生物學(xué)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與研究

顧 昊， 孫智杰， 李 勤

(北京理工大學(xué) 生命學(xué)院， 北京 100081)

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生物學(xué)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與研究

顧 昊， 孫智杰， 李 勤

(北京理工大學(xué) 生命學(xué)院， 北京 100081)

虛擬實(shí)驗(yàn)是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心發(fā)展起來的一種新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑谟?jì)算機(jī)上營(yíng)造出類似于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，從而對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到輔助、部分替代甚至全部替代的作用。分析了北京理工大學(xué)傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的時(shí)間、空間限制和課程局限性等普遍問題，提出了生物學(xué)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。由于虛擬實(shí)驗(yàn)自身獨(dú)特的特征，從而使生物學(xué)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具有突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí)空限制、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)新以及提高學(xué)生實(shí)踐能力等優(yōu)點(diǎn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 生物學(xué)

0 引 言

隨著教育信息化不斷深入和互聯(lián)網(wǎng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不能滿足大部分高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。如何在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上結(jié)合信息化時(shí)代的各類技術(shù)，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新模式成為當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和發(fā)展的重要課題[1-2]。

在眾多信息化技術(shù)中，以多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心發(fā)展起來的虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被逐漸應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從而對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到輔助、部分替代甚至全部替代的作用[3-6]。本文將結(jié)合北京理工大學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，討論虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的“虛實(shí)結(jié)合”生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式以及該模式對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用和意義。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

1.1 時(shí)間限制

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)包括了基礎(chǔ)生物學(xué)、生物化學(xué)、生物技術(shù)工程、生理解剖、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)和微生物學(xué)等多門實(shí)驗(yàn)課程。總體來說，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)具有前期準(zhǔn)備工作時(shí)間長(zhǎng)和實(shí)驗(yàn)過程耗時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)。因此，實(shí)驗(yàn)課堂上如果學(xué)生操作不當(dāng)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤或者實(shí)驗(yàn)失敗，學(xué)生將無(wú)法再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作；其次，對(duì)于一些轉(zhuǎn)瞬即逝、重現(xiàn)性與可見度較差的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,學(xué)生也不容易在首次觀察時(shí)得出正確的結(jié)論。

從外因看，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于受到教學(xué)課時(shí)數(shù)、學(xué)生人數(shù)等因素的制約，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間普遍較少，從而影響生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。例如在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)，學(xué)生無(wú)法在課堂上反復(fù)進(jìn)行實(shí)踐操作和練習(xí)，也缺乏足夠思考的時(shí)間；有些實(shí)驗(yàn)安排2或3人一組甚至更多，一些學(xué)生就沒有動(dòng)手的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力較差。

1.2 空間限制

傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生在課堂上完成實(shí)驗(yàn)操作，記錄下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，隨后再書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。大部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告都存在“千篇一律”的問題，學(xué)生機(jī)械地搬抄實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)步驟等內(nèi)容，很少有學(xué)生詳細(xì)地描述實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所引發(fā)的思考。其中一個(gè)重要的原因是學(xué)生在離開實(shí)驗(yàn)室后，對(duì)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果開始印象模糊甚至遺忘，而學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室外沒有再次復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程的機(jī)會(huì)。

此外，當(dāng)前很多高校都采用兩地辦學(xué)的模式。由于新、老校區(qū)距離較遠(yuǎn)，對(duì)學(xué)生和教師的出行造成了很大的不便，同時(shí)也給本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了地域限制，例如老校區(qū)的實(shí)驗(yàn)室很難面向新校區(qū)的學(xué)生開放；而新校區(qū)一些新的儀器設(shè)備也無(wú)法提供給老校區(qū)。

1.3 實(shí)驗(yàn)課程局限性

每學(xué)期生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的課時(shí)數(shù)是一定的，盡管任課教師會(huì)精心挑選和準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)課程，但是無(wú)法保證課程的全面性，一些綜合實(shí)驗(yàn)、大型培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)也很難向?qū)W生提供。同時(shí)，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件要求高，一些生物實(shí)驗(yàn)還需要在無(wú)菌室進(jìn)行操作，給教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)造成種種困難。因此，教師在安排實(shí)驗(yàn)課程時(shí)會(huì)將條件苛刻、不易實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)排除在外。還有一些生物實(shí)驗(yàn)涉及高危、極端環(huán)境，不可及、不可逆操作以及高成本、高消耗等因素，通常這樣的實(shí)驗(yàn)也不會(huì)被編入教學(xué)計(jì)劃內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)課程的局限性將直接導(dǎo)致學(xué)生很難全面掌握實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)技能，很大程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)基本概念和特征

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。而虛擬實(shí)驗(yàn)室是依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的一種實(shí)驗(yàn)室模型，是基于Web 3D技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化[7-8]。

虛擬實(shí)驗(yàn)包括以下基本特征：

(1) 高度仿真。虛擬實(shí)驗(yàn)是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的仿真模擬系統(tǒng)，逼真地還原了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。學(xué)生可在3D交互虛擬環(huán)境中進(jìn)行各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)操作，包括樣品準(zhǔn)備、儀器設(shè)備操作、樣品采集、數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)等。通過演示實(shí)驗(yàn)過程、儀器設(shè)備構(gòu)造、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等細(xì)節(jié)，使學(xué)生直觀、完整地了解生物實(shí)驗(yàn)的流程。

(2) 交互性。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K是根據(jù)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的基本原理進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)的。學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，然后界面對(duì)每一個(gè)操作步驟給出反饋。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作向?qū)W生提供分析數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(3) 多層次、內(nèi)容豐富。虛擬實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開發(fā)出多種的仿真軟件，并建立仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型庫(kù)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不同需求，教師可以在不同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中從虛擬器材庫(kù)任意選擇合適的器材搭建所需實(shí)驗(yàn)?zāi)K，再讓學(xué)生自己動(dòng)手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，完成實(shí)驗(yàn)。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展

虛擬實(shí)驗(yàn)起源于20世紀(jì)末，是科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中較為年輕的分支，其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段[9]：

(1) 思維模型與邏輯分析階段。該階段以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以邏輯推理為根據(jù)，在思想中塑造實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)驗(yàn)方式。

(2) 計(jì)算機(jī)仿真階段。20世紀(jì)60～80年代，以系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在一定假設(shè)條件下利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行信息處理。

(3) 虛擬現(xiàn)實(shí)階段。20世紀(jì)80年至今，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過模擬人與周圍真實(shí)環(huán)境交互方式而建立的觀察界面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程。

近年來，隨著高校教育信息化的不斷推進(jìn)，虛擬實(shí)驗(yàn)得到了快速發(fā)展。而各類虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用平臺(tái)和計(jì)算機(jī)軟硬件層出不窮，也為虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展注入了新的活力。

3 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

生物學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是指利用網(wǎng)絡(luò)和虛擬實(shí)驗(yàn)等手段，面向?qū)W生提供多門生物學(xué)真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式(見圖1)。該模式在原有的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為學(xué)生在線提供相對(duì)應(yīng)的虛擬生物實(shí)驗(yàn)以及大型的虛擬生物實(shí)驗(yàn)，以方便學(xué)生在網(wǎng)上自主地開展生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)工作和一系列由于條件限制實(shí)驗(yàn)室無(wú)法向?qū)W生提供的生物實(shí)驗(yàn)操作。

圖1 生物學(xué)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)框架

3.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)“虛實(shí)結(jié)合”意在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)，為學(xué)生在線提供大量與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)，以方便學(xué)生在網(wǎng)上自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。根據(jù)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，將不同的生物實(shí)驗(yàn)分成虛擬平面操作系統(tǒng)[10]和虛擬3D仿真操作系統(tǒng)[11-12]。

虛擬平面操作系統(tǒng)是指基于某個(gè)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系和數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的模型化。例如微生物實(shí)驗(yàn)中的細(xì)胞計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)細(xì)胞計(jì)數(shù)的原理和方法，在計(jì)算機(jī)上展現(xiàn)出血球計(jì)數(shù)板平面模型，學(xué)生可以在此模型上練習(xí)細(xì)胞計(jì)數(shù)并得到計(jì)數(shù)結(jié)果。

虛擬3D仿真操作系統(tǒng)是模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中的場(chǎng)景，使學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)后“身臨其境”地體驗(yàn)?zāi)硞€(gè)生物實(shí)驗(yàn)的完整過程，包括儀器設(shè)備的搭建、實(shí)驗(yàn)器材的選擇以及實(shí)驗(yàn)過程的操作，最后完成實(shí)驗(yàn)并得到數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.2 大型實(shí)驗(yàn)虛擬練習(xí)

虛擬實(shí)驗(yàn)的另一大特點(diǎn)是可以為“某一類”不易實(shí)現(xiàn)的生物實(shí)驗(yàn)提供虛擬的操作機(jī)會(huì)，例如涉及高危或極端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，大型或綜合訓(xùn)練以及高能耗、高成本的實(shí)驗(yàn)。通過這一類實(shí)驗(yàn)的虛擬設(shè)計(jì)，向?qū)W生提供全面的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，以滿足學(xué)生在校期間無(wú)法接觸到的各類生物實(shí)驗(yàn)或者大型實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練機(jī)會(huì)。

基于上述目的，在傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上開展更多的生物虛擬實(shí)驗(yàn)，包括大型生物發(fā)酵生產(chǎn)工藝、生物制劑生產(chǎn)工藝以及生物安全三/四級(jí)實(shí)驗(yàn)室模擬等。

4 虛實(shí)結(jié)合在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義

4.1 突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí)空限制

虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)可以有效地緩解高校在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地和器材等方面普遍面臨的困難和壓力，而且開展網(wǎng)上虛擬生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“時(shí)、空”的限制。無(wú)論是學(xué)生還是教師，都可以自由、無(wú)顧慮地隨時(shí)隨地上網(wǎng)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。

生物學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上為學(xué)生提供了多渠道的生物實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)途徑。學(xué)生在計(jì)算機(jī)上通過仿真實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，進(jìn)一步加強(qiáng)真實(shí)生物實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

此外，虛擬實(shí)驗(yàn)還為高校兩地辦學(xué)的模式提供了信息化服務(wù)手段。教師可以利用網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)資源為新、老校區(qū)學(xué)生創(chuàng)建資源共享的網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以緩解新、老校區(qū)地域差異給教學(xué)帶來的限制。

4.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)新

生物學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式無(wú)疑是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降耐黄啤Ｌ摂M實(shí)驗(yàn)是建立在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(平臺(tái)仿真)之上，注重實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性，學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬操作并獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果。同時(shí)隨著技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)不再局限于簡(jiǎn)單的桌面操作，3D立體眼鏡、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋器和頭盔顯示器等虛擬現(xiàn)實(shí)硬件產(chǎn)品不斷推陳出新，從而為學(xué)生提供更加真實(shí)的體驗(yàn)和服務(wù)[13-14]。

生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)不僅補(bǔ)充或替代了傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)以及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)也為目前的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來新的發(fā)展[15-16]。

4.3 提高學(xué)生實(shí)踐能力

傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于受到時(shí)間、空間和課程的限制，使學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐時(shí)間較短，從而導(dǎo)致學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能不過關(guān)。“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式使學(xué)生可以通過上網(wǎng)在計(jì)算機(jī)上操作虛擬實(shí)驗(yàn)，預(yù)習(xí)或者復(fù)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，從而彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間短、學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上沒有機(jī)會(huì)動(dòng)手的情況。除此之外，大型的虛擬生物實(shí)驗(yàn)還給學(xué)生提供了實(shí)訓(xùn)的機(jī)會(huì)。

總之，虛擬實(shí)驗(yàn)使學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室外有機(jī)會(huì)操作仿真的生物實(shí)驗(yàn)，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和實(shí)踐操作能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

近年來隨著虛擬實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)和發(fā)展，將虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合將會(huì)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的模式。通過生物學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可以在一定程度上解決當(dāng)前生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的一些問題，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)的目的。

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Research of Actual and Virtual Combined Experimental Teaching Model in Biology

GUHao,SUNZhi-jie,LIQin

(School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Virtual experiment is a new experimental model developed based on virtual reality technology. It creates a hardware and software operating environment to simulate the traditional experiment by using computer, and plays a secondary role, sometimes, it partly or all substitutes traditional experiments. This paper analyzed the common problems of the traditional biological experiment teaching such as limitations in time, space and courses in Beijing Institute of Technology, and presented a new teaching model by combining actual experiment with virtual experiment. Because of the unique characteristics of virtual experiment, it broke the traditional experimental teaching constraints of time and space, started a new experimental teaching mode, and improved the students’ practical ability.

virtual experiment; experimental teaching; biology

2015-04-21

顧 昊(1983-)，女，浙江湖州人，博士，講師，研究方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。Tel.：010-68914504；E-mail：guhao@bit.edu.cn

Q 331; G 434

A

1006-7167(2016)04-0108-03