工科院校物理演示實(shí)驗(yàn)體系的實(shí)踐與探索

靳辰飛， 張思琦， 韓 權(quán)， 張伶莉， 王曉鷗， 趙 遠(yuǎn)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

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工科院校物理演示實(shí)驗(yàn)體系的實(shí)踐與探索

靳辰飛， 張思琦， 韓 權(quán)， 張伶莉， 王曉鷗， 趙 遠(yuǎn)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

傳統(tǒng)的大學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)主要是以輔助學(xué)生掌握物理知識為目的。然而，這種演示實(shí)驗(yàn)形式上過于簡單直觀，無法引起學(xué)生的深入思考和探究，而且學(xué)生只能被動接受，無法參與到演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、制作、演示等環(huán)節(jié)。論文結(jié)合自身特色并且圍繞培養(yǎng)學(xué)生從知識學(xué)習(xí)能力向科研創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力轉(zhuǎn)變的目標(biāo)，構(gòu)建多層次演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系并開展了相應(yīng)的教學(xué)方法改革。多年的教學(xué)實(shí)踐表明了這種演示實(shí)驗(yàn)體系能夠很好地調(diào)動學(xué)生獲取知識的主動性和鍛煉思維能力，在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和科研創(chuàng)新能力方面發(fā)揮著重要的作用。

演示實(shí)驗(yàn)； 大學(xué)物理； 教學(xué)方法改革； 工科院校

0 引 言

物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，這決定了物理演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理的教學(xué)中占有十分重要的地位。物理演示實(shí)驗(yàn)是指教師在講授物理知識的過程中為配合教學(xué)內(nèi)容而演示給學(xué)生看，在操作的同時引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察、思考和分析的一種物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式[1]。其目的就是把要研究的物理現(xiàn)象清晰地展示給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生觀察思考和理解物理規(guī)律。近些年，美國大學(xué)包括美國哈佛大學(xué)，伯克利學(xué)院、北加利弗尼亞的州立大學(xué)， 以及馬里蘭大學(xué)的物理演示實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站相當(dāng)出色[2-4]。這些大學(xué)非常重視演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)， 力求通過多種形式包括實(shí)物演示、計(jì)算機(jī)模擬、動態(tài)電影、靜態(tài)掛圖展示、音視頻等感官刺激達(dá)到提高學(xué)生的興趣和注意力的目標(biāo)。國內(nèi)的一些高校包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)、北方交通大學(xué)、電子科技大學(xué)等也取得了不錯的效果[5-6]。這些大學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)不但涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等全部物理學(xué)內(nèi)容，而且還通過開放性演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括走廊演示、趣味演示、網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)等進(jìn)一步地提高學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的積極參與性和學(xué)習(xí)興趣。教育部在2004年頒布的“非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求”中明確指出：大學(xué)物理課程的主要內(nèi)容都應(yīng)有演示實(shí)驗(yàn)(實(shí)物演示和多媒體仿真演示)，其中實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)目不應(yīng)少于40個。實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)可以采用多種形式進(jìn)行，如課堂實(shí)物演示、開放演示實(shí)驗(yàn)室、演示實(shí)驗(yàn)走廊等。傳統(tǒng)的課堂演示實(shí)驗(yàn)的主要是以輔助學(xué)生掌握知識為目的。這種演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與大學(xué)物理講授內(nèi)容直接對應(yīng)，并且開設(shè)的演示項(xiàng)目則為了驗(yàn)證課堂教學(xué)的基本思想、原理和結(jié)論[7-10]。然而，這種演示實(shí)驗(yàn)形式上過于簡單直觀，無法引起學(xué)生的深入思考和探究，而且學(xué)生只能被動接受，無法參與到演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、制作、演示等環(huán)節(jié)，難以起到培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力的作用。因此，我們結(jié)合學(xué)校的工科特色和物理系的學(xué)科優(yōu)勢，開展了建立新型大學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)想和實(shí)踐工作，培養(yǎng)學(xué)生從知識學(xué)習(xí)能力向科研創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力轉(zhuǎn)變。

1 演示實(shí)驗(yàn)平臺的項(xiàng)目建設(shè)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)是首批進(jìn)入國家“211工程”和“985工程”一所工科院校。自從上世紀(jì)80年代末，哈工大物理系在全國率先創(chuàng)建了“海王演示展示實(shí)驗(yàn)中心”(面積約60 m2)，旨在加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)和加強(qiáng)理論課的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。哈工大海王演示實(shí)驗(yàn)展覽室曾經(jīng)是省級獲獎項(xiàng)目，對擴(kuò)大學(xué)生的視野，提高學(xué)生對物理的理解和對科學(xué)的興趣極為重要。2006年，學(xué)校又對大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室投入120萬元對“海王”實(shí)驗(yàn)室的硬件和環(huán)境進(jìn)行了改造和建設(shè)(面積約180 m2)，成為當(dāng)時國內(nèi)高校中最先進(jìn)的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)展覽室之一。近些年，大量的經(jīng)費(fèi)投入使得我校演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)得到了很大的提高。通過不斷的教學(xué)改革和借鑒國外知名高校的教育理念，我校在物理演示實(shí)驗(yàn)體系的項(xiàng)目建設(shè)和實(shí)踐方面取得了較大的進(jìn)步。2013年，哈工大大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室再次投入上百萬元對演示實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行改造和提升。目前，我校的大學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)是全校大學(xué)物理七個系列課程的重要的教學(xué)手段，全校有將近4 000名學(xué)生受益。已經(jīng)開設(shè)的演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總計(jì)有210個，均涵蓋了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、振動與波動、光學(xué)、近代物理等全部物理學(xué)內(nèi)容(比例分布見圖1)。

圖1 演示實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)分布比例圖

我校的實(shí)驗(yàn)室平臺建設(shè)主要在如下三方面進(jìn)行改造和提升：

(1) 對于電磁學(xué)、力學(xué)等經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)容，增加演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)套數(shù)；對于大學(xué)物理而言，力學(xué)、電磁學(xué)等經(jīng)典物理理論是學(xué)生掌握大學(xué)物理知識的基礎(chǔ)，也是學(xué)生們最先接觸到的內(nèi)容。相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目突出的特點(diǎn)是形象直觀、現(xiàn)象明顯，而且和教學(xué)內(nèi)容結(jié)合緊密，有助于學(xué)生對物理概念的理解，提高學(xué)生對物理學(xué)的興趣，最適合在課堂上演示。而我校大學(xué)物理課程具有授課信息量大、上課班級多、授課時間密集的特點(diǎn)。經(jīng)常出現(xiàn)多位老師同時需要同一演示實(shí)驗(yàn)儀器的現(xiàn)象。為了緩解這一問題，我們大幅度地增加這一部分演示實(shí)驗(yàn)的儀器套數(shù)。到2014年為止，我們的演示實(shí)驗(yàn)平臺可為這一部分的單次教學(xué)內(nèi)容提供4套教學(xué)儀器，確保每堂教學(xué)課有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(2) 提高研究探索性物理演示實(shí)驗(yàn)的比例。研究探索性物理演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和所反映的物理內(nèi)容不是簡單的對應(yīng)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只是表象，其所反映的物理原理需要更深層次的思考，甚至需要一些定量的分析才能揭示出物理的本質(zhì)。這類實(shí)驗(yàn)以近代實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)為主，所反映的物理內(nèi)容可能同時涉及到電子學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)、量子物理等諸多學(xué)科領(lǐng)域之間的交叉。這類實(shí)驗(yàn)如記憶合金水車，首先揭示了能量守恒的基本原理，同時也蘊(yùn)含著材料學(xué)領(lǐng)域的研究前沿。再如通過定量的測量和計(jì)算來揭示量子規(guī)律的弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)，還有利用宏觀現(xiàn)象反映微觀行為的電子衍射儀等等。通過這樣的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和科研思維，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從單純的知識學(xué)習(xí)向創(chuàng)新研究的轉(zhuǎn)變。

(3) 利用光學(xué)學(xué)科優(yōu)勢，增加自制光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)。哈工大是一所以“工程師的搖籃”而著稱的工科院校，對學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)也是學(xué)校培養(yǎng)計(jì)劃的重點(diǎn)目標(biāo)。而物理系的光學(xué)學(xué)科在歷次的學(xué)科評估中均被評為是國家重點(diǎn)學(xué)科。在光學(xué)學(xué)科下，凝聚了一大批國內(nèi)外優(yōu)秀的光學(xué)領(lǐng)域的專家學(xué)者，多數(shù)老師都承擔(dān)著基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面的課題項(xiàng)目。借助著這種學(xué)科優(yōu)勢，我們在大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)中吸納了很多老師的研究成果。實(shí)驗(yàn)室提供一定的經(jīng)費(fèi)，由老師帶學(xué)生將研究成果轉(zhuǎn)化為自制演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備。這些實(shí)驗(yàn)即強(qiáng)調(diào)前沿性，如壓縮傳感、光通訊及干涉測量等，也注重應(yīng)用性，如激光掃描成像、3D裸眼視覺、激光竊聽等。學(xué)生在參與制作的過程中，可以很好地提高工程實(shí)踐能力。

2 物理演示實(shí)驗(yàn)體系的教學(xué)實(shí)踐

對于傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)而言，演示實(shí)驗(yàn)以課堂教學(xué)為主，以輔助學(xué)生對知識的理解為目的，這種模式依然是一種單向式教學(xué)，而且也忽視了其對學(xué)生科研創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。教育部提倡國內(nèi)高校應(yīng)建立開放性的物理演示實(shí)驗(yàn)室，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生自己動手觀察實(shí)驗(yàn)，思考和分析問題，進(jìn)行定性或半定量驗(yàn)證[11]。近些年，國內(nèi)一些高校重視以“開放、互動”為特色的分層次物理演示實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，通過教學(xué)效果、促進(jìn)科研等方面的建設(shè)實(shí)踐已經(jīng)取得了良好的演示教學(xué)效果[12-14]。我們結(jié)合自身“工科”特色并且圍繞培養(yǎng)學(xué)生自主探究意識和提高科研創(chuàng)新能力這一教學(xué)目標(biāo)，開展了多種途徑輔助演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的系列措施。具體來說，主要體現(xiàn)以下幾方面：

2.1 課堂演示、圓桌討論、展覽室參觀相結(jié)合

我們將課堂演示、圓桌討論、展覽室參觀作為直接教學(xué)實(shí)踐的主要方式。首先強(qiáng)調(diào)課堂演示教學(xué)的效果的提高，主要從教的環(huán)節(jié)入手，加大對任課老師的培訓(xùn)力度。目前，很多購買的儀器設(shè)備往往無法直接與授課知識點(diǎn)一一對應(yīng)，這就要求任課教師必須精心準(zhǔn)備課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)演示現(xiàn)象和教學(xué)內(nèi)容的“無縫對接”。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)目多，工作量大，我們組織大學(xué)物理教研室的所有老師，采用分工協(xié)作、共同討論的方式。首先進(jìn)行分組學(xué)習(xí)，每三位老師負(fù)責(zé)20多個演示實(shí)驗(yàn)的原理說明、演示流程、注意事項(xiàng)的編寫。然后，分組老師在每周的教研室的例會上為所有的老師做現(xiàn)場演示，通過大家的充分的交流和討論，確定每一個演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)材料；最后，每位老師按照各自的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，將大家擬定好的演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排到教學(xué)環(huán)節(jié)中，這樣大家即有統(tǒng)一的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，又保留了各自的教學(xué)特色。經(jīng)過一年的強(qiáng)化訓(xùn)練，我們的課堂演示實(shí)驗(yàn)的效果明顯提高，學(xué)生對大學(xué)物理的興趣也更為濃厚。

其次，我們還借鑒國外知名高校新的教育模式，提出了“圓桌討論”式教學(xué)模式以培養(yǎng)學(xué)生探索物理知識的能力，以及在集體環(huán)境中培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。該教學(xué)模式最早是由美國倫塞勒工學(xué)院創(chuàng)立的一種集成了理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式[15]。目前，這種教學(xué)模式已在美國、我國臺灣地區(qū)以及一些歐洲國家的大學(xué)盛行了將近20年的時間，并取得了良好的教學(xué)成效。2014年春季學(xué)期，我們從2013級英才學(xué)院抽出一個班級共計(jì)37名大學(xué)一年級新生作為教學(xué)試點(diǎn)班，進(jìn)行工作室物理教學(xué)嘗試[16]。教學(xué)采取傳統(tǒng)授課和圓桌教學(xué)相結(jié)合的模式。37名學(xué)生被分為4個討論小組，每組9或10人，共用一個由四張課桌拼接而成的平臺，每個小組配備一套演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生可以自由操作并討論。在這次工作室物理教學(xué)模式嘗試中，我們在課堂氣氛、學(xué)習(xí)研究等方面取得了較滿意的教學(xué)效果，包括課堂氣氛更加活躍、學(xué)習(xí)更加輕松快樂，對問題的研究更加深入。

最后，我們實(shí)行演示實(shí)驗(yàn)展覽室全天對學(xué)生開放教學(xué)模式。目前，我們的演示實(shí)驗(yàn)平臺已有的演示實(shí)驗(yàn)總套數(shù)接近500套，涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等諸多內(nèi)容。 展覽室開放以來，年均接待學(xué)生5 000人次。此外，作為學(xué)校的接待窗口，接待了來校訪問的專家，進(jìn)修人員，中學(xué)生參觀團(tuán)，有關(guān)會議代表等等，均引起了參觀者的極大興趣和好評。我們對不同層次采用不同的解說方式和參觀重點(diǎn)，得到參觀者的高度評價。另外，結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)展覽室的條件，組織學(xué)習(xí)大學(xué)物理的工科本科生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)合工科的特點(diǎn)、物理原理的具體應(yīng)用，指導(dǎo)學(xué)生研究一些具有實(shí)用價值的小題目，使大學(xué)物理教學(xué)與培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力有機(jī)結(jié)合起來并落到實(shí)處。

2.2 課余提高興趣——創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、物理節(jié)、物理競賽

為了更加豐富物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)涵，我們還高度重視課堂外活動對大學(xué)生物理興趣和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。多年來，我們開展的一些課余活動包括創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、物理節(jié)、物理競賽受到了在校學(xué)生的熱烈歡迎和積極參與。

(1) 憑借 “985”院校的工科特色和學(xué)科優(yōu)勢，我們多年來致力于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄Υ髮W(xué)生綜合素質(zhì)及實(shí)踐能力的培養(yǎng)研究。通過申請學(xué)校支持的“科技創(chuàng)新”項(xiàng)目，本科生不但有機(jī)會獨(dú)立地完成科研項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備及實(shí)施全過程，而且能切身地體會到科研工作背后的苦樂酸甜，并獲得自身能力及素質(zhì)的提高。

(2) 自2005年起至今，我們每年舉辦1次校內(nèi)物理節(jié)，主旨在于展示物理學(xué)的魅力、激發(fā)物理學(xué)習(xí)興趣并活躍學(xué)術(shù)氛圍。通過開設(shè)多種形式的活動如物理知識競賽、激光武器講座、物理知識講座等，而趣味實(shí)驗(yàn)活動則是物理節(jié)上一個必不可少的組成部分。在這個活動中，我們將大量的演示實(shí)驗(yàn)儀器擺放在學(xué)生們常經(jīng)過的場所、如教室里、食堂門口、活動中心等(見圖1)。路過的學(xué)生隨時可以圍過來動手嘗試一下，這種“寓學(xué)于樂”的活動很受學(xué)生的歡迎，極大提高了學(xué)生對物理學(xué)的興趣。

圖1 演示實(shí)驗(yàn)在課外活動中的作用

(3) 自2011年起至今，我校每年舉辦一次校大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽活動。這次活動旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和實(shí)踐能力，同時也為全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽選拔參賽隊(duì)員。在這兩次競賽活動中，無論是賽前的選手培訓(xùn)，還是賽場上現(xiàn)場演示答辯，我們的物理演示實(shí)驗(yàn)平臺均起到了重要的作用。我校先后在全國的大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽中取得可喜的成績，分別榮獲了2012年的全國比賽二等獎、2013年的全國比賽一等獎和2014年唯一的特等獎。

2.3 演示實(shí)驗(yàn)體系的考核評估

在大學(xué)物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中, 我們通過在學(xué)期末大學(xué)物理試卷中引入演示實(shí)驗(yàn)的考核來定量評估物理演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)際教學(xué)效果(如學(xué)生的掌握情況, 演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目合理性)。根據(jù)學(xué)生專業(yè)特色和物理基礎(chǔ)的具體情況劃分, 大學(xué)物理分為三個層次。在大學(xué)物理的試卷中，共設(shè)置5道演示實(shí)驗(yàn)題目，要求學(xué)生任意選擇一題，總分值為5分。我們定量地對答題內(nèi)容進(jìn)行評分。表1給出了2004年春季學(xué)期我校物理演示實(shí)驗(yàn)0～5分?jǐn)?shù)段情況(近3 074人)。從整體上看，0～4分?jǐn)?shù)占較小的比例，而5分則占近70%比例。這說明大多數(shù)學(xué)生對演示實(shí)驗(yàn)有較深的印象，對其蘊(yùn)含的物理概念有著較為深入的理解，并且能夠很好地掌握演示實(shí)驗(yàn)所對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。

表1 演示實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)分布情況(2004年春季學(xué)期)

3 結(jié) 語

本文介紹了哈工大的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)體系的平臺建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐。該演示實(shí)驗(yàn)體系充分地體現(xiàn)了學(xué)校的工科特色和物理系的學(xué)科優(yōu)勢。我們將課堂演示、圓桌討論、展覽室參觀作為直接教學(xué)實(shí)踐的主要方式，培養(yǎng)學(xué)生從知識學(xué)習(xí)能力向科研創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力轉(zhuǎn)變。我們還開展了系列措施包括創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、物理節(jié)、物理競賽等潛移默化地啟發(fā)學(xué)生的科研興趣和激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主探究意識和提高科研創(chuàng)新能力的人才培養(yǎng)目標(biāo)。最后，還將演示實(shí)驗(yàn)考核引入到大學(xué)物理課程的考核當(dāng)中，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評估。

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Practice and Explore on Physics Demonstration Experiment System of Engineering Colleges

JINChen-fei,ZHANGSi-qi,HANQuan,ZHANGLing-li,WANGXiao-ou,ZHAOYuan

(Department of Physics，Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China)

In universities, traditional physics classroom demonstration experiments mainly help students to acquire knowledge of physics. However, these demonstration experiments are too simple and intuitive in form to stimulate students the deeply consideration and exploration of physical natures. The students passively accept knowledge and unable to participate in the design, production, presentation of these demonstration experiments. Considering our own characteristics and students’ conversion from the ability to learn knowledge to the research innovation capacity and engineering practice capacity, we launch a teaching reform and put it into practice around this new multi-level demonstration experiment system. Years of teaching practice shows that such a demonstration experiment system through interactive teaching can greatly excite students to gain knowledge and exercise thinking ability. Thus, it plays an extremely important role in enhancing students’ comprehensive quality and research innovation capacity.

demonstration experiment; university physics; teaching methods reform; engineering colleges

2015-04-21

黑龍江省高等學(xué)校教改工程項(xiàng)目(JG2013010239)

靳辰飛(1979-)，男，內(nèi)蒙古集寧人，博士，副教授，主要從事大學(xué)物理、光電信號檢測與處理等課程的教學(xué)。

Tel.：0451-86414132；E-mail：jinchenfei@hit.edu.cn

O 4-33，G 420

A

1006-7167(2016)04-0194-04