模組化課程-詳細課程大綱
模 組 化 課 程
106學年第1學期 開授課程 課程綱要
線性規劃與非合作賽局 授課教師：國立成功大學數學系 許瑞麟教授
課程概述：
這世界上我們面對的主要是兩種系統: 自然系統與人為系統。研究複雜系統的方法主要是量化、建立假設與建立數學模式、然後針對數學模式去求解並優化。將一個系統優化最基礎的工具就是線性規劃。優化 (optimization) 是除了「原創」之外，科技進步的最重要步驟，而線性規劃又是優化的最基礎知識。線性規劃高度整合數學的「線性代數」與「高等微積分」，對於線性代數 行空間 (column space) 和 列空間 (row space)之觀點轉換要求甚多。線性規劃最經典的應用是兩人零和賽局。兩人零和賽局的推廣就是「$n$ 人非合作賽局必存在 Nash 均衡解」。此為 Nash 獲得 1994 年諾貝爾經濟獎的工作。本課程計畫替數學系、管理學院、社科院、電資學院學生架出一個通道，讓多個領域之間的知識可以相互交流，學習以模式解決問題的思維與基礎知識。在這個總計 15 個小時授課裏，我們區分為 5 個單元，每單元 3 小時，課程內容與進度如下表。課程精要、節奏進展快速絕不拖泥帶水，學習者可以在一星期之內，獲得數學建模的概念、線性規劃的理論與演算法、NEOS AMPL 程式寫作練習、線性對偶理論與零和賽局的應用、與 John Nash Jr. 1994 諾貝爾經濟獎得獎工作簡介，從建模、優化、與應用一次完整的體驗。
課程的重要性、時代性與跨領域性：
這是一個數據與模式的時代。理解數學建模與線性規劃是一個入門的數學基礎。Nash equilibrium 在經濟學理論雖然古典，但是其經典性至今仍是具有相當重要性。線性規劃可以應用在許多方面，交通建設、外科手術、航空管理、電路板設計、網路流量分析與分配等等。
量子基礎科學 授課教師：國立成功大學物理系 張為民特聘教授
課程概述：
隨著量子科技時代的來臨，相應的量子科技基礎教學必將成為研究型大學的必修課目。 成大以理工起家，基礎科學的教學尤為重要。但現在的大學課程，除物理系及個別工程系所外，鮮少開設適合理工生醫類系所學生的量子基礎科學課程。缺少量子基礎科學的教學與訓練，培養出來的科技人才將無法快速地融入量子科技新興領域的研究及量子尖端科技的開發。
量子物理與相對論是二十世紀初所建立發展起來的兩大近代自然科學理論。量子物理描述原子尺度下物質結構的基礎理論。正是量子物理，告訴我們物質除導電與非導電外，還有半導體，從而在上世紀中葉產生了半導體工業革命，改變了整個人類文明的生活模式。也因為愛恩斯坦用量子的概念發現光電效應，由此開發的光電商品，從搖控器、數位相機、雷射到太陽能電池等數不清的現代科技生活用品。而量子隧穿效應使得人們利用STM(掃描穿隧顯微鏡)及AFM(原子力顯微鏡)一探物質表面的原子結構，開創了奈米尺度的科技時代。但這些科技的發展只用到量子物理的一些非常普通的物理性質，即量子能階、光電效應、量子穿隧效應等。這些物理性質一般人們可從近代物理的基本介紹中學到。然而，目前正在開發的量子電腦及量子通訊將要利用量子物理中最神奇也是最怪異的物理現象，主要包括量子相干性(quantum coherence)及量子糾纏性(entanglement)。
量子相干性起源於物質的波動性，是量子力學的出發點。物質材料是由各種元素(原子)構成的，在原子尺度上，原子中的電子具有波的特性。因此原子或電子的不同狀態會是各種不同的波的空間分布，具有波的相干性。但當人們去量測電子的狀態時，又只看到整顆電子在某一確定的位置，而不是波的分布形態，並且每次量測電子位置的結果都不一樣(量子測不準關係)，導致物質波粒二像性及物質波以機率波被描述，它與我們所熟知的電磁波，水波等現象完全不同。而機率波的物理起源已困擾物理學家及哲學家一個世紀了。這是量子物理較為怪異的現象之一。另一更怪異的量子現象就是量子糾纏。量子糾纏，這一曾經讓愛因斯坦完全無法接受的量子力學怪現象，文獻上稱之為EPR悖論，指的是:兩個處於量子糾纏的原子或電子，不管它們分開多遠，例如處在兩個不同的星球上，當人們量測其中一個原子的量子狀態時，處在另一星球上的原子的狀態會瞬時跟著改變。量子糾纏這種超距的神奇現象已在實驗上被證實，並且已在實驗室中不斷被製備，成為實現量子通訊及量子電腦最關鍵的要素。如果人們能夠很好地控制量子相干性及量子糾纏性，那麼一台約由100個量子位元(例如每個量子位元用一個電子自旋來實現)的量子電腦，在資訊儲存及資訊處理速度上，原則上比今天全世界所有電腦加起來的效能還要強。
在過去20年的量子電腦及量子通訊研究中，人們已經在許多微觀量子系統中，像Cavity QED系統、Trapped Ions系統、Superconducting Qubit系統、Quantum dot系統及Ultracold Atom Optical Lattice系統等，實現並操控了量子相干性及量子糾纏性。這些量子相干性及量子糾纏性的實現及操控被稱之為本世紀的第二次量子革命。Google 和IBM 已聲稱在今年底建構可超越任何傳統電腦的具50量子位元的通用量子電腦，而中國大陸已發射世界上第一顆量子通訊的實驗衛星。顯然，學懂並掌握量子體系中量子相干性及量子糾纏性的正確物理概念及其物理圖象是開發量子科技的基本知識訓練。為達此目標。我們計劃在未來5年規劃一系列的以一學分為單位的全方位量子基礎學習課程。
課程的重要性、時代性與跨領域性：
量子科學是二十世紀初所建立發展的近代自然科學理論之一。預計21世紀工業發展的核心將是由量子科技主導的量子工業，在過去20年的量子電腦及量子通訊研究中，量子相干性及量子糾纏性的實現與操控的發展，可產生第二次量子革命並由可能開創出第四次工業革命。因此，量子基礎科學已經成為不僅僅是物理科學以及半導體工業與奈米科技等量子科技的基礎課程，同時也是理、工、生、醫等各個領域的基礎知識。在此基礎上，各領域至今已逐漸發展出《量子化學》、《量子資訊科學》、《量子生物學》等次領域。因此，開設量子科學基礎課程，將有助於各領域研究人員之間的對話，增進跨領域合作。
分子對稱性 授課教師：國立成功大學化學系 許桂芳副教授
課程概述：
點群是利用對一個固定點的對稱操作，如轉軸和鏡面，描述分子內部的對稱細節，並整理成特徵表。利用特徵表可解釋分子的光譜行為，並應用在分子軌域的建立。空間群是點群的延伸，其中再加入晶格和可位移的轉軸與鏡面。利用空間群可解釋自然界中的礦石結構，這些礦石結構和具應用性質的金屬、合金和半導體息息相關。
課程的重要性、時代性與跨領域性：
結晶學是起源於礦物結構的基本知識。隨著單晶X-光繞射儀的發展、單晶合成技術的成熟、以及半導應用材料的應用，從基礎對稱性了解化合物的結構模型，可提供從微觀的概念去了解其應用性質。在跨域性方面，本門課與金屬和半導體相關，因此未來可橫跨多門領域，如：化學、物理、地科、材料、化工和機械等。
細胞結構與動力 授課教師：國立成功大學生科系 曾淑芬特聘教授、張松彬副教授、何盧勳助理教授
課程概述：
以細胞為基本單位分析其結構與功能，進一步了解從單細胞到多細胞生物的訊息傳導與協調生理機制。
課程的重要性、時代性與跨領域性：
生物體是地球上最複雜的化學系統，生物的功能的運行與化學和物理原理息息相關，本課程針對非生物科學領域學生所設計，除了授與生命科學基礎知識之外，也將探討醫藥、新農業、環境生態保育、氣候變遷與人類永續的發展策略。課程設計將著重於problem-based learning，增加授課老師與學生間更多發問與探討時間，藉此激發非生物科學領域學生，以生命科學領域之思考角度，激發他們發展跨界的創意。
電子顯微鏡原理與實作 授課教師：國立成功大學物理系 陳則銘教授
課程概述：
主要說明掃描式電子顯微鏡的原理、操作、分析以及應用，教導學生觀察材料顯微組織與解析，培養學生利用電子顯微鏡分析材料的技能。內容包含掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)、雙束型聚焦離子束顯微鏡(FIB)的儀器原理與應用。配合實習讓學生更深入了解電子顯微鏡的實際應用。
課程的重要性、時代性與跨領域性：
光學顯微鏡的解析度受其使用的波長的限制，而電子顯微鏡是使用電子來展示物件的內部或表面的顯微鏡，高速的電子的波長比可見光的波長短，所以解析度（約0.2奈米）遠高於光學顯微鏡的解析度（約200奈米）。電子顯微鏡的應用非常廣，在材料分析，奈米結構與生物等提供非常精密的結構，是探究材料科學與生物系統重要的工具。
先進光源在凝態系統上的應用 授課教師：國立成功大學物理系 吳忠霖教授
課程概述：
「光」是人類探索大自然不可或缺的源頭，透過同步輻射光為一連續波段的電磁波的特性，與其具有高亮度與光能量解析的特點，同步輻射光已成為二十一世紀尖端科學研究的跨領域實驗利器，並已廣泛應用在物理、化學、材料、生物、醫藥、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等多項基礎與應用科學研究。透過此課程，希望能讓學生了解同步輻射光的學理基礎，與各研究領域的現況，並可藉由實地參訪連結課堂講授知識與實作經驗。
課程的重要性、時代性與跨領域性：
「光」是人類探索大自然不可或缺的源頭。廣義地說，所有電磁波都可以叫做光。而1947年首次在同步加速器中被意外發現的同步輻射光也是電磁波的一種，為一連續波段的電磁波，涵蓋紅外線、可見光、紫外線及X光等。更重要的是，同步加速器光源據高亮度與光能量解析的特點，儼然已成為二十一世紀尖端科學研究的跨領域實驗利器，並已廣泛應用在物理、化學、材料、生物、醫藥、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等多項基礎與應用科學研究。目前全球供實驗用的同步加速器光源設施超過七十座，顯示出同步加速器光源設施的建造與其科學研究已成為各國高科技能力的重要指標。而我國的同步輻射研究中心(NSRRC)為台灣重點大型科技設施與研究單位，自成立以來，已逐漸累積深厚的研究技術根基，亦逐年提升國內相關領域之研究成果，並於年前興建完成新一代領先全球的超低發散性同步輻射光源，為跨領域科學研究提供前所未有的機會，將可從事極具國際競爭優勢的研發工作。因此，透過此課程的介紹，期望能在台灣為二的跨領域綜合性大學-成功大學，培養同步輻射相關的科學研究與設施研發之人才。
幾何光學原理教學與實作 授課教師：國立成功大學光電系 許家榮副教授、徐旭政副教授
課程概述：
包含授課教學與教學實驗操作練習，每一週的前兩個小時以講授為主，後四個小時以實做為主。以兩位學生為一組，根據實驗預習的準備，一同從無到有架設出一套實驗系統，觀察現象並量測數據。為使學生一步步的確實完成，實驗過程中區分數個階段，每完成一階段皆需經助教檢查認同後始可進行下一階段。此外，助教採「隨時走動方式」主動觀察學生的實驗過程)。每位學生需於隔週繳交實驗結果報告。
課程的重要性、時代性與跨領域性：
光電領域乃一整合性的前瞻科技，領域涵蓋電機、資訊、機械、材料及化工等應用科技，以及光學、物理、化學及生物等基礎科學。幾何光學是光學中重要的基礎，為透鏡光學設計、生醫光電診療儀器、影像儀器、雷射應用等領域皆需要用到的基礎實驗知識。若能將教學朝「基礎與專業並重」、「理論與實驗相輔」的原則來規劃，可培養學生的科學研究方法與態度，以建立實驗設計、儀器操作、數據分析的能力。規劃與設計此課程的主要目的，在藉由強化學生基礎科學的光學理論中提升獨立學習與團隊合作的能力，學生藉由實驗操作來親自觀察並驗證數種幾何光學現象與理論，並培養其解決問題的初步能力，為以後更複雜與更廣泛的學習與研究打下基礎。