理學院

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學院概況

理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。

特色

理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。

理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。

在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。

在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。

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    越南蝙蝠在環境變遷下的時空分布模式
    (2024) 黎光瞳; Le Quang Tuan
    生物多樣性的喪失是當前社會的一項環境危機,對生態系和人類福祉造成巨大的衝擊。建立保護區是防止生物多樣性喪失和維護生態系統完整性最普遍的方式之一,但許多保護區規劃時未納入生物多樣性分布的時間與空間資訊導致成效不彰,且生物多樣性分布可能隨著環境變化而改變,進而影響現有保護區的保育成效。此外,許多保護區在規劃時受限於行政區界線的限制,無法有效涵蓋物種跨邊界的分布和遷移範圍,因此也限制了保護區的保育成效。在蝙蝠(翼手目)的保育上,因為牠們分布廣泛、對環境變化敏感、具良好移動能力,但卻不易觀察,使得保護區的制定更加困難。因此,我的研究以越南的蝙蝠為例,揭示如何取得並利用環境變遷下物種分布的時空資訊,用以研擬保育計劃的制定。具體來說,我分析蝙蝠物種的分布並預測牠們在氣候和土地覆蓋變化下的動態,以(1)瞭解這兩個主要環境變化各別和在交互作用下對蝙蝠所造成的影響,來指引保育策略的制定;(2)評估現有保護區網絡涵蓋蝙蝠分布範圍的代表性,並指出應優先考慮作為蝙蝠保護區的地點;以及(3)評估面對環境變化下,跨國合作對於決定蝙蝠保育優先保護區域的重要性。在我的博士論文的第一項研究中,我使用物種分布模型和不同溫室氣體排放和環境變化情境,預測了81種在越南出現的蝙蝠現今和未來的分布,評估氣候和土地覆蓋變化對於蝙蝠分布範圍和物種豐富度的影響。結果顯示直到2050年,這兩種威脅個別皆將對蝙蝠產生負面的影響,且當兩種威脅同時發生時,將會降低個別威脅的正面效應或增強個別威脅的負面效應,使整體負面影響加劇。此外,這兩項環境變化所造成的正負效應與程度在蝙蝠物種與地理區域上具有顯著變異,強調出將各別物種分布資訊納入蝙蝠保育規劃的重要性。 由於建立保護區是最普遍被使用的保育方式之一,因此在第二項研究中,我使用物種分布資訊來評估越南現有的保護區網絡對於保護蝙蝠分布範圍的代表性。我分別計算出現於越南的每種蝙蝠分布範圍中有多少比例位於現有的保護區當中,並以此作為保護代表性的評估標準。我發現儘管現有的保護區網絡比隨機網絡更具代表性,但它平均僅涵蓋了蝙蝠目前分布範圍的6.56%。若整合物種分布資訊與空間優先分析,在不增加網絡大小的情況下,調整現有保護區網絡的分布可以增加代表性至12.11%。結果也顯示將未來蝙蝠分布的預測納入保護區設置優先分析,並不會影響保護區對現今蝙蝠分布範圍的代表性,但可以顯著提升環境變化下,對未來蝙蝠分布的代表性。最後,物種分布模型顯示活動於越南的81種蝙蝠中有79種分布範圍超出越南的邊界,且氣候和土地覆蓋變化可能會影響牠們在越南內外的分布。因此,在第三項研究中,我以跨越越南、寮國和柬埔寨三國的範圍進行保護區設置優先分析(跨界優先),並相較於各國分別進行優先分析(國家優先)的結果,比較對於蝙蝠分布範圍的代表性何者為高。結果顯示,跨界優先和國家優先所建議的保護區網絡對於現今蝙蝠分布範圍具有相似的代表性,然而,在環境變化的情況下,特別是在考慮到蝙蝠未來分布的預測時,跨界優先能得到更好的結果,顯示跨國合作的重要性。 總結來說,以上研究說明了氣候和土地覆蓋變化的相互作用可能會對蝙蝠造成嚴重的負面影響。為了在環境變化下維持保育的有效性,在保護區規劃中納入蝙蝠分布的時空資訊與跨國界合作至關重要。此研究不僅增進了我們對於環境變化對蝙蝠多樣性潛在影響的理解,也提供了在保育上減緩衝擊的建議。本研究所建立的研究方法,特別是將物種的時空分布整合至設立跨國界保護區的考量之中,將可擴展應用於其他類群。
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    2020年梅雨季前段極端降雨事件之原因及多重尺度交互作用分析
    (2024) 邱彥超; Chiu, Yen-Chao
    本研究調查了2020年5月21日至23日,臺灣地區所經歷的一次破42年梅雨季紀錄之極端降水事件(Y20R事件)。此次降水事件的成因主要與多個天氣系統之間的交互作用有關。2020年梅雨季前段,西北太平洋副熱帶高壓異常強大,導致西南季風顯著增強,從而加強了南海與中南半島一帶往東亞地區的水氣傳輸。在強烈的季風影響之下,於青藏高原東南側形成的西南渦(SWV)向臺灣方向移動。當SWV通過臺灣北側海面時,它提供了臺灣附近的潮濕渦旋環境,其底層的西北風與西南季風在臺灣海峽中部匯合,形成了有利於鋒面生成的動力和熱力條件,進而增強了海峽上的鋒面活動。這一過程中,SWV的位置則會影響鋒面生成的位置,而鋒面的位置又對降水強度影響甚大,當鋒面位於臺灣南部雨區的北側時,會顯著增加該地區的降水量。最後,觀測系統模擬實驗的結果顯示,在預報系統中加入南海北部的投落送資料可以提升對南海地區風場和水氣場的初始條件,從而改善臺灣,尤其是臺灣南部地區的強降水預報能力。本研究對理解臺灣梅雨季降水的形成機制以及大尺度背景場(2020年環境場)和中尺度天氣系統(SWV)之間的交互作用具有重要意義,並對提升極端降水事件的預報能力提供了一個參考方案。未來的研究可以擴大範圍,包含更多類型的降水事件,以便深入瞭解其降水機制。
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    利用隨機交互森林預測模型之應用
    (2023) 洪坊瑜; Hong, Fang-Yu
    根據生物、工業,以及商業統計資料,對於不同領域下的預測分析,舉例客戶行為、消費者需求或股票價格波動以及診斷病人等等,從中探討重要變數之間的交互作用,達到模型更準確的預測結果,本研究套用了隨機森林演算法,考慮交互效應予以改善模型並允許對解釋變數做交互作用進行有價值的洞察效果,而隨機交互作用森林(Random Interaction Forest, RIF)是隨機森林(Random Forest, RF)所衍生出來的一種新策略演算法,適合用於類別、連續變數或存活等資料型態加以預測,並明確地模擬建構森林中的決策樹所執行變數之間定性與定量的相互作用。在模擬研究中,使用了R包套件中"vivid"(Variable Importance and Variable Interactions Displays),呈現了機器學習模型中變數之間的重要性以及交互作用的可視覺化工具,同時也使用了R包中"diversityForest",透過投票分割抽樣,在隨機森林中進行複雜的分類程序,使用雙變數拆分對定量和定性交互效應進行建模。 交互森林(Interaction Forest, IF)帶有效果重要性度量(Effect Importance Measure, EIM),可用於識別具有高預測相關性的定量和定性交互作用的變數做應對。IF和EIM專注於易於解釋的交互形式。透過新的隨機交互森林結構,檢驗了線性迴歸模型、邏輯迴歸模型,增添了機器學習預測模型的能力。研究結果表明,當RIF模型存在交互作用時,不僅優於隨機森林和邏輯、迴歸分析方法。同時,證實RIF在執行許多情況下比傳統統計方法所創建的模型識別來的更為準確。並且交互作用為顯著時,RIF的性能也顯得更加優越表現,表示使用此方法不但可以提高業務流程和科學研究的效率。而且RIF在預測建模中的辨識度以及利用交互效果的部分都相對容易解釋,這是一項具有挑戰性且合適的工具。本文將透過這些方法的檢測應用於2012~2016年台北市死亡數實際資料進行評估。
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    以場離子顯微鏡研究鎢表面上鈀吸附原子間的交互作用
    (2002) 黃意茹; Yi-Ju Huang
    在這個研究報告中,研究了在鎢(211)面及鎢(110)面上,鈀吸附原子間的交互作用。在鎢(211)面上的同一通道中,二個鈀原子易形成距離最小(2.74埃)的雙原子團且以此結構在通道中擴散,二者間的交互作用能與次靠近結構的交互作用能相差為-110.2meV,雙原子團的擴散活化能為Ed=0.59±0.01eV。當二個原子間的距離越大,其交互作用呈現有吸引也有排斥的震盪現象。在鎢(110)面上,我們加以探討原子間多體的效應,選擇F3lin=-80meV、F3tri=F3bent=-8meV,其他如四個原子以上彼此之間的多體交互作用,在探討多個吸附原子的自由能時,是很重要的。除此之外,我們也探討了鈀原子團在鎢(110)面上擴散的機制,在雙原子團的擴散中,轉向且質心位移分別為2.23埃及1.58埃的機率與平移(質心位移為2.74埃)的機率差不多,它們都是原子向最鄰近位置運動二步而成,這也可由鈀三原子團發生平移(質心位移為2.74埃)的機率比轉向(質心位移為0)的機率大,而得到輔證。鈀雙原子團在鎢(110)面上的擴散活化能為0.65±0.01eV,鈀三原子團為0.68±0.01eV,當原子數目越多,擴散活化能越大,成單調增加,顯示鈀原子團的擴散皆為沿鄰近位置跳動組合而成,而無特別的交換機制。