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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Item 基於高維度資料分解的空氣污染視覺化分析(2023) 楊千艎; Yang, Chien-Huang空氣污染是一個嚴重的全球環境問題，對人類健康和生態平衡造成嚴重影響。PM2.5是微粒物質的一個子集，直徑小於2.5微米，已經與嚴重的呼吸和心血管問題、土壤和水污染以及生態系統破壞相關聯。為了更好地了解PM2.5的來源和分佈，我們採用了一種類似PARAFAC的分解方法來分析台灣使用空氣盒子設備收集的空氣質量數據。這種方法允許識別導致某個地區和時間PM2.5濃度較高的因素，從而提供PM2.5分佈模式的洞察。為了增強對這些模式的分析，我們提出了一種通過可視化進行交互式多視圖分析的方法，以探索和理解複雜的數據集。這種方法旨在幫助更好地理解空氣質量，改進複雜數據集的分析和解釋，最終獲得更好的洞察和結果。Item 動畫的使用方式如何影響高二學生的化學學習 —以電化學單元為例(2020) 林佳穎; Lin, Chia-Yin本研究以中學所提到的電化學概念為例，欲探討不同的動畫使用方式，分別 是「僅觀看動畫(Visualization)」(稱為 V 組)，讓學生在「觀看動畫後畫圖(Drawing)」 (稱為 VD 組)，以及讓學生在「觀看動畫後製作動畫(Animation)」(稱為 VA 組)，對於學生的學習成效及科學學習動機有何影響。本研究以一所市立高中， 一類組的高二學生為研究對象，共三個班級，109 人，課程模式採用 VGEM (Visualize, Generate, Evaluate, Modify，觀看、產出、評析、修正四個階段)，僅 其中的 V 組無產出的階段，但三組教學時間一致。研究工具包含量化的概念診 斷測驗、科學學習動機量表，進行前、後測及延宕測驗;質性資料來自焦點學生 在課程中的對話錄音以及 VD 組、VA 組學生的成品。研究結果顯示，V 組、VD 組、VA 組之間在電化學概念上並無顯著差異，但是僅觀看動畫的 V 組，較無法 提升關於電荷平衡的概念，而 VA 組對於微觀層次和多層次概念的記憶滯留是有 顯著的效果，且透過製作動畫能夠有效地減少學生的另有概念;除此之外，VD 組、VA 組因產出方式的不同，在過程中也有很大的差異，VA 組比 VD 組有更 高的比例是與化學概念相關的對話，且能夠應用更多的先備知識，雖然三組之間 在科學學習動機上並無顯著差異，但是讓學生經過畫圖或是製作動畫的產出方式， 經過組內前後測的比較，結果顯示有助提升其學習動機。Item 高一學生視覺化轉化為幾何推理之過程及其特徵(2019) 李健恆; Lei, Kin-Hang推理是數學研究與學習中的重要工作，演繹推理更是國中幾何學習的重點，卻也是學生不易掌握的內容之一。在幾何推理的過程中，圖像與概念密切地相互作用，且從圖像中獲取的資訊會與個體心智中的想法作連結，從而進行幾何推理的視覺化過程，將能提供學習者在推理過程中所展現特徵的重要參考。隨著科技快速發展，科技工具提供有效的構圖、視覺化及推理支助。然而，幾何推理對學習者來說仍然存在相當的困難，這樣的工具也沒有在學習幾何推理時被廣泛使用。本研究目的在探討已習相關幾何內容的高一學生，透過質性訪談分析他們從視覺化轉化為幾何推理的過程及特徵。訪談內容包含三個幾何推理任務，學生以口述方式在紙筆或動態幾何環境下說明對這些推理任務的想法，並整合Toulmin論證模型和在動態幾何環境推論的特色，由此分析訪談逐字稿及錄影影像進行學生之推理過程。研究結果顯示不同知識程度的學生在論述策略的選取、尋找不變量以及直觀條件的使用對其推理歷程有較大的影響，使用動態幾何軟體則有助於他們發展一般化的推理結果。由學生從視覺化到幾何推理的過程中，藉由幾何知識與幾何物件之間的連結，可以分為以物件外觀為主導、以物件元素為主導、以幾何知識為主導和以邏輯關係為主導四個階層描述，其中依據子圖的層次關係與圖形的結構，以幾何知識為主導和以邏輯關係為主導的階層又各細分為兩個層次來描述。未來教學及研究可考慮兼顧推理過程中各個階段以及培養不同視覺化轉化幾何推理階層的任務設計，並探討學生在上述任務設計的表現及主要困難，以進一步幫助學生發展適當的視覺化以達到不同階層的幾何推理。Item 運用物理定律的動態的互動式立體圖畫排列系統(2009) 李詠銘; Yong-Ming Li近年來雖然已經有一些軟體視覺化工具可以透過圖形來視覺化程式內部的資料以幫助程式設計師除錯，但它們在實用上還有許多限制，使得軟體視覺化工具無法成為程式設計人員每天使用的工具之一。軟體視覺化除錯工具xDIVA (eXtreme Debugging Information Visualization Assistant)[1]是一個具備彈性與實用性的工具用來幫助程式設計師進行除錯。xDIVA使用3D的圖形、顏色和動畫來視覺化資訊。 目前xDIVA系統在視覺化資料的過程中尚存在待開發的功能。如何依照人類熟悉的方式陳列視覺化物件(Layout)就是其一。目前xDIVA中為視覺化隱喻(Visualization Metaphors)所做的陳列演算法仍然不夠友善，也沒有足夠的互動性。因此本論文提出在xDIVA下，應用樣板設計模式(Template Design Pattern)實作出一個具有彈性架構讓未來的許許多多的陳列演算法可以輕鬆地擴充。在這樣的架構下，本論文也實做了一個可用來排列Graph類型的資料結構的陳列演算法，此演算法允許使用者進行積極的互動，其原理是借用物理的一些運動法則來展現具備真實感的動畫。Item 解決DIVA上動態資料和視覺化隱喻的映對(2008) 陳日峰; Jih-Feng Chen隨著時代的改變，軟體日漸變得複雜且龐大。然而除錯的技術和工具並沒有追上軟體的進步速度，除了除錯器的使用之外，使用者至今還時常得依賴插入額外的程式碼(例如說，printf)來幫助除錯。雖然近來已經有許多軟體視覺化工具透過圖形表示來視覺化軟體資料以幫助程式設計師除錯，但它們在使用上還有許多限制。例如只能視覺化特定的資料結構，或者是需要使用者撰寫額外的視覺化程式碼。因為這些種種的限制，讓軟體視覺化工具無法成為程式設計人員每天使用的實用工具。 因此，我們提供一個軟體視覺化除錯工具DIVA(Debugging Information Visualization Assistant)來幫助程式設計師除錯軟體。DIVA使用3D的圖形，顏色和動畫來視覺化軟體。讓使用者以理想的VM(Visualization Metaphor)來視覺化變數和資料結構。 本篇論文中，我們在DIVA上設計一個Mapping Engine，透過Mapping Engine的存在能將資料和VM 做到去除耦合(decoupling)，讓變數資料和VM能在低耦合的情況下相互作用。Mapping Engine提供一個簡易的操作視窗能讓使用者在上面選擇資料和VM間的對映關係並且組合VM。經由VM之間的組合，一個複雜的VM可以由許多基礎的VM組合而成，以達到可組合性以及視覺化彈性。Item 運用信標感應和開放資料在智慧社區之應用研究(2017) 溫秉善; Web, Ping-Sang近年來科技發展迅速，全球先進城市致力於開發智慧社區的相關應用技術，讓生活更加的便利。各國政府也積極整理各項公開資料並發布在網路上，以鼓勵民間以及企業運用政府開放資料來創造新的知識資產和便民服務。此外，人們所持有的智慧型手機幾乎都具備有網路網際以及無線感應的功能，可使用智慧社區的服務系統應用，構成了全新的社區生活型態。 本研究以信標感應和政府開放資料來發展智慧社區之應用，本系統包含了三個子系統，公共設施導覽系統、接近推播系統、住宅評估系統，來提供智慧社區的應用。第一，公共設施導覽子系統使用了GPS全球定位技術結合政府公開資料，以Google Map當作基底，在電子地圖上顯示出台北市的教育型機構，進修大學、圖書館、運動中心等三種教育型機構，可以讓使用者立即的定位並知道周遭有哪些服務。第二，接近推播子系統，應用了iBeacon技術，當行人經過教育型機構或是社區商家時，使廣告、宣傳推播至使用者手機中，可以取代雜亂的招牌或是廣告傳單。此子系統也提供了社區商家計算人流的功能，以便於商家研究出使用者的消費習慣以及最佳的行銷推廣。第三，住宅評估子系統，使用內政部實價登陸的房地產資料結合台北市開放資料的教育型機構，讓各筆房地產有一個住宅方便性的分數，並透過使用者的需求來調整權重，以便使用者在挑選住宅時有更多、更方便的考量。上述三個子系統可以整合來創造出更強的服務應用如：活動舉辦時的宣傳資料以及地圖指引、選購商圈附近住宅時的人流考量、以及因應人流的廣告效益。此研究讓使用者利用智慧型手機與社區連結，創造出更便利的社區環境。Item 中學生的視覺表徵能力與分子概念理解之探究(2010) 詹婉約; Chan, Wan-Yueh本研究旨在探討學生對視覺表徵及分子概念的理解、以及視覺表徵及分子概念理解之間的關連。本研究發展視覺表徵能力指標(Visual representational ability index, VRAI)，透過解構的方式瞭解視覺表徵能力，視覺表徵能力指標具有兩大向度，一為視覺表徵能力的四個成分，這些成分為化學中重要的視覺化技能，即知覺、詮釋、轉換和連結、及選擇和評估；二為視覺表徵能力層級，由層級一到層級五。本研究具有兩個測驗工具，一為視覺表徵能力測驗，一為分子概念理解測驗，預試對象為25位九年級學生，信度Cronbach’s Alpha分別為0.88及0.84，正式施測對象為343位國中學生。 研究結果包含視覺化表徵能力、分子概念理解、及視覺表徵能力層級的部分。在視覺化表徵能力方面，第一，由成分一「知覺」的研究結果可知學生對表徵的理解可能與以下因素有關，（一）當表徵中呈現的是單一訊息時，較多重訊息的表徵理解為佳；（二）即便表徵所體現的同為巨觀層級的概念，可在日常經驗中觀察的概念較無法在日常經驗觀察的概念理解為佳；（三）即便只需要對表徵做表面性的描述，微觀表徵對學生而言還是概念負載的；（四）學生傾向於以化學式的表面特徵詮釋表徵。第二，由成分二「詮釋」的研究結果顯示，（一）概念負載有助於學生對表徵的語法規則描述；（二）學生偏向於以表徵所觀察到的表面特徵解釋表徵。第三，由成分三「轉換與連結」的研究結果顯示，大部分學生偏向於以表徵所觀察到的表面特性做表徵間的連結。第四，由成分四「選擇和評估」的研究結果歸納學生對表徵的理解可能有以下趨勢，（一）當表徵所體現的概念具有過程屬性時，較易被學生理解，當表徵所體現的概念牽涉分子本身的認識時，學生較不易理解；（二）學生無法由二維的表徵知覺三維的空間相對位置。 在分子結構概念理解方面，由巨觀層級的研究結果可知，當概念牽涉物質的特性時，則學生的答題表現較那些可直接觀察的概念為低。由微觀層級的研究結果可知，（一）學生傾向於以物質粒子的觀點詮釋原子與分子；（二）學生對化學過程相關概念的理解較原子與分子本身的理解為佳。 在視覺表徵能力層級方面，整合四個成分的整體結果進入「視覺表徵能力指標(VRAI)」後，發現以下幾點，（一）高表現的學生也可能無法在所有解釋表徵的情境下，採取語意層次的解釋；（二）低表現的學生僅能描述巨觀表徵所體現的現象，即便僅需對微觀表徵的外觀進行描述，也無法選擇出正確答案。 本研究針對教學及研究提出幾點建議，就教學建議來說，（一）有關原子與分子觀的概念，即便教科書中包含了各種原子與分子相關的視覺表徵，但可能較不容易被學生理解，在教學上需要被強調；（二）在學習原子與分子之概念時，或許能夠以學生較熟悉的化學過程導入，或者以簡單的過程符號進行原子、分子屬性的解說；（三）教學時宜幫助學生釐清物質粒子觀與原子分子觀的異同；（四）加強學生對微觀表徵的閱讀能力。就研究建議來說，（一）「表徵解構架構修正」中不具有將不同能力學習者分級或歸類的標準，為待確立的表徵架構；（二）閱讀微觀表徵及符號對學習者而言是個複雜的過程，這個過程需要進一步的研究發現。