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世界最大虛擬光學望遠鏡

espa.taipei
・2012/03/07 ・506字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

歐洲南方天文台位於智利的帕瑞納爾觀測站日前成功地將甚大望遠鏡的4個主望遠鏡“串聯”,並將它們觀測到的影像信號整合為一個,堪稱目前世界最大的虛擬光學望遠鏡。

甚大望遠鏡是由歐洲南方天文台在智利阿塔卡馬沙漠中架設的。它共包括4個單獨的主望遠鏡,此次成功連接後,相當於形成了一個直徑達130米的“巨無霸”虛擬光學望遠鏡。

這個超級光學望遠鏡並不是表面上的簡單“串聯”,背後的關鍵技術是一種名為“干涉測量法”的技術,它將4個分望遠鏡的觀測信號進行整合,成為新的單一觀測影像。這樣望遠鏡的空間分辨率和變焦能力就會大大提高。

自2002年以來,帕瑞納爾觀測站的天文學家們就嘗試利用“干涉測量法”,將甚大望遠鏡的主望遠鏡連接,但最多時也只嘗試過將其中3個主望遠鏡以及4個小型輔助望遠鏡成功連接。去年3月,他們曾嘗試把4個主望遠鏡連接,但未成功。

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帕瑞納爾觀測站稱,此次“串聯”後各個儀器目前都工作正常。天文學家們將這次成功“串聯”稱作探尋宇宙秘密過程中的一個里程碑。

據介紹,甚大望遠鏡將向天文學界開放,在帕瑞納爾觀測站工作或者交流訪問的科研人員都可以利用其進行觀測。

原文出處:Largest virtual telescope operational in Chile[February 9, 2012]

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espa.taipei
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顯微攝影也可以是一門藝術!顯微鏡不是單單的工具而已,其實只要善加利用,也能變成一幅美麗的藝術作品!

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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體循環與肺循環為何非要這樣連不可?--《科學月刊》
科學月刊_96
・2015/12/29 ・4238字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

陳妙嫻/畢業於臺大教育學程;任教於板橋高中;加入思辨教學團隊後,才發現竟然可以對著生物課本問出這麼多的問題,非常開心。

「左心室、主動脈、小動脈、微血管、小靜脈、右心房……」你或許曾為了應付考試背誦過這段文字,但可能從沒想過血管、心臟、所有器官為什麼非得這樣接。

「左心室、主動脈、小動脈、微血管、小靜脈、右心房⋯⋯」即使是將近二十年前的事情了,我還記得當初上生物課時,老師要全班一起朗誦三次、好加強記憶的情景。體循環、肺循環是中學生物課程的重點,也是學生最頭痛的地方之一。看看那張複雜的路線圖,還真不知道該從哪個構造認識起呢!本文要挑戰學生們老是抱怨「生物有好多要死背」的刻板印象,以理解和推理的方式,輕鬆地認識複雜的血管線路!

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人體循環系統。 Source: flickr

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血管和器官為什麼這麼相連

你一定很熟悉這樣的考題:若護士從手臂靜脈注射藥物,循環至發炎處會經過哪些血管?然後賭氣地想,從手臂長一根血管通到發炎處不是很好嗎?為何要繞來繞去?這是一個非常好的反問──血管和器官之間為什麼要這樣相連?

循環是以心臟搏動為動力、血管為通路、血液為載體,將細胞所需的養分和氧氣送到器官。器官相連的直接想法,就是心臟將血液打出來後,先到第一個器官,再到第二個器官、第三個⋯⋯這樣不是很簡單嗎?

但是這個安排不太理想。第一,排在前面的器官比較幸運,可以獲得比較多的養分或氧氣;而後面的器官,甚至還會「吃到」前面排放的廢物!第二,這種線路有個致命的危險,只要一個地方斷掉,就全部完蛋了!第三,進入器官之後,血管會分支成更多的微血管,此時血壓下降、血流變慢。若血液要再流到下一個器官,恐怕會有血壓不足的問題。

器官一個接一個的相連方法,稱作「串聯」。若器官以「並聯」的方式相連,就可以解決上述問題。這就是為什麼從血液從心臟打出來之後,要經過「主動脈、小動脈、微血管、小靜脈、右心房⋯⋯」,這個過程稱作「體循環」。若考慮到人類體型的限制,並聯的方式會有一些變形。離開主動脈後,先分成四個分支;其中三個分支往上至頭、頸、上肢,最後一個分支往下到軀幹、下肢;而各個分支到該器官部位時,再分支成較小動脈進入器官內。

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如果單純把每個器官當作電阻的話,心臟是電池而血液是電流。若器官從「串聯」改成「並聯」的方式,則所有器官會獲得相同的血壓,且「等效電阻」將會變小,血液的流速將會加快,但這樣你的心臟所負擔的功率也會大增!圖為並聯電路。Source: wiki

引入特別的器官—肺

從全身器官回流的血液,應該缺少氧氣和富含二氧化碳。此時考慮引進肺這個器官,將氧氣加入血液中,且排出二氧化碳。肺臟也與其他器官並聯,這樣好嗎?

並聯會使得肺臟每次只能清除少部分的血液,而當充氧血從肺臟流出時,卻必須跟其他器官的少氧血混在一起。因此,若將肺臟放在大靜脈的位置,似乎能解決上述問題。也就是說,讓肺臟跟其他器官串聯,但如此一來,又有串聯產生的問題。然而在肺臟並不存在第一、二個問題,真正有困難的是血壓不足。那麼,就在肺臟前面再加一個幫浦,推動血液。

可是人並沒有兩個心臟啊?其實我們雖然只有一個心臟,卻可說具有兩個幫浦!這兩個幫浦就是人類心臟中的左心和右心。當心臟收縮時,充氧血從左心打出,流經體循環,少氧血再流回右心;而同時間,少氧血從右心打出,流經肺臟加氧、排除二氧化碳,充氧血流回左心,如此循環不已。

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小腸和腎臟該怎麼與其他器官相連

除了肺臟是特殊的器官外,小腸和腎臟也與身體的代謝有關。前者負責將養分(如葡萄糖)加入血液中,後者負責將含氮廢物排出體外。那麼,小腸和腎臟該怎麼與器官相連呢?

在思考小腸和腎臟的位置時,先回溯肺臟的情況。肺臟的功能為加氧氣和排除二氧化碳,前者與小腸的吸收養分功能相當,後者則與腎臟排除含氮廢物類似。我們以兩個理由排除了並聯的可能。第一,從肺臟出來的充氧血,流至靜脈時,會與少氧血混合;第二,每次只能排出身體部分的二氧化碳,效率較差。

我們將第一個理由套用到小腸中──從小腸出來的血液,充滿了各種養分,如葡萄糖;而流至靜脈時,會跟缺乏養分的血液混合,但這樣的混合到底有什麼問題?混合的結果是使該溶質的濃度下降,但是該物質的莫耳數(或顆粒數)並沒有減少。也就是說,使用並聯的方式來加氧或養分,都不會影響身體獲得氧或養分的「量」。所以說,小腸和其他器官是並聯就可以了,這樣還能避免血壓或其他串聯的問題。

不過,這麼反駁不是自己打自己的臉了嗎?文章前頭還振振有詞地說明肺臟必須串聯的理由。身體還因此多了一個幫浦(右心),為的就是要解決血壓的問題。看看小腸的例子,似乎也不需要嘛。

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但仔細想想,氧氣和養分的情況其實並不相同。氧氣從肺泡至肺泡微血管、組織微血管和組織細胞間的交換,是以擴散的方式進行。而擴散的快慢與兩側氧分壓的差異有關,差異越大,擴散速率越快。因此,在並聯的情形下,充氧血與少氧血混合後又再循環至肺,會減少微血管和肺泡間的分壓差異,使氧氣擴散的速率下降。而全身器官也有相同情形。另外,由於氧氣對水的溶解度很低,人體以血紅素來運輸氧氣。然而血紅素與氧氣的結合率,與氧分壓的高低有關,當氧分壓上升時,血紅素與氧氣的結合率也會上升;因此,若充氧血和少氧血混合時,也可能造成氧合血紅素釋出氧氣,使氧氣的運輸量減少。

小腸上皮細胞是以主動運輸的方式吸收葡萄糖,因此吸收速率無關乎兩側的濃度差異。再者,身體中有嚴密控制血糖含量的機制。當血糖過低或過高時,可藉由肝醣的分解或合成來調控,因此「充養血」和「少養血」混合,造成的問題似乎沒有那麼嚴重。

在消化系統的循環中,另外有個有趣的部分。也就是「肝門循環」中,從小腸離開的靜脈,並沒有直接匯集到下大靜脈,而是由肝門靜脈進入肝臟。也就是說,小腸與肝臟串聯!

為什麼小腸要與肝臟串聯呢?方才提到血糖的調節與肝臟有關,因此由小腸吸收的葡萄糖,先送到肝臟儲存,以維持血糖的恆定;另外,肝臟有解毒和代謝的功能,由消化器官吸收的有害物質,會先送到肝臟去解毒;而胺基酸也會送至肝臟,作為製造血漿蛋白的原料。肝臟等於是消化系統的後端處理器官,在消化道分解後的養分,先送至肝臟做初步的處理,能藉此調節養分在血液中的含量。

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那麼,有關串聯的困難又怎麼解決呢?肝臟就在小腸之後,自然沒有得不到養分的問題。肝臟有自己的肝動脈,可送來充足的氧氣;而血管內的平滑肌若接受神經或激素的影響,也可調節局部血壓,使血流推進至肝臟的微血管。

如果血管可藉由平滑肌收縮調整局部血壓,使得器官彼此之間可以串聯,那麼前面為什麼又說器官必須彼此並聯呢?可能的原因是,大規模的局部血壓調節可能較為複雜,雖然還是辦得到,卻不如並聯來得容易。而且串聯的其他問題──後面的器官無法獲得充足的養分和氧氣、後面的器官「吃到」前頭的廢物、一個地方斷掉就全數完蛋,依舊無法解決。若以體循環之並聯為架構,可以一次解決所有問題。而若有特殊的需求或功能,局部器官串聯也並非完全不可能。

肺臟為何非串聯不可

既然一個器官的血壓問題可以由靠血管解決,那麼肺臟為什麼不行?之前提過,除了血壓不足外,肺臟並沒有其他因串聯引伸出來的問題。

或許可以從以下現象獲得啟示:在脊椎動物中,呼吸器官與其他器官的串聯關係,從魚類就存在了。而魚的心臟只有一個幫浦在鰓之前,從鰓流出的血液接下來會流向全身器官(體循環);但是在流向體循環前,並沒有流回心臟再度加壓,這樣的循環稱之為單環。不過在某些魚類中,體循環之前有由動脈特化而來的「輔助心臟」,以幫助血液流入身體的器官,但輔助心臟的收縮能力沒有心臟那麼強。由這個現象可知,鰓的循環對血壓的要求高於身體其他器官,後來脊椎動物登陸後才逐漸扭轉。至於為什麼鰓需要較高的血壓,有可能是因為呼吸器官為了增加氣體交換的速率,因此有廣大的表面積,因而具規模較其他器官大的微血管網,需要較大的推動力。另外,陸生脊椎動物要將來自全身器官的血液推送至肺,和僅來自小腸的血液推送至肝臟相比,兩者的血量應該有滿大的差距,所需的推動力也不一樣。

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總而言之,肺臟之所以要串聯的原因,主要可能是交換和運輸氧氣的限制;而串聯又會造成血壓不足的問題,並且無法用動脈解決,則必須使用比動脈更強而有力的心臟推動。

腎臟也是體循環的一支

若腎臟與其他器官並聯,那麼每次循環都只能排除部份的含氮廢物,效率不彰。因此要以串聯才能解決。不過,就人體的構造來看,腎臟僅是體循環的一支,與其他器官並聯。

較有可能的原因是,在魚類中,排泄含氮廢物的器官主要是鰓,腎的功能則與水份和鹽類的恆定有關。若是考慮到滲透壓的恆定,其實沒有串聯的必要。因此,腎臟的並聯可能是演化的痕跡。再者,前面的討論發現串聯造成的問題較多,而肺臟從魚類開始就已經與其他器官串聯。可由此推測氧氣的取得造成的演化壓力較大,而丟棄含氮廢物的效率,對生存的影響沒有大到非串聯不可的程度。

不過脊椎動物登陸後,丟棄含氮廢物的壓力就增加了。因為環境中缺乏水分,廢物必須在體內暫存一段時間才能丟棄。也無法像魚類一樣,直接靠呼吸器官擴散。但此時腎臟已經與器官並聯,因為這個「歷史共業」,登陸後的脊椎動物將氨轉變成尿素或尿酸,讓毒性降低,彌補效率不彰造成的毒性問題。

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學習科學的方法

本文示範了一種學習科學的方法,也就是──對現象問問題、提出可能的看法、反駁、再提出可能的理由、再反駁⋯⋯直到獲得到暫時的答案為止。學習科學時,重要的是要成為主動的思考者,而非被動的接受者;才能以理解代替死背,從諸多生物學細節中理出一種「看的方法」。而這個看的方法,其實是達爾文催生現代生物學的關鍵──演化。

備註: 本文依照人本創新教學專案小組教案〈血液循環之道〉施行。

2015-02-cover〈本文選自《科學月刊》2015年2月號〉

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