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一閃一閃亮晶晶,滿天都是人造衛星

EASY天文地科小站_96
・2021/04/21 ・3294字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

  • 文/林彥興|現就讀清大理學院學士班,EASY天文地科團隊總編輯

Starlink 是 SpaceX 正在組建中的全球衛星網路系統。從於 2019 年底至今不到一年半之內,SpaceX 就已經進行了超過 23 次 Starlink 衛星發射 (2021.04.12)。若是加上之前的幾批原型機,Starlink 的總發射數已接近 1600 顆,遠遠超越歷史上所有的衛星星座[註一]系統。但規模龐大的 Starlink 計畫在提供全球高速衛星網路的同時,也對近地軌道的環境,以及原本黑暗的夜空造成難以忽視的重大影響。其中,又以天文學家與天文攝影愛好者們受害尤其嚴重。而且,在可預見的將來,還會有更多企業投入近地軌道衛星網路的競賽。如何在讓世界更加緊密的衛星網路,以及珍貴的夜空和軌道環境之間取得平衡,值得所有人持續關注與理解。

SpaceX Starlink-1 任務。圖/SpaceX

Starlink 的存在價值:為什麼我們需要衛星網路?

對大多數的台灣人來說,網路並不是太稀罕的東西。因為我們的網路基礎建設相當完善,電信公司的光纖網路、無線基地台、Wifi 分享器在生活周遭隨處可見。甚至在高山或海邊的風景區,只要不是完全裊無人煙,也常常有不錯的訊號。我們早已習慣天天上網、逛臉書、滑 IG、打卡、發宵夜文,甚至許多人的工作與學習,都仰賴穩定而高速的網路。

但世界上並不是每個地方都如此。多數國家的網路基礎設施都遠不如台灣完善,全球約有半數的人口處於沒有網路可用的狀態。想要在合理的成本下,將網路的服務範圍擴張到深山、沙漠、大洋等地相當不容易。

那如果用衛星作為網路的節點呢?這樣不就可以不受地理易達性的限制,讓全世界所有角落都有網路可以用了嗎?沒錯,這正是 Starlink 所希望達到的目標。他們希望在近地軌道上建立起覆蓋全球的衛星通訊網路服務。而且為了讓 Starlink 系統的資料傳輸速度與延遲能夠和一般的地面電信公司競爭,他們計畫將超過 12000 顆通訊衛星[註二]部署在 500 至 1300 公里之間的多個軌道殼層上。

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12000 顆衛星很多嗎?非常的多!這個衛星數量不僅遠超過以往任何衛星星座,甚至是人類發射過的衛星總數都大約只有 9000 顆而已。足見 SpaceX 的野心之龐大。這種覆蓋全球的衛星網路,有可能可以造福全球數十億無法上網的人,讓他們能夠享受到網際網路帶來的教育、資訊、娛樂等重要資源。

自 2019 年 11 月 11 日至今的約一年半內,SpaceX 每隔幾週就發射一次 Starlink,一次發射會送 60 顆衛星進入軌道。僅僅三次發射之後,SpaceX 就已經成為地表最大的衛星操作者;23 次發射之後,軌道上運作中的衛星已有六成都是 Starlink。

2021.04.11 Starlink 實時位置 3D 圖。可以上Starlink – dynamic 3D orbit display親自玩玩。
圖/Heavens above

從 2020 年年中開始,Starlink 開始在北美地區進行測試,並表現出下載速度 50 – 150 Mbps,延遲 20 – 40 ms 的不俗性能,雖然價格略微昂貴,但仍受到不少偏遠郊區使用者的推崇。推薦大家親自上 Youtube 上看看那些數量龐大的測試影片,了解使用者們的想法。最近(2021.04)更看到多則實測 200 Mbps 下載速度的新聞,且服務範圍也擴展到英國、德國、澳大利亞、紐西蘭等地,發展非常迅速。人們相信,這種覆蓋全球的衛星網路,將有潛力把珍貴的網路,以及其附帶的教育、娛樂等資源,帶給全世界的人。

Starlink 的環境影響:光害與壅塞的近地軌道

這樣的願景雖然美好,然而發射如此大量衛星,卻造成了許多未曾被重視的環境問題,讓 Starlink 自從建構之初就飽受各方爭議。

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第一個引爆點是 Starlink 的光害問題。相信關注太空議題有一陣子的朋友,都有看過一整排 Starlink 衛星像一排閃亮的星際火車一般橫越夜空、毀掉天文觀測的照片或影片。雖然這些影片往往都拍攝於衛星剛發射時,正式運行中的衛星因為軌道高度較高,並不會如此之亮,但卻足以激起天文界對於這項計畫的反彈。對像是薇拉.魯賓天文台(Vera C. Rubin Observatory)、史維基瞬變探測器(Zwicky Transient Facility)等大面積、高頻率的巡天觀測計畫影響尤其嚴重。當然,天文學家可以藉由各式各樣的演算法消除掉這些衛星通過的光跡,但是這不僅會增加資料處理的困難度,也可能降低觀測資料的品質。

另外,1979 年國際天文聯合會(IAU)定義,光害小於夜空自然亮度的 10% 處,才是適合建造專業天文台的地方。但在三月底發表於英國皇家天文學會月報的一篇專題討論中,研究人員估算了軌道上的衛星反射陽光而貢獻的背景亮度,發現竟然很可能已經超過了這個標準。衛星造成的光害嚴重性可見一斑。還有,作為通訊衛星,Starlink 會不斷發出強烈的無線電波,雖然已經刻意將通訊頻段與觀測頻段錯開,但是仍會對電波望遠鏡造成影響。相關報導可見這篇

針對這些影響,一個常被提出的觀點是:既然 SpaceX 已經降低前往太空的門檻,為什麼不把望遠鏡都搬上太空,就沒這個問題了?但站在天文學家的立場,即使發射的成本降低,設計與建造一座太空望遠鏡仍是相當昂貴的。地面望遠鏡在建造技術的成熟度、維修升級的方便性等方面,還是有著太空望遠鏡無法企及的優勢。因此在可預見的未來,地面望遠鏡仍然會是天文學的重要支柱。

Starlink 衛星群通過望遠鏡的視野中。
圖/ CTIO, NOIRLab, NSF, AURA and DECam DELVE Survey

除了光害之外,將如此大量的衛星置於近地軌道之中,也讓近地軌道變得更加擁擠,衛星與太空垃圾之間的碰撞機率也隨之提升。2019 年 9 月,歐洲太空總署的埃俄羅斯氣象衛星為了閃避 Starlink-44 而調整軌道,就是一個著名的例子。其實,衛星為了閃躲太空垃圾和其他衛星而改變軌道是相當常見的事,但當軌道變得越來越擁擠,如何快速與正確的監控軌道上的物體、計算可能的危險碰撞,並即時與其它衛星公司協調讓衛星改變軌道等工作,就變得越來越困難且重要。

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SpaceX 的努力:如何降低衛星的負面影響

值得慶幸的是,面對 Starlink 帶來的負面影響,SpaceX 並沒有兩手一攤、充耳不聞。從 2019 年開始,SpaceX 就與各領域合作設法降低衛星星座的影響。比如為了解決衛星的光害問題,SpaceX 曾嘗試把衛星塗黑、加裝遮陽板、改變衛星姿態等方式來降低衛星產生的光害。在埃俄羅斯衛星事件之後,SpaceX 也改進了他們的衛星控制系統,以更好的避開可能的撞擊。

Starlink-L7 任務中,一顆衛星特別加裝了遮陽板降低天線造成的反光。圖/SpaceX

享受便利與資源的同時,也要取得環境保護的平衡

無庸置疑的,Starlink 已經是史上規模最龐大的衛星系統。

而且無論你是否認同它的價值,可預見的未來 SpaceX 幾乎不可能放棄這項重要的生財工具。而且除了 SpaceX 之外,還有 OneWeb、LeoSat、Project Kuiper、鴻雁、虹雲等近十個計畫已被提出或正在建置,預計都會成為至少上百顆衛星的大型衛星星座。這些衛星網路擁有造福全世界人類的潛力,尤其是讓身處基礎設施不發達處的人們,享受到網際網路帶來的豐富資源;但另一方面,龐大的衛星也帶來嚴重的光害與太空垃圾問題,衝擊未來的太空發展與科學研究。如何在讓世界更加緊密的衛星網路,以及珍貴的夜空和軌道環境之間取得平衡,值得所有人持續關注、討論與理解。

註解

  1. 衛星星座(Satellite Constellation)是由多個衛星組成且一起工作的系統。比如 GPS 導航衛星就是由 24 顆衛星所組成的衛星星座。
  2. 基於各種政治問題,Starlink 的計畫部署總量仍有相當的變化空間。這邊採用相對保守的、已被核准多年的 12000 顆。

延伸閱讀

  1. https://hchsastronomy.blogspot.com/2020/01/starlink.html
  2. 【時事新聞】Starlink-1 升空一週年
  3. Study finds nowhere on Earth is safe from satellite light pollution
  4. SpaceX Starlink coverage map: When will it be available in my area?
  5. Starlink And Its Impact On Astronomy
  6. Starlink already threatens optical astronomy. Now, radio astronomers are worried
  7. SpaceX’s Dark Satellites Are Still Too Bright for Astronomers
  8. How to better manage space traffic: Aeolus/Starlink encounter shows emails and late-night phone calls no longer cut it
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EASY天文地科小站_96
23 篇文章 ・ 1584 位粉絲
EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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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

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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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解密 Wi-Fi、WLAN、802.11:網路通信的差異與演進
數感實驗室_96
・2024/06/21 ・774字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

在現代社會,如果我們到咖啡廳或其他公共場所,打開筆電坐下來後,通常的第一句話都是「請問這裡有 Wi-Fi 嗎?」。

沒除了 4G、5G 行動通信以外,Wi-Fi 是我們日常生活中常用的上網方式。那麼,Wi-Fi 到底有什麼特點呢?

首先,來解釋一下幾個常見的名詞:Wi-Fi、WLAN、802.11。

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你或許都聽過這些詞,特別是 Wi-Fi,但它們之間有什麼差別呢?

LAN 是 Local Area Network,區域網路的意思。通常指的是像一間網咖這樣的範圍。而 WLAN 就是 Wireless LAN,無線區域網路,這是現在的主流用法。而 802.11,則是專門針對區域網路中無線部分的技術標準。而 Wi-Fi 呢,則可以看作是 802.11 這個技術標準的口語化說法。而 Wi-Fi 的 logo 一黑一白,與太極圖非常相似並非巧合,其 logo 衍生自太極圖,就是想取其相容於任何設備、平台,不管在哪裡都能順利連上網的意象。

有人說 Wi-Fi 在現代已經像空氣、陽光、水和電一樣,成為不可或缺的基本需求。

除了 Wi-Fi 我們還介紹 MIMO 這個關鍵技術,如果對更多技術細節感興趣,或是想聽聽像 Bluetooth 是以國王名字命名的科技小故事,都歡迎在留言告訴我們,期待與你們繼續分享更多有趣的科技知識!

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參考資料

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 50 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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電磁波全揭秘:了解頻帶、頻寬、頻率和通信技術的基礎知識
數感實驗室_96
・2024/06/13 ・672字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

先前我們介紹了多位為通信科技發展做出貢獻的科學家。現在,我們要深入探討無線通信的技術層面。

無線通信,顧名思義不像傳統的電話或電報那樣需要一條實體的線路來傳遞信號。但這些信號並非憑空傳遞,它們依賴的正是電磁波。

電磁波在現代社會無處不在,從微波爐、手機到基地台,這些設備都會發射電磁波。但其實即使沒有這些科技裝置,電磁波依然存在於我們周圍。什麼意思呢?答案就是:當我們白天走到戶外,看到的光,它其實也是電磁波的一種。

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希望大家掌握了這些電磁波、頻帶、頻寬等基礎知識後,未來在閱讀相關的電信新聞時更加了解他們提到的術語,以及各種縮寫。以後無論是科技發展的動態還是市場新技術,都能更有概念地理解。

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 50 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/