課程資訊
課程名稱
分子美學
Molecular Aesthetics 
開課學期
107-2 
授課對象
 
授課教師
金必耀 
課號
Chem3044 
課程識別碼
203 34180 
班次
 
學分
3.0 
全/半年
半年 
必/選修
 
上課時間
星期一6,7,8(13:20~16:20) 
上課地點
新204 
備註
A7:物質科學
總人數上限:50人 
Ceiba 課程網頁
http://ceiba.ntu.edu.tw/1072Chem3044_ 
課程簡介影片
 
核心能力關聯
核心能力與課程規劃關聯圖
課程大綱
為確保您我的權利,請尊重智慧財產權及不得非法影印
課程概述

近年來國際間興起一股風潮,要將文藝復興時代後逐漸分離的科學(Science)、 技術(Technology)、工程(Engineering)、藝術(Art)與數學(Mathematics)等不同領域重新交流與融合,常稱為蒸氣(STEAM)運動,這個趨勢不斷地蓬勃發展,並且交叉滲透到學術界與教育界。人類文明最重要的核心概念是萬物由原子分子組成,認識原子分子是現代知識份子該具備的基本素養,原子分子遵循著一定的自然律,在奈米空間呈現出特定的排列與特別的節奏,可以激發我們審美的本能與情緒,感受這些特殊的式樣,是分子之美。本課程將以微觀分子世界為載體,結合適當的科學史與幾何學,介紹微觀世界分子之美,透過實際動手做,闡釋分子內的基本鍵結概念與結合規律,運用日常生活常見的串珠工藝,建構出美輪美奐的串珠分子模型,不僅可以正確表示奈米世界的空間秩序,模型本身更可以呈現奈米世界構築之美。

我們發現傳統的串珠工藝與微觀的立體世界的密切關聯,經過十餘年的努力與探索,認識到數學串珠是一種硬殼球堆積模型,並將數學串珠應用到各種奈米結構。在國內外舉行了近百次科學藝術的串珠工作坊與講演,其中包括在2018年春季,於北京大學化學學院開授的「數學串珠與分子結構」課程,以及正在與台北師大附中合作的一門,開給中學生的「數學藝術」課程。經驗告訴我們,親自動手製作分子模型,可以更清楚地認識分子的鍵結與空間的排列方式,以及強化實作者對三維空間的感覺,而由奈米世界所啟發出來的許多串珠結構本身,就是一個精美的科學藝術品,不但可以怡情養性,隱含於其中的數學與科學原理,更能讓人進一步沈思自然的奧妙。本課程將這些成果與經驗轉換為一個完整的課程,融合科學、數學、工藝與藝術,並將自造者精神融入到教學中,讓學生動手做,手腦並用,感受奈米世界構築之美。 

課程目標
本課程是一門有關奈米空間秩序的科學藝術課程,將透過動手做的實作活動,並介紹相關的人文、歷史、數學幾何與科學等背景知識,學生親自構建出各種奈米結構的模型,從而學習到相關的數學與科學知識,不僅可提高學生對於數學與科學的興趣,培養其科學人文的素養。這個課程將以幾何與對稱為核心,從日常生活所接觸的材料出發,讓學生運用傳統的立體珠串工藝,構建各種與奈米世界有關的硬殼球疏堆積模型與長桿桁架結構,從而認識與各種奈米構築有關的數學、幾何、化學與人文概念。

真正了解結構化學需要認識第三個維度,而建構出能代表晶體中原子排列的模型,是不可能被過分強調的!這裡我們指的是學生真正的組出模型,而不是只看已經做好的模型,不管這模型是多麼的精美。— —A. F. Wells (The Third Dimension in Chemistry)

The reason most kids don't like school is not that the work is too hard, but that it is utterly boring.
—Seymour Papert 
課程要求
本課程共含十三次授課,可依實際情形增加與減少次數,並依需要進行一到兩次的討論與實作技術交流,期末將舉行一次數學藝術品展覽。每週上課一次,時間為三個小時,每次依據實作部分的複雜度,先進行一小時到一個半小時的背景介紹, 剩餘時間進行動手做活動。前幾週所製作的是基本結構,少於一兩百個珠子,可以在課堂上完成動手做活動;從第六週起,開始比較複雜的空間結構,含有數百到數千個珠子,將透過適當地模組化,分組讓數個同學一起合作,並在兩次授課間完成。除了課堂指定結構外,修課同學必須以適當的奈米結構為範本,設計自己的數學藝術作品,可與修課老師或是助教討論實現的難易度,兩至三人合作,也可以獨立完成,並撰寫一至兩頁的數學藝術品介紹,完成之作品將在期末展覽。

第一週:分子模型與化學鍵的價球模型
第二週:從牛頓的十三球接吻問題到立方體與晶體密堆積
第三週:算額問題、碳二十與三十球十二面體串珠模型
第四週:碳六十與各種富勒烯分子
第五週:環形與彎曲的納米碳管結構
第六週:高虧格富勒烯
第七週:三度週期最小曲面
第八週:三角面多面體與配位多面體
第九週:桁架結構、準晶、多金屬氧酸離子
第十週:沸石結構
第十一週:晶籠水合物結構
第十二週:金屬串分子
第十三週:組合珠串益智模型

第十四週:課程複習
第十五週:數學藝術品展覽與介紹
第十六週:筆試 
預期每週課後學習時數
 
Office Hours
 
指定閱讀
待補 
參考書目
待補 
評量方式
(僅供參考)
   
課程進度
週次
日期
單元主題
第1週
2/18  從原子概念到牛頓的十三球接吻問題(From concept of atoms to Newton's kissing problem )
 
第2週
2/25  笛卡爾的四圓相切到日本算額問題 (From Descartes four-circles theorem to Japan's Sangaku's problems)
 
第3週
3/04  苯環、巴克球、到阿基米德體(碳六十串珠模型製作)(Benzene ring, buckyball, to Archimedean solids) 
第4週
3/11  碳六十、碳七十、繽紛多彩的富勒烯世界 (C60, C70, and the fabulous world of fullerenes) 
第5週
3/18  對稱、點群、到奈米甜甜圈(環形串珠模型製作) (Symmetry, Point Group, and Carbon Nanotori hands-on activity) toroidal structures) 
第6週
3/25  甜甜圈、融合碳六十、超級富勒烯
(Donuts, Fused C60, and Superfullerenes) 
第7週
4/01  春假期間串珠結構創作計畫(Creative beading projects in spring break) 
第8週
4/08  籠型結構、單孔甜甜圈、到高虧格富勒烯體系(Cage-like structures, single-hole tori, to high-genus fullerenes) 
第9週
4/15  管珠、三角多面體、與串珠萬花環
Beaded Kaleidocycle 
第10週
4/22  管珠、三角多面體、與大衛之星
Bugle beads, deltahedra, and Stella Octangula 
第11週
4/29  沸石結構-截頂八面體家族
LTA、FAU、EMT 
第12週
5/06  三度週期最小曲面石墨烯
Triply Periodic Minimal Surfaces & Tubular Structures 
第13週
5/13  化學鍵之價球模型
Valence Sphere Model: Chemical bond revisted 
第14週
5/20  晶籠水合物結構 
第15週
5/27  組合珠串益智模型 
第16週
6/03  金屬串分子  
第17週
6/10  獨立創作計畫