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數理化學群:推動科學新動力,跨領域應用新趨勢

文 / 呂愛麗    
2011-05-06
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數理化學群:推動科學新動力,跨領域應用新趨勢
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2000年,俄羅斯裔荷蘭物理學家安德烈.海姆(André Geim)利用磁懸浮技術,讓一隻活生生的青蛙懸浮在半空中,而獲頒當年的「搞笑諾貝爾獎」;2010年,海姆以石磨烯材料的開創性實驗,獲頒「諾貝爾物理學獎」。

相隔十年,海姆成為史上第一位同時獲得這兩個獎項的科學家。海姆說,「接受搞笑諾貝爾獎的確需要一些勇氣。同時獲得兩個獎項,我想,可以協助人們在科學領域多注入一些幽默。」

的確,提到科學,談到數理化學,總給人很抽象的感覺,或是實驗室式的「宅」。

「我們是最被undervalued(低估)的!」台灣大學理學院院長羅清華也曾經如此近乎激動的回應外界對數理化學群的誤解。

儘管仍有不少人對數理化科系存有刻板印象,卻有愈來愈多家長和學生意識到基礎科學的重要。去年,大學入學考試分發放榜,台大物理系躍升為第二類組第一志願,打敗盤踞龍頭將近40年的電機系。

數理化是基礎科學,應用範圍非常廣泛,台大數學系主任王振男認為,對於那些仍未摸索清楚想要朝哪個方向發展的學生而言,是最佳選擇。

為了讓學生有更多自我摸索的空間,數理化科系減少必修學分已成趨勢。以成功大學物理系為例,系主任盧炎田表示,必修學分從140學分,降低至128學分,目的就是給予學生更多選擇空間,方便學生選輔系或雙主修。

實際上,不論國際或國內數理化相關科系,近些年,已漸漸不再只固守原本的領域,跨領域對話和合作,愈來愈熱絡,成為推動科學繼續前進的新動力。

海姆發現石磨烯,這是比矽擁有更好傳導特性、透明度更佳的物質,可應用於時下最熱門的觸控面板以及太陽能電池。

石磨烯雖然是由一名物理學家發現,但是,對於其他領域,譬如化學界的專家們,也感到很興奮。清華大學化學系主任劉瑞雄即透露,系上已經聘請一名研究石磨烯的專才,「近年化學研究愈來愈重視材料的開發,石磨烯是未來的明星材料之一,我們絕對不落後。」

【教學新發展】

數學系、應用數學系 ﹥數學科學化,跨領域應用更多元

與物理和化學相比,王振男說,數學「沒有讓人眼前一亮的實驗結果」,但是那些複雜符號所組成的意義,卻是與人們生活息息相關。

最明顯的例子莫過於財經分析,而抽象一點的,譬如生物演化,透過數學模型去解釋自然界的現象,和預測生物的演進。

數學開始與愈來愈多其他科學領域展開對話,王振男形容這是「數學科學化」的現象,是近年數學科系正在發生的改變。

台大數學系目前必修學分僅有57學分,王振男指出,這是最基礎的核心課程。為了讓學生對其他領域有更多摸索,搭配這些基礎課程,系上開設相關的應用課程,例如修過代數的學生,可以選修密碼學,這方面的應用常見於通訊保密,像是信用卡刷卡;高等微積分和線性代數則可應用於醫學影像處理。

在開設更多應用有關的課程同時,台大數學系預計於民國100學年度推行「榮譽學程」,提供給有心從事學術研究的大三和大四生修讀。學程含12學分,外加一個小論文。

「數學科學化」的現象也在其他大學發生。輔仁大學數學系主任郭仲成透露,資訊工程和資訊科學系的同儕曾多次向他反映,希望郭仲成多鼓勵系上學生跨到資訊相關科系去修讀,因為資訊的基礎,與數學脫離不了關係。

另外,中央大學數學系更進一步與資工系合作,讓學生取得雙主修學位。

強調尋求解決科學科技問題的數學方法,應是應用數學的核心概念。基本上,應用數學系與數學系的必修科目相去不遠,只是更側重應用,尤其到了大三、大四,不乏與經濟學、財務、程式設計、數位多媒體及生物學有關的選修科目,例如私立逢甲大學。

各校課程設計強調的重點或許不同,但是,不論純數或應數,線性代數、高等微積分、普通物理學、幾何學、微分方程等,幾乎都是基礎核心科目。

「數學科學化」突顯了數學不是一門孤芳自賞的學問。

物理系、應用物理系 ﹥生物科技與電子應用更深度

在第二類組坐二望一多年的物理系,終於去年成為考生的第一志願。

早期,台灣物理學系的教學研究以高能物理為多數。成大物理系主任盧炎田解釋,那是因為不少大學畢業生選擇到美國深造,物理領域又以高能物理較容易取得獎學金。

可是,這樣的情形,隨著台灣半導體產業發展愈來愈蓬勃而讓光電半導體的研究後來居上。

至於國際上的大潮流,台灣的學術也跟上腳步。盧炎田指出,尤其這一、兩年,生物物理、物理材料及物理管理逐漸變得熱門。

雖然台灣生物產業規模遠比不上科技業,但是,國際間看到愈來愈多醫學科技與物理的結合。盧炎田舉例說明,早期的X光機原本是物理學家用的儀器,後來卻成為醫療界不可或缺的基本配備,到如今廣泛利用紅外線測量體溫,都是很好的例子。

他同時發現,不少物理系學生以管理學院課程作為輔系或雙主修,顯示時下年輕人除了學好基礎科學,也為未來進入企業或產業界積極鋪路。

目前,國內開設物理學系的大學有21所,其中清華、中興、中原、淡江、輔仁等大學分別以兩組招生,通常是一般物理組和光電物理組。這兩組的共同專業必修科目包括:普通物理、普通物理實驗、普通化學、普通化學實驗、微積分、應用數學;應用電子學與實驗、光學與光學實驗是光學物理組特有的專業科目。

相對的,設立應用物理系的大學不多,成立時間較短。高雄大學和嘉義大學應用物理系成立滿十年,前者的三個重點發展方向分別為:奈米、光電、以及磁性與半導體;後者積極深耕光電及固態電子。

在眾多物理科系當中,比較特別的是交通大學電子物理系。成立於1964年,為該校最早成立的兩個學系之一,也是全國唯一的電子物理系。國內不少半導體光電資訊公司都由交大電子物理系系友掌舵,例如近年成功由資通訊轉型為新能源產業的光寶科技,總裁林行憲即是系友。

「以物理為本,電子為用」是電子物理系的核心概念。依循台灣產業發展脈絡,原本為國家培育電子方面的人才,2001年之後,奈米科技逐漸被重視,順應趨勢,該系分成電子物理組和光電與奈米科學組。與數學系一樣,物理學的應用也很廣泛,國內科技產業的興盛更是促使物理領域人才變得炙手可熱。

化學系、應用化學系 ﹥材料研發環保化受重視

在化學部分,跨領域合作同樣愈來愈頻繁,近五年,化學研究逐漸往材料和生物科技加強,其中材料的研發搭上節能環保趨勢,愈來愈受到重視。

清大化學系主任劉瑞雄指出,尤其合成化學這幾年的發展有很多突破,這對藥物製備和合成材料都很重要,例如現在熱門的綠色產品染料敏化太陽能電池、有機發光二極體OLED,「前途一片看好」。

由於國內不少材料公司的經理人都畢業自清大材料化學系,劉瑞雄表示,該系與產業界的合作非常緊密。因此,大四學生的專題實驗課,可以自由選擇到其中一間實驗室跟老師一起做研究,藉此機會將課堂上所學,與產業需求結合,也了解產業發展現況。

除了清華,包括台大、成功、中興、中央等大學,都有開出與綠能相關的課程。

例如中興化學系,在分析化學課程中,即特別提到開發與應用綠色環保分析科技。

與化學產生最多對話的另外還有生物科技。中山醫學大學以生物醫藥化學為該校應用化學系的發展重點,除了必修的基礎化學科目,尚針對未來就業需要的專門技術,如生技及生物醫學化學等開設不同課程。

中正大學則直接成立化學暨生物化學系,教學以傳統化學系基礎領域的課程為核心,涵蓋有機、無機、物化、分析化學領域,並以生物化學課程為輔。

【畢業後出路】

既然數理化跨領域的教學研究已成為常態,「畢業後可以做甚麼」的疑問即顯得多慮。

以數學系畢業生為例,王振男說,金融財經、電機、資訊等產業都可以看到數學系學生的蹤跡。

「現在很多學生都以數學作為輔系或雙主修,」王振男認為,這是因為大家看到數學的重要,台大數學系近年更獲得愈來愈多跨院邀請開課,包括醫學系和生命科學系。

而生物科技產業的興起,讓數理化人才又多了一項選擇。劉瑞雄說,現在愈來愈多藥廠聘請專業經理人掌舵,經營手法更活潑,年輕畢業生更樂意投入。

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