海洋生態(tài)學(xué)實(shí)踐教學(xué)的系統(tǒng)模型館建設(shè)

龍 寒， 吳家法， 禤金彩， 吳 霜， 何秀苗

(廣西民族大學(xué) 海洋與生物技術(shù)學(xué)院， 廣西高校微生物與植物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南寧 530006)

海洋生態(tài)學(xué)實(shí)踐教學(xué)的系統(tǒng)模型館建設(shè)

龍 寒， 吳家法， 禤金彩， 吳 霜， 何秀苗

(廣西民族大學(xué) 海洋與生物技術(shù)學(xué)院， 廣西高校微生物與植物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南寧 530006)

為進(jìn)一步開展海洋生態(tài)學(xué)實(shí)踐教學(xué)，設(shè)計(jì)規(guī)劃了以仿真模型為基礎(chǔ)的海洋生態(tài)系統(tǒng)模型館。該模型館利用仿真模型將六大海洋生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)還原，實(shí)現(xiàn)了海洋生態(tài)實(shí)踐教學(xué)尤其是野外調(diào)查模擬實(shí)踐活動(dòng)的可持續(xù)開展。文章敘述了模型館的設(shè)計(jì)理念和方案，討論了基于仿真模型的實(shí)踐教學(xué)方式及其實(shí)際意義。實(shí)踐表明，以模型輔助教學(xué)的教學(xué)模式由于其價(jià)格低廉、重復(fù)使用性強(qiáng)等特性而易于推廣，對(duì)自然科學(xué)的實(shí)踐教學(xué)、理論教學(xué)以及科普宣傳工作均起到了借鑒作用。

海洋生態(tài)學(xué); 實(shí)踐教學(xué); 仿真模型

0 引 言

我國(guó)作為海洋大國(guó)，擁有廣泛的海洋戰(zhàn)略利益，我們要提高海洋資源開發(fā)和保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境能力，推動(dòng)海洋經(jīng)濟(jì)和循環(huán)利用型轉(zhuǎn)變，同時(shí)要大力發(fā)展海洋科學(xué)技術(shù)，推動(dòng)海洋科技向創(chuàng)新引領(lǐng)型轉(zhuǎn)變[1-2]。

隨著國(guó)家對(duì)海洋科學(xué)人才數(shù)量和質(zhì)量需求的不斷提高，我國(guó)高等海洋教育的規(guī)模不斷擴(kuò)大發(fā)展[3]。目前，清華大學(xué)、中山大學(xué)、浙江大學(xué)、廈門大學(xué)等近30所普通全日制高校已設(shè)立有獨(dú)立的海洋學(xué)院，更多的院校開設(shè)了海洋科學(xué)相關(guān)專業(yè)。

海洋科學(xué)是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，充分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和野外調(diào)查實(shí)踐是海洋科學(xué)教育的必要手段[4]。與普通生態(tài)學(xué)實(shí)踐教學(xué)不同，海洋生態(tài)學(xué)實(shí)踐教學(xué)尤其是野外調(diào)查實(shí)踐部分，由于海洋生境的限制，必須借助于船舶、潛水裝置、水下攝影機(jī)等昂貴的儀器設(shè)備，高額的費(fèi)用成為眾多院校實(shí)踐教學(xué)的受限因素。為此，提出建設(shè)一個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)模型館，利用模型輔助教學(xué)，積極配合海洋生態(tài)學(xué)實(shí)踐教學(xué)工作的開展。

1 模型館的構(gòu)成

模型館以南海海域?yàn)槟０?，以水深為?biāo)尺，構(gòu)建從陸架到洋盆的地理形態(tài)，選取亞熱帶海域典型海洋生態(tài)系統(tǒng)：紅樹林(mangrove)、海草床(seagrass beds)、珊瑚礁(coral reef)及遠(yuǎn)洋(pelagic zone)、海底冷泉(cold seep)、海底熱泉(hot spring)6大典型海洋生態(tài)系統(tǒng)為主體進(jìn)行建設(shè)(見圖1、2)，各系統(tǒng)通過還原展示生境、物種及物種行為，對(duì)其種內(nèi)種間關(guān)系、一般食物網(wǎng)、能流特點(diǎn)及生態(tài)功能進(jìn)行詮釋。

圖2 模型館平面布局圖

1.1 仿真紅樹林生態(tài)系統(tǒng)

該系統(tǒng)仿制林下細(xì)質(zhì)沖積土及下部黑色軟泥、土壤孔洞(即底棲動(dòng)物挖掘洞穴)，制作土壤橫斷面以觀察其構(gòu)成及泥灘穴居動(dòng)物；地面上層安裝白骨壤、秋茄、木欖、桐花樹、鹵蕨等植被模型；林下布置底棲動(dòng)物(如附著動(dòng)物：牡蠣、藤壺、小藤壺；樹棲動(dòng)物：黑口濱螺、黑蕎麥螺；兼樹棲動(dòng)物：珠帶擬蟹手螺，泥棲動(dòng)物：沙蠶、星蟲；兼泥棲動(dòng)物：細(xì)弱胡桃蛤、菲律濱滿月蛤；土表動(dòng)物：貝類、青蟹等；穴居動(dòng)物：蟹、蝦、蝦蛄、魚類)、鳥類(灘涂取食鳥類：白鹡鸰、黑卷尾、池鷺、白鷺、黃葦鳽、朱頸斑鳩；林冠取食鳥類：白鹡鸰、黑卷尾、紅耳鵯、黃腹鷦鶯、暗綠繡眼、棕背伯勞)等[5-7]。

該系統(tǒng)通過重點(diǎn)還原紅樹植物根系(支柱根、板根、呼吸根)以詮釋其對(duì)海岸保護(hù)作用、提供魚類繁育場(chǎng)所等重要生態(tài)功能。

1.2 仿真海草生態(tài)系統(tǒng)

該系統(tǒng)仿制沙質(zhì)灘涂(喜鹽草和無橫脈喜鹽草生長(zhǎng))和泥質(zhì)灘涂(二藥藻和日本大葉藻生長(zhǎng))，并于其上安裝海草(喜鹽草、無橫脈喜鹽草、二藥藻、日本大葉藻)；根據(jù)生活方式放置小型固著生物(藻類、水螅、螺、小管棲多毛類、端足類)、大型底棲動(dòng)物(珠帶擬蟹守螺、秀麗織紋螺、克氏銼棒螺、縱帶灘棲螺、異足索沙蠶、凸鏡蛤和扁平蛛網(wǎng)海膽)、經(jīng)濟(jì)海洋動(dòng)物及其幼體(馬氏珠母貝、刀額新對(duì)蝦、脊尾白蝦、細(xì)螯沼蝦)及以海草為食的海洋哺乳動(dòng)物(儒艮)等模型[8-10]。

該系統(tǒng)通過還原海草葉片形態(tài)、根系(通過制作一塊活動(dòng)的透明土壤實(shí)現(xiàn)泥下根系狀況的觀察)、植株橫縱切面顯微結(jié)構(gòu)、植株生長(zhǎng)繁殖過程特征，以表現(xiàn)其穩(wěn)定底質(zhì)、減緩水流穩(wěn)定海岸、促進(jìn)沉淀凈化水體等重要生態(tài)作用。

1.3 仿真珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)

仿真珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)在人工礁石的基礎(chǔ)上安裝各類珊瑚的仿真活體和白化體(如杯形珊瑚、鹿角珊瑚、石芝珊瑚、鐵星珊瑚、菌珊瑚、濱珊瑚、枇杷珊瑚、裸肋珊瑚、蜂巢珊瑚、褶葉珊瑚、梳狀珊瑚、丁香珊瑚等)；根據(jù)生活方式布置珊瑚礁魚類(包括古氏魟、密花裸胸鱔、叉尾頜針魚、孔雀鱗魚、條新東洋鳂、紅鰭冠海龍、中華管口魚、輻紋蓑鮋、斑點(diǎn)九棘鱸、九絲天竺鯛、平線若鲹、藍(lán)黃梅鯛、四帶笛鯛、東方胡椒鯛以及珊瑚礁健康程度的指標(biāo)物種——蝴蝶魚等)，布置珊瑚礁礁棲動(dòng)物(如海綿、海葵、柳山湖、水螅珊瑚、蒼珊瑚)及其他海洋動(dòng)物(如蝦、蟹、管蟲、海百合、海星、海膽、海參、海鞘、玳瑁、鯊)等模型[11-14]。

該系統(tǒng)通過表現(xiàn)珊瑚礁的物種豐富度及多樣性，一方面展示出了海洋生物群落中的各種種間關(guān)系，另一方面詮釋了珊瑚礁對(duì)于生物多樣性保護(hù)的重要意義。同時(shí)，利用模擬健康珊瑚與白化珊瑚的生境進(jìn)行對(duì)比，表現(xiàn)出當(dāng)前全球環(huán)境給珊瑚礁帶來的巨大威脅。

1.4 仿真遠(yuǎn)洋生態(tài)系統(tǒng)

模型館中央以穹頂模擬大洋表層水域，通過軟膜天花投射光線變化演示各類浮游生物(藻類及浮游動(dòng)物)及其季節(jié)性變化。從穹頂?shù)降孛娴目臻g作為大洋水體，選擇身體特征明顯的生物懸掛放置，以體現(xiàn)深海動(dòng)物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制。其中，光照帶選擇浮游生物放大模型、鳳尾魚、藍(lán)鰭吞拿、泛熱帶點(diǎn)斑原海豚、藍(lán)鯊；昏暗帶選擇磷蝦、烏賊、櫛水母、燈籠魚、銀斧魚；黑暗帶選擇鮟鱇魚、寬咽魚、蝰魚、紅蝦、深海烏賊及深海底棲動(dòng)物海蛇尾、海星、海膽、海綿、海百合、海鞘、鼠尾魚等進(jìn)行布置[15]。洋盆放置鯨遺骸模型，布置盲鰻及菌叢[16]。

該系統(tǒng)展示了大洋食物鏈，展示了各水層海洋生物，表現(xiàn)出海洋生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制及洋盆底棲生物多樣性。通過電子遙控模擬海洋雪及游泳動(dòng)物的晝夜垂直移動(dòng)行為，以表現(xiàn)遠(yuǎn)洋深海的食物供應(yīng)方式。

1.5 仿真海底冷泉生態(tài)系統(tǒng)

系統(tǒng)選擇太平洋活動(dòng)俯沖帶冷泉為模板進(jìn)行構(gòu)建，制作初級(jí)生產(chǎn)者(甲烷氧化菌和硫酸鹽還原菌)及其高倍放大模型、一級(jí)消費(fèi)者(管狀蠕蟲、蛤類、貽貝、多毛類、海星、海膽、海蝦等)、二級(jí)消費(fèi)者(魚、螃蟹、扁形蟲、冷水珊瑚等)及分解者(線蟲等)，制作冷泉自生礦物(方解石、文石、白云石、黃鐵礦、菱鐵礦、重晶石、石膏、自然硫)等模型。

該系統(tǒng)著重表現(xiàn)其化能自養(yǎng)的特殊性，表現(xiàn)低多樣性和高生物量的群落特征，表現(xiàn)活動(dòng)冷泉與死亡冷泉的差別，表現(xiàn)冷泉的豐富可燃冰及礦物資源，并利用電子遙控模型模擬冷泉資源開采行為。

1.6 仿真海底熱泉生態(tài)系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過部分模型結(jié)合壁畫表現(xiàn)出分布于太平洋洋中脊的眾多海底熱泉(包括金屬硫化物煙囪的活動(dòng)煙囪體及靜止煙囪體)，并通過在活動(dòng)煙囪體內(nèi)部通過安裝遙控聲光電子系統(tǒng)，模擬熱泉在高壓下的涌出狀態(tài)。與仿真冷泉生態(tài)系統(tǒng)一樣，制作完整的熱泉生物食物鏈模型(硫化細(xì)菌菌墊、管蟲、貽貝、藤壺、盲蟹、盲蝦、綿鳚等)。 另外，遙控潛深器將用來模擬深海采樣等多項(xiàng)調(diào)查行為。

該系統(tǒng)通過表現(xiàn)不依賴光能的特殊食物鏈，呈現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)的另一個(gè)特殊形態(tài)，并由此引發(fā)地球生命起源可能性的新討論。

2 模型館的應(yīng)用及意義

2.1 模型館的應(yīng)用

(1) 應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)。模型館將自然生態(tài)環(huán)境以模型形式進(jìn)行室內(nèi)還原，讓學(xué)生無需走出校門就可以進(jìn)行模擬野外實(shí)踐調(diào)查。

以珊瑚礁物種多樣性調(diào)查為例，對(duì)仿真珊瑚礁進(jìn)行種類鑒定、優(yōu)勢(shì)類群統(tǒng)計(jì)分析、多樣性指數(shù)分析等調(diào)查工作。采用截線樣條法、以模型為一條斷面進(jìn)行樣方設(shè)置，對(duì)各樣方拍照記錄后，在電腦上進(jìn)行群落信息判定，對(duì)照珊瑚分類學(xué)文獻(xiàn)“中國(guó)動(dòng)物志—造礁石珊瑚”進(jìn)行珊瑚種類鑒定及數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

通過鑒定及統(tǒng)計(jì)出的數(shù)量，可以以各屬石珊瑚重要值(IV=RA+RF+RC)為指標(biāo)分析石珊瑚優(yōu)勢(shì)類群，可以進(jìn)行物種多樣性指數(shù)分析(Simpson指數(shù)、Shannon-wiener指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)，最后以模擬生境條件分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

(2) 應(yīng)用于理論教學(xué)。利用模型館，實(shí)現(xiàn)了實(shí)地教學(xué)。教師將教學(xué)活動(dòng)從課堂轉(zhuǎn)移至相關(guān)“自然環(huán)境”，使教學(xué)行為從文字、圖片、視頻跳躍出來，提高了理論知識(shí)的直觀性和交互性。同時(shí)，可以進(jìn)行海洋生態(tài)學(xué)微課制作。微課，是構(gòu)成微課程的重要元素，微課程是MOOC的藍(lán)本，而MOOC是全球教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。微課由于其短小精干、重點(diǎn)出突、形式多樣、內(nèi)容活潑且容量較小易于傳播而受到學(xué)習(xí)者們的親睞，利用模型資源拍攝制作微課或鼓勵(lì)學(xué)生制作微課，一方面增加了微課的活潑性，另一方面促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，并以此總結(jié)出適合“翻轉(zhuǎn)課堂”的微課制作方式。

(3) 應(yīng)用于科普宣傳。截止2015年5月，由中國(guó)海洋學(xué)會(huì)建立的全國(guó)海洋科普教育基地已產(chǎn)生46家，在這些教育基地中，有的以活體海洋生物展示為主體(海洋館、海底世界)，有的以標(biāo)本展示為主體(海洋博物館、海事博物館)，有的以實(shí)驗(yàn)室為科普教育主體(科研院所及高校研究室)。本模型館以典型海洋生態(tài)系統(tǒng)為單位，展示海洋生物與生境的生態(tài)關(guān)系，具有鮮明的特色。筆者認(rèn)為，通過“實(shí)地參觀”海洋生態(tài)系統(tǒng)一方面增加了參觀者的海洋科普知識(shí)，另一方面通過直觀比較健康系統(tǒng)與死亡系統(tǒng)的差異，體會(huì)人類行為給海洋生態(tài)環(huán)境帶來的巨大影響，能更好地提高參觀者的海洋保護(hù)意識(shí)。

2015年7月，國(guó)家海洋局印發(fā)《國(guó)家海洋局海洋生態(tài)文明建設(shè)實(shí)施方案》(2015-2020年)，要求沿海各級(jí)海洋主管部門和局屬各部門單位切實(shí)提高認(rèn)識(shí)，把落實(shí)《實(shí)施方案》當(dāng)作“十三五”期間海洋事業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)性工作抓實(shí)抓牢，將海洋生態(tài)文明建設(shè)貫穿于海洋事業(yè)發(fā)展的全過程和各方面，推動(dòng)海洋生態(tài)文明建設(shè)上水平、見實(shí)效。海洋生態(tài)系統(tǒng)模型館將積極配合這一方案，在教學(xué)使用以外實(shí)行定期對(duì)外開放，切實(shí)做好海洋生態(tài)文明建設(shè)的教育和宣傳工作。

2.2 模型館的意義

(1) 還原生態(tài)系統(tǒng)，讓更多的學(xué)生得以走近海洋。目前，由于設(shè)備及資金限制，海洋生態(tài)實(shí)地調(diào)查及采樣研究在大多數(shù)高校中無法普及開展，海洋生態(tài)學(xué)實(shí)踐教學(xué)僅能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足實(shí)踐教學(xué)需要。模型館以其特殊的還原功能，將水下世界搬到室內(nèi)，讓所有的學(xué)生足不出戶就走近海洋、開展調(diào)查活動(dòng)，真正做到了讓學(xué)生“到自然中去”“在自然中探究自然、在自然中學(xué)習(xí)自然”，充分貼合了自然科學(xué)的實(shí)踐教學(xué)理念。

(2) 應(yīng)用仿真模型，實(shí)現(xiàn)調(diào)查活動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展。相對(duì)于實(shí)物標(biāo)本而言，仿真模型具有低價(jià)、易保存、更真實(shí)還原活體生物(尤其是水生生物)及可進(jìn)行發(fā)光、遙控改造等優(yōu)勢(shì)。模型的廣泛應(yīng)用一定程度上減少了標(biāo)本(尤其是珍惜動(dòng)物標(biāo)本)的使用，緩解了環(huán)境壓力。與單純的標(biāo)本展示相較，完整生態(tài)系統(tǒng)能為實(shí)踐教學(xué)提供模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)素材，并且以其材料的特殊性，保證了模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的無限次及無限頻率使用，實(shí)現(xiàn)了海洋生態(tài)學(xué)調(diào)查實(shí)踐活動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展。

(3) 改變傳統(tǒng)理念，構(gòu)建海洋生態(tài)學(xué)三維教學(xué)模式。模型館使教學(xué)活動(dòng)從課本、屏幕、單純操作中跳出來，通過讓學(xué)生“實(shí)地觀察”、“親身體驗(yàn)”，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)調(diào)查的學(xué)習(xí)和實(shí)踐興趣，充分調(diào)動(dòng)教師和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，形成了在觀察中學(xué)習(xí)、在學(xué)習(xí)中觀察的教學(xué)方式，構(gòu)建出海洋生態(tài)學(xué)的“三維教學(xué)”模式。利用該模型館將由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)操作的單一活動(dòng)讓位于形式多樣、內(nèi)容豐富的立體式教學(xué)活動(dòng)，把實(shí)踐、講授和討論緊密連系在了一起，實(shí)現(xiàn)了"知識(shí)與能力，過程與方法，情感、態(tài)度和價(jià)值觀"的三維教學(xué)目標(biāo)，充分發(fā)揮出了實(shí)踐教學(xué)中教師的主導(dǎo)作用及學(xué)生的實(shí)踐主體地位。

(4) 控制建造成本，使模型館更易推廣。本館就場(chǎng)地投入而言，使用了120 m2的室內(nèi)面積、420 m3室內(nèi)空間、154 m2內(nèi)墻面及77 m2外墻面，構(gòu)建了6個(gè)典型海洋生態(tài)系統(tǒng)(如圖2)；就建設(shè)資金投入而言，除生物模型外，本館投入預(yù)算為10萬(wàn)元，生物模型按材質(zhì)及仿真度不同，價(jià)格差別較大，以玻璃鋼高仿模型計(jì)算成本約為12萬(wàn)元；就后期維護(hù)費(fèi)用而言，模型館除館內(nèi)定期清潔及通風(fēng)系統(tǒng)用電外，幾乎不產(chǎn)生后期維護(hù)費(fèi)用,這使得模型館易于在高校中推廣。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，建設(shè)海洋生態(tài)系統(tǒng)模型館對(duì)于開展海洋生態(tài)學(xué)實(shí)踐教學(xué)有著重大的意義和作用。以模型輔助教學(xué)的教學(xué)模式可以在自然科學(xué)教學(xué)中進(jìn)行推廣。模型館的建成，不僅有利于教學(xué)活動(dòng)的進(jìn)一步開展，亦能服務(wù)于社會(huì)，通過教育宣傳提高公眾海洋意識(shí)，為實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

[1] 何廣順.發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì) 建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)——解讀十八大報(bào)告中關(guān)于建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的論述[N].中國(guó)海洋報(bào),2012-11-19(第004版).

[2] 習(xí)近平在中共中央政治局第八次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)進(jìn)一步關(guān)心海洋認(rèn)識(shí)海洋經(jīng)略海洋推動(dòng)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)不斷取得新成就[N].人民日?qǐng)?bào)，2013-08-01(001版).

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[15] 馬 威,孫 軍.夏、冬季南海北部浮游植物群落特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào), 2014,34(3)：621-632.

[16] 張武昌,高尚武,孫 軍.南海北部冬季和夏季浮游哲水蚤類群落[J].海洋與湖泊,2010,41(3)：448-457.

·名人名言·

只有嚴(yán)格的專業(yè)化能使學(xué)者在某一時(shí)刻,大概也是他一生中唯一的時(shí)刻,相信自己取得了一項(xiàng)真正能夠傳至久遠(yuǎn)的成就。今天任何真正明確而有價(jià)值的成就,肯定也是一項(xiàng)專業(yè)成就。

——馬克斯·韋伯

A study on the Construction of a Marine Ecosystem Model Lab Based on Practical Teaching in Marine Ecology

LONGHan，WUJia-fa，XUANJin-cai，WUShuang，HEXiu-miao

(Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Utillization of Microbial and Botanical Resources, School of Marine Sciences and Biotechnology, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530007, China)

In order to carry out the practical teaching of marine ecology, a marine ecosystem model lab based on the simulation model is designed. In this lab, six major marine ecosystems are reproduced indoors by using the simulation model, and it makes the continuous development of marine ecological practical teaching to be possible, especially, in the field survey. This paper described the design concept and design scheme of this model lab, and discussed the practical teaching mode based on the simulation model and its practical significance. We believe that the model-teaching mode will be easy to popularize because of its low cost and repeated usage, and it will be hopeful to serve as a reference for the practical teaching, theoretical teaching of natural and popular science propaganda.

marine ecology; practical teaching; simulation model

2016-03-20

廣西民族大學(xué)校級(jí)科研項(xiàng)目(2016MDYB027)

龍 寒(1979-) ，女，廣西河池人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)室管理工作。

Tel.：13737035200；E-mail：longh00@163.com

何秀苗(1975-)，女，廣西東蘭人，博士,教授， 研究方向：微生物與免疫學(xué)。E-mail:Xiumiaohe0839@sina.com

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1006-7167(2017)01-0250-04