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面向卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的化工原理課程創(chuàng)新教學(xué)的探索與實(shí)踐

2013-08-15 00:52:15曾秀琳
宿州學(xué)院學(xué)報(bào) 2013年10期
關(guān)鍵詞:卓越原理化工

曾秀琳,梁 銑

淮南師范學(xué)院化學(xué)與化工系,安徽淮南,232001

面向卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的化工原理課程創(chuàng)新教學(xué)的探索與實(shí)踐

曾秀琳,梁 銑

淮南師范學(xué)院化學(xué)與化工系,安徽淮南,232001

化工原理課程是化工類專業(yè)以及相近專業(yè)的一門重要的必修專業(yè)基礎(chǔ)課,工程實(shí)踐性強(qiáng)。針對(duì)本科化工原理課程特點(diǎn),結(jié)合卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的實(shí)施,對(duì)化工原理課程的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式進(jìn)行創(chuàng)新性改革與實(shí)踐,以培養(yǎng)學(xué)生的工程觀點(diǎn)和工程能力。

化工原理;卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃;工程觀點(diǎn)

教育部 2010年發(fā)起的“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”(以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”),是貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》和《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》的重大改革項(xiàng)目,也是促進(jìn)我國(guó)由工程教育大國(guó)邁向工程教育強(qiáng)國(guó)的重大舉措,旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量的各類型工程技術(shù)人才,為國(guó)家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù),對(duì)促進(jìn)高等教育面向社會(huì)需求培養(yǎng)人才、全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量具有十分重要的示范和引導(dǎo)作用?!白吭接?jì)劃”具有三個(gè)特點(diǎn):一是行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程;二是學(xué)校按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程人才;三是強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力[1-2]。為適應(yīng)國(guó)家著力打造“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的目標(biāo),以及面向未來的化工類、材料類、設(shè)計(jì)類等工程行業(yè)對(duì)工程技術(shù)創(chuàng)新型復(fù)合人才的需求,針對(duì)化工原理課程的任務(wù)要求,淮南師范學(xué)院化工原理課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)圍繞著“卓越計(jì)劃”指導(dǎo)精神,在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核模式等方面都進(jìn)行了創(chuàng)新探索。

1 化工原理課程的地位與作用

化工原理課程是化學(xué)工程、化工工藝及相近專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課,它在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起著承前啟后、由理及工的橋梁作用[3]。該課程主要以化工單元操作為研究對(duì)象,以物料衡算、能量衡算、平衡關(guān)系、傳遞速率、經(jīng)濟(jì)核算等基本概念為理論依據(jù),掌握單元操作通用的學(xué)習(xí)方法和分析問題的思路,培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的觀點(diǎn)和方法,具有涉及知識(shí)面廣、工程實(shí)踐性強(qiáng)、設(shè)備類型多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。探索該課程創(chuàng)新性教學(xué)方法,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,逐步培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念,提高學(xué)生處理工程問題的能力,才能使教學(xué)效果逐步適應(yīng)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的要求。

2 教學(xué)理念的創(chuàng)新

“卓越計(jì)劃”是通過教育和行業(yè)、高校和企業(yè)的密切合作,以實(shí)際工程為背景,以工程技術(shù)為主線,著力提高學(xué)生的工程意識(shí)、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力。化工原理課程是綜合運(yùn)用自然科學(xué)的原理,考察、解釋和處理工業(yè)生產(chǎn)過程中的工程實(shí)際問題的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程。因此,在培養(yǎng)學(xué)生樹立工程觀點(diǎn)、培育卓越能力方面起到至關(guān)重要的作用,在“卓越計(jì)劃”實(shí)施和執(zhí)行之中,意義不言自明?;ぴ碚n程體現(xiàn)了理論與實(shí)踐的高度統(tǒng)一,高校教師面對(duì)當(dāng)前的教學(xué)改革,應(yīng)迅速轉(zhuǎn)變以往重理論輕實(shí)踐的教學(xué)理念,切實(shí)從思想上重視工程實(shí)踐教育,著力培育學(xué)生工程意識(shí)方面的特長(zhǎng)與技能,為“卓越計(jì)劃”的實(shí)施打下堅(jiān)實(shí)的思想基礎(chǔ)。

化工原理課程是一門以典型的單元操作為主要內(nèi)容,以傳遞過程和研究方法論為主線的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程。強(qiáng)調(diào)學(xué)生用工程方法和工程手段將書本知識(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,即強(qiáng)化學(xué)生將理論的感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí),達(dá)到“學(xué)以致用”的目的。課程的教學(xué)理念應(yīng)是讓學(xué)生建立工程意識(shí),用工程的價(jià)值觀念來分析、解決工程實(shí)際問題。為了逐步培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí),教學(xué)中必須充分使用多媒體技術(shù)。介紹各個(gè)單元操作中一些相對(duì)抽象的概念和理論時(shí),如流體的流動(dòng)形態(tài)以及吸收塔中的氣體吸收過程,為了給學(xué)生以生動(dòng)、直觀的信息,便于學(xué)生的理解,教學(xué)團(tuán)隊(duì)從網(wǎng)絡(luò)上下載相關(guān)的圖片和 flash動(dòng)畫,精心設(shè)計(jì)多媒體課件,生動(dòng)形象地描述單元操作的原理和過程,把過去很難描述清楚的設(shè)備結(jié)構(gòu)用三維立體動(dòng)畫和錄像的形式清晰形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前,使教學(xué)內(nèi)容的實(shí)感性增強(qiáng),授課信息量加大,學(xué)生印象深刻,從而使學(xué)生較好地掌握化工的基本原理、基本技能及研究工程實(shí)際問題的基本方法(如因次分析法、數(shù)學(xué)模型法、過程分解法等),收到了很好的效果。此外,教學(xué)團(tuán)隊(duì)還購(gòu)買了一系列教學(xué)視頻錄像等輔助教學(xué)資料,在課外組織學(xué)生觀看,加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的消化和吸收。

化工原理中各個(gè)單元操作看起來均獨(dú)成一個(gè)體系,如果按照這個(gè)思路學(xué)習(xí),學(xué)生無法將多個(gè)單元操作聯(lián)系起來,當(dāng)然更不能把單元操作與實(shí)際的生產(chǎn)過程聯(lián)系起來,不利于工程意識(shí)的培養(yǎng)。為了能更好地將工程意識(shí)引入到課堂教學(xué)中,筆者在授課時(shí)特別注意闡述各個(gè)單元操作間的聯(lián)系。如沉降、過濾及傳熱之類的單元操作與流體輸送聯(lián)系起來,可由柏努利方程解決料漿及濾液的輸送、冷熱流體的流動(dòng);找出精餾和吸收的共同點(diǎn)及二者的差別:基礎(chǔ)理論都是相平衡,但精餾強(qiáng)調(diào)“理想溶液”,用拉烏爾定律,而吸收強(qiáng)調(diào)“稀溶液”,用亨利定律;將再沸器、冷凝器和換熱器聯(lián)系起來,其中涉及的計(jì)算均為傳熱過程的內(nèi)容。不同的是再沸器、冷凝器中所涉及的物系均為混合物而已;所有的傳質(zhì)(如吸收、精餾、萃取等)過程都是一樣的,傳質(zhì)推動(dòng)力都是實(shí)際組成和平衡組成間的差值等。這種教學(xué)理念上的創(chuàng)新,為培養(yǎng)學(xué)生的工程能力創(chuàng)造了良好的氣氛,也是貫徹“卓越計(jì)劃”精神、培養(yǎng)學(xué)生工程技能的基礎(chǔ)。

3 教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新

化工原理課程是繼高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)等基礎(chǔ)課程之后、專業(yè)課之前的過渡課程,起到從小型實(shí)驗(yàn)到大型化工生產(chǎn)之間的橋梁作用,學(xué)生的工程概念是通過這門課程的學(xué)習(xí)建立起來的。通過化工原理課程的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)掌握化工過程的單元操作基本原理、典型過程設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的基本理論知識(shí)和技能,獲得過程工藝設(shè)計(jì)計(jì)算和設(shè)備選型及單元過程的操作分析的能力,為以后學(xué)習(xí)和應(yīng)用更深、更新、更多的專業(yè)知識(shí)和實(shí)用技能打好基礎(chǔ)。因此,應(yīng)根據(jù)化工原理的課程要求,進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性探索,以“卓越計(jì)劃”的培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向,提升培養(yǎng)學(xué)生的教學(xué)目標(biāo)。

3.1 由理論模型轉(zhuǎn)向?qū)嶋H過程

作為基礎(chǔ)學(xué)科的化工原理,學(xué)習(xí)和研究?jī)?nèi)容大都是理論模型,如管路流體流動(dòng)、熱量傳遞和傳質(zhì)過程的膜理論模型。當(dāng)然,由理論模型可便于產(chǎn)生理論研究成果。而實(shí)際生產(chǎn)過程中,各種物質(zhì)千變?nèi)f化,設(shè)備形狀千姿百態(tài),人們面對(duì)的是一個(gè)真實(shí)而復(fù)雜的世界,理論模型對(duì)此顯得無能為力。為了能在真正意義上實(shí)現(xiàn)“卓越計(jì)劃”人才培養(yǎng)的目標(biāo),必須將理論中學(xué)到的知識(shí)模型與現(xiàn)實(shí)世界相聯(lián)系,所學(xué)到的知識(shí)才更豐富、更有效和易于遷移。例如,在講授流體流動(dòng)這一節(jié)時(shí),為了能讓學(xué)生更好地理解分支管路中流量分配的特征,引導(dǎo)學(xué)生留心觀察在用水高峰期與非高峰期學(xué)校各條管路出水量的大小;理解流體流動(dòng)阻力的概念時(shí),結(jié)合家庭裝修中如何合理選擇和鋪設(shè)水管等具體問題來深入淺出地加以引導(dǎo)和啟發(fā);在傳熱學(xué)教學(xué)中,三種傳熱方式的介紹也與實(shí)際過程聯(lián)系起來,以冬天皮膚接觸鐵、木塊時(shí)人體的感覺介紹熱傳導(dǎo),以龍卷風(fēng)來臨時(shí)出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣介紹熱對(duì)流,以家用紅外線電暖爐介紹熱輻射等。以冰箱背面的大量泡沫板來討論如何有效地傳熱以及如何防止在傳熱過程中的熱損失等相關(guān)的工程實(shí)際問題。這些與實(shí)際過程聯(lián)系起來的方法,不但能充分培養(yǎng)學(xué)生的觀察、想象和思維能力,強(qiáng)化對(duì)工程觀念的檢驗(yàn)和應(yīng)用,同時(shí)也能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化工原理課程的學(xué)習(xí)興趣,有利于工程觀念的建立和提升。

化工原理作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,要熟練了解各種單元操作及其設(shè)備的原理,離不開實(shí)驗(yàn)教學(xué);要從理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向?qū)嶋H過程,更離不開實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力和知識(shí)綜合運(yùn)用能力,從實(shí)驗(yàn)方案擬定、實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)流程裝配、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論等方面,有效地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和面向?qū)嶋H過程處理問題的能力;在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,開設(shè)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn),有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力,給部分學(xué)有余力的學(xué)生以充分發(fā)展的空間。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,首先根據(jù)教學(xué)目標(biāo)把一節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行整合,并進(jìn)行整體設(shè)計(jì),建構(gòu)學(xué)生未來工作的情境,目的是用一套裝置和一次實(shí)驗(yàn)達(dá)到由理論模型轉(zhuǎn)向?qū)嶋H過程。例如,離心泵的性能測(cè)定實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)前先介紹一個(gè)拆開的離心泵塑料模型,結(jié)合葉輪、葉片、吸入管、底閥、排出管等圖片一一予以說明,并根據(jù)圖片讓每位學(xué)生都嘗試著安裝。然后,將收集來的各種離心泵的銘牌展示給學(xué)生,最后,讓學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。在完成常規(guī)實(shí)驗(yàn)的同時(shí),及時(shí)補(bǔ)充新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,增加綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的比例,補(bǔ)充單元操作仿真實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)他們綜合應(yīng)用知識(shí)的能力、分析和解決工程實(shí)際問題的能力以及科研能力。

3.2 將方法論和工程意識(shí)引入課程教學(xué)

可以受益終生的工程意識(shí)。這樣,學(xué)生今后遇到類似的實(shí)際問題,就可大膽地應(yīng)用已學(xué)過的工程方法,解決工程實(shí)踐遇到的問題。

4 教學(xué)方法和考核方式的創(chuàng)新

化工原理課程是以傳遞過程和研究方法論為主線的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程。其中,各單元操作和設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計(jì)和操作過程中的問題都具有很強(qiáng)的工程性。解決問題也是以實(shí)驗(yàn)、分析為主,逐步形成理論、實(shí)踐和計(jì)算三足鼎立的態(tài)勢(shì)。為使學(xué)生掌握化工過程的基本原理和工程思維方法,培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程問題的實(shí)際能力,在教學(xué)過程中引入“方法論”和“工程意識(shí)”?;ぴ碚n程中,除了少數(shù)簡(jiǎn)單的問題可采用數(shù)學(xué)解析法外,大多數(shù)問題都需要依靠理論指導(dǎo)下的工程化方法來解決。例如,流體流動(dòng)一章的公式很多,特別是管路中流體摩擦阻力損失的公式分層流和湍流兩種情況,層流情況的公式雖然只有一種,但湍流情況的公式多且復(fù)雜,兩種情況混在一起,學(xué)生常常是糊里糊涂。為了便于學(xué)生理解,筆者授課時(shí)重點(diǎn)介紹范寧(Fanning)公式,即將層流和湍流兩種情況的公式歸結(jié)為一種:hf=λ·(l/d)· (u2/2),根據(jù)不同情況,公式中摩擦系數(shù)λ有不同的表達(dá)式。再如,求解無相變化時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式,牛頓冷卻定律把復(fù)雜的對(duì)流傳熱問題集中轉(zhuǎn)移到對(duì)流傳熱系數(shù)T上,所以T的確定就成為著手解決的復(fù)雜問題。由于T的影響因素非常多,目前從理論上還不能推導(dǎo)T的計(jì)算式,只能找出影響T的若干因素,采用因次分析與傳熱實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,找出各種準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系,建立起T的經(jīng)驗(yàn)公式。由實(shí)驗(yàn)知道流體無相變化時(shí),影響對(duì)流傳熱系數(shù)T的因素有流速u、傳熱面的特征尺寸l、流體黏度_、流體密度d、熱導(dǎo)率λ、比熱容cp以及單位質(zhì)量流體的浮升力UgΔt,以函數(shù)的形式表示為T=f(u、l、_、d、λ、cp、Ug(t)。 這 8個(gè)物理量涉及到 4個(gè)基本因次,即長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間和溫度。按c定理,此現(xiàn)象可用 8-4=4個(gè)獨(dú)立的量綱為一的量(特征數(shù))之間的關(guān)系式,使得實(shí)驗(yàn)研究可從原來考察 8個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系減少為 4個(gè)無因次數(shù)群之間的關(guān)系,大大減少了計(jì)算的工作量,讓學(xué)生切身體會(huì)到該法的方便性與實(shí)用性。

方法論和工程意識(shí)引入到化工原理課程教學(xué)中,能讓學(xué)生轉(zhuǎn)變理科思維中的精確觀點(diǎn),掌握工程上近似處理的思想和方法,從而使學(xué)生牢固樹立起

對(duì)于化工原理課程,由于它在課程體系中的特殊地位,在教學(xué)和考核方式中更需要體現(xiàn)“授之以魚莫如授之以漁”。化工原理課程的習(xí)題討論課和考核,不僅在于講授化工工程知識(shí)與計(jì)算方法,更要注重研究工程問題時(shí)的工程觀點(diǎn)、工程方法,突出工程理論,所以習(xí)題討論課教學(xué)過程中要精心組織,以提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。課堂習(xí)題課是以Problem-Based Learning(PBL)的教學(xué)模式進(jìn)行,即首先提出問題,目的不是給學(xué)生提供參考答案,而是啟發(fā)學(xué)生思考,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已學(xué)過的知識(shí),讓學(xué)生自由發(fā)揮,不予以思路上的限制。這樣的討論課,能夠讓學(xué)生學(xué)會(huì)主動(dòng)思考問題和發(fā)現(xiàn)問題,以及正確合理地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問題。如“精餾”一章中有三種重要的關(guān)系和兩個(gè)重要參數(shù),即氣液平衡關(guān)系、物料衡算和熱量衡算,回流比和進(jìn)料熱狀況參數(shù)。如何將這些知識(shí)點(diǎn)綜合起來,并應(yīng)用于設(shè)計(jì)型問題的計(jì)算和操作性問題的定性分析中,這些既是教學(xué)的難點(diǎn),也是習(xí)題課的重點(diǎn)。在這個(gè)過程中,要求教師精心設(shè)計(jì)所討論的題目,題目應(yīng)該涉及一系列相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)及其在工程實(shí)際中的應(yīng)用。在選題過程中,盡量本著由淺入深、因材施教的原則,將學(xué)生易出錯(cuò)的題目、綜合性問題、操作型計(jì)算作為重點(diǎn)講解內(nèi)容。

面對(duì)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”,筆者對(duì)化工原理課程考試進(jìn)行了創(chuàng)新性探索,包括考試內(nèi)容、考試方式、成績(jī)?cè)u(píng)定方面。整個(gè)探索過程以樹立科學(xué)全面地評(píng)價(jià)學(xué)生綜合素質(zhì)為目標(biāo),知識(shí)與能力并重,引導(dǎo)學(xué)生勤于思考,敢于創(chuàng)新,樂于實(shí)踐??荚噧?nèi)容上,側(cè)重考查學(xué)生利用基本理論進(jìn)行工藝過程設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)的計(jì)算。試卷中綜合思考題、應(yīng)用題、分析題所占比例達(dá)到50%以上。試題多為靈活性大、知識(shí)面寬、綜合運(yùn)用知識(shí)能力強(qiáng)的題目。題目設(shè)置盡量與實(shí)際工程建設(shè)有關(guān),如從代表低位槽的水庫向高位槽的水塔供水,水流在管路中的流動(dòng)情況;離心泵的工作原理、特點(diǎn);混凝土在管內(nèi)流動(dòng)的特點(diǎn);換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用要注意管壁熱阻和污垢熱阻以及如何根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)計(jì)算總傳熱系數(shù)等。這樣的考試內(nèi)容與實(shí)際工程建設(shè)密切相關(guān),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維,提高綜合運(yùn)用知識(shí)的能力十分有利。為使考試更公平、公正,并且體現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的精神,將考試分成基礎(chǔ)知識(shí)部分和綜合能力部分。兩部分所采用的考核方法也不同。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容,將基礎(chǔ)知識(shí)按知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié),每學(xué)完一個(gè)知識(shí)點(diǎn),隨堂測(cè)試一次,測(cè)驗(yàn)內(nèi)容為學(xué)生要重點(diǎn)掌握的基礎(chǔ)知識(shí),如將流體流動(dòng)和離心泵的知識(shí)點(diǎn)放在一起測(cè)試。綜合能力采取筆試,期末集中進(jìn)行。命題結(jié)合實(shí)際,試題靈活性大,有利于考查學(xué)生運(yùn)用理論依據(jù)分析實(shí)際問題的能力。在考試成績(jī)的評(píng)定上,加強(qiáng)對(duì)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的考核,學(xué)生總成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)構(gòu)成,按照一定比例加權(quán),使最終課程成績(jī)能真實(shí)反映學(xué)生的綜合素質(zhì)。

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10.3969/j.issn.1673-2006.2013.10.026

2013-08-30

淮南師范學(xué)院教學(xué)研究一般項(xiàng)目“化工原理課程體系改革與試卷庫建設(shè)”(2012bssjk06)。

曾秀琳(1972-),女 ,安徽六安人,博士 ,副教授,主要研究方向:材料設(shè)計(jì)與模擬計(jì)算。

(責(zé)任編輯:劉小陽)

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