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分層次、跨學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

2013-08-23 09:14王曉崗許新華樊雅娟
實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2013年9期
關(guān)鍵詞:儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)同學(xué)

王曉崗, 趙 超, 許新華, 樊雅娟

(同濟(jì)大學(xué)化學(xué)系,上海 200092)

0 引言

作為部屬“985”高校,同濟(jì)大學(xué)具有兩大辦學(xué)特色,一是國(guó)際化辦學(xué),二是實(shí)踐教學(xué)。在人才培養(yǎng)過(guò)程中,同濟(jì)大學(xué)在實(shí)踐教學(xué)上形成了諸多有自身特點(diǎn)的東西[1-5],開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是其中之一,化學(xué)系則是同濟(jì)較早開展此項(xiàng)工作的單位[6]。近年來(lái),圍繞學(xué)校的整體辦學(xué)思路,結(jié)合院系的具體情況,化學(xué)系提出了“分層次、跨學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)”模式,經(jīng)過(guò)數(shù)年的教學(xué)實(shí)踐,該模式獲得了專家和同學(xué)的認(rèn)可,并在教學(xué)中取得了良好效果。

1 開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念及內(nèi)涵

開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)指由教師或?qū)W生提出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)或創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景,學(xué)生經(jīng)自主性學(xué)習(xí)研究、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的一種教學(xué)方式[7-8]。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為課堂教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體,開放式教學(xué)是課堂教學(xué)的補(bǔ)充和拓展,兩者是一種主次關(guān)系、從屬關(guān)系。但仔細(xì)分析推敲,“課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)”和“開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的主要差異在于教學(xué)理念和方式的不同,前者突出老師的“教”和老師的引導(dǎo)作用;后者則是一種開放式教育,提倡以“學(xué)生為主體”的“自主性學(xué)習(xí)”,通常以問(wèn)題為主線展開自由探討,在對(duì)問(wèn)題的層層剖析中,達(dá)到傳授知識(shí)的目的。因此,在現(xiàn)代教學(xué)體系中,“課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)”和“開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)”均不可或缺,它們是相輔相成、相互促進(jìn)的平等關(guān)系?!罢n堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的教學(xué)體系已非常成熟,而“開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)”尚缺乏系統(tǒng)研究,比如教學(xué)的內(nèi)容和常規(guī)教學(xué)有什么區(qū)別,開放方式有哪幾種,教學(xué)效果如何評(píng)判,怎樣進(jìn)行教學(xué)的過(guò)程管理、質(zhì)量監(jiān)控等,這些都有待進(jìn)一步探討和總結(jié)。

“分層次、跨學(xué)科開放”是我們?cè)诖吮尘跋绿岢龅囊环N新的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。這里說(shuō)的“分層次”,指開放實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容豐富多彩、多種多樣,有研究性、綜合性,也有基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性、演示性等,具有不同的層次,教學(xué)中應(yīng)針對(duì)不同的對(duì)象,選擇合適的教學(xué)內(nèi)容;“跨學(xué)科”指教學(xué)不單單集中在本專業(yè)、本學(xué)科,而是要延伸和拓展,形成跨學(xué)科、跨院系的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2 分層次、跨學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開發(fā)

就教學(xué)內(nèi)容而言,開放實(shí)驗(yàn)和課堂實(shí)驗(yàn)是有差別的。常規(guī)教學(xué)所用教材比較規(guī)范,尤其是實(shí)驗(yàn)步驟描述得非常詳細(xì),學(xué)生按書本要求亦步亦趨進(jìn)行操作,盡量不要出差錯(cuò),在規(guī)定學(xué)時(shí)內(nèi)完成指定內(nèi)容并獲得成功是取得好成績(jī)的重要因素。而開放實(shí)驗(yàn)則不然,注重過(guò)程而淡化結(jié)果,教材提綱挈領(lǐng),沒(méi)有實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的條條杠杠,留有足夠的空間讓學(xué)生自由發(fā)揮,實(shí)驗(yàn)也不強(qiáng)求一定成功,允許失敗,實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹荚诩ぐl(fā)學(xué)生研究興趣、培養(yǎng)自主性學(xué)習(xí)能力[9]?;谝陨峡紤],我們將開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容歸納為三大類:

(1)基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主,但作為開放式教學(xué)時(shí)則增加了難度,一是教材僅給出實(shí)驗(yàn)提綱和儀器使用說(shuō)明,不提供詳盡的操作步驟;二是改變?cè)滩闹械牟糠謱?shí)驗(yàn)內(nèi)容,比如試劑、儀器、實(shí)驗(yàn)方法等。以“凝固點(diǎn)降低法測(cè)定物質(zhì)摩爾質(zhì)量”實(shí)驗(yàn)為例,這是個(gè)經(jīng)典的物化實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)教學(xué)中以環(huán)己烷為溶劑來(lái)測(cè)定萘的摩爾質(zhì)量[10],我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn),在冷卻系統(tǒng)上連接一個(gè)低溫恒溫槽,使循環(huán)冷卻劑直接進(jìn)入空氣夾套中,大幅度提高熱交換效率,改進(jìn)后的裝置可以測(cè)定凝固點(diǎn)更低的系統(tǒng),我們由此開發(fā)了水-尿素、水-蔗糖等體系[11],并將它們用于開放實(shí)驗(yàn)教學(xué),取得了良好的教學(xué)效果。

(2)大型儀器的講座、觀摩和操作。首先開設(shè)大型儀器相關(guān)方面的講座,重點(diǎn)講解實(shí)驗(yàn)技術(shù)所依賴的物理學(xué)原理以及根據(jù)這些原理所進(jìn)行的巧妙的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì),學(xué)生經(jīng)講座培訓(xùn)及觀摩后再參與開放實(shí)驗(yàn)。目前,我系大型儀器類的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目累積有20多個(gè)。其中,色譜類有“手動(dòng)頂空-GC-MS檢測(cè)方便面包裝袋中的有機(jī)揮發(fā)物”、“頂空進(jìn)樣GC-FID/MS檢測(cè)花瓣中的香氣成分”、“HPLC測(cè)定多種可樂(lè)中的咖啡因含量”等;光譜類有“積分球漫反射光譜儀檢測(cè)A4紙張”、“大米中是否含有熒光物質(zhì)”、“不同pH條件下苯乙酰胺的紫外光譜分析”、“紅外光譜法測(cè)定銀鍍膜及氣凝膠成分”等;表征類有“神奇的碳納米管”、“SnO2納米粒子的合成及形貌表征”等。這些實(shí)驗(yàn)素材貼近生活實(shí)際,集知識(shí)性和趣味性為一體,讓同學(xué)輕松快樂(lè)地學(xué)習(xí)儀器的操作。

(3)探究型開放實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)帶有研究性質(zhì),課題由教師提出或?qū)W生自選,學(xué)生以小組形式參與實(shí)驗(yàn)。一個(gè)較為成功的例子是三元相圖實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)教材中三元相圖的研究體系主要有苯-乙醇-水、甲苯-乙醇-水、環(huán)己烷-乙醇-水等,這類體系用于本科教學(xué)存在試劑毒性大、分析過(guò)程繁瑣等弊端(采用氣相色譜分析含量)。為此,我們?cè)O(shè)計(jì)了“正戊醇-乙酸-水”、“己烷-乙酸-水”、“乙醇-乙酸-水”3個(gè)新體系作為開放實(shí)驗(yàn)課題交由同學(xué)進(jìn)行探索,經(jīng)一個(gè)多學(xué)期的實(shí)驗(yàn),同學(xué)最終采用濁點(diǎn)滴定法獲得了完整的“正戊醇-乙酸-水”三元相圖[12],而后兩個(gè)體系因溶解度及酯化反應(yīng)問(wèn)題未取得成功。由于“正戊醇-乙酸-水”體系所用試劑無(wú)污染,實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)便、直觀,經(jīng)數(shù)輪開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完善,目前已作為新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目納入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

教學(xué)中遵循“學(xué)科交叉、分層教育”原則。其中,第一類實(shí)驗(yàn)(基礎(chǔ)驗(yàn)證性)對(duì)參與常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的全體同學(xué)開放,由此來(lái)磨練學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能,提高自主實(shí)驗(yàn)意識(shí);第二類實(shí)驗(yàn)則面向化學(xué)及其相關(guān)專業(yè)的同學(xué),通過(guò)大型儀器的培訓(xùn),使同學(xué)了解并熟悉現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)及表征手段,拓寬科學(xué)視野;在此基礎(chǔ)上,我們對(duì)學(xué)有余力、有參與科學(xué)研究熱情的部分同學(xué)開放第三類實(shí)驗(yàn),以進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)水平。在教學(xué)中,我們非常注重學(xué)科的交叉滲透,開放的范圍不單局限在化學(xué)專業(yè),還延伸覆蓋了材料、環(huán)境、醫(yī)學(xué)、生物、土木、機(jī)械、海洋、物理等院系,甚至文科專業(yè)的同學(xué)也被吸引參加(采用趣味實(shí)驗(yàn)),這種人人參與、分層提高的教學(xué)方式,符合從廣而博到少而精的教育規(guī)律。

在具體實(shí)施上,包括教學(xué)硬件和教學(xué)軟件的開放,主要有如下幾種開放方式:

(1)常規(guī)開放。將開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入到常態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。比如物化、分析、化工實(shí)驗(yàn)課程因儀器復(fù)套數(shù)所限,教學(xué)中常采用循環(huán)輪轉(zhuǎn)制,我們就合理安排輪空的同學(xué)進(jìn)行第一類實(shí)驗(yàn)的開放式教學(xué)。這時(shí),同一間實(shí)驗(yàn)室里既有做規(guī)定實(shí)驗(yàn)的,又有做自主性實(shí)驗(yàn)的,實(shí)驗(yàn)教學(xué)氣氛相當(dāng)活躍。

(2)周末開放。針對(duì)大型儀器的開放。大型儀器在學(xué)校內(nèi)屬稀缺資源,通常承擔(dān)有繁重的科研任務(wù),我們就利用周末或節(jié)假日安排第二類開放實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。這種做法不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)中心的正常工作秩序,反而提高了儀器的使用率。更重要的是,同學(xué)由此獲得了更多的操作儀器的機(jī)會(huì),有不少同學(xué)還通過(guò)開放實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)拿到了大型儀器的“上崗證”。

(3)短期開放。圍繞“學(xué)科競(jìng)賽”及“化學(xué)嘉年華”活動(dòng)進(jìn)行的臨時(shí)開放。同濟(jì)每年都組織校內(nèi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽,選拔優(yōu)秀選手代表學(xué)校參加上海市大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽,競(jìng)賽前1周各實(shí)驗(yàn)室對(duì)同學(xué)全面開放,并配以老師給予指導(dǎo)和答疑?!盎瘜W(xué)周”、“化學(xué)嘉年華”則是面向全校的化學(xué)知識(shí)普及宣傳活動(dòng),通過(guò)開放實(shí)驗(yàn)室,展示各種趣味性化學(xué)實(shí)驗(yàn),吸引非化學(xué)專業(yè)的同學(xué)走進(jìn)化學(xué)、了解化學(xué)并學(xué)習(xí)化學(xué),目前,該項(xiàng)活動(dòng)已連續(xù)辦了七屆,成了同濟(jì)大學(xué)的科普品牌。

(4)長(zhǎng)期開放。確立課題之后,同學(xué)自愿組成研究小組,查閱資料、設(shè)計(jì)方案并完成實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心對(duì)這部分同學(xué)實(shí)施長(zhǎng)期開放。

教學(xué)軟件指教學(xué)資料,軟件的開放通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站上建立一個(gè)BBS交流平臺(tái)來(lái)實(shí)施(http://chemcenter.#edu.cn/BBS/index.aspx),該平臺(tái)具有三大功能:① 資料儲(chǔ)存。將實(shí)驗(yàn)講義、大型儀器使用軟件、教學(xué)視頻、題庫(kù)等上傳到BBS上,對(duì)于一些尚不能開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,以虛擬實(shí)驗(yàn)的形式展示。學(xué)生可隨時(shí)進(jìn)入論壇查閱資料,進(jìn)行自主性學(xué)習(xí);② 答疑解惑。教師擔(dān)任版主,引導(dǎo)學(xué)生就各類問(wèn)題展開交流探討,如實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的總結(jié)、原理的拓展應(yīng)用、進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的設(shè)想和建議等,通過(guò)交流,學(xué)生不但熟悉了儀器操作,鞏固了理論基礎(chǔ)知識(shí),部分同學(xué)甚至還能舉一反三,產(chǎn)生新的思路和想法,進(jìn)而實(shí)施更深層次的實(shí)驗(yàn)探索;③管理功能。用于發(fā)布教學(xué)信息、協(xié)調(diào)開放實(shí)驗(yàn)人員安排、登記儀器的使用情況、收集學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告及統(tǒng)計(jì)教學(xué)工作量等。由于網(wǎng)絡(luò)交流平臺(tái)不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制,因而深受同學(xué)歡迎,成為實(shí)施開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效途徑之一。

2.3 教學(xué)管理和考核體系建立

開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的歷史不長(zhǎng),教學(xué)體系遠(yuǎn)談不上成熟,尤其在過(guò)程控制、質(zhì)量監(jiān)督及考核標(biāo)準(zhǔn)方面存在較多空白點(diǎn)[13-14],為此,我們借鑒常規(guī)課堂教學(xué)的體制模式,在系層面上規(guī)范兩個(gè)方面的管理:實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理和大型儀器管理。

(1)項(xiàng)目管理。開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)嚴(yán)格按照申審批程序進(jìn)行。首先由學(xué)生提出申請(qǐng),實(shí)驗(yàn)中心主任審核后,將結(jié)果公布在網(wǎng)上,學(xué)生在給定的時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn),操作過(guò)程中應(yīng)有教師(或?qū)嶒?yàn)員或高年級(jí)同學(xué))在場(chǎng),完成實(shí)驗(yàn)后要及時(shí)登記,在實(shí)驗(yàn)室日志上詳細(xì)填寫教學(xué)情況,包括實(shí)驗(yàn)名稱、內(nèi)容、開放時(shí)間、儀器使用、學(xué)生人數(shù)等,并讓學(xué)生逐個(gè)簽名。此外,教師還要盡快將實(shí)驗(yàn)情況上傳到BBS交流論壇上,以便學(xué)期末對(duì)開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

(2)大型儀器管理。早在2005年,實(shí)驗(yàn)中心就將大型儀器進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng),并開發(fā)了儀器預(yù)約系統(tǒng)。本系教師、研究生及畢業(yè)班同學(xué)可在線進(jìn)行儀器預(yù)定。由于參與開放實(shí)驗(yàn)的主要是本系低年級(jí)本科生和外系學(xué)生,他們?nèi)藬?shù)眾多,每個(gè)人都建立賬號(hào)不太現(xiàn)實(shí)。為協(xié)調(diào)儀器的使用,我們采取了兩項(xiàng)措施:一是有指導(dǎo)教師參與的教學(xué)活動(dòng)(如常規(guī)開放、大型儀器周末開放等),采用教師的賬號(hào)在網(wǎng)上預(yù)約儀器;二是給每一個(gè)課題小組(參與第三類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的同學(xué))設(shè)立一個(gè)臨時(shí)賬號(hào),學(xué)生用此賬號(hào)上網(wǎng)預(yù)約儀器。不管是何種身份進(jìn)行預(yù)訂,具體使用者需在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后詳細(xì)記錄儀器的運(yùn)行狀況,以便儀器一旦出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可追根溯源、查明原因。如果操作者有違規(guī)行為,實(shí)驗(yàn)中心則終止傳送其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或暫停其儀器使用資格。

在開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量考核上,系里有一些具體指標(biāo)和要求:①每次教學(xué)活動(dòng)應(yīng)有詳細(xì)記錄,包括教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、學(xué)生人數(shù)等,指導(dǎo)老師、實(shí)驗(yàn)員和同學(xué)均需簽名,學(xué)期結(jié)束時(shí)上交完整的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)日志;②參與開放實(shí)驗(yàn)的學(xué)生要提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,其表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)掛鉤。參與長(zhǎng)期開放教學(xué)的同學(xué)(研究小組),除遞交總結(jié)報(bào)告外,還要參加每年12月份的開放實(shí)驗(yàn)及SITP活動(dòng)公開答辯,對(duì)于獲得一、二、三等獎(jiǎng)的同學(xué),將獲得下學(xué)期實(shí)驗(yàn)中心的儀器使用優(yōu)先權(quán);③每學(xué)期末核算開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作量。課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常按6 000人時(shí)作為一個(gè)教學(xué)工作量,考慮到開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特殊性[15],工作量將在原基礎(chǔ)上乘1.2~1.5的系數(shù)。此外,教師在教學(xué)過(guò)程中開發(fā)了新的實(shí)驗(yàn)、發(fā)表高水準(zhǔn)的論文或指導(dǎo)學(xué)生獲得各類獎(jiǎng)項(xiàng)等,均可得到一定的經(jīng)費(fèi)補(bǔ)貼。

由于管理措施得當(dāng),獎(jiǎng)罰條例分明,老師和同學(xué)參與開放實(shí)驗(yàn)的熱情很高。近年來(lái),化學(xué)系開出的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)30余個(gè)/年,參與學(xué)生超過(guò)3 000人次/年(來(lái)自9個(gè)院系),開放總量達(dá)10 000人時(shí)/年,在學(xué)校各院系中名列前茅。

3 教學(xué)效果分析

開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)意識(shí)及動(dòng)手能力上成效顯著,表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

(1)學(xué)生的主動(dòng)性加強(qiáng)。常規(guī)課堂實(shí)驗(yàn)一般要保證成功,學(xué)生承擔(dān)較大的壓力,操作過(guò)程中一旦碰到問(wèn)題,就習(xí)慣性地尋求老師的幫助,久而久之,產(chǎn)生了思維上的惰性。開放實(shí)驗(yàn)則鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行新的嘗試,不行再重來(lái),遇到困難時(shí)學(xué)生會(huì)自己動(dòng)腦筋想點(diǎn)子,即使實(shí)驗(yàn)失敗了,在和老師交流討論中也更加自覺(jué)和坦誠(chéng),這種主動(dòng)性學(xué)習(xí)能力的獲得使他終身受益。

(2)綜合技能提高。以參加學(xué)科競(jìng)賽為例,以前學(xué)生碰到不太熟悉的儀器和陌生的內(nèi)容就慌慌張張,覺(jué)得無(wú)從下手。經(jīng)過(guò)開放實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練,其心理素質(zhì)和應(yīng)變能力得到加強(qiáng),遇事不再那么緊張,通過(guò)閱讀說(shuō)明結(jié)合向老師的提問(wèn),最終總能較完整地完成實(shí)驗(yàn)。在近兩屆上海市大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽中,我校學(xué)生進(jìn)步明顯,取得了3個(gè)一等獎(jiǎng)、3個(gè)二等獎(jiǎng),尤其在2012年度競(jìng)賽中,來(lái)自應(yīng)化專業(yè)的寧超同學(xué)還獲得了個(gè)人全場(chǎng)第一名。同濟(jì)也連續(xù)多年舉辦校內(nèi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽,我們做過(guò)統(tǒng)計(jì),參與開放實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)學(xué)生的獲獎(jiǎng)比例遠(yuǎn)超過(guò)入學(xué)成績(jī)更高專業(yè)的學(xué)生。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)數(shù)年的教學(xué)實(shí)踐,化學(xué)系倡導(dǎo)的“分層次、跨學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”逐步獲得了學(xué)校的認(rèn)可,成為同濟(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)亮點(diǎn),校長(zhǎng)及教務(wù)部門領(lǐng)導(dǎo)也多次來(lái)化學(xué)系考察。接下來(lái),我們將把開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)作為下階段的工作重點(diǎn),積極配合學(xué)校的“卓越工程師計(jì)劃”和“卓越生源計(jì)劃”,進(jìn)一步加大開放的力度,將開放的范圍從校內(nèi)拓展到校外,和兄弟高校甚至中學(xué)形成聯(lián)動(dòng),使更多的學(xué)子能從中受益。

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