智慧語言實驗室的概念、架構與建設研究*

周永勝 陳 剛 宋 祝 尹華玲

智慧語言實驗室的概念、架構與建設研究*

周永勝 陳 剛 宋 祝 尹華玲

（重慶科技學院 外國語學院，重慶 401331）

隨著現代信息技術的發(fā)展，語言實驗室逐漸從數字化、智能化向智慧化演變，對智慧語言實驗室的研究成為時代所需?；诖耍恼率紫冉梃b智慧教室“SMART”概念模型，剖析了智慧語言實驗室的基本概念和概念模型。隨后，結合智慧教室和語言實驗室的構成特點，從電路原理框圖的視角，整理出智慧語言實驗室的典型系統(tǒng)架構。最后，從內容呈現、環(huán)境管理、資源獲取、及時互動、情境感知五個維度，論述了智慧語言實驗室的建設思路。文章以外語教學需求為導向，通過對智慧教室和傳統(tǒng)語言實驗室的融合研究，提出相關的建設理念和方法，以期幫助學校和專業(yè)廠商更好地實施語言實驗室的智慧化建設。

智慧教室；“SMART”模型；智慧語言實驗室；及時互動

“語言實驗室”又稱“語音實驗室”或“語音室”，是指利用多種現代教學媒體進行裝備，主要用于學習和研究語言及其相關學科的專用教室。自從1908年法國格勒諾布爾大學第一次使用語言實驗室進行教學以來，其經過不斷迭代發(fā)展，已從機械控制演進到電子控制，從模擬演進到數字，從多媒體演進到網絡化、信息化。而在外語教學中普遍使用的，是數字語言實驗室——這是一種由教師主控單元和學生單元組成的，以實現數字化語言教學及實踐活動為目的的專業(yè)語言學習環(huán)境[1]，其優(yōu)勢之一是學生有更多機會通過錄音活動和配對進行練習[2]。作為我國量大、面廣的外語教學活動“主戰(zhàn)場”，數字語言實驗室的未來發(fā)展受到廣泛關注。多媒體教室作為通用數字化教學環(huán)境，是與數字語言實驗室具有相似功能的教育場景。當前，多媒體教室從數字化、智能化發(fā)展到智慧化，已逐漸演化為智慧教室。從發(fā)展態(tài)勢來看，數字語言實驗室也必將依照多媒體教室的發(fā)展路徑，演化為智慧語言實驗室。然而，目前數字語言實驗室的智慧化研究和建設相對滯后，阻礙了外語教學效率的進一步提升。為此，本研究將系統(tǒng)探究智慧語言實驗室的概念和架構，以及如何借鑒智慧教室的建設經驗構建適用的智慧語言實驗室，以期為學校和專業(yè)廠商更好地開展語言實驗室的智慧化建設提供參考。

一 智慧語言實驗室的基本概念及概念模型

由于外語聽說教學對設備的需要，語言實驗室成為發(fā)展較早并快速演變的綜合性教育技術形態(tài)。如今，隨著現代信息技術的迅猛發(fā)展，語言實驗室的“智慧性”越來越明顯，逐步形成了智慧語言實驗室的雛形。然而，到目前為止，關于智慧語言實驗室還沒有一個普遍認可的基本概念和概念模型，這直接影響相關工作和交流的開展。

1 智慧語言實驗室的基本概念

本研究認為，智慧語言實驗室應該是智慧教室與數字語言實驗室的融合，是語言實驗室的智慧化升級。因此，需要從“智慧教室”概念出發(fā)，結合數字語言實驗室的特點，才能構建合理的“智慧語言實驗室”概念。近年來，研究者對智慧教室概念和構成的論述較多，其中黃榮懷等[3]提出的“SMART”概念模型較有代表性，他們認為智慧教室是集物聯網技術、傳感技術、大數據技術、云計算技術、富媒體技術等于一體的智慧化教學場所，其智慧性表現為內容呈現（Showing）、環(huán)境管理（Manageable）、資源獲?。ˋccessible）、及時互動（Real-time Interactive）、情境感知（Testing）五個維度。“SMART”概念模型合理歸納并凸顯了智慧化特征，對當前智慧教學環(huán)境建設具有一定的指導價值。這里的“情境感知”是指智慧教室對物理環(huán)境和學習行為的感知能力，而有些研究中的情境感知（Situational Perception）包含對教學活動全景、教學互動、師生互評、隨堂測試等諸多情境的感知，其涉及范圍更廣，要注意兩者的區(qū)別。

數字語言實驗室的核心是“數字語言學習系統(tǒng)”，它主要由每個師生位置的語言終端、耳麥、顯示器、控制線路等構成，利用音視頻技術和網絡技術，拾取、處理、傳輸數字化多媒體和控制信息，服務于專業(yè)化的語言教學。盡管通用智慧教室和計算機機房也可以用于語言教學，但關于數字語言學習系統(tǒng)已形成相關的國家和行業(yè)標準，具有應用廣泛、專業(yè)性強、性價比高、使用方便、運行穩(wěn)定、維護簡單等多種優(yōu)勢，值得繼承和發(fā)展。

基于上述分析，本研究認為智慧語言實驗室是一種以數字語言學習系統(tǒng)為基礎（或者整合相關功能），應用物聯網、云計算、大數據、泛在網絡、人工智能、虛擬現實等信息和通信技術構建的新型語言實驗室，它提升了內容呈現、資源獲取、教學交互、情境感知、環(huán)境管理的智慧性，并進一步深化了外語智慧教學。

2 智慧語言實驗室的概念模型

本研究結合智慧教室“SMART”概念模型、傳統(tǒng)語言實驗室的特點和外語教育思想，創(chuàng)建了智慧語言實驗室概念模型，如圖1所示。其中，外語教育思想包括建構主義、情境教學、社會語言學、產出導向法、體驗式外語教學等理論與方法體系。該概念模型以基于語言學習系統(tǒng)的外語智慧教學（內容呈現、資源獲取與及時互動）為核心，結合外語教育思想、現代信息技術、環(huán)境管理和情境感知，共同構成了一個有思想指導和技術支撐、且技術與教學高度融合的智慧語言實驗室概念模型。由于該概念模型酷似一只飛船，故也可稱作“飛船”模型，外語教育思想和現代信息技術是“飛船”的兩只翅膀，而基于語言學習系統(tǒng)的外語智慧教學是遠航的使命。

圖1 智慧語言實驗室概念模型

二 智慧語言實驗室的典型系統(tǒng)架構

除了理論層面的分析，對于實驗室的實際建設還要根據教學需求進行功能規(guī)劃，并在此基礎上進行設備選型和技術集成，因此有必要對通用、成熟和先進的系統(tǒng)架構進行研究。目前智慧教室廠商較多，產品設計架構、功能、成本各不相同，產品的集成度、成熟度、性能也不同，沒有國家或行業(yè)標準可資參考。不過，根據大量高校智慧教室的建設實踐，結合傳統(tǒng)語言實驗室的基本構成，本研究從電路原理框圖的視角，整理出智慧語言實驗室的典型系統(tǒng)架構，如圖2所示。該架構由通用智慧教室系統(tǒng)、數字語言學習系統(tǒng)、播放與擴音系統(tǒng)三大模塊組成，包含7個應用子系統(tǒng)（由于圖形比較復雜，此處不具體呈現）：①通訊傳輸系統(tǒng)，包括交換機、路由器、網關等；②物聯與情境感知系統(tǒng)，包括環(huán)境傳感器、身份驗證、電子班牌等；③融合式交互教學系統(tǒng)（含數字語言學習系統(tǒng)），包括手機、平板、筆記本、大屏、投屏器、師生PC、師生耳麥、語言終端、視頻矩陣等；④智能錄播系統(tǒng)，包括攝像機、吊麥、錄播一體機、服務器等；⑤物聯網管控系統(tǒng)，包括中控、電燈、窗簾、門鎖等；⑥視頻會議系統(tǒng)，包括視頻會議設備、顯示器、攝像機、話筒等；⑦播放與擴音系統(tǒng)，包括拾音器、調音臺、播放器、解碼器、多聲道功放、音箱等。

圖2 智慧語言實驗室的典型系統(tǒng)架構

該架構力求全面展示當前典型的設備及其連接方式，盡量勾畫出多功能型智慧語言實驗室的全貌，從而為學校選擇具體設備提供參考，并為相關的研究奠定基礎。當然，由于各廠商技術方案的不同和模塊化、集成化程度的提高，每個設備的功能設計和整個系統(tǒng)的結構都會有很多變化。該架構圖中，每個學生都配置了語言終端和學生PC，這是一種典型的“終端/計算機結合型”或“雙網多功能型”語言實驗室。有的語言實驗室也將語言終端與PC機、平板電腦或云終端（基于云計算技術的學生終端）整合在一起，或在普通機房中安裝純軟件的語言學習系統(tǒng)，從而實現一室多用。在實際建設中，還可以選配其他設備，但要注意有機整合，避免簡單堆砌。

三 智慧語言實驗室的建設思路

上述智慧語言實驗室的基本概念、概念模型和典型系統(tǒng)架構，為設備建設工作奠定了堅實基礎。本研究從“SMART”概念模型的五個維度出發(fā)，將現代信息技術和外語教育思想融入其中，根據當前設備現狀與發(fā)展趨勢，探討語言實驗室智慧化的建設思路，以供學校參考、選擇。

1 內容呈現智慧化

①增加講臺顯示大屏。當前，多數語言實驗室都給師生配置了耳麥和顯示器，教師主要利用有線耳麥進行教學，師生可以近距離地清晰觀看教學內容，因此一般不再配置大屏幕。在智慧化升級過程中，可以在講臺處增加高清投影儀、觸控一體機、電子白板等大尺寸顯示屏，以支持教師站在大屏幕前的演講式教學，這樣學生便能同時觀看教師的表情、手勢和課件內容，相較于僅僅觀看小屏能產生更豐富的情感交流和更多的共鳴。如果有需要，講臺還可以采用雙觸控大屏呈現對比畫面（如PPT的前后兩頁），或者采用LCD拼接屏、雙短焦投影拼接等進一步增加畫面尺寸，以呈現更多的教學細節(jié)。

②配置智慧黑板（白板）。在語言實驗室進行單詞拼寫和寫作教學時，書寫方式有時比課件呈現能更好地控制節(jié)奏和展示過程，也更易于理解，因此黑板仍然是必需的。但考慮到師生的健康，應避免使用塵粉筆以減少環(huán)境污染，最好選用智慧黑板，如交互式白板、納米黑板、觸控一體機等。智慧黑板支持粉筆、水性筆、油性筆、觸控筆等書寫，字跡清晰，易寫易擦。甚至有的智慧黑板還可以實現漫游書寫和筆鋒效果，支持板書存儲、回放和共享，也支持掃碼下載、公眾號與APP獲取等。此外，講臺也可以采用“互聯黑板+觸控一體機”的雙屏模式，互聯黑板實現板書記憶，并與觸控一體機同步顯示。

③給部分實驗室配置多個大屏。對于學生沒有獨立顯示器的語言實驗室，可以配置講臺大屏和側墻小組屏。多屏系統(tǒng)是小組學習的基本條件，也可以解決位置靠后的學生看不清的問題。多個大屏還能模擬沉浸式學習環(huán)境，增強學習活動的吸引力和娛樂性。在外語教學中同時呈現語言文字、電影視頻、課件、板書等，也為體驗式外語教學創(chuàng)造了條件。即使每個學生都有筆記本電腦，使用共享小組大屏也可以方便學生討論，并有利于教師對小組學習進行觀察和干預，從而獲得更好的教學效果[4]。為了增強小組信息的呈現，小組屏還可以采用雙屏模式。

④提升聽覺呈現效果。語言實驗室中通常使用耳麥進行聽說教學，耳麥數量多且使用頻繁，故障率較高。因此，需要提升耳麥的舒適性、保真性和可靠性。教室的聲學參數主要有噪聲、混響時間、語音傳輸指數（可懂度）和語音清晰度，而背景噪聲和混響越高，語音清晰度和可懂度越差[5]。因此在教室裝修時要考慮聲學需要，背景噪聲以不超過35dB為宜，混響時間在0.4～0.6秒較為合適；同時，要選用優(yōu)質設備，注重改善音質、降低噪聲和營造效果，如數字音頻處理器要具有反饋抑制、自動降噪、頻率均衡、混響控制等功能，使聲音保真、清晰、動聽而不嘯叫。此外，還可以配置多聲道（如5.1聲道）和數字聲場系統(tǒng)，還原真實、震撼的語言場景，這對于外語影視情境教學是很有必要的。

2 環(huán)境管理智慧化

①優(yōu)化基礎裝修。一直以來，語言實驗室在裝修方面投入較少。不過，新時代的學生都喜歡美觀、時尚、舒適的學習環(huán)境，因此有必要對實驗室進行更好的裝修，如使用非白顏色對教室墻面進行涂裝并安裝吸音材料；安裝嵌入式軌道插座，以方便自帶設備的續(xù)航；改用雙層隔音玻璃，以減少環(huán)境干擾；選用帶遮光層的雙層窗簾，以減少自然光影響并更好地吸音；在研討教室墻面涂刷高分子納米材料，同時滿足投影和書寫的要求；在吊頂裝修時選擇LED護眼燈，同時加裝變色效果燈，營造自然、寧靜、清新、溫暖、活潑等各種學習氛圍。

②增強布局的靈活性。語言實驗室受大班教學、布線較多以及空間較小的限制，多為秧苗式教室布局。然而，桌椅固定、環(huán)境保守的傳統(tǒng)教室，極大地限制了師生、學生之間的互動討論，不利于批判性思維的培養(yǎng)[6]。因此，可取消部分語言實驗室課桌上的隔板，便于師生的眼神和情感交流；可以采用多邊形、圓形、扇形、U形等多種形式的布局；可以將講臺置于教室中間，實現師生之間更加平等、深入的交流；可以采用三角形可移動桌椅，結合教室環(huán)境營造虛擬實境的海關、車站、餐廳等英語體驗空間，構建適合英語交際的情景體驗語言實驗室[7]。

③構建物聯網綜合管理平臺。目前，語言實驗室對環(huán)境和設備的控制主要依靠人工，有必要利用物聯網等技術進行集約化管控。智能管控功能包括對設備、供電、門鎖、燈光、窗簾、風扇、空調等進行本地集中控制和網絡化遠程控制，并實現自動控制和手動控制的結合，以及對設備的遠程故障診斷。因此，可以預置各種應用場景，通過一鍵操作，實現上課、下課、多視窗教學、遠程教學等模式的切換，對教學設備和環(huán)境設備進行組合控制[8]；還可以通過可編程中控、IP對講系統(tǒng)或電子班牌，與服務人員及時溝通。

3 資源獲取智慧化

①配置專業(yè)錄播系統(tǒng)。課堂教學錄像是重要的教學資源，廣泛用于督查評教、教師反思、學生復習和教學研究。目前，部分語言實驗室具有“準錄播”功能，能利用教師PC、耳麥和攝像頭，對上課過程中的教師頭像、授課屏幕和講解進行自動錄制。目前，專業(yè)錄播系統(tǒng)已成為智慧教室的核心配置之一，其影音質量是“準錄播”無法比擬的。建設錄播系統(tǒng)應采用先進的圖像識別技術，配合攝像機進行師生的智能定位和動態(tài)跟蹤，實現教學場景切換、特寫等操作，并能通過錄播主控模塊實現智能導播、智能直播和攝像機的智能控制[9]。對于外語精品課的錄制，可以采用廣播級4K錄像和廣播級建筑聲學設計。而對于多校區(qū)的學校，錄播系統(tǒng)宜設計遠程點播、遠程直播、遠程視頻編輯等功能。

②加強影視等高清視頻資源建設。基于對體驗式、情境化外語聽說教學環(huán)境的需要，高清視頻能還原真實的聽說場景，引起感覺和情感的共鳴，使學生更好地理解語言和應用語言。當視覺和聽覺信息同時呈現，或者視覺先于聽覺時，學習才能得到優(yōu)化[10]。通過觀看帶有字幕的視頻來比較聽到、看到、讀到的內容，有利于培養(yǎng)學生的在線閱讀理解能力[11]。除了借助專業(yè)錄播系統(tǒng)、非編系統(tǒng)制作外語視頻，還可以從世界權威網站選取不斷更新的視頻片段，這樣學生能同時獲得語言知識，提升人文素養(yǎng)。

③實現資源的個性化服務。目前，語言實驗室能提供一些簡單的個性化服務，如音視頻的自主點播、分組教學、同傳頻道選聽等，點播中能實現變速播放、書簽設置和句段的復聽。其實，還可以引入更多的個性化服務，如利用Widget整合多渠道教學資源，定制個性化學習場景，智能分析學生的瀏覽行為與習慣，個性化推送學習資源[12]；智能分析每個學生的學習情況，自動推送相關復習內容，進行智能分組和小組輔導；根據教學資料的來源、類型和內容關鍵字，為教師推薦最佳教學模式和輔助工具，如教材類資料的課文講解模式、音視頻類資料的聽力講解模式。

4 及時互動智慧化

①增強多屏互動。語言實驗室大多支持教師屏幕廣播，且支持教師對學生屏幕的監(jiān)看、轉播和鎖定。在智慧化升級中，可以通過雙大屏幕、高分辨率、學生無線顯示等方式來增強演示效果，促進學生對學習內容的展示和分享[13]。在教學互動中，實驗室應支持師生的手寫交互、圖像交互和視頻交互，支持學生終端與小組屏之間、小組屏與小組屏之間、講臺雙屏與小組屏之間的交互[14]。小組屏應具有小組內投屏（最好同時支持有線和無線方式）、接受教師廣播和向全班廣播三大工作模式。顯示大屏最好支持多路信號同時投屏，且支持移動設備和PC混投，以方便同屏對比。

②開發(fā)多元互動。文科課程的教學內容比理工科課程更具有開放性、生成性，更有利于教師利用交互技術開展互動生成性教學[15]。當前，語言實驗室常見的互動功能有學生呼叫、師生對講、學生示范、分組討論、教師監(jiān)聽、文件傳輸、文字交流、學生簽到、作業(yè)與考試等，有的語言實驗室還配置了攝像頭，能進行可視互動。其他可以開發(fā)的互動功能有隨機選人、搶答、游戲、比賽、投票、點贊、發(fā)紅包、評價、互動畫板、論壇與公告等，這些功能可以融入專業(yè)語言教學軟件中。在人機互動方面，觸控一體機在課堂上使用頻繁，因此操作必須簡單、人性化，如通過五指按壓的手勢來實現顯示與書寫功能的切換；有的一體機還能讓顯示窗口下移，以方便不同身高的教師操作；有的白板軟件具有英語專用的四線三格手寫工具，便于英文書寫規(guī)范的教學。在移動教學方面，很多教學網站、APP和公眾號都支持課堂互動；有的無線話筒具有激光教鞭、PPT翻頁、外接話筒、外接音源等功能；有的電容筆能通過語音遙控，打開應用程序、調整音量、黑屏、截屏等。另外，有的錄播系統(tǒng)具有語音轉寫功能，可以將教師的講解實時轉換為原語字幕或中英互譯后的字幕，并能根據字幕進行視頻檢索。

③進行虛擬情境互動。語言互動通常要依托必要的學習情境，虛擬情境的構建可以彌補真實情境的欠缺。當前，虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術被大量引入語言教學，為情境化互動學習提供了技術支持。沉浸式VR學習提供高度的參與性、即時性、個性化學習體驗，交互能力和沉浸式界面已成為VR教學的重要特征。近年來，國家大力倡導虛擬仿真實驗教學課程和平臺的建設，學校與廠商合作，既可以在語言實驗室中融入VR技術，也可以建設專用VR實訓室。

④加強互動信息的記錄和智能分析。對互動學習過程的跟蹤和及時評估，是智慧教學的重要特征。語言實驗室一般都具有測試功能，能進行自動評分、排列名次和分數段分析等，但還缺少對預習、問答、練習、作業(yè)等全過程的記錄和分析。例如，實驗室還需要記錄每個學生每門課程的學習時長、學習筆記、相關練習、學習效果等，方便學生復習和反思；對于學生的教學互動表現，可以在講臺大屏顯示加分、排名、光榮榜等；可以將機器學習應用于語言應用能力的評估和及時反饋，一旦訓練好機器，就可以輕松完成成千上萬的評估任務[16]?？傊梢岳么髷祿cAI技術，對教、學行為數據進行記錄和分析，對寫作（包括手寫）和口語進行智能評閱，幫助師生進行教學診斷和決策。

5 情境感知智慧化

①自然情境的感知與控制。一直以來，語言實驗室建設對自然情境的感知重視不夠。當前，語言實驗室需要借鑒智慧教室的成熟經驗，充分利用傳感器和物聯網獲取的物聯感知（IOT Perception）大數據，實現對物理環(huán)境的健康評價、智能管控和對設備系統(tǒng)的全生命周期管理。利用當前的技術，能夠對實驗室溫度、照度、CO2、PM2.5、煙霧、粉塵、起火、進水、入侵、門磁、電壓、電流等進行環(huán)境和設備狀態(tài)的智能監(jiān)測；同時，能夠根據安全性、舒適性和教學模式（環(huán)節(jié)）的特殊要求，控制空調、電燈、換氣扇、空氣凈化器、窗簾、門鎖、報警器、智能插座等裝置，如根據環(huán)境的光線，自動調整燈光和窗簾；通過人體熱釋電傳感器的感知，自動控制電燈的開和關；當出現煙霧或火光時，啟動報警器等。

②人文情境的感知與反饋。目前，語言實驗室的人文感知功能較弱，有很大的提升空間。對此，可借助眼動儀、高清攝像機等智能設備，充分利用AI技術和圖像分析技術，對人臉及表情，以及抬頭、低頭、睡覺、起立、舉手等行為進行情境感知和記錄[17]。而對人文情境的感知和數據挖掘，可用于無感考勤、學情分析、教學反饋和教學評估等。人文情境的感知技術較多，如通過測量熱紅外圖像，來評估學生的心理狀態(tài)和學習參與度；利用攝像頭、麥克風、觸覺手套等，對課堂演講者進行多模態(tài)感知和情緒識別；利用聲紋識別、語音識別技術，進行自動身份識別和演講統(tǒng)計；利用多功能電子班牌和考勤機，進行考場驗證、體溫檢測和健康碼核驗等。

四 結語

本研究初步梳理了智慧語言實驗室的基本概念、概念模型、典型系統(tǒng)架構和建設思路，有助于高校和專業(yè)廠商在設備建設實踐中，充分考慮設備的功能特點與外語教學需求之間的適應性，合理配置可選用的智慧化設備、設計可規(guī)劃的智慧化功能，從而不斷完善外語智慧教學環(huán)境。此外，本研究對外語同聲傳譯實驗室、VR實驗室以及其他專業(yè)實驗室的智慧化建設也具有一定的參考價值。未來，隨著技術的不斷進步，廠商應充分整合、拓展軟硬件設備的功能并提升相關性能，教育工作者應不斷更新教學理念，以共同促進信息技術與實驗教學的協(xié)同發(fā)展和深度融合，打造更多學科特色突出、應用效果良好的專業(yè)化智慧實驗室。

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Research on the Concept, Architecture and Construction of Smart Language Laboratory

ZHOU Yong-sheng CHEN Gang SONG Zhu YIN Hua-ling

With the development of modern information technology, language laboratory has gradually evolved from digital and intelligent to smart, and the research on smart language laboratory has become the need of the times. Based on this, this paper firstly drew on the “SMART” (Showing, Manageable, Accessible, Real-time Interactive and Testing) conceptual model of the smart classroom, and analyzed the basic concepts and conceptual model of the smart language laboratory. Then, combined with the compositional characteristics of the smart classroom and the language laboratory, this paper sorted out the typical system framework of the smart language laboratory from the perspective of the circuit block diagram. Finally, the construction ideas of the smart language laboratory were discussed from five dimensions of content presentation, environmental management, resource access, timely interaction, and situational awareness. Oriented by the needs of foreign language teaching, relevant construction concepts and methods were proposed through the integration research of smart classrooms and traditional language laboratories, expecting to help schools and professional manufacturers better implement the smart construction of the language laboratory.

smart classroom; “SMART”model; smart language laboratory; real-time interactive

G40-057

A

1009—8097（2022）08—0119—08

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.08.014

本文為2020年重慶市社會科學規(guī)劃社會組織項目“大學外語智慧教學環(huán)境建設研究”（項目編號：2020SZ22）、重慶科技學院產學研合作項目“教育技術學視角的新型智能語言實訓系統(tǒng)架構研究”（項目編號：橫20220166）的階段性研究成果。

周永勝，主任，高級工程師，本科，研究方向為現代教育技術，郵箱為zyszyscq@126.com。

2021年12月7日

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