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    物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化改革

    2016-04-29 00:00:00楊冬梅王軍
    大學(xué)教育 2016年1期

    [摘 要]近幾年東北大學(xué)在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中引入綠色化學(xué)思想,在滿足物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱基本要求、保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的前提下,合理選擇和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,采取環(huán)境友好的化學(xué)實(shí)驗(yàn)新技術(shù)、新方法,盡量減少或消除對環(huán)境或人體有毒、有害的化學(xué)物質(zhì)的使用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式上,注意培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范性,提高學(xué)生的綠色化意識。在教學(xué)實(shí)踐過程中,提出了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)的一些具體措施。例如,更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)微型化小型化設(shè)計(jì)、綜合經(jīng)典實(shí)驗(yàn)等。經(jīng)過長期的努力和探索,增強(qiáng)了學(xué)生的綠色實(shí)驗(yàn)意識和環(huán)保意識,同時(shí)也改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境,基本實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化。

    [關(guān)鍵詞]物理化學(xué)實(shí)驗(yàn);綠色化學(xué);教學(xué)改革

    [中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437(2016)01-0090-03

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進(jìn)步,人們越來越清醒地認(rèn)識到經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的環(huán)境污染問題已經(jīng)對人類生存和社會發(fā)展構(gòu)成了巨大威脅。引起生態(tài)環(huán)境破壞的污染物中很大一部分都是在人類自身的生產(chǎn)、生活過程中產(chǎn)生的。因此建設(shè)綠色生態(tài)環(huán)境已成為人與自然和諧發(fā)展的基本前提。綠色化學(xué)(Green Chemistry)就是近些年發(fā)展起來的與防治污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)的一門學(xué)科,目前已經(jīng)成為國際化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

    綠色化學(xué)又稱為“環(huán)境無害化學(xué)”、“環(huán)境友好化學(xué)”、“清潔化學(xué)”等。綠色化學(xué)倡導(dǎo)利用化學(xué)的技術(shù)和方法減少或避免在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活過程中使用、生產(chǎn)對人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì)。[1] [2] [3] [4]高等院校中物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化改革正是契合了綠色化學(xué)的研究發(fā)展方向,向化學(xué)實(shí)驗(yàn)的無毒、無害化邁出了積極的一步。其目的是將綠色化學(xué)的研究思想傳遞給學(xué)生,使學(xué)生在今后的科學(xué)研究、生產(chǎn)、生活中也能積極主動地踐行綠色化學(xué)觀念;其方法是將綠色化學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念融入基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程之中;其核心內(nèi)容是最大限度地減少或避免使用有毒、有害的化學(xué)物質(zhì),最大限度地減少或避免產(chǎn)生化學(xué)廢物,也無需再處理廢物,從源頭處減少或消除環(huán)境污染。

    一、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化的總體設(shè)想

    物理化學(xué)是東北大學(xué)應(yīng)用化學(xué)、生物工程、材料科學(xué)、冶金工程、環(huán)境科學(xué)、資源與礦物等專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一。而物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理化學(xué)教學(xué)的重要組成部分,是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和科研能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。[5]學(xué)校的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心每年為全校12個專業(yè)的近1200名學(xué)生開設(shè)數(shù)十個不同的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中的“液體飽和蒸氣壓的測定”、“酸堿中和反應(yīng)熱效應(yīng)的測定”、“鉍-錫二元相圖的繪制”等這些我們耳熟能詳?shù)?、?jīng)典的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目曾經(jīng)見證過幾代學(xué)子的成長。毋庸置疑,這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得簡單易行。通過實(shí)際的操作,實(shí)驗(yàn)者很容易理解其中蘊(yùn)含的物理化學(xué)原理。然而,這些實(shí)驗(yàn)過程中都不可避免地會使用或產(chǎn)生某些有毒、有害的物質(zhì)。如果不對這些物質(zhì)進(jìn)行無害化處理而直接排放,日積月累,不僅會影響師生的身體健康,還會污染周圍環(huán)境。因此,物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革發(fā)展的必然趨勢。在長期的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革過程中,我校化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心高度重視貫徹綠色化學(xué)的教學(xué)理念,將綠色化學(xué)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要組成部分。在對物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行綠色化改革的進(jìn)程中,我們從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整合、教學(xué)方法和教學(xué)理念等方面進(jìn)行了積極的研究和探索,并取得了一定的效果。

    二、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化的實(shí)踐

    (一)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綠色化

    在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整方面,盡量排除或減少對環(huán)境污染大、對人體毒性大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在不影響實(shí)驗(yàn)效果的前提下,選用環(huán)境友好的試劑替代有毒或后處理困難的試劑,從而實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化。例如,“弛豫法測定鉻酸根-重鉻酸根離子反應(yīng)速率常數(shù)”是以往我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生必修的一個化學(xué)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這個實(shí)驗(yàn)過程中需要使用的主要化學(xué)試劑是重鉻酸鉀。然而,通過對重鉻酸鉀性質(zhì)的學(xué)習(xí)不難知道,它不僅有化學(xué)毒性和致癌性,而且還是一種強(qiáng)氧化劑,長期吸入,能破壞鼻粘膜,引起鼻膜炎和鼻中隔軟骨穿孔,使呼吸器官受到損傷,甚至造成肺硬化。皮膚接觸重鉻酸鉀溶液時(shí)易引起鉻瘡和皮炎。不僅如此,化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心每年還需要投入高昂的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)用于處理由此產(chǎn)生的鉻酸廢液。因此,為保證實(shí)驗(yàn)教師和學(xué)生的身體免受危害,現(xiàn)已將其改為另一動力學(xué)實(shí)驗(yàn)“旋光光度法測定蔗糖水解反應(yīng)的速率常數(shù)”,實(shí)驗(yàn)中用到的原料蔗糖無毒,而且使學(xué)生有機(jī)會學(xué)習(xí)旋光儀的使用方法。又如,在“氣泡最大壓力法測定溶液的表面張力”實(shí)驗(yàn)中,原來所使用正丁醇水溶液的最大濃度達(dá)到了0.35mol·dm-3。為了降低正丁醇使用濃度,我們曾對實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了多次改進(jìn),使正丁醇的最大濃度降至0.1mol·dm-3。而且,實(shí)驗(yàn)操作也更加簡便易行,實(shí)驗(yàn)中氣泡的逸出平穩(wěn)、連續(xù)。上述改進(jìn)已經(jīng)過多次教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn),結(jié)果表明,正丁醇濃度的降低不僅節(jié)約了實(shí)驗(yàn)藥品,而且低濃度正丁醇水溶液的表面吸附量隨濃度的變化規(guī)律更符合吉布斯吸附等溫式,有利于得出好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

    (二)實(shí)驗(yàn)微型化、小型化設(shè)計(jì),減少藥品用量

    所謂微型化實(shí)驗(yàn)是指在微型的儀器設(shè)備中,用盡可能少的試劑獲取所需的化學(xué)信息的實(shí)驗(yàn)方法。在保證可觀測到與普通實(shí)驗(yàn)相同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的前提下,微型化實(shí)驗(yàn)還具有節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料和時(shí)間、減少環(huán)境污染、操作安全等優(yōu)點(diǎn)。所以,開展微型化實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的好方法。在長期的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,在保證實(shí)驗(yàn)方案合理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)效果顯著的前提下,我們積極推行實(shí)驗(yàn)的微型化、小型化設(shè)計(jì)。例如,在“差熱分析”實(shí)驗(yàn)中采用微型化實(shí)驗(yàn)樣品管后,每份CaC2O4樣品使用量減少到不超過0.05克,每學(xué)期僅CaC2O4試劑的使用量就減少到原來的十分之一。

    對于目前尚無法實(shí)現(xiàn)微型化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,我們采取了小型化設(shè)計(jì)或減少化學(xué)試劑使用量等方法,以期將物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)對環(huán)境的污染降至最低。例如,在“金屬二元相圖的繪制”實(shí)驗(yàn)中,由于金屬鉍和錫具有熔點(diǎn)低、化學(xué)穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好、原料易得、價(jià)格低廉等特點(diǎn),所以,鉍-錫二元系統(tǒng)一直以來都是我們進(jìn)行此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首選系統(tǒng)。若使用以往的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,在實(shí)驗(yàn)過程中,以各種比例混合的金屬鉍和金屬錫試樣被放置在瓷坩堝中,上面覆蓋一層硅油,以防止加熱過程中金屬樣品被氧化。但是,通過查閱相關(guān)化學(xué)數(shù)據(jù)手冊可知,金屬鉍的熔點(diǎn)為271℃,而硅油的燃點(diǎn)為320℃,僅僅比鉍的熔點(diǎn)高約50℃。這意味著,在加熱純鉍試樣時(shí),若操作者沒有控制好升溫速率而導(dǎo)致系統(tǒng)溫度上升過快,那么樣品溫度很容易沖高至硅油燃點(diǎn)而引燃硅油。這不僅會造成大量硅油的損耗,容易引起教學(xué)事故,而且硅油高溫?fù)]發(fā)及不完全燃燒的產(chǎn)物還會污染空氣。為此,我們放棄使用瓷坩堝而改用金屬樣品管盛裝樣品。這樣不僅使單個樣品的質(zhì)量從過去的120克減少到幾克,而且使用時(shí)很容易將金屬樣品管抽真空后密封,并循環(huán)使用。這種全封閉的手段有效避免了大量使用硅油作為樣品保護(hù)層所帶來的空氣污染問題的發(fā)生。又如,在“酸堿中和反應(yīng)熱效應(yīng)的測定”實(shí)驗(yàn)中,我們更換了體積更小的杜瓦瓶,使氫氧化鈉和鹽酸的用量減少到原來的四分之一。減少試劑用量后的中和反應(yīng)系統(tǒng)由于溶液體積大幅減少,攪拌效率更高,系統(tǒng)各處的溫度更趨一致,對溫度變化的監(jiān)測更容易,溫度數(shù)據(jù)也更準(zhǔn)確。除此之外,我們對“凝固點(diǎn)降低法測定分子量”、“乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)的測定”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也進(jìn)行了小型化改進(jìn),不同程度地減少了化學(xué)試劑使用量,顯著降低了實(shí)驗(yàn)成本,改善了實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

    實(shí)踐證明,物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的微型化、小型化設(shè)計(jì)不但可以達(dá)到與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮托Ч铱梢源蠓鶞p少試劑用量、不同程度地減少實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的化學(xué)廢棄物、節(jié)約后處理費(fèi)用、減少污染、改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境,因此,此舉已經(jīng)成為物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個重要發(fā)展趨勢。

    (三)實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備的選擇

    與其他化學(xué)分支學(xué)科的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相比,物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的中、小型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備種類較多。其中多個實(shí)驗(yàn)需要測定溫度和壓力。傳統(tǒng)的測溫、測壓裝置都是含汞的,不但操作步驟繁瑣復(fù)雜,而且易造成實(shí)驗(yàn)室汞污染,危及教師及學(xué)生的身體健康。例如,在“液體飽和蒸氣壓測定”實(shí)驗(yàn)中,過去常用U型水銀壓力計(jì)測定系統(tǒng)壓力差。此種壓力計(jì)中需要使用大量的金屬汞,汞面用水液封。然而,由于此裝有汞的U型玻璃管不宜經(jīng)常清洗,所以管壁會吸附環(huán)境中的氣體分子及塵埃等顆粒物。而在實(shí)驗(yàn)過程中U型管內(nèi)汞液面會不斷變化,會有少量汞由于與管壁上的吸附物作用而產(chǎn)生掛壁現(xiàn)象,從而使汞暴露于空氣中并揮發(fā)為汞蒸氣,這會對人體產(chǎn)生極大危害。目前,我們物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中全部的測壓裝置均用數(shù)字式低真空測壓儀替代水銀壓力計(jì),從根本上消除了汞蒸氣可能對教師和學(xué)生產(chǎn)生的危害。又如,在“凝固點(diǎn)降低法測定物質(zhì)的摩爾質(zhì)量”、“酸堿中和反應(yīng)熱效應(yīng)的測定”及“燃燒熱的測定”等熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)中,過去一直使用貝克曼溫度計(jì)來監(jiān)測實(shí)驗(yàn)體系溫度的變化。貝克曼溫度計(jì)雖然測量精密度高,但在實(shí)際使用時(shí),存在操作繁瑣且易碎等缺點(diǎn)。目前我們用數(shù)字式溫度溫差測量儀替代貝克曼溫度計(jì),不僅使實(shí)驗(yàn)操作難度降低,實(shí)驗(yàn)過程簡化,而且也規(guī)避了由于操作不當(dāng)造成溫度計(jì)破裂而引起環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。上述實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的替換無疑使物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的測溫測壓手段更安全、更方便。

    (四)綜合經(jīng)典實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

    通過長期的教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)研究我們發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)門類齊全、架構(gòu)完整,大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容至今仍值得我們繼承和發(fā)展。但囿于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件的限制,導(dǎo)致許多簡單的實(shí)驗(yàn)耗時(shí)費(fèi)力。因此,我們在保留經(jīng)典實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的前提下,致力于整合實(shí)驗(yàn)方案,不僅大幅減少了試劑用量,有效降低了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn),而且還提升了學(xué)生綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。例如,“原電池電動勢的測定”、“電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的測定”及“原電池溫度系數(shù)的測定”這三個實(shí)驗(yàn)同屬于電化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),內(nèi)容相對簡單。但是在過去,由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)手段的落后,完成這三個實(shí)驗(yàn)中的任何一個都需要很長時(shí)間,所以每一個都被設(shè)計(jì)為一個相對獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,而這顯然不利于學(xué)生將所學(xué)到的電化學(xué)基礎(chǔ)知識融會貫通。通過認(rèn)真分析、研究這三個實(shí)驗(yàn)的目的及內(nèi)容,我們將它們?nèi)诤喜⒃O(shè)計(jì)成了一個新的電化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過精心的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和內(nèi)容的整合,這個新的綜合實(shí)驗(yàn)得到了學(xué)生和教師的廣泛好評。由于實(shí)驗(yàn)試劑循環(huán)使用,避免了浪費(fèi)和對環(huán)境造成的污染,為化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。同時(shí),學(xué)生對理論課中學(xué)到的電化學(xué)基礎(chǔ)知識也有了比較全面且更為深刻的理解。

    (五)合理分工協(xié)作

    在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,我們不僅對經(jīng)典內(nèi)容重新進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),而且還會根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn),實(shí)時(shí)調(diào)整學(xué)生所做實(shí)驗(yàn)的部分內(nèi)容。例如,學(xué)生在進(jìn)行“雙液系氣液平衡相圖”實(shí)驗(yàn)過程中需要測定的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)較多,做出一個完整相圖大約需要6個小時(shí)的時(shí)間,顯然在規(guī)定的4學(xué)時(shí)內(nèi)是無法完成的。為此,我們設(shè)計(jì)由兩組學(xué)生分別測定相圖的左半支和右半支,之后將兩組數(shù)據(jù)合并,從而做出一個完整的相圖。這就要求每組學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中都必須認(rèn)真仔細(xì)地完成操作并記錄好數(shù)據(jù),否則可能會因而某一環(huán)節(jié)的失誤而導(dǎo)致合作雙方的數(shù)據(jù)都出現(xiàn)偏差。實(shí)踐結(jié)果表明,這種分工合作,在保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的前提下,既節(jié)省了藥品,又有利于培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作精神和良好的操作技能。因此,對于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,我們認(rèn)為這不失為一個值得嘗試和推廣的好辦法。

    (六)規(guī)范操作方法,提升綠色化意識

    長期的教學(xué)實(shí)踐表明,在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,嚴(yán)格規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作方法、督促學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣是學(xué)生科研素質(zhì)教育的重要內(nèi)容。規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作方法和良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣不僅是提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能的重要基礎(chǔ),也是培養(yǎng)學(xué)生自覺進(jìn)行綠色化實(shí)驗(yàn)的前提。在實(shí)驗(yàn)過程中,指導(dǎo)教師要認(rèn)真監(jiān)督學(xué)生不要隨意丟棄藥品,并糾正學(xué)生中普遍存在的“藥品用量越多,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就越明顯”的錯誤觀念,杜絕學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)隨意加大試劑用量的現(xiàn)象,鼓勵學(xué)生用最少的試劑做出成功的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)也要求學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)之前都要充分預(yù)習(xí),提高實(shí)驗(yàn)成功率,減少重復(fù)實(shí)驗(yàn)引起的藥品損耗現(xiàn)象。此外,教育學(xué)生從實(shí)驗(yàn)過程中的每件小事做起,逐步樹立起綠色化科研意識和對社會的責(zé)任感。

    三、改革后的成效

    多年以來,經(jīng)過對物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的綠色化探索與實(shí)踐,在提升了教師自身的綠色化學(xué)教學(xué)理念的同時(shí),在培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作精神、綜合科研素質(zhì)等方面也取得了良好效果。這些效果體現(xiàn)在學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間養(yǎng)成了良好的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣,明晰并理解了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中綠色化改進(jìn)之處,學(xué)會了用綠色化學(xué)知識設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等方面。而且,近幾年來,我們對大量本科生就業(yè)后反饋的信息進(jìn)行了分析并從中了解到,經(jīng)過我們多年的綠色化實(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練,畢業(yè)生們在各自的工作崗位上都表現(xiàn)出較高的實(shí)驗(yàn)技能和良好的團(tuán)隊(duì)合作精神,綜合素質(zhì)高,受到用人單位的廣泛歡迎。

    [ 注 釋 ]

    [1] 平措,馬橘紅.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室綠色化建設(shè)初探[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009(12):132-133.

    [2] 張康華,曹小華,謝寶華,等.化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與綠色化學(xué)教育[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010(5):123-125.

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    [責(zé)任編輯:覃侶冰]

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