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    差異性實(shí)驗(yàn)在物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用

    2017-04-14 12:34:00曾文峰熊建文
    物理教師 2017年1期
    關(guān)鍵詞:拔河比賽流程環(huán)節(jié)

    曾文峰 肖 洋 熊建文

    差異性實(shí)驗(yàn)在物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用

    曾文峰 肖 洋 熊建文

    (華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東廣州 510006)

    差異性實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果是人們意想不到的,違反直覺的實(shí)驗(yàn).本文闡述了差異性實(shí)驗(yàn)的含義及特點(diǎn),提出了差異性實(shí)驗(yàn)在物理課堂教學(xué)中的運(yùn)用流程,并結(jié)合教學(xué)案例分析了差異性實(shí)驗(yàn)在不同教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用.

    差異性實(shí)驗(yàn);運(yùn)用流程;物理課堂教學(xué);教學(xué)環(huán)節(jié)

    1 引言

    在物理教學(xué)中運(yùn)用物理實(shí)驗(yàn),特別是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果出乎學(xué)生意料之外的實(shí)驗(yàn),可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.[1]而這一類實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中正是差異性實(shí)驗(yàn).差異性實(shí)驗(yàn)作為差異性事件在物理課堂中的主要呈現(xiàn)方式,它具有造成學(xué)生的認(rèn)知沖突、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力的作用.[2,3]因此不少物理教師在課堂教學(xué)中傾向于演示差異性實(shí)驗(yàn),于是差異性實(shí)驗(yàn)就逐漸成為演示實(shí)驗(yàn)的重要組成部分.但是研究表明,目前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果往往并不理想,為了提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果,教師需進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的學(xué)習(xí).[4]同理,為了提高差異性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果,有必要為教師運(yùn)用差異性實(shí)驗(yàn)給予方法論方面的指導(dǎo).因此,本文在介紹差異性實(shí)驗(yàn)的含義及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出差異性實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的運(yùn)用流程,再結(jié)合具體的教學(xué)案例探討如何有效地在物理課堂的不同教學(xué)環(huán)節(jié)中運(yùn)用差異性實(shí)驗(yàn).

    2 差異性實(shí)驗(yàn)的含義及特點(diǎn)

    差異性實(shí)驗(yàn)(Discrepant Experiment)是指實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果是人們意想不到的,違反直覺的,與“常識”有較大差異的實(shí)驗(yàn),是差異性事件的其中一種呈現(xiàn)方式.[5]例如,在“向心力”的教學(xué)中,教師往往會演示差異性實(shí)驗(yàn)“水流星實(shí)驗(yàn):水桶在豎直平面做圓周運(yùn)動,而且水桶中的水并沒有撒出來.”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與學(xué)生的直覺“水桶中的水在運(yùn)動過程中會撒出來”不相符合,造成了認(rèn)知沖突,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力.可見,差異性實(shí)驗(yàn)?zāi)芤l(fā)強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突,進(jìn)而激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生一種“要知道”的動機(jī).

    差異性實(shí)驗(yàn)之所以具有引發(fā)認(rèn)知沖突、激發(fā)學(xué)習(xí)動力的作用,與其特點(diǎn)密不可分.差異性實(shí)驗(yàn)主要有3個特點(diǎn):濃厚的趣味性、強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突和證偽的功能.濃厚的趣味性指的是教師在了解學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,演示差異性實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象或結(jié)果違反學(xué)生的直覺,所以會產(chǎn)生強(qiáng)烈的趣味性;強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突是指差異性實(shí)驗(yàn)中的新奇、“反?!钡默F(xiàn)象與學(xué)生的已有的知識經(jīng)驗(yàn)不符合時所引發(fā)的認(rèn)知沖突;證偽功能則是指通過差異性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果與學(xué)生的猜想及假設(shè)不相符而起到了證偽的功能.[5]

    3 差異性實(shí)驗(yàn)在物理課堂教學(xué)中的運(yùn)用流程

    差異性實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用流程是實(shí)施差異性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵,決定了差異性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性.對差異性實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用流程的探討,可追溯到美國學(xué)者Friedl(1986)提出差異性事件教學(xué)的“三步曲”教學(xué)流程:(1)設(shè)置差異性事件——激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī);(2)引導(dǎo)學(xué)生參與解決差異性事件——學(xué)生自主進(jìn)行科學(xué)探究活動;(3)解決差異性事件引起的問題并學(xué)習(xí)相關(guān)的科學(xué)知識——由學(xué)生自主或由教師引導(dǎo)解決問題并總結(jié).[6-8]

    在科學(xué)概念教學(xué)中,Mancuso(2010)等人認(rèn)為在運(yùn)用差異性事件促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的過程中,可以采用POE演示策略:[9](1)在演示差異性事件之前,教師可以讓學(xué)生對現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測并解釋;(2)學(xué)生觀察現(xiàn)象并記錄;(3)學(xué)生對預(yù)測與實(shí)驗(yàn)之間的差異進(jìn)行討論、解釋.通過分析上述運(yùn)用流程,可以發(fā)現(xiàn)這些運(yùn)用流程強(qiáng)調(diào)的是通過探究方式開展教學(xué),但并不是所有內(nèi)容都適合探究的.物理教學(xué)中根據(jù)教學(xué)內(nèi)容不同,需要靈活運(yùn)用多種教學(xué)方式,并將它們有機(jī)融合到課堂教學(xué)中,才能充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢.

    筆者嘗試在兼顧接受式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,整合國內(nèi)外學(xué)者提出的差異性事件運(yùn)用流程,同時按照物理課堂教學(xué)的要求,提出差異性實(shí)驗(yàn)在物理課堂教學(xué)中的運(yùn)用流程(如圖1所示).

    圖1

    第1步是引出觀念.采取演示實(shí)驗(yàn)凸顯學(xué)生的已有觀念,或者讓學(xué)生對差異性實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象或結(jié)果進(jìn)行預(yù)測并說明理由,即闡述已有觀念.

    第2步是觀察實(shí)驗(yàn).呈現(xiàn)差異性實(shí)驗(yàn),學(xué)生觀察差異性實(shí)驗(yàn).

    第3步是解決問題.教師引導(dǎo)學(xué)生對差異性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析,提供解決方案并解決相應(yīng)問題;或者學(xué)生自主分析差異性實(shí)驗(yàn),自行設(shè)計(jì)解決方案并進(jìn)行相應(yīng)的探究活動解決相應(yīng)問題.在解決問題的過程中,學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)的科學(xué)知識.

    第4步是解釋原因.教師提供完整的分析思路,解釋差異性實(shí)驗(yàn)的原因;或者由學(xué)生自行解釋原因,教師負(fù)責(zé)審核這些解釋是否到位,并適時針對學(xué)生解釋的不足點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充說明.

    差異性實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用流程與Friedl的“三步曲”教學(xué)流程相比有3點(diǎn)不同:(1)增加“引出觀念”環(huán)節(jié),目的是為了凸顯學(xué)生的已有觀念,利用其與差異性實(shí)驗(yàn)形成對比,造成學(xué)生的認(rèn)知沖突.(2)將“學(xué)生參與解決差異性事件”進(jìn)一步細(xì)分為“教師主導(dǎo)型”和“學(xué)生自主型”,目的是為教師提供多種教學(xué)途徑,便于教師應(yīng)對不同類型的教學(xué)內(nèi)容.(3)將“三步曲”教學(xué)流程后兩個環(huán)節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整,將最后一個運(yùn)用環(huán)節(jié)進(jìn)一步明確為“解釋原因”,并同樣細(xì)分為“教師解釋型”和“學(xué)生自主解釋型”,目的是便于教師根據(jù)不同難度的問題,選擇合適的解釋途徑.教師可以結(jié)合實(shí)際課堂選擇差異性實(shí)驗(yàn)運(yùn)用流程的具體路徑,靈活運(yùn)用講授式教學(xué)和探究式教學(xué),實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化.

    4 差異性實(shí)驗(yàn)在物理課堂不同教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用案例

    物理課堂一般包括3個基本教學(xué)環(huán)節(jié):新課導(dǎo)入、新課教學(xué)和課堂結(jié)束,不同環(huán)節(jié)的教學(xué)目的和要求不同.在物理課堂的不同教學(xué)環(huán)節(jié)運(yùn)用差異性實(shí)驗(yàn),需要符合相應(yīng)環(huán)節(jié)的教學(xué)目的和要求,其具體運(yùn)用流程會稍有差異.為此本文結(jié)合案例闡述差異性實(shí)驗(yàn)在物理課堂基本教學(xué)環(huán)節(jié)中的運(yùn)用流程,一方面凸顯不同教學(xué)環(huán)節(jié)對運(yùn)用流程的側(cè)重點(diǎn)不同,另一方面通過案例闡述差異性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用目的與相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).

    4.1 新課導(dǎo)入,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

    在設(shè)計(jì)新課導(dǎo)入時,教師必須考慮如何激發(fā)學(xué)生對新知識的學(xué)習(xí)興趣.在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)運(yùn)用差異性實(shí)驗(yàn),主要是利用呈現(xiàn)的結(jié)果與學(xué)生常見的現(xiàn)象不一樣,造成認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.這里的案例1闡述了如何在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)運(yùn)用差異性實(shí)驗(yàn),節(jié)選自第6屆大學(xué)生與研究生物理教學(xué)技能展評曾文峰主講的課題“靜摩擦力”.

    (1)引出觀念.教師展示實(shí)驗(yàn)器材:塑料袋、水杯、藍(lán)墨水,引導(dǎo)學(xué)生回顧生活中的經(jīng)歷“平時我們是把杯子放進(jìn)塑料袋中,就可以把杯子提起來”.此時,教師反問“那把塑料袋放進(jìn)杯子中,提起塑料袋的同時還能提起杯子嗎?”學(xué)生回應(yīng)“不能”.接著教師演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生觀察到“將塑料袋放進(jìn)杯子中,提起塑料袋的同時不能提起水杯”.

    (2)觀察實(shí)驗(yàn).教師提問學(xué)生“將塑料袋放進(jìn)杯子中,怎樣才能在提起塑料袋的同時把杯子提起呢?”然后,教師演示實(shí)驗(yàn)“將塑料袋放進(jìn)杯子中,然后往塑料袋中加入適量的藍(lán)墨水,在提拉塑料袋的同時就將杯子提起了”(如圖2所示).教師分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并提出問題“杯子沒有掉下來,處于靜止?fàn)顟B(tài),說明有豎直向上的力與重力平衡,這個力是什么力呢?從而引出課題“靜摩擦力”.

    案例分析:案例1在“靜摩擦力”的新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)運(yùn)用了差異性實(shí)驗(yàn),其目的是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.考慮到學(xué)生日常生活經(jīng)驗(yàn)“把杯子放進(jìn)塑料袋中才能提起杯子”,結(jié)合新課的知識內(nèi)容,采用逆向思維設(shè)計(jì)差異性實(shí)驗(yàn)“提杯實(shí)驗(yàn)”,而學(xué)生現(xiàn)有的知識基礎(chǔ)尚不能合理解釋“提杯實(shí)驗(yàn)”,造成思維沖突,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并引出課題.

    在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)運(yùn)用差異性實(shí)驗(yàn),主要體現(xiàn)了差異性實(shí)驗(yàn)運(yùn)用流程的前兩個環(huán)節(jié),但是這并不意味著該環(huán)節(jié)不重視后兩個環(huán)節(jié).為了引入新課后能夠更好地與即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容銜接,筆者認(rèn)為,在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)結(jié)束后,教師可以引導(dǎo)學(xué)生對差異性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的思考與分析,或者由學(xué)生自主思考并進(jìn)行探究活動解決相應(yīng)問題,讓學(xué)生可以在“解決問題”環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)知識.引導(dǎo)學(xué)生在“解釋原因”環(huán)節(jié)運(yùn)用所學(xué)的新知識解釋導(dǎo)入實(shí)驗(yàn).

    圖2

    4.2 新課教學(xué),促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變

    學(xué)生的前概念可以作為其認(rèn)知發(fā)展的“踏腳石”,但是錯誤的前概念存在負(fù)面作用,若不及時糾正學(xué)生錯誤的前概念,會影響新課教學(xué)的效果.在新課教學(xué)環(huán)節(jié),教師可以利用差異性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與學(xué)生錯誤的前概念不相符,造成學(xué)生的認(rèn)知沖突,促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變.下面的案例2闡述了如何在新課教學(xué)環(huán)節(jié)運(yùn)用差異性實(shí)驗(yàn),節(jié)選自第4屆“東芝杯”教師技能比賽物理組李支軍主講的課題“牛頓第三定律”.

    (1)引出觀念.教師選擇“拔河”作為例子,讓學(xué)生參與活動“男生與女生站在水平地面上進(jìn)行拔河比賽”,比賽結(jié)果與學(xué)生的判斷一致,從而暴露學(xué)生錯誤的前概念“作用力與反作用力不相等”.

    (2)觀察實(shí)驗(yàn).教師提問“難道男生的拉力大于女生的拉力?”然后,引導(dǎo)男生與女生同樣站在水平地面上,用兩個大彈簧測力計(jì)對拉,進(jìn)行拔河比賽,學(xué)生可以觀察到出乎意料的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象“彈簧測力計(jì)的示數(shù)同時變化,示數(shù)差不多相等”.

    (3)解決問題.教師引導(dǎo)學(xué)生利用兩個力學(xué)傳感器對拉參與“拔河”比賽,精確測量拉力的大?。ㄟ^對比分析Dislab中兩力的曲線圖(“關(guān)于時間軸對稱”),認(rèn)識到“拔河比賽中雙方的拉力大小相等,方向相反”.接著,由教師提供器材,學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)自主探究其他性質(zhì)的相互作用力之間的關(guān)系,在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后由學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)方法及總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論.在解釋拔河比賽之前,教師再次讓男女學(xué)生進(jìn)行“拔河比賽”,只是男生站在推車上,女生站在水平地面上,比賽結(jié)果是“女生輕松獲勝”.進(jìn)而采用提問法,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)影響拔河比賽的因素“摩擦力”.

    (4)解釋原因.教師通過課件展示拔河比賽雙方的受力分析圖,講解原因“當(dāng)拉力大于摩擦力時,就會被對方拉動;當(dāng)男生站在推車上整體的摩擦力小于站在水平地面時的摩擦力,從而被女生拉動”.

    案例分析:案例2是在“牛頓第三定律”的新課教學(xué)環(huán)節(jié)運(yùn)用了差異性實(shí)驗(yàn),其目的是為了消除錯誤的前概念“拔河比賽情境下作用力與反作用力的大小不相等”.教師利用“男生與女生拔河比賽”,暴露了學(xué)生錯誤的前概念,然后教師針對錯誤的前概念設(shè)計(jì)差異性實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生用彈簧測力計(jì)進(jìn)行拔河比賽,學(xué)生觀察到與前概念存在差異的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象“示數(shù)基本相同”,造成認(rèn)知沖突.由此激勵學(xué)生進(jìn)行后續(xù)的探究活動,從而糾正學(xué)生錯誤的前概念,幫助學(xué)生全面理解“相互作用力的大小關(guān)系”,促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變.

    在新課教學(xué)環(huán)節(jié)運(yùn)用差異性實(shí)驗(yàn),體現(xiàn)了差異性實(shí)驗(yàn)運(yùn)用流程的4個環(huán)節(jié),在引出觀念環(huán)節(jié),暴露學(xué)生的前概念.在觀察實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),利用差異性實(shí)驗(yàn)造成學(xué)生的認(rèn)知沖突.在解決問題環(huán)節(jié),教師可以結(jié)合使用“教師主導(dǎo)型”與“學(xué)生自主型”的流程,由學(xué)生自主參與探究活動,或者教師演示實(shí)驗(yàn)及分析現(xiàn)象.在解釋原因環(huán)節(jié),教師對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的進(jìn)行完整解釋或?qū)W生自主解釋,糾正錯誤的前概念,促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變.

    4.3 課堂結(jié)束,拓展延伸

    良好的結(jié)束是一節(jié)優(yōu)秀課的重要組成部分,教師可以在課堂結(jié)束環(huán)節(jié)利用差異性實(shí)驗(yàn)置疑生趣或引導(dǎo)應(yīng)用,從而引起學(xué)生更濃厚的研究興趣,擴(kuò)寬學(xué)生知識面,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力.[10]我們用案例3來說明如何在課堂結(jié)束環(huán)節(jié)運(yùn)用差異性實(shí)驗(yàn),這里改編自第2屆全國中學(xué)物理名師教學(xué)大賽代虹主講的課題“力的分解”.

    (1)引出觀念.教師展示一輛小車和吹風(fēng)機(jī),用小車模擬帆船,車的上面用紙板做帆,提出問題“若想讓小車向右運(yùn)動,吹風(fēng)機(jī)應(yīng)該向哪邊吹風(fēng)?學(xué)生回答“向右吹風(fēng),小車向右運(yùn)動”.

    (2)觀察實(shí)驗(yàn).教師演示“用吹風(fēng)機(jī)對帆斜向右吹風(fēng),小車向左運(yùn)動”,學(xué)生觀察到“小車逆風(fēng)前行”(如圖3所示).接著教師布置課后作業(yè),要求讓學(xué)生將帆船逆風(fēng)航行在課后做一個研究性課題進(jìn)行研究.

    案例分析:案例3是在“力的分解”結(jié)束的環(huán)節(jié)運(yùn)用了差異性實(shí)驗(yàn),其目的是為了引起學(xué)生的疑問,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題.考慮到學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)“帆船是很難在逆風(fēng)的情況下前進(jìn)”,教師結(jié)合“力的分解”在帆船比賽中的應(yīng)用, 設(shè)計(jì)差異性實(shí)驗(yàn)“帆船逆風(fēng)前行”,進(jìn)一步激勵學(xué)生運(yùn)用“力的分解”的相關(guān)知識解決疑問.但教師沒有對原因進(jìn)一步說明,而是讓學(xué)生課后結(jié)合所學(xué)知識動手操作進(jìn)行分析,將“力的分解”的學(xué)習(xí)延伸至課后活動.

    在課堂結(jié)束環(huán)節(jié)運(yùn)用差異性實(shí)驗(yàn),同樣主要體現(xiàn)了差異性實(shí)驗(yàn)運(yùn)用流程的前兩個環(huán)節(jié),可以將后兩個環(huán)節(jié)延伸至課堂之外.注重運(yùn)用解決問題環(huán)節(jié)中“學(xué)生自主”的流程,旨在提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ髮W(xué)生撰寫課題報(bào)告,即貫徹解釋原因環(huán)節(jié),讓學(xué)生以書面語言解釋原因,通過查看學(xué)生的實(shí)物作品與書面報(bào)告,在課題的結(jié)題匯報(bào)中,教師可以了解學(xué)生對知識的掌握程度.

    4 結(jié)語

    教師將差異性實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于物理課堂中,可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高課堂教學(xué)效率.教師在不同環(huán)節(jié)運(yùn)用差異性實(shí)驗(yàn),首先應(yīng)根據(jù)不同教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)目的,確定差異性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用目的.其次,教師以應(yīng)用目的為基礎(chǔ),結(jié)合不同環(huán)節(jié)的知識內(nèi)容采用逆向思維設(shè)計(jì)差異性實(shí)驗(yàn).最后,差異性實(shí)驗(yàn)在不同教學(xué)環(huán)節(jié)的運(yùn)用流程側(cè)重點(diǎn)不同,應(yīng)該根據(jù)不同教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)要求側(cè)重于運(yùn)用流程中的若干環(huán)節(jié).但學(xué)生必須經(jīng)歷一個完整的流程,不能只利用差異性實(shí)驗(yàn)引起學(xué)生的疑惑,而不解決學(xué)生的疑惑,反而會增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷.所以,在保證學(xué)生可以經(jīng)歷完整流程的前提下,教師可以在不同教學(xué)環(huán)節(jié)對差異性實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用流程進(jìn)行調(diào)整,優(yōu)化該環(huán)節(jié)的教學(xué)程序并促進(jìn)教學(xué)效果.教師在呈現(xiàn)差異性實(shí)驗(yàn)過程中,還需做好引領(lǐng)者的角色,[11]引導(dǎo)學(xué)生參與差異性實(shí)驗(yàn)的分析與解釋,避免學(xué)生思維發(fā)散的方向偏離課堂知識,影響教學(xué)進(jìn)度.

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    11 裘指揮,張麗.差異事件教學(xué)的角色定位與發(fā)展策略[J].教育研究,2011(7):95-98.

    圖3

    2016-06-19)

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