教學(xué)相長，與時(shí)俱進(jìn)

朱熠民　楊振國

[摘 要]材料科學(xué)導(dǎo)論是復(fù)旦大學(xué)面向材料科學(xué)系及上海第二軍醫(yī)大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)二年級本科生的一門專業(yè)必修課，2015年被評為上海市精品課程。該研究探討了目前材料科學(xué)基礎(chǔ)類課程存在的問題，結(jié)合某教學(xué)評價(jià)與教學(xué)成果，總結(jié)了在教學(xué)方法、課程設(shè)置、課外實(shí)踐等方面的探索。

[關(guān)鍵詞]材料科學(xué)；交互式教學(xué)；案例教學(xué)；教學(xué)相長；與時(shí)俱進(jìn)

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）11-0004-04

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，它是被用來制造一切有用制品的物質(zhì)。新材料則是人類社會發(fā)展和文明進(jìn)步程度的標(biāo)志，縱觀人類使用材料的發(fā)展歷史，從上古石器時(shí)代到20世紀(jì)末的信息時(shí)代，每個時(shí)代的變革無一不是由于發(fā)現(xiàn)并廣泛利用了某種新材料，提高了人類征服及改造自然的能力，從而促進(jìn)了社會生產(chǎn)力水平的快速提升。如今的社會正處于新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的大環(huán)境中，新材料正是高新技術(shù)的一個重要組成部分，它是該領(lǐng)域中的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，因而在國務(wù)院提出的《中國制造2025》中被列為十大領(lǐng)域之一。

復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系現(xiàn)有三個本科專業(yè)：材料化學(xué)、材料物理和電子科學(xué)與技術(shù)。2010年起首次開設(shè)了材料科學(xué)導(dǎo)論這門面向三個專業(yè)的平臺基礎(chǔ)課，2011年起上海第二軍醫(yī)大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)也將其列為必修課。該課程旨在以交互式教學(xué)的模式，通過系統(tǒng)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)演示，使學(xué)生掌握材料的基礎(chǔ)理論、基本方法和主要性能；教學(xué)中結(jié)合實(shí)際材料案例吸引學(xué)生興趣，鼓勵他們探索并了解新材料的特點(diǎn)、特征和特性及其在高科技領(lǐng)域中的應(yīng)用，有利于為材料專業(yè)學(xué)生今后設(shè)計(jì)、研發(fā)、推廣基礎(chǔ)材料和新材料在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域中的應(yīng)用提供重要基礎(chǔ)，并在創(chuàng)新能力和綜合能力方面得到有效的訓(xùn)練和培養(yǎng)。對于七年來的建設(shè)與改進(jìn)成果，本文做了總結(jié)，以期為提高材料科學(xué)基礎(chǔ)類課程的課堂教學(xué)效果提供借鑒。

一、課程內(nèi)容設(shè)置

材料科學(xué)導(dǎo)論授課內(nèi)容大致分為四個部分。第一部分為現(xiàn)代材料科學(xué)的基本概念、學(xué)科特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，包括金屬、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料和半導(dǎo)體等五大基礎(chǔ)材料所共有的基礎(chǔ)知識和概念，即材料的組成、結(jié)構(gòu)、組織與其性質(zhì)及性能的相互關(guān)系。第二部分為固體材料的原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷類型、熱力學(xué)與相圖、凝固與結(jié)晶、擴(kuò)散與遷移、顯微組織與性能等一些基本原理和概念。第三部分為固體材料的基本性能，同時(shí)安排三個與其相配套的綜合實(shí)驗(yàn)的觀察和操作[1]：1.磁控濺射法制備透明導(dǎo)電氧化物ITO薄膜。2.橡膠材料的拉伸試驗(yàn)。3.偏光顯微鏡法觀測聚苯烯的球晶形態(tài)。第四部分為八類新材料的特點(diǎn)及其在高科技領(lǐng)域中的應(yīng)用。

我國許多高校都設(shè)立了材料科學(xué)基礎(chǔ)類課程，普遍認(rèn)為材料科學(xué)入門容易深入難[2][3][4]，其特點(diǎn)表現(xiàn)為概念多、內(nèi)容廣、涉及面寬，同時(shí)也存在概念抽象、內(nèi)容缺少連貫性、材料之間缺少必然聯(lián)系的特點(diǎn)，尤其是材料性能繁瑣枯燥，缺乏理論依托，因而學(xué)生在學(xué)習(xí)材料科學(xué)過程中普遍存在學(xué)得快、忘得快的現(xiàn)象，甚至不知學(xué)后究竟有何用。故本課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于讓學(xué)生理解基礎(chǔ)學(xué)科與材料科學(xué)的有機(jī)銜接，明確基礎(chǔ)材料的分類，掌握材料的結(jié)構(gòu)與性能間內(nèi)在的相互關(guān)系。針對這些重點(diǎn)與難點(diǎn)，教師強(qiáng)調(diào)在講授過程中始終保持理論與實(shí)際相結(jié)合，講解材料科學(xué)的各個知識點(diǎn)時(shí)均選用實(shí)際材料案例來分析和解釋，以此加深學(xué)生對材料屬性的理解和知識點(diǎn)的把握。對于僅用語言無法描述準(zhǔn)確的新材料，利用三維動畫視頻，從三維視角理解新材料的特性，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對新材料的興趣。

二、課程教學(xué)的創(chuàng)新

本課程教學(xué)的創(chuàng)新包括：1.教學(xué)相長，將引導(dǎo)性教學(xué)和自主性學(xué)習(xí)相結(jié)合。2.與時(shí)俱進(jìn)，開展豐富生動的實(shí)時(shí)案例教學(xué)。3.走出課堂，近距離觀摩與操作綜合實(shí)驗(yàn)。4.富有激情，開展寓教于樂的交互式講解。5.慕課教學(xué)，創(chuàng)建完善的數(shù)據(jù)化資源共享平臺。從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)踐、講授方式及教學(xué)手段等方面進(jìn)行全方位研究和革新，充分借鑒國內(nèi)外相關(guān)課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，取長補(bǔ)短不斷完善，同時(shí)追蹤材料領(lǐng)域的研究動態(tài)，保持課程的前沿性。另外，讓學(xué)生接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，探索培養(yǎng)創(chuàng)新復(fù)合型專業(yè)人才的有效模式。

（一）教學(xué)相長，將引導(dǎo)性教學(xué)和自主性學(xué)習(xí)相結(jié)合

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)與學(xué)習(xí)過程中，教學(xué)方法相對單一，通常以教師講授為主，單方面向?qū)W生灌輸知識，大致表現(xiàn)為“多教少學(xué)”甚至“多教不學(xué)”的特點(diǎn)。[5]對于一門理工類專業(yè)基礎(chǔ)課來說，這種教學(xué)方法主要存在兩個問題：1.學(xué)生的知識積累僅限于數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，初次接觸專業(yè)課程往往難以消化大量專業(yè)知識，他們的學(xué)習(xí)積極性很容易被打擊，從而對整個課程失去興趣。2.學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，課堂的氛圍必然死氣沉沉，教師會感到索然無味，這就會導(dǎo)致授課的過程越發(fā)枯燥單調(diào)，同時(shí)得不到學(xué)生的反饋，教師也就無從改進(jìn)，從而陷入惡性循環(huán)。

本課程的主講教師早在2003年就在材料化學(xué)專業(yè)開設(shè)了必修課材料科學(xué)基礎(chǔ)，無論是其教學(xué)內(nèi)容還是其教學(xué)效果，均獲得學(xué)生的一致好評，正是在此門課程的基礎(chǔ)上，教師對課程內(nèi)容進(jìn)行了大幅改進(jìn)，開設(shè)了材料科學(xué)導(dǎo)論課程?；诖饲捌吣甑慕虒W(xué)經(jīng)驗(yàn)，教師提出了采用“引導(dǎo)性教學(xué)和自主性學(xué)習(xí)相結(jié)合”的教學(xué)方式，除了講授材料科學(xué)的基本內(nèi)容外，適時(shí)提出一些與講授內(nèi)容相關(guān)的專業(yè)知識讓學(xué)生在課堂上討論，或讓學(xué)生課后查閱相關(guān)文獻(xiàn)再給出回答。這既促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合分析能力，又保證了教師所“教”的內(nèi)容更易被學(xué)生接受，而不是學(xué)過就忘，同時(shí)也能從學(xué)生給出的解答中“學(xué)”到自己疏忽的知識內(nèi)容，在今后的授課中可以再度完善。在這樣教學(xué)相長的教學(xué)方式下，教師從被動的“教”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥摹皩?dǎo)”，學(xué)生從被動的“聽”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥摹叭　保蟠筇岣吡藢W(xué)生對專業(yè)知識的興趣與接受程度。

（二）與時(shí)俱進(jìn)，開展豐富生動的實(shí)時(shí)案例教學(xué)

材料科學(xué)基礎(chǔ)類課程是材料專業(yè)學(xué)生接觸的第一門專業(yè)課，是一門研究材料的成分、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相互關(guān)系的學(xué)科。它從化學(xué)的角度，研究材料的化學(xué)成分與原子結(jié)構(gòu)、原子鍵合及微結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系；從晶體學(xué)和固體物理學(xué)的角度，研究材料的組織形態(tài)、微結(jié)構(gòu)、內(nèi)部缺陷與性質(zhì)、性能的相互關(guān)系。同時(shí)，材料研究還是面向工程實(shí)際應(yīng)用的，必須從工程應(yīng)用的角度研究材料的制備方法、加工工藝等問題。通過工藝和技術(shù)的開發(fā)，制備具有特殊性能的、可批量生產(chǎn)的、滿足工程應(yīng)用要求的工程材料。因此，材料科學(xué)具有三個基本特點(diǎn)：1.學(xué)科交叉。它是物理、化學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子化學(xué)、計(jì)算科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科相互交叉、融合和復(fù)合的結(jié)果。2.應(yīng)用性強(qiáng)。它與工程應(yīng)用密切相關(guān)，發(fā)展材料科學(xué)的目的在于研制新材料，改進(jìn)材料的性能，滿足工程實(shí)際的需要。3.不斷發(fā)展。它是一門不斷發(fā)展的學(xué)科，隨著各個分支學(xué)科的發(fā)展而不斷地完善、充實(shí)、豐富和提高?；谶@些特點(diǎn)，此類課程往往涉及數(shù)量龐雜的原理、概念和定義，且描述材料的宏觀結(jié)構(gòu)易，講解微觀結(jié)構(gòu)難，在授課過程中普遍存在內(nèi)容抽象、難理解，學(xué)生較難掌握等問題。endprint

面對這些普遍存在的問題，材料科學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)不僅兼顧了基礎(chǔ)理論體系的構(gòu)建，而且做到了知識結(jié)構(gòu)的與時(shí)俱進(jìn)。教師瞄準(zhǔn)最新穎、最前沿的材料領(lǐng)域發(fā)展方向，每年都對課件進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充、充實(shí)和拓展，及時(shí)反映五大基礎(chǔ)材料和八類新材料的研究現(xiàn)狀。例如授課時(shí)必定會結(jié)合每年10月份公布的諾貝爾物理學(xué)獎、化學(xué)獎等所涉及的新材料進(jìn)展成果，即時(shí)制作課件講解新材料的特點(diǎn)、制備和應(yīng)用，比如2010年的二維石墨烯材料、2011年的準(zhǔn)晶體鋁合金材料等。同時(shí)，主講教師每年都有國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議的大會報(bào)告，會直接把邀請報(bào)告的內(nèi)容有選擇地講授給學(xué)生聽，使學(xué)生對新材料、新工藝、新方法、新技術(shù)等取得的新進(jìn)展有比較清楚的了解，既增長學(xué)生的見識，又開拓學(xué)生的視野，促進(jìn)他們的自主思考和探索，使他們的創(chuàng)新能力得到有效激發(fā)和培養(yǎng)。

此外，主講教師非常注重理論聯(lián)系實(shí)際，將材料應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)社會密切聯(lián)系在一起。教師授課時(shí)會講述自己實(shí)際的研究課題，將一些關(guān)鍵的知識點(diǎn)串聯(lián)起來，輔以一批重大項(xiàng)目的案例分析如秦山核電站[6]、嘉興火電廠[7]、上海石化[8]、汕頭印制電路板廠[9]等，讓學(xué)生直觀地了解到材料知識的合理運(yùn)用和恰到好處的分析方法，不僅為國民經(jīng)濟(jì)重大工程解決了關(guān)鍵技術(shù)問題，也為社會公共安全與生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)保障。除了這些實(shí)時(shí)案例的分析，教師還會結(jié)合歷史上著名的案例來引起學(xué)生的共鳴。例如在講述固體材料的基本性能時(shí)，具體分析了泰坦尼克號沉沒的案例，配合豐富的圖例展示，形象生動地講解金屬的斷裂韌性和脆性斷裂現(xiàn)象，使學(xué)生對抽象的材料性能有更為直觀的認(rèn)識，在課后鞏固復(fù)習(xí)的時(shí)候也更容易記住這個知識點(diǎn)。

（三）走出課堂，近距離觀摩與操作綜合實(shí)驗(yàn)

材料科學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，如果僅僅通過理論教學(xué)，專業(yè)知識只是以文字的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生的接受必然存在一定的困難。另外，學(xué)生對“摸不著”的內(nèi)容只能死記硬背，即便背熟了所有內(nèi)容，這些知識在學(xué)生的腦中必然是以一個個原理、一個個定義或一條條公式的狀態(tài)呈現(xiàn)，與掌握知識相去甚遠(yuǎn)，更別提融會貫通、學(xué)以致用了。面對這個問題，本課程首先在課件中加入三維動畫視頻[10]，使學(xué)生可以從三維立體的視角觀察和認(rèn)識材料的特性和特點(diǎn)，例如碳60、碳納米管和原子構(gòu)型、量子點(diǎn)內(nèi)電子波函數(shù)等，這在一定程度上解決了講解過程中生硬枯燥的問題。

但是材料科學(xué)作為一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)才是它的靈魂所在。所謂“百聞不如一見”，材料科學(xué)導(dǎo)論課程為學(xué)生提供了走出課堂、走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)會，近距離觀摩教師操作儀器演示實(shí)驗(yàn)，甚至允許學(xué)生親手嘗試做實(shí)驗(yàn)。這種“走出去”的教學(xué)模式，極大地提升了學(xué)生的探索興趣，讓學(xué)生不僅可以提前感受做科研的氛圍，也可以在參觀過程中與教師更近距離地討論學(xué)習(xí)過程中的困惑。學(xué)生通過親眼看、親手做的實(shí)踐過程，加深了他們對抽象知識的具象化理解。例如在橡膠拉伸試驗(yàn)中，學(xué)生可以直觀地觀察材料拉伸時(shí)的過程和現(xiàn)象，此時(shí)課本上只有一根曲線的固體拉伸過程一下子就能被理解了。另外，學(xué)生對理論與實(shí)際相結(jié)合的概念有了初步認(rèn)知，有利于激發(fā)他們對新材料研究的向往，同時(shí)訓(xùn)練他們的動手能力、觀察能力、理解能力、分析能力及創(chuàng)新能力。

（四）富有激情，開展寓教于樂的交互式講解

如前所述，作為一門理工類課程，且包含數(shù)量龐雜的概念和公式，學(xué)生普遍認(rèn)為材料科學(xué)基礎(chǔ)課程難懂、沉悶。教師如果只是照本宣科，將課件上的概念復(fù)述一遍、公式推導(dǎo)一遍，沒有輕重緩急、抑揚(yáng)頓挫，那么整個課程就會索然無味，無法吸引學(xué)生，學(xué)生不會敬佩教師，對教師所講的也不會信任。因此，感情的投入對于一名教師來說至關(guān)重要，也就是需要在講課過程中釋放激情。激情主要來源于兩個方面：一是教師對教學(xué)工作的熱愛，包括對自己職業(yè)的熱愛和對學(xué)生的信任。二是教師對教學(xué)內(nèi)容的自信。[11]教師只有動真情，才能引導(dǎo)學(xué)生成才。材料科學(xué)導(dǎo)論課十分注重課堂氛圍，其講授方式正具備了這幾大特點(diǎn)。主講教師時(shí)時(shí)刻刻都激情洋溢、胸有成竹，從來不照本宣科，而是聯(lián)系實(shí)際侃侃而談，非常能吸引學(xué)生的注意力，也很有感染力。教學(xué)能達(dá)到這個效果主要取決于教師做到以下三個方面：一是講課全神貫注，一個人的精神飽滿程度取決于他投入了多少。二是熱愛教學(xué)工作，這樣才能每時(shí)每刻都微笑著對待學(xué)生。三是課前認(rèn)真?zhèn)湔n，心中有數(shù)，講話才能有底氣。雖然本課程已經(jīng)開設(shè)多年，但每堂課前主講教師都會認(rèn)真?zhèn)湔n，否則如果對自己講的東西不太熟悉，那在講臺上教學(xué)情緒是無論如何激昂不起來的，學(xué)生也一定會感覺得到。

此外，主講教師也探索了新穎的講授方式。一個特點(diǎn)是交互式授課。主講教師講課特別貼近生活，幫助學(xué)生從熟知的事物中聯(lián)想到抽象的概念，加深對材料屬性的理解和知識點(diǎn)把握。例如，講解聚合物材料特性時(shí)，特別舉出生活中無處不在的、常用的七種塑料即1號PET、2號HDPE、3號PVC、4號LDPE、5號PP、6號PS、7號PC，以及為何不同的塑料品種必須選用不同的塑料種類的原因，并從塑料的力學(xué)性能、熱性能及性價(jià)比，講解材料選用的基本依據(jù)和設(shè)計(jì)方法。為了增加與學(xué)生之間的互動，教師還會攜帶并展示各種不同材料做成的實(shí)物，如礦泉水瓶是PET，蓋子是PP等，然后讓學(xué)生推測實(shí)物所對應(yīng)的塑料種類并結(jié)合之前所講授的知識點(diǎn)說明原因。通過這種授課方式，既可以鼓勵學(xué)生獨(dú)立思考，加深他們對知識點(diǎn)的理解，也加強(qiáng)了課堂上師生之間的互動，活躍了課堂氛圍。另一個特點(diǎn)是英文講解。凡是涉及英文縮寫，教師必在黑板上展開其全稱；凡是涉及有趣的字詞，也必講其英文。這樣通過兩種語言的對比讓學(xué)生對所學(xué)知識的含義有了更加準(zhǔn)確的認(rèn)識。對于要出國的學(xué)生，這對他們背誦托福和GRE單詞都有好處；對于以后要繼續(xù)做科研的學(xué)生，相當(dāng)于提前教授專業(yè)詞匯，為他們以后閱讀文獻(xiàn)、寫文章打好了基礎(chǔ)。學(xué)生在這個過程中感受到自身知識水平的提升，自然對課程內(nèi)容保持濃厚的興趣和高漲的熱情。

（五）慕課教學(xué)，完善的數(shù)據(jù)化資源共享平臺

利用復(fù)旦大學(xué)新一代互聯(lián)網(wǎng)課程平臺，為材料科學(xué)導(dǎo)論這門課程建立了精品課程網(wǎng)站[12]，包括教學(xué)大綱、教學(xué)課件、教學(xué)視頻、參考資料、拓展閱讀等，并按知識模塊設(shè)計(jì)分成了41個教學(xué)視頻短片，全部公開共享，充分滿足了學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的需求。近年來，慕課在國內(nèi)高校迅速興起[13][14]，本課程也探索了這種教學(xué)方法。慕課視頻的長度一般在10分鐘左右，因而材料專業(yè)大量的理論和概念可以分段講述，學(xué)生在學(xué)習(xí)每個知識點(diǎn)的時(shí)候都可以保持高度集中，而且可以將這種“碎片化”的學(xué)習(xí)分散到日常學(xué)習(xí)中，相較于在課堂中長時(shí)間持續(xù)接受知識點(diǎn)，慕課在學(xué)習(xí)效率上更占有優(yōu)勢，在未來材料科學(xué)基礎(chǔ)類課程的發(fā)展中必然是越來越重要。endprint

三、教學(xué)效果與評價(jià)

材料科學(xué)導(dǎo)論課程自開設(shè)以來，得到了校內(nèi)外專家的肯定評價(jià)。參照學(xué)生每年的盲評與評教結(jié)果，本課程的教學(xué)質(zhì)量和主講教師都獲得了學(xué)生的一致好評。學(xué)生在盲評部分需要回答對本課程的滿意度與改進(jìn)這兩個問題，絕大多數(shù)學(xué)生都做出了非常詳細(xì)且正面的評價(jià)。例如：“楊老師在課堂上思路清晰，設(shè)計(jì)了很多互動性的問題，每個人都能積極地參與到課堂中，課堂效果較好?！薄皸罾蠋熃虒W(xué)認(rèn)真，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，講課生動，思路清晰，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，注重學(xué)生能力的提高?！薄皸罾蠋熒险n激情澎湃，繪聲繪色，還穿插許多有趣小故事，即便每周三節(jié)課也會印象深刻！課程內(nèi)容豐富，涵蓋面廣，時(shí)效性強(qiáng)”。

在教師和學(xué)生助教的努力下，材料科學(xué)導(dǎo)論課程于2015年被評為上海市精品課程。另一門由本課程主講教師開設(shè)的課程材料失效分析也于2013年被評為復(fù)旦大學(xué)校級精品課程，2015年被評為上海市本科重點(diǎn)建設(shè)課程，2016年被評為上海市精品課程。這兩門課程都獲得了學(xué)生的普遍歡迎。

四、結(jié)語

材料科學(xué)導(dǎo)論課程構(gòu)建了比較完備的材料科學(xué)教學(xué)的知識體系，其在教學(xué)上所取得的成果主要?dú)w結(jié)于以下三點(diǎn)：首先，通過引導(dǎo)性教學(xué)和學(xué)生自主性學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)方法提升課堂教學(xué)效率，在有限的學(xué)時(shí)中充分帶動學(xué)生利用課前課后的時(shí)間強(qiáng)化教學(xué)效果。其次，通過改革教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合前沿的實(shí)際案例縱深拓展，以基礎(chǔ)課帶動未來專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。最后，進(jìn)一步改革教學(xué)實(shí)踐和講授方式，加強(qiáng)師生間的互動討論，將教學(xué)空間從教室延展到實(shí)驗(yàn)室，激發(fā)學(xué)生對材料科學(xué)研究的興趣和向往，培養(yǎng)學(xué)生具有分析解決實(shí)際問題的綜合能力。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]endprint