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    Python 程序設(shè)計(jì)課程數(shù)字化教學(xué)探索

    2024-12-01 00:00:00何文廣王耀民李俊武
    電腦知識(shí)與技術(shù) 2024年31期

    摘要:當(dāng)前,醫(yī)藥類院校面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)Python程序設(shè)計(jì)課程仍然面臨醫(yī)學(xué)專業(yè)課業(yè)繁重、無(wú)法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等問題。針對(duì)上述問題提出了包含“課堂數(shù)字化”“學(xué)情數(shù)字化”“資源數(shù)字化”在內(nèi)的數(shù)字化教學(xué)改革方案。在整合雨課堂、超星學(xué)習(xí)通、Python123平臺(tái)等數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上全方位優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段等核心要素,重視學(xué)情數(shù)據(jù)并借助數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化收集和分析,在實(shí)現(xiàn)學(xué)情數(shù)據(jù)來(lái)源于數(shù)字化教學(xué)又服務(wù)于數(shù)字化教學(xué)的基礎(chǔ)上,支持教師通過靈活的教學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)主體從“教師”到“學(xué)生”的轉(zhuǎn)變。自實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型以來(lái)學(xué)生參加計(jì)算機(jī)二級(jí)考試通過率近三年保持穩(wěn)步增長(zhǎng),數(shù)字技術(shù)融入教學(xué)的有效性得到驗(yàn)證。

    關(guān)鍵詞:Python程序設(shè)計(jì);Python教學(xué);數(shù)字化轉(zhuǎn)型;學(xué)情;數(shù)字課堂;混合式教學(xué)

    中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

    文章編號(hào):1009-3044(2024)31-0043-03

    開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID) :

    0 引言

    進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)蓬勃發(fā)展并呈加速向社會(huì)各領(lǐng)域全面融合,數(shù)字化的知識(shí)和信息已成為一種關(guān)鍵生產(chǎn)要素。在加速數(shù)字社會(huì)發(fā)展之余,上述技術(shù)也推動(dòng)了高等教育數(shù)字化的進(jìn)程?!秶?guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020 年)》提出要加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育資源開發(fā)與應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫(kù)建設(shè),開發(fā)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程,建立開放靈活的教育資源公共服務(wù)平臺(tái),促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源普及共享[1]?!督逃?022年工作要點(diǎn)》明確提出實(shí)施教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng),教育數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級(jí)、融合創(chuàng)新駛?cè)肟燔嚨馈榱松钊胩剿鞲叩冉逃龜?shù)字化發(fā)展規(guī)律,2020年成立的世界慕課與在線教育聯(lián)盟在教育部大力支持下出臺(tái)了《無(wú)限的可能:世界高等教育數(shù)字化發(fā)展報(bào)告》,將高等教育數(shù)字化發(fā)展劃分為三個(gè)階段:

    1) 轉(zhuǎn)化階段:數(shù)字技術(shù)融入融合到高等教育體系之中。教學(xué)突破時(shí)間和空間的限制,教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、活動(dòng)、評(píng)價(jià)、環(huán)境等核心要素在物理及網(wǎng)絡(luò)融合的空間里重新優(yōu)化和組合。

    2) 轉(zhuǎn)型階段:高等教育實(shí)現(xiàn)自我轉(zhuǎn)型與提升,高校內(nèi)部各項(xiàng)業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)再造。教育各要素、各環(huán)節(jié)全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型,大學(xué)教學(xué)與人才培養(yǎng)過程各類場(chǎng)景得到數(shù)字化的構(gòu)建,大學(xué)組織形式、教學(xué)形式、服務(wù)形式、治理形式等發(fā)生深刻變化。

    3) 智慧階段:高等教育將完成再造,與社會(huì)之間的界限進(jìn)一步打破。以人工智能為代表的新一輪信息技術(shù)在高等教育領(lǐng)域的深度應(yīng)用促使高等教育更加以人為本、更加精準(zhǔn)、更加公平、更加開放、更加個(gè)性化。

    1 傳統(tǒng)教學(xué)的主要問題

    伴隨著社會(huì)信息化程度的提高,計(jì)算機(jī)技術(shù)愈發(fā)廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如醫(yī)學(xué)圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助診斷等。因此,醫(yī)學(xué)生除了掌握專業(yè)知識(shí)外,還需要具備一定的計(jì)算機(jī)知識(shí)和能力。考慮到Python語(yǔ)言具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[2]并且有利于為后續(xù)課程的開設(shè)奠定基礎(chǔ),廣東醫(yī)科大學(xué)開設(shè)了信息技術(shù)基礎(chǔ)課程并選擇講授Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。在前期教學(xué)過程中廣東醫(yī)科大學(xué)教師主要圍繞“計(jì)算思維培養(yǎng)”和“線上線下混合式教學(xué)”開展了大量教學(xué)研究并取得了一定成效[3]。然而總結(jié)現(xiàn)階段的教學(xué)成效,不難發(fā)現(xiàn)盡管教學(xué)體系日益成熟,并且學(xué)生在完成課程學(xué)習(xí)后往往能通過計(jì)算機(jī)等級(jí)考試或者在學(xué)科競(jìng)賽中斬獲佳績(jī),但對(duì)于絕大多數(shù)醫(yī)學(xué)生而言,醫(yī)學(xué)專業(yè)課業(yè)繁重以及程序設(shè)計(jì)過于抽象仍然是兩座大山,現(xiàn)階段的教學(xué)仍存在以下有待改進(jìn)之處:

    1) 無(wú)法激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生主觀能動(dòng)性低。醫(yī)學(xué)生計(jì)算思維相對(duì)薄弱,很容易陷入上一周教學(xué)內(nèi)容還沒理解透徹又要學(xué)習(xí)下一周教學(xué)內(nèi)容的境地,進(jìn)而滋生消極怠學(xué)的情緒。

    2) 教學(xué)手段不夠靈活。在線教學(xué)只是簡(jiǎn)單把課堂教學(xué)移植到網(wǎng)絡(luò)上,教學(xué)手段相比傳統(tǒng)線下教學(xué)并沒有取得重大突破,學(xué)生參與課堂互動(dòng)的熱情沒能得到提高,教師仍然很難實(shí)時(shí)獲知教學(xué)效果。

    以上教學(xué)問題無(wú)疑對(duì)教師提出了更高的能力要求,即教師首先要在基本功層面熟練掌握多樣化的教學(xué)手段,其次還要在教學(xué)過程中及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況從而做到有的放矢地調(diào)整教學(xué)。建構(gòu)主義認(rèn)為新型教學(xué)模式應(yīng)當(dāng)是以學(xué)生為中心,教師起到組織者、指導(dǎo)者、幫助者和促進(jìn)者的作用[4],充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和積極性,最終達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。顯然,不管是線下教學(xué)、線上教學(xué)還是混合教學(xué),一旦缺乏對(duì)學(xué)生群體的認(rèn)識(shí),教師的作用也就成了無(wú)源之水無(wú)本之木?;凇耙詫W(xué)生為中心”的育人理念[5]以及對(duì)數(shù)字技術(shù)融入高等教育的認(rèn)識(shí),本文認(rèn)為開展數(shù)字化教學(xué)轉(zhuǎn)型有望全方位提升教學(xué)質(zhì)量,尤其是克服學(xué)情的短板效應(yīng)。

    2 數(shù)字化教學(xué)設(shè)計(jì)

    數(shù)字化教學(xué)不是簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)課堂搬到網(wǎng)絡(luò)上,而是在整合數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上全方位優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、活動(dòng)、評(píng)價(jià)、環(huán)境等核心要素。針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的不足之處,本文提出了包含“課堂數(shù)字化”“學(xué)情數(shù)字化”“資源數(shù)字化”在內(nèi)的數(shù)字化教學(xué)改革方案。

    2.1 課堂數(shù)字化

    課堂數(shù)字化最大的特色和作用在于構(gòu)建無(wú)邊界的在線課堂,學(xué)生在任何時(shí)間連接網(wǎng)絡(luò)即可進(jìn)入課堂開展學(xué)習(xí)。借助數(shù)字技術(shù),現(xiàn)實(shí)中40分鐘的線下課堂將被數(shù)字化并最終成為數(shù)字課堂的重要組成部分。據(jù)此,數(shù)字課堂可進(jìn)一步劃分為課前、課中(對(duì)應(yīng)線下課堂)和課后三部分。

    有效的課前預(yù)習(xí)被公認(rèn)為是提高學(xué)習(xí)效率的重要因素。作為非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的一門必修課,程序設(shè)計(jì)課程主要培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)分析問題和解決問題的思維能力[6],具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。因此,為了幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)點(diǎn),教師有必要在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)構(gòu)建相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景,把抽象的代碼轉(zhuǎn)化為具體的問題,幫助學(xué)生更好地理解即將要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn),以及對(duì)完成學(xué)習(xí)后能掌握何種解決問題的能力形成具體的印象。例如,可以在第一次課前預(yù)習(xí)中使用雞兔同籠的例子,鼓勵(lì)學(xué)生在完成預(yù)習(xí)之后嘗試根據(jù)數(shù)學(xué)公式寫出相應(yīng)的代碼。這樣的預(yù)習(xí)活動(dòng)顯然有助于學(xué)生理解程序設(shè)計(jì)中變量等概念,以及體會(huì)人指導(dǎo)計(jì)算機(jī)進(jìn)行問題求解的過程。還可以在學(xué)習(xí)Numpy的課前預(yù)習(xí)中使用高血壓患者平均年齡的例子,鼓勵(lì)學(xué)生分別寫出使用列表和數(shù)組完成計(jì)算的代碼并對(duì)比耗時(shí)情況。通過這樣的預(yù)習(xí)活動(dòng)學(xué)生會(huì)直觀認(rèn)識(shí)到Numpy實(shí)現(xiàn)了更高效的數(shù)據(jù)組織和運(yùn)算。目前廣東醫(yī)科大學(xué)主要使用超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)布課前習(xí)任務(wù)。

    課中學(xué)習(xí)是教師和學(xué)生在同一時(shí)間共同參與教學(xué)的環(huán)節(jié),也是借助數(shù)字技術(shù)提升教學(xué)質(zhì)量的主戰(zhàn)場(chǎng)。以往的教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)表明必須堅(jiān)持“教學(xué)以學(xué)生為主,教師以引導(dǎo)為主”,數(shù)字技術(shù)正好有利于教師更好地引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí),以及培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)信心和興趣。廣東醫(yī)科大學(xué)主要使用雨課堂等教學(xué)軟件來(lái)搭建數(shù)字課堂。首先安裝雨課堂,然后將前期建設(shè)好的教學(xué)案例和課堂互動(dòng)題目集成到PPT課件里。如圖1 (a)所示,雨課堂支持單選題、多選題、填空題和主觀題等多種題型。點(diǎn)擊“開啟雨課堂授課”后創(chuàng)建課程和班級(jí)即可生成如圖1(b)所示的課程邀請(qǐng)碼,最后學(xué)生使用手機(jī)掃碼進(jìn)入數(shù)字課堂。

    通過強(qiáng)化課前預(yù)習(xí),教師可以進(jìn)一步壓縮教師講課時(shí)間增加師生互動(dòng)時(shí)間,探索通過結(jié)合具體案例和師生互動(dòng)來(lái)完成知識(shí)點(diǎn)教學(xué),在教師引導(dǎo)到位的情況下,學(xué)生通過解決一系列疑難問題可以不斷收獲信心,逐步培養(yǎng)出學(xué)習(xí)興趣?;谟暾n堂的數(shù)字課堂支持以下幾種常用的互動(dòng):

    1) PPT課件會(huì)自動(dòng)同步推送到學(xué)生的手機(jī)上,手機(jī)上的課件和教師投影的課件同步播放。如果某頁(yè)P(yáng)PT上的內(nèi)容講解有聽不懂的地方,學(xué)生可以直接在手機(jī)上標(biāo)注該頁(yè),教師可以實(shí)時(shí)接收到反饋并做出調(diào)整。

    2) 在教師提前開啟實(shí)時(shí)飄彈幕的前提下,學(xué)生有不懂的地方還可以直接發(fā)送彈幕,彈幕內(nèi)容會(huì)在PPT 課件播放過程中實(shí)時(shí)出現(xiàn)并被教師和所有學(xué)生看到。

    3) 在完成知識(shí)點(diǎn)講解后推送互動(dòng)題目給學(xué)生作答以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步鞏固。如果是選擇題可以立刻獲知學(xué)生作答情況,還可以抽取學(xué)生就所選答案做出解釋。如果是主觀題可以要求學(xué)生在紙上作答然后拍照提交,最后教師將收集到的圖片投影到屏幕上進(jìn)行講解。

    實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用了Python123在線平臺(tái)。該平臺(tái)是北京理工大學(xué)搭建的面向新工科教學(xué)需求的計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)課程輔助平臺(tái)。除了提供在線編程環(huán)境,該平臺(tái)還提供了在線題庫(kù)和用來(lái)在線檢測(cè)程序源代碼正確性的Online Judge系統(tǒng)。教師首先要在該平臺(tái)上建立習(xí)題庫(kù),然后圍繞相關(guān)知識(shí)點(diǎn)開發(fā)一系列練習(xí)題目,題型包括單項(xiàng)選擇題、多項(xiàng)選擇題、判斷題、程序填空題、程序設(shè)計(jì)題、代碼補(bǔ)全題、程序改錯(cuò)題等。以上題型全部支持自動(dòng)評(píng)分,省去了人工評(píng)閱的過程,大大減少了教師評(píng)閱題目和統(tǒng)計(jì)分析的工作量。其次,教師需要在該平臺(tái)上創(chuàng)建課程并上傳課程學(xué)生名單,然后把課程邀請(qǐng)碼發(fā)送給學(xué)生,學(xué)生掃碼即可完成注冊(cè)和加入課程。最后,在完成每一周的理論教學(xué)之后,教師需要從習(xí)題庫(kù)中精心挑選若干題目組成本周的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容并設(shè)置好開放時(shí)間。這種“資源+平臺(tái)”式的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具有以下特點(diǎn):

    1) 明確學(xué)生在教學(xué)中的主體地位,鼓勵(lì)討論交流和學(xué)生指導(dǎo)學(xué)生,淡化教師角色。

    2) 提供多層次、階梯式的題目資源,滿足對(duì)不同能力層次的學(xué)生群體的教學(xué)。

    3) 以平臺(tái)為主教師為輔的方式引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)分析思考問題并得到求解方案,然后編寫出代碼并提交到Online Judge系統(tǒng)進(jìn)行正確性驗(yàn)證。

    4) 如果存在錯(cuò)誤,鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)平臺(tái)給出的提示通過獨(dú)立思考或小組討論交流對(duì)代碼進(jìn)行改正,然后重新提交并驗(yàn)證。

    課后復(fù)習(xí)主要幫助學(xué)生做到查漏補(bǔ)缺,能借助思維導(dǎo)圖等手段形成知識(shí)脈絡(luò),鞏固加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。根據(jù)學(xué)生前面的學(xué)習(xí)情況,在這一環(huán)節(jié)會(huì)借助超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)布40分鐘課堂的錄制視頻供學(xué)生回顧學(xué)習(xí),針對(duì)暴露出來(lái)的疑難點(diǎn),還會(huì)有針對(duì)性地選取相應(yīng)的習(xí)題錄制講解視頻并發(fā)布到平臺(tái)上,同時(shí)發(fā)布復(fù)習(xí)任務(wù),要求學(xué)生觀看完視頻后緊接著完成若干練習(xí)題。

    2.2 學(xué)情數(shù)字化

    教師充分發(fā)揮引導(dǎo)作用做到因材施教,首先,要做到及時(shí)且全面地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。傳統(tǒng)教學(xué)過程中教師收集學(xué)情數(shù)據(jù)的場(chǎng)景和手段都是極其有限的,數(shù)字技術(shù)徹底顛覆了這一現(xiàn)狀。超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)、雨課堂等教學(xué)軟件會(huì)產(chǎn)生大量反映學(xué)生學(xué)習(xí)情況的學(xué)情數(shù)據(jù)。例如,教師在授課前可查看課前預(yù)習(xí)任務(wù)完成情況,并據(jù)此判斷知識(shí)點(diǎn)難易程度進(jìn)而有針對(duì)性地調(diào)整后續(xù)教學(xué)。學(xué)情數(shù)據(jù)還包括課堂上推送題目給學(xué)生作答所產(chǎn)生的作答耗時(shí)和正確率、彈幕內(nèi)容等。基于雨課堂的數(shù)字課堂結(jié)束后教師會(huì)立即接收到如圖2所示的課堂報(bào)告。報(bào)告里記錄了完整的課堂節(jié)奏,包括教師講解、題目互動(dòng)等環(huán)節(jié)所占時(shí)長(zhǎng)。報(bào)告還記錄了哪頁(yè)P(yáng)PT被多少學(xué)生標(biāo)注不懂、題目作答參與人數(shù)和作答情況如正確率、哪些學(xué)生在什么時(shí)間發(fā)送了彈幕等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分Python123平臺(tái)同樣會(huì)產(chǎn)生諸多學(xué)情數(shù)據(jù),具體包括成績(jī)分布圖、及格率、習(xí)題提交次數(shù)等。

    對(duì)于收集所得的學(xué)情數(shù)據(jù)更重要的是采用關(guān)聯(lián)規(guī)則、聚類分析等大數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,挖掘?qū)W情數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的規(guī)律,然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果不斷優(yōu)化數(shù)字化教學(xué)的各個(gè)方面。例如將數(shù)字課堂互動(dòng)題目數(shù)量、互動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)題目難易程度等數(shù)據(jù)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)得分組合形成樣本數(shù)據(jù)并進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,找出密切影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)得分的因素,然后在接下來(lái)的數(shù)字化教學(xué)中有針對(duì)性地進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

    2.3 資源數(shù)字化

    為了完美支持?jǐn)?shù)字化教學(xué),需要大力建設(shè)多方面的教學(xué)資源,例如課前預(yù)習(xí)任務(wù)、數(shù)字課堂所使用的教學(xué)案例和互動(dòng)題目、部署在Python123平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)題目以及課后復(fù)習(xí)所用的講解視頻等。截至目前已經(jīng)結(jié)合數(shù)字技術(shù)構(gòu)建了一批能有效啟發(fā)學(xué)生思維、加強(qiáng)學(xué)生綜合訓(xùn)練的課程資源。有別于傳統(tǒng)課程資源,題目講解短視頻備受學(xué)生歡迎。

    圖3給出了本次數(shù)字化教學(xué)改革的整個(gè)研究框架。為了推動(dòng)數(shù)字化教學(xué)轉(zhuǎn)型還需要相應(yīng)地調(diào)整課程考核方式,例如降低期末考試成績(jī)占比,增加課前預(yù)習(xí)、課中學(xué)習(xí)和課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)的參與得分。

    3 結(jié)論

    本次教學(xué)改革的一大特色是重視學(xué)情數(shù)據(jù)并借助數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化收集和分析。教師只有在細(xì)致掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況的基礎(chǔ)上才能借助靈活的教學(xué)手段實(shí)現(xiàn)教學(xué)主體從“教師”到“學(xué)生”的轉(zhuǎn)變,真正做到因材施教。改革實(shí)踐驗(yàn)證了數(shù)字技術(shù)融入教學(xué)的有效性,數(shù)字課堂、短視頻等手段確實(shí)有助于引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)以及培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)信心和興趣。據(jù)統(tǒng)計(jì),自實(shí)施數(shù)字化教學(xué)以來(lái),廣東醫(yī)科大學(xué)學(xué)生近三年計(jì)算機(jī)二級(jí)考試通過率分別為63.1%、69.7%和74.8%,保持穩(wěn)步增長(zhǎng)。學(xué)生參加廣東省計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽近三年獲獎(jiǎng)總數(shù)量分別為5項(xiàng)、5項(xiàng)和15項(xiàng),其中獲一等獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)比例分別為2∶1∶2、3∶0∶2和3∶5∶7,獲獎(jiǎng)數(shù)量和級(jí)別雙雙呈上升趨勢(shì)。展望后續(xù)的教學(xué)改革工作,將致力于維持“學(xué)情數(shù)據(jù)來(lái)源于數(shù)字化教學(xué)又服務(wù)于數(shù)字化教學(xué)”的良性循環(huán)并不斷探索更豐富、更高效的數(shù)字化教學(xué)手段。

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    【通聯(lián)編輯:王力】

    基金項(xiàng)目:本文得到廣東醫(yī)科大學(xué)高等教育教學(xué)研究課題(No.2JY23028、No.2JY22024) ;廣東醫(yī)科大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目(No.1JG23131、No.1JG22168) ;全國(guó)高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會(huì)2023 年度計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項(xiàng)目(2023-AFCEC-021) 資助

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