大。

(C) 碳鍊長度越長，其還原力越強，但還原力與氧化數變化量沒有直接關係。

(D) 碳鍊長度越短，其還原力越強，但還原力與氧化數變化量沒有直接關係。

Ø  試題解析：本試題主要目的在於，希望學生透過化學反應方程式，觀察出氧化數的變化，並同時測驗學生是否了解氧化還原的能力和氧化數的變化量是沒有直接的關係。藉此判斷學生對於氧化還原的觀念是否清楚熟稔。

Ø   參考答案：(D)

10. 請平衡上述兩個化學反應方程式。 (簡答題)

Ø  試題解析：本試題主要目的在於，希望學生學習平衡化學反應方程式，並同時測驗學生對於斐林試劑的了解與認知，並判斷出酒石酸根((C₄H₄O₆)₂^4-_(aq))為錯合劑並不會參與氧化還原反應。

Ø  參考答案：

(1)  方程式(一)：

 

(2)  方程式(二)：

 
11. 若今天你身為無電鍍銅製程(銅鏡反應)的工程師，請問下面哪一項舉動是絕對不可以發生的？ 並且寫下你認為的主要理由。

(A) 在機台旁調整參數。理由：                                    。

(B) 在機台旁抽菸。理由：                                         。

(C) 在機台旁看韓劇。理由：                                      。

(D) 在機台旁查詢資料。理由：                                     。

Ø  試題解析：本試題主要目的在於，希望學生透過化學反應方程式的觀察，並測試學生是否了解化學反應的產物和工業安全是息息相關。

Ø   參考答案：(B)。理由：因為銅鏡反應會產生氫氣，若氫氣濃度過高，在機台旁抽菸將有可能爆炸的風險。

12. 若你是無電鍍銅(銅鏡反應)的工程師，經過長時間後，往往會發生一些製程問題，問題如下。 (簡答題)

問題1：經過長時間後，銅鏡反應的化學鍍液，其pH值會上升還是下降？ 並請說明原因。

問題2：為了增加銅鏡反應槽的槽液壽命，試問可透過何種方式可能可以提升槽液壽命。並請說明原因。

Ø  試題解析：本試題主要目的在於，希望學生透過化學反應方程式，判斷出醛會被氧化成酸，因此pH值會下降。還有反應物銅離子和含醛的有機化合物會不斷被反應。藉此引導學生，推測出可以提升槽液壽命的方式。同時，本試題的次要目的在於，希望透過本題，使學生對於化學學科知識在實際工程應用上留下深刻印象，使學生逐漸了解學科知識要如何學以致用。

Ø   參考答案：

問題1：pH值會下降，由化學方程式可知，醛會被氧化成酸，同時OH^– (aq)會下降，因此在經過長時間後，化學鍍液的pH值會開始下降。

問題2：

(1)  由問題1的答案可知，因為醛會被氧化成酸，同時OH^– (aq)會下降，所以pH值會下降，因此若要提升槽液壽命，應要將pH值往上調整至原始狀態，才能提升槽體壽命。

(2)  除了pH值外，因為反應物銅離子和含醛的有機化合物會不斷被反應（自催化反應Autocatalytic
reaction），因此若適時添加反應物，銅離子與具有醛官能基的有機物質，槽液壽命也可有機會被提升。

• 結語

本題組的內容包含氣體、化學鍵、溶液、化學反應速率與平衡、氧化還原、有機化學、無電電鍍實驗、工業安全、奈米材料和先進半導體封裝技術等，屬於一份研發中的素養試題，可以再進行試題的優化。透過本題組設計，除可測驗學生對於化學原理和實驗的認知外，同時也帶入科學邏輯與工程思維的實務，並可測驗學生解決問題的能力。雖然本題組題幹約為1400多的字，因融合多種內容並以多層次的方式出題，且題與題之間相關性極高。此外，本題組出題方向乃由基礎的高中化學科知識出發，再到電子特用化學技術實務開發，以及高科技產業的應用，所以字數上乃在可接受範圍。實務使用上可以藉由相關內容教學之後，選擇相關題組內容進行應用。最後，筆者期盼透過這份素養試題評量的導引，連結高科技產業尖端技術與高中化學科，啟發學生學習基礎科學的動力與明白基礎科學的重要性，並給素養試題開發者作為素養試題開發上的參考。

由於筆者才疏學淺、學識淺薄，尚有許多部分待精進與提升，也期盼各位先進、前輩、同行與同學們能給予此題組相關建議與指教，讓素養試題日益茁壯，也讓我們下一代具有更高的視野與競爭力。一起共好，創造同贏！

• 致謝

感謝國立玉里高中化學科洪敬明老師詳細且用心的校閱與建議。同時，也感謝工研院的同事們以及評審委員給予專業的建議與指導。

• 參考文獻

[1]  國家教育研究院(2018年11月)。十二年國民基本教育課程綱要–國民中小學暨普通型高級中等學校(自然科領域)。國家教育研究院網站。取自https://is.gd/Mtn4Rc

[2]  楊吉水 (2020年7月)。素養導向評量：化學科素養導向命題之我見。臺灣化學教育，38。取自https://chemed.chemistry.org.tw/?p=38456

[3]  王惠英 (2018年6月)。看懂新課綱關鍵字：素養，是什麼？怎麼學？未來Family 教育特刊。取自https://reurl.cc/odD4yq

[4]  Lau, J.H. (2019). Heterogeneous integrations. Springer Singapore.

[5]  Hou, S.Y., Chen, W. C., Hu, C., Chiu, C., Ting, K. C., Lin, T. S., … & Wang, C. T. (2017). Wafer-level integration of an advanced logic-memory system through the second-generation CoWoS technology. IEEE Transactions on Electron Devices, 64(10), 4071-4077.

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[7]  張佑祥（2011）。新穎的奈米銅粒子合成方法及其在矽通孔晶種層催化觸媒上的應用(學位論文)。取自臺灣博碩士論文系統網址：https://hdl.handle.net/11296/5478zk

「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 Planetary Metals）為金、銀、銅、鐵、錫、鉛、汞，並分別對應到當時的七大行星太陽、月球、金星、火星、木星、土星、水星，圖2中以中央發出的七道光芒代表此七大金屬，以及一周的七天，而七大金屬仍由風、火、水、土四元素構成（唐登鋼，2008，頁54）。

4.              三原素說（Tria Prima）：帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus）於1530年所提出，帕拉塞爾斯認為汞、硫、鹽三種元素所組成（唐登鋼，2008，頁56），汞、硫、鹽三種元素分別對應到人的精神、靈魂與肉體，而汞、硫、鹽亦由四大元素所組成，並且可在七大金屬中，看到汞、硫、鹽三者在圖2中以月亮、太陽、砝碼三者的形象出現在七大金屬與四大元素中間的三個角落，經由汞、硫、鹽結合，能夠得到可點石成金的魔法石。特別的是帕拉塞爾蘇斯並不熱衷於煉金術，著重在利用礦物入藥作為治療手段（趙匡華，1998，頁102）。

5.              道耳頓元素表（Dalton’s symbols of the elements）：學生初次接觸道耳頓，是國一生物課程針對色盲的介紹，1803年道耳頓的原子論提到化學元素是由不可分割的原子所組成，且同一元素的所有原子具有相同質量和性質，但不同元素的原子，在質量和性質上都不相同，接著道耳頓1806年發表了第一張原子量表，其中表列了20種元素以及原子量，因當時缺乏分子概念，原子量誤差較大（趙匡華，1998， 頁187）。

圖3：道耳頓元素表（Dalton’s symbols of the elements）（Wikipedia, 2019a）

（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dalton%27s_symbols_of_the_elements._1806_Wellcome_M0004592.jpg）

6.              德貝萊納三元素組（Döbereiner’s triads）：在1829年已知的54種元素中的15個，依化學性質分類，3個元素為一組，例如：鋰、鈉、鉀歸為一組、鈣、鍶、鋇歸為一組，稱為三元素組，三元素組中元素的原子量，會是原子量較小的元素與原子量較大的元素兩者原子量加總後的平均值，呈現約略等於原子量居中元素的原子量的特殊現象，例如：鈣與鋇的原子量平均值，會等與鍶的原子量（林德宏，1997，頁287），但對於原子量非常低或非常高的元素不適用（Simply Science, 2020），三元素組法則雖無法普及到所有元素，但仍有其重要的貢獻，深深影響門得列夫與麥爾（Scerri, 2007, p. 94, p.103）。

7.              尚古多碲螺旋（Chancourtois Telluric Screw）：尚古多是第一位設計元素週期表的科學家，他依據原子量大小，在1862年設計了一個螺旋圖，並將圖繪製於周長為16個單位的圓柱上（圖4），命名為碲螺旋，圖表中將原子量最小的氫排在最高的位置，往右下方依原子量遞增順序填入62個元素，並將相似元素如鋰鈉鉀排列於相同的垂直位置，且鋰、鈉、鉀原子量差值都接近16（Royal Society of Chemistry, 2020），他是第一位發現元素隨著原子量順序排列時，化學性質會出現週期性的科學家（趙匡華，1998，頁415）。     

              

圖4：尚古多碲螺旋（Wikipedia, 2018b）

（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Telluric_screw_of_De_Chancourtois.gif）

8.              麥爾（Lothar Meyer）六元素表：麥爾於1864年提出的週期表與門得列夫的週期表相當類似，麥爾按原子量遞增的順序表列了28種元素（Scerri , 2007, p.94），且揭示了不同週期間原子量增加的規律性（圖5），隨後在1869年又製作了一張化學元素週期表，表中羅列了52個元素，也留下一些空格給尚未發現的元素（田學賓，2005，頁73）。麥爾1868年繪製出「原子體積周期性圖解」，並進一步發展出化學元素的原子量、原子體積與固態金屬密度三者間的的關係式（公式1），且依此校正了部分金屬的原子量，麥爾的研究偏重歸納元素的物理性質，不強調對未知元素的性質預測（趙匡華，1998，頁422）。雖然對週期表的發展有長足的影響，也成功預測鍺的原子量（Scerri , 2007, p.119），但麥爾始終並未得到應有的關注。公式1：

圖5：麥爾週期表（Venable, 1896, p.85）

9.              紐蘭茲八度律法則（Newland’s Law of Octaves）：紐蘭茲於1865年發表了「八度律法則」（圖6），並指出表中的元素都與其後的第八個元素有類似的性質，且利用此法則排列，能呼應德貝萊納三元素組（Venable, 1896, p. 79）。但是紐蘭茲發表後受到許多嘲笑，且紐蘭茲未考慮可能有未知元素存在，就依原子量逕行編排的方式，也無助發展週期表的規律性（趙匡華，1998，頁419）。紐蘭八度律法則的缺點在於後來發現的元素無法放入八度音階模式，且原子量高於鈣的原子也無法適用。紐蘭茲的週期表重要性被低估，他揭示了元素的化學性質會在一定規律間隔後重複的模式，並跳脫以原子量為主的排序方式，改用化學性質為排序依據，將較重的碘與與較輕的碲的位置做了交換，對於門得列夫與麥爾排列週期表元素的規律性，有重要參考價值（Kaji, Kragh, & Palló, 2015, p.85 ; Scerri, 2007, p.76）。

圖6：紐蘭茲八度律（Venable, 1896, p.85）

10.          門得列夫元素週期表：門得列夫在1869年發表的週期表（圖7），包含了63種元素，與麥爾的六元素族頗為類似，皆使用原子量作為主要歸類依據（趙匡華，1998，頁421-422；Mendeleev, 2005 , p.26），因為當時還沒有過渡金屬的概念，所以同一格會放入兩種元素（趙匡華，1999，頁418-420）。門得列夫的成功與獲得普世認同的原因，是因為賦予了週期表更高的實用性，利用他獨特的見解，大膽的預測有未知元素的存在，並利用既有的各種資料的做未知元素的性質推測，值得一提的是門得列夫於1871年預測了鎵金屬的性質，在1875年鎵被發現時，原子量與門得列夫預測值相當接近，但密度差異頗大，門得列夫預測此金屬密度為5.9g/cm³，但發現者布瓦博多朗（Lecoq de Boisbaudran）所測得的密度值僅有4.7 g/cm³，門得列夫手邊沒有此金屬，仍大膽去函給布瓦博德朗，暗示他對於鎵密度的測定可能錯誤，甚至指出可能是鎵在提純過程中被鈉所污染，布瓦博德朗便重新提煉鎵金屬重新測定，測完後發現幾乎與門得列夫的預測值吻合，布瓦博多朗便開始宣傳門得列夫的元素週期表，後續未知元素發現時也大致吻合門得列夫的預測值，至此可說門得列夫已將週期表的週期性做了相當優異的闡釋，也因此門得列夫週期表大放異彩（田學賓，2005）。

圖7：門得列夫週期表（Wikipedia , 2018c）

（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mendeleev%27s_1869_periodic_table.svg）

綜觀週期表的發展，門得列夫歸納整理出各項元素物理與化學上的規律性，賦予預測週期表上未知元素所在位置，以及各未知元素的物理化學特性後，進一步調整銻與碘等元素的位置，並修正銦、釔、鑭、鈾等原子的原子量（趙匡華，1998，頁427）。門得列夫對新元素預測的性質包含原子量、是否為金屬、熔點、沸點、元素密度、氧化物化學式、氧化物密度等等，但對於如何計算出相關預測數值，門得列夫未曾明確說明，推測他對原子量的預測應用了類似三元素組的方式，經由計算該元素在週期表位置的上下左右相鄰的四個元素中的三個或四個的原子量平均值，得到該未知元素原子量（Scerri, 2011）。對於元素的密度須經由公式2的關係式求出，原子體積一樣利用該元素在週期表位置的上下左右四個元素之中三個原子體積平均值（Campbell & Pulkkinen, 2020），以鎵為例，計算如下：

公式2： 

 

以門得列夫的計算式看來，他使用了類似德貝萊納三元素組的概念以及麥爾對於原子體積、原子量、跟原子體積之間的概念進行預測，能參考他人的研究成果並能夠加以修正與使用，門得列夫的成功，可說植基於自身的天分以及妥適運用他人的研究成果所建構出的成就。

n   多元週期表與元素大事記導覽

門得列夫在1869年發表週期表後的100年內，超過700種各式各樣的週期表被發表（Scerri, 2007, p.20），介紹完門得列夫的週期表後，本校增印了由海德（Hyde）於1975年發表的Curled
ribbon periodic table （Wikipedia, 2020a） 如圖8、物理學家週期表如圖9等不同種類的週期表如下表，讓學生了解週期表具有相當多的樣貌。

圖8：Curled ribbon periodic table （Wikipedia, 2020a）

（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_chemical_elements_and_their_periodic_relationships.svg）

圖9：物理學家週期表（Wikipedia, 2018d）

（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Periodic_system_Stowe_format.svg）

元素大事記導覽部分針對砷的毒性、磷的提煉、惰性氣體的發現、人造元素等進行說明，概述如下：

1.              砷：13世紀被發現的砷，常以名稱砒霜（As₂O₃）、雌黃（As₂S₃）和雄黃（As₄S₄）出現在電影中，砒霜是古代常見的毒藥。砷中毒會造成血管病變，產生血栓、血管炎栓塞和動脈硬化栓塞，因血液無法流通而導致肢體呈現烏青壞死的現象，在臺灣稱為烏腳病（陳建仁，2004）。砷會破壞紅血球，被視為有美白功效，因此會有吃微量砷美白的狀況產生（蘇瓦茲，2004，頁148）。

2.              磷：布蘭德（Hennig Brand）1669年提煉人類尿液所得，提煉出的物質是白磷，高於35度會燃燒，魔術師會使用白磷作為火源。而紅磷即為常見的火柴成分之一，人類的骨骼有20%是磷酸鈣（田曉伍、任金霞，2004），但吸入太多的磷，會造成骨質疏鬆，早期經常火柴工廠工人經常發生下巴頷骨碎裂的病症，稱為Phossy_jaw（Wikipedia, 2020b）。

3.              鈍氣：在瑞利（Rayleigh）的敏銳觀察力與努力下純化出氬氣，再經由拉姆齊（Ramsay）判斷出這是種新元素後，在1894年確認了氬氣的存在，且拉姆齊預言氬應該是個元素新族，根據週期表的概念，也暗示鈍氣應有其他同族元素存在（趙匡華，1998，頁435）。鈍氣發現者拉姆齊利用圖5中不同週期的元素原子量遞增順序規律，認為當時尚未發現的氖，原子量應該比氦多16（Ramsay, 1897），但預測氪原子量為82與氙原子量為129的部分，拉姆齊沒有明確交代，單純以結果看來，似乎利用了同週期前後元素原子量的平均值，幾年內8A族所有成員便一個接著一個被發現，且原子量接近拉姆齊的預測值。

4.              鎝：原子序43的鎝，被門得列夫預測其存在後（Stewart, 2019），一直沒有被找到，因為半衰期僅幾百萬年，在地球上已不存在天然的鎝。鎝是經由中子與氘原子轟擊鉬金屬所產生，也是第一個人造元素（趙匡華，1998，頁514），並開啟了後續利用原子對撞製造人造元素的序幕，經由人造元素進一步拓展週期表的版圖。

n   增設展品說明

針對週期表導覽過程中，自行增加了一些展品，增加展示多樣性，增加展品項目如下：

1.              金字塔型週期表（The Periodic Pyramid）：在1983年由Charles E. Gragg所設計，可做成如圖10的金字塔，解說週期表發展史時，便發給同學觀看，並將模板（圖11）附於學習單上，最後可將學習單折成此金字塔型週期表，做為擺飾外，亦可發揮學習單最大效益。

圖10：金字塔型週期表模型       圖11：金字塔型週期表模板（Gragg, 1983）

2.              物理學家週期表（Physicist’s Periodic Table）：由Stowe於1986年所設計的週期表（圖9），以主量子數n作為區分元素區塊的主要依據，將103種元素分成7層，代表7個週期，相當有趣，但平面影像較不易看出其特色，於是便將Stowe的週期表各層印出，並自行組裝成立體的7層週期表如圖12，總高度約150公分。

                       

圖12：物理學家週期表模型

3.              鋁線串珠原子模型：利用鋁線與串珠，建構氫原子、鋰原子、碳原子三種概略模型（圖13），作為輔助教具，讓國一尚未學習原子模型概念的學生，對於原子模型，有初步的認知後，並延伸用以說明物理學家週期表各層的主量子數意義。

圖13：鋁線串珠原子模型，由左而右為氫原子、鋰原子、碳原子

4.              鋨金屬重量模擬裝置：鋨金屬是密度最大的物質，密度高達22.5g/cm³，250立方公分的鋨金屬，重量就高達5.5公斤。鋨金屬密度體驗展品是將250ml鋁箔包飲料，包上銀色的包裝紙，並吊上5公升的水瓶（圖14），讓孩子單手拿取鋁箔包，具體感受密度最高的金屬–鋨的真實存在的重量感。

               

圖14：鋨金屬重量模擬裝置與學生操作體驗

n   結語

        化學元素週期表是國內義務教育中的一環，了解常見元素的性質對於生活很有幫助，教科書中對於週期表的發展史囿於篇幅而相當簡略，學生大多只知道門得列夫所發展出的週期表，以及他利用排列卡牌的方式預測未知元素的位置的故事，對於元素週期表相關的發展脈絡著墨甚少，對於週期表的多元性介紹也不多，導致多數人認為週期表只有一種版本，門得列夫如何預測未知元素的原子量與密度，國內的相關文獻也甚少。

    本文針對門得列夫預測未知元素的原子量與密度的著墨較多，介紹週期表時，針對門得列夫利用德貝萊納三元素組的概念進行鎵原子量預測的部分，很適合發展為一個教學活動，讓學生實際試算。門得列夫預測鎵金屬密度，與後續跟去函請發現鎵金屬的科學家重新測定的故事，也饒富趣味，適合授課時融入。

    針對元素符號或中文進行造字造詞的腦力激盪活動，可以讓靜態的課程瞬時活絡起來（圖15）。經由簡略介紹週期表發展史，可以讓學生了解發展週期表的過程是累積了多人的努力成果，正如牛頓曾經說過：「如果我能看得更遠， 那是因為站在巨人的肩膀上。」，門得列夫成功之處在於懂得善用前人的成果，利用了德貝萊納三元素組、紐蘭茲八度律、麥爾的原子體積–密度–原子量關係式等概念，成功預測未知元素的性質，並建立門得列夫週期表的權威性。

圖15：元素符號造字造詞活動

n   致謝

        感謝教育部國民及學前教育署、國立臺灣師範大學、中國化學會、邱美虹教授及其所帶領的工作團隊，使本校學生能夠沉浸在「化學元素週期表環島之旅」特展的精美展品中，獲得許多關於週期表的有趣知識。

《臺灣化學教育》第三十八期（2020年7月）

目  錄

n  主編的話

u  第三十八期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

n  本期專題【專題編輯／吳國良】

u  素養導向評量專題簡介／吳國良〔HTML｜PDF〕

u  素養導向評量：化學科素養導向命題之我見／楊吉水〔HTML｜PDF〕

u  素養導向評量：大學的社會責任：素養題／焦傳金〔HTML｜PDF〕

u  素養導向評量：技術型高級中等學校化工群108課綱素養導向題型初探／葉瀞月〔HTML｜PDF〕

u  素養導向評量：素養導向試題–以國中教育會考為例／田鎧豪〔HTML｜PDF〕

n  教學教法／化學課程與教學【專欄編輯／鐘建坪】

u  有機物定義與乾餾的探究課程／鄭志鵬〔HTML｜PDF〕

n  化學實驗／化學活動推廣【專欄編輯／鐘建坪】

u  化學元素週期表環島之旅 元素實驗動手做設計與活動辦理分享／廖旭茂〔HTML｜PDF〕

第三十八期 主編的話 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授 國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員 中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員 美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長 mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw

         108國民基本教育課程綱要即將在2019年8月正式實施，學校教育除了課程內容要符合新課綱的要求外，還必須著重以素養導向為主的教學和評量，凡事起頭難，首要之事便是要釐清何謂「素養導向」的教育。根據2014年公布的「十二年國民基本教育課程綱要總綱」中揭示，「核心素養」是指一個人為了適應現在生活及面對未來挑戰，所應具備的知識、能力與態度。核心素養強調學習不局限於學科知識及技能，而應關注學習與生活的結合(教育部國民及學前教育署，無日期)。由前述定義可以得知，單單知識的獲得已不再是學習的核心價值，而是習得的知識與技能可以如何用在問題解決和生活情境應用上，以及發展一種能面對未來瞬息萬變的科技世代之應變能力。經濟合作暨發展組織（The Organisation for Economic Co-operation and Development， OECD）在2015年以評量科學素養為主後，未來在2025年將再次評鑑世界各國學生所發展的科學素養水平，其評量重點除科學外，還有一項對外語的評量。同時，也將評量學生在數位世界中對新興科技的學習能力，亦即自律（self-regulated）學習數位工具的能力（OECD，無日期）。在此原則下，OECD增加兩項新的能力以及拓展兩項之前就已涵蓋的能力，前者是使用科學知識做判斷和採取行動，並能使用機率性的思考(probabilistic thinking)，來進行決策的制定，因為科學議題中是會牽涉機率與風險。而擴充的能力是指科學探究的評鑑與設計，以及科學性的解釋資料和證據(OECD, 2020)。從在地的課程綱要到國際評比的素養期待，可以看出自主性學習與生活連結的目標是相互呼應。俗話說:「給他魚吃，不如教他釣魚的方法」，若學校教育能將教學的重點從知識的灌輸到知識與技能的應用，引領學生發展個人適應環境所需的能力，進而創造提升生活品質之法，即使科技始於人性，不斷影響人類的生活，學生也能適應與調整良好，這也是素養導向與成就導向的教學與評量不同之處。

教育改革的挑戰–素養導向的課程已在發生了，這些變化讓現場教師忙得焦頭爛額，在顧及學科內容外，還必須兼顧學生的學習表現是否能發展出具素養的內涵，這一切不僅是要在教學上有大幅度的調整外，也要能反映在評量的內容和形式上。傳統總結性評量著重於知識的記憶與理解，已不足以滿足新世代課程的要求與社會的期待。故本期特別邀請大考中心吳國良研究員擔任「素養導向的評量」專題客座主編，吳客座主編長期致力於大考中心的業務，相當精熟命題方向與重點，近年並致力於素養試題的研發，此次由吳主編邀請數位專家學者針對該議題進行解析，除針對育四篇專題提出個人總結性的觀點外，其中還包括楊吉水教授精闢的解說與分析，將大學入學中心邀請其命題的經驗，現身說法提出卓見，文中以科學性文章或創新研究結果為主幹去發展適合高中生程度的評量試題為例，不僅可以檢測學生在高中所發展的科學閱讀和解題能力外，也可以透過評量讓學生習得新知識、新研究法、與科學推理論證的過程。其次是焦傳金教授的素養題開發實例經驗分享，焦教授以清大教授們的研究出發來研發素養導向的試題，並與高中教師合作，由上（學理）而下（實踐），再由下（實踐）而上（學理），雖從學理出發，但也能更接地氣。而技職教育在這一波教育改革中也未被邊緣化，葉瀞月副研究員根據技術型高級中學課程綱要強調「核心素養」出發，論及新的評量試題提供技職學校在未來規畫課程與評量時，應從提升學生閱讀能力，到利用題目中的線索進行抽絲剝繭進而達到解題的目的作為教學的重點。最後，田鎧豪研究員以國中教育會考的情境式考題為例，說明如何從核心素養的學習內容和學習表現來設計素養導向的試題。若指標明確，設計出的評量試題較能有效的檢測出學生的能力，此部分可提供教師參考。

此次課程改革讓整個教育系統動起來，將科學活動的真正內涵與學校科學教育更密切的結合，回歸到科學教學的本質上，另人興奮，也令人相當期待。而考試領導教學至今仍是王道，那為何不在評量上多與教育理念結合並落實呢？所以如何教，如何考，都是學問，尚待有智慧的人來開創新局面。

最後，本期常態性文章有鄭志鵬老師以三本教科書中既有的內容進行評析並提出可以精煉其內容的取向，以更符合12年國民基本教育總綱中所著重的探究精神。教科書內容是固定的，因材施教，調整教科書內容，且讓教法可以是更多元，此文可以激發教師們就手邊的教學素材設計更多探究與實作的活動。另一篇文章是繼2019年國際化學週期表年後，本人開始將展品在全臺不同地區的學校進行元素週期表的移展活動，廖旭茂老師針對其搭配展品而辦理的元素相關實驗活動進行分享，讓學生可以對化學元素有更深入的認識，值得參考。

參考文獻

教育部國民及學前教育署(無日期)。108課綱資訊網。網址https://12basic.edu.tw/12about-3-1.php查詢日期：2020年7月30日。

OECD(no date)。https://www.oecd.org/查詢日期：2020年7月30日。

OECD (2020).PISA 2024 Strategic Vision and Direction for Science, March.下載於https://www.oecd.org/pisa/publications/pisa-2024-assessment-analytical-framework-science-strategic-vision-proposal.htm，2020年7月30日。