穆銳 劉元雪 姚未來



摘要:“新工科”的建設和發展對研究生培養提出了更高要求,研究生除掌握扎實的理論基礎外,提升其科研創新能力與工程實踐能力至關重要。陸軍勤務學院在長期探索和近30年巖土工程專業研究生培養的基礎上,以“先進教育理念”和“建構主義”為指導思想,探索構建了研究生課程體系“一體三維”的理論框架,基于該理論框架,對本專業研究生培養的課程體系、教學模式、實踐平臺、教材改革等方面進行了探索實踐,介紹了取得的實踐成效。
關鍵詞:新工科;研究生課程體系;巖土工程;研究生教育;建構主義
作者簡介:穆銳,陸軍勤務學院設施系,巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室講師,重慶 401331;劉元雪,陸軍勤務學院設施系,巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室主任,教授,重慶 401331;姚未來,陸軍勤務學院設施系,巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室講師,重慶 401331。
改革開放以來,我國研究生教育在體系發展、教育規模、結構轉型、資金投入、人才培養質量、高等教育改革以及國際化等方面,取得了顯著的成績[1]。很多學者針對研究生課程體系的基本特征、培育目標及路徑等方面進行了深入研究和探討,對研究生課程體系的改革和發展給出了建議和實施路徑[2-7]。經過多年的努力,我國研究生教育取得了較大發展,但研究生教學體系不適應“新工科”發展的特點和人才培養要求,導致學生綜合能力素質薄弱,很難滿足“新工科”創新型人才隊伍建設的現實需要[8-9]。
2017年2月,教育部在上海組織召開“全國高等工程教育發展戰略研討會”,探討了“新工科”的內涵特征、建設與發展路徑,探索構建人才培養新模式、新質量、新體系等,并對“新工科”背景下高等工程教育發展的新要求達成以下共識:①促進學科交叉融合、推動人才全面發展;②構建創新育人體系、著力培養創新人才;③借鑒國際先進理念、加強國際交流合作;④優化學科知識結構、筑牢核心關鍵技術[10]。然而,研究生教育作為高等工程人才培養的關鍵階段,要實現“新工科”建設中對“卓越工程師”培養的終極目標,就必須積極推動新工科背景下研究生教育的改革。隨著對高等教育的深入研究,建構主義理論被國內外學者、教師們所關注[8,11]。該理論強調以學習者為中心,通過其已有的知識經驗和深度學習對新知識進行加工處理,堅持在教學過程中的“情境對話”以完成對核心知識點的建構,進而獲得新知。本文以巖土工程專業為例,將發展教育、創新教育、開放教育、終身教育指導思想,與課程思政一起融入研究生課程體系,以建構主義理論為基礎,突出研究生培養的中心地位,建構新工科背景下研究生課程體系,以提升研究生的創新意識、科研與應用能力。
一、新工科背景下巖土工程研究生課程體系的建構目標
研究生教育的本質特征是實現“學習、教學、科研、實踐”的有機融合,即“學習·教學·科研·實踐”融合體,其實現過程較為復雜。因而,要想達到“新工科”背景下研究生課程體系的建構目標就必須要有明確的指導思想。近年來,隨著“發展教育”“創新教育”“開放教育”“終身教育”等先進教育理念被不斷提出,其基本內涵為:①發展教育強調在全周期工程教育中使研究生的各項基本素質得到全面可持續發展,要求應采取實際措施促進研究生在各個維度的綜合素質協調發展[3],其特征表現為全面性和持續性。②創新教育則是以培養學生的創新意識、創新思維、創新能力、創新素質等為目的的教育,具有首創性、差異性和多樣性等特點[12-13]。③開放教育蘊含了多形式、多學科、多技術跨界整合的教育模式,突出了教育的綜合性和交叉性特征[14]。④終身教育指出知識能以多形式在多階段中被循環使用,顯現出階段性和周期性[15]。可見,上述先進教育理念的基本屬性與研究生教育的本質特征聯系十分緊密,使其在高等教育改革實踐中得到廣泛應用并取得了顯著成效。然而,新工科的建設和發展離不開新興技術產業,急需大量創新型人才,這意味著研究生教育需要建立具有創新性、科學性、全面性等綜合化特征的人才培育模式。巖土工程專業作為傳統工科的典范,是新工科建設的重要組成部分,其傳統的研究生課程體系已很難適應現階段的人才培養特點,很難應對新工科建設和發展中的挑戰。因此,結合新工科對研究生教育的內涵及要求,借鑒先進教育理念重構研究生課程體系,是實現卓越工程人才培養的重要途徑。巖土工程研究生課程體系的建構目標主要包含以下四個方面。
1.以發展教育理念重塑研究生課程體系
要實現研究生從能力塑造向全面發展的轉變,以“思維”“技能”與“精神”為特色,促進“專業教育、工程教育、科學教育、人文教育”的深度融合,關注研究生個體的個性化發展、智力發展、精神發展與需求發展等相協調的全面發展至關重要[16]。顯然,全面發展是新工科背景下對研究生培養質量提出的最新要求。為能培養出適應“新工科”建設和發展的卓越人才,結合發展教育理念的基本內容及特征,重塑巖土工程專業研究生課程體系很有必要。結合傳統研究生課程體系的優勢及新工科建設的要求,回歸研究生教育的本質,除了使研究生掌握有深度的專業知識外,更要重視人文素養、科學倫理與專業知識的融會貫通,按照研究生培養方案,將研究生的人才培養、能力塑造等和發展教育理念有效結合,重塑巖土工程專業研究生課程體系,發揮學科綜合優勢,注重全面發展。該課程體系應具備以下特征:①以發展理念為導向,合理設計研究生核心課程,融入學科交叉新內容,引導研究生在課中自主探究并獲得新知,增強研究生創新精神培養。②在傳統課程體系的基礎上,緊盯人才培養和巖土工程前沿學科的發展趨勢,建構能力支架式教學模式和打造創新實踐平臺,著重培養研究生解決實際工程問題的能力和創新思維,適應新工科發展特點。以發展教育理念改革研究生的教育模式、實踐平臺、核心課程及教材,聚焦新工科研究生教育的特點,推動研究生全面發展。
2.以創新教育理念重置研究生培養目標
在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》及“復旦共識”中均指出,國家的發展離不開創新人才,我國把創新驅動放在引領經濟社會發展中的重要地位,是一項基本國策[10],這說明創新教育在高等工程教育中發揮著不可替代的作用。創新能力既是研究生培養的關鍵目標,也是研究生成長的核心要素,很明顯,創新教育在研究生的培養過程中十分重要。高校作為國家創新體系的重要組成部分,對促進創新型國家建設、培養和造就高素質創新型人才發揮著重要作用[17]。現階段,研究生培養目標存在較大局限性。一方面,人才培養目標過于籠統,忽略了研究生創新精神和研究能力的培養;另一方面,研究生培養目標與實際需求不符,很難滿足“新工科”建設的需要。為了解決上述問題,在研究生培養環節中應以創新教育理念為導向,重置研究生培養目標,且貫穿整個研究生課程體系,進而實現高等工程人才的創新培養。其基本內涵為:①將創新精神作為研究生培養核心,重視專業知識的深度學習,培養解決問題的能力。②將創新教育理念融入研究生課程體系,夯實專業知識基礎,培養研究生的高階思維能力。③在科學研究和工程實踐中設置創新教育環節,激發研究生的探究潛能,使其掌握學科前沿發展動態,強化對研究生的科研訓練,鼓勵研究生做出創新性科研成果。④推動人才培養創新發展,善于挖掘研究生的個性化特征,突破研究生“創新思維”和“創新能力”的塑造瓶頸。⑤打造具有新工科背景特征的創新教育模式和實踐平臺,在培養研究生科研素質時,使其邊學習、邊研究、邊實踐、邊完善,實現創新型人才培養目標。
3.以開放教育理念推動多學科交叉融合發展
現有研究生課程體系通常按照“公共基礎課、專業基礎課、專業實踐課”三大模塊進行劃分,該設置模式造成研究生的學習環境相對封閉,只重視對學科專業知識的學習,導致研究生的視野受限,知識面較窄,在應對和解決實際工程問題時,知識運用能力和多維度思考意識較差。為解決上述問題,需要以開放教育理念為指導思想,建立具有學科交叉融合特征的研究生課程體系。發揮專業綜合優勢,重視基礎理論知識的同時,孕育出新工科與新技術深度融合的“新結構”,創建多學科交叉融合的“新方向”,搭建卓越人才培養的“新模式”,充分彰顯研究生教育的“結構化、多元化、模塊化”。對于巖土工程專業而言,應增加跨學科課程內容,以研究生為中心,激發研究生對新技術、新方法產生濃厚興趣,充分發揮巖土工程專業優勢,掌握與大數據、計算機等新技術深度融合的方法,推動學科交叉融合發展。聚焦前沿科學研究課題,積極提升研究生培養的國際化水平,拓寬研究生的國際視野。通過開放教育理念推動學科交叉融合發展,實現研究生從“科學知識面窄、工程能力差、綜合素質弱”向“科學知識面寬、工程能力強、綜合素質高”的轉變。
4.以終身教育理念改革研究生課程內容
現階段研究生教育正處于教育新理念、專業新結構、教學新質量、人才新要求、工科新體系的不斷變化和發展時期,因此研究生課程內容也將隨著新工科發展而不斷變化,需要及時更新、及時增減。以終身教育理念和建構主義理論為依據,以最新理論知識作為研究生課程內容的基礎,及時更新科學研究方法與內容、前沿知識與熱點,優化研究生的認知結構,激發研究生開展創新性探究,積累實踐經驗,加深研究生對前沿專業知識的深入理解,最終形成個性化的認知結構。此外,為解決研究生課程內容的科研特征邊緣化問題,以巖土工程專業核心理論為脈絡,將典型的科研問題穿插其中,打造研究生精品課程,鼓勵研究生運用批判思維、合理邏輯、嚴密推演等方法對科學問題進行探索研究,提升研究生的學習效率、學習興趣及科研激情,推動研究生教育理論建構、體系完善、實踐創新,突出研究生課程內容的動態性和可持續性。通過終身教育理念改革研究生課程內容,推進單一式階段性教育向復合式終身教育轉變。
二、基于先進教育理念,建構研究生課程體系
培養高素質人才作為研究生教育的首要任務,也是研究生教育工作的出發點和落腳點[18]。“新工科”背景下研究生課程體系的建設和發展既要處理好“學習、教學、科研、實踐”之間的關系,又要注重研究生的全面發展;既要實現卓越創新人才的培養目標,也要突破創新思維和創新能力的塑造瓶頸;既要推動學科交叉融合發展,還要大力推進課程體系國際化的進程;既要加強專業核心課程內容改革,更要加快課程教學模式更新。建構科學、合理、有效的研究生課程體系,需要從研究生個體出發,將掌握“高層次的專業知識”和形成“研究為主要特征的探索性學術行為”作為研究生培養的目標,依據建構主義理論,通過有趣課程內容、有效教學模式、強化科研訓練和打造實踐平臺等方式和手段,使研究生在研究生教育中實現自我提升。具體可以理解為實現“自主建構”“思維建構”“創新建構”的“三層級建構維度”,其基本內涵為:①研究生教育應注重研究生專業能力、創新能力、思維能力以及綜合素質的全面提升,實現自主建構。②將發展教育、創新教育、開放教育和終身教育等先進教育理念作為研究生課程體系的建構理念,融入家國情懷、工匠精神等思政要素,構建符合新工科要求的研究生課程體系,實現培養過程中的思維建構。③回歸“理論性、創新性、實踐性”為主導的人才培養體系,優化創新環境,培養研究生的創新意識、創新精神和創新能力,實現創新建構。具體情況如下。
1.第一層級建構維度:“自主建構”
在研究生培養過程中,包括正確觀念、理論知識、研究方法、科研素養及實踐能力等培養內容,特別強調研究生自主思考、自主探究、自主發現的建構過程,突出研究生在學習中的自主性,增強自我效能感,最終形成自主建構。實現自主建構,往往需要源源不斷注入驅動力,而這種驅動力的來源不僅僅是教師和外在環境,其核心驅動力來源于研究生個體。完成自主建構主要采取以下幾個途徑:①增強研究生個體的自我調節機制,完成自主思考。研究生在學習過程中保持自主思考,需對學習狀態進行不斷調整,認知水平將從一個平衡狀態向新平衡狀態轉變,逐步形成深度思考能力。②增強研究生個體發現、探究科學問題的能力,完成自主探究。將最新的學科前沿科研問題融入研究生課程內容中,激發研究生的科研興趣,養成良好的科研嗅覺,塑造探究科研問題的能力。③加強研究生個性化培養,注重挖掘研究生個性化的特征,形成個性化學習能力,在研究生培養過程中完成自主建構。一方面,自主建構在研究生獲得新知、積累經驗及認知結構改變的過程中有促進作用;另一方面,自主建構是將研究方法與科學觀點有效結合的關鍵環節,發揮研究生個體的自主建構能力,有助于培育研究生的科研嗅覺與素養,激發研究生個體自主解決問題的潛能。
2.第二層級建構維度:“思維建構”
在研究生的學習、科研和實踐過程中,經常會遇到疑難情境,用已有知識、經驗很難直接解決問題。此時研究生就需要進行思維建構。結合研究生的心理和學習特征,以已有的理論知識和經驗為基礎,充分激發研究生的學習積極性和求知欲望,完成思維建構。為進一步促進研究生的思維建構,研究生課程體系要遵循思維活動和建構過程的變化特征:①設置合理的研究生課程內容,圍繞核心理論知識講授,將專業領域的最新前沿知識和研究成果融入課程內容,把研究生引入問題情境,讓原本枯燥無味的知識變得“有趣味”“有魅力”“有意思”,提升研究生課程體系的吸引力,增強研究生探索知識的欲望和學習積極性,使其主動進行思維活動,養成深度學習的習慣。②更新教學模式,強化研究生思維轉化。實現由“理論”到“實踐”,由“抽象”到“具體”,由“低階”到“高階”的轉變,在獲取知識的過程中逐步完成思維建構。③優化課程結構,拓寬研究生思維。開設學科交叉、融合的研究型課程,使研究生了解其他相關學科的新理論、新方法、新技術,形成發散思維、開放思維,拓寬知識面。④搭建實踐平臺,注重研究生的實踐訓練。強化對研究生理論學習和工程實踐思維的訓練,逐步形成解決實際問題的工程思維,實現高階思維建構。⑤推動國際合作,促進研究生的思想碰撞。國際視野是新工科卓越人才應當具備的要素,具有國際視野,緊盯專業學科前沿,加強思維碰撞,才有助于構建新工科人才思維體系。
3.第三層級建構維度:“創新建構”
培養“創新精神”和“創新能力”是構建研究生課程體系的目的,也是研究生教育的高階目標。創新建構是指學習主體在已有知識經驗基礎上,運用新穎的方法解決問題并產生獨特的、有社會價值的思維過程[13],為學術發展做出創造性的貢獻。因此,創新建構具有獨特性,取決于研究生個體的獨立思考和思維,以及相關科學問題的理論儲備和實踐經驗。此外,研究生需要在科研訓練中做出更多嘗試和體驗,實現“量變”向“質變”的跨越,最終得到解決問題的新思想、新觀念或新方法。要形成創新建構,可采取以下舉措:①重塑研究生課程體系,克服傳統研究生課程中科研訓練、學術性弱化問題。以發展教育理念為指導思想,將“公共基礎課、專業基礎課、專業理論課”為主導的傳統課程體系重塑為以“課程思政、職業素養、理論知識、研究課題、工程實踐”為架構的核心課程體系,激發研究生的學習興趣與創新激情,形成創新建構的基礎。②以實際工程問題為導向,探索學科交叉融合發展的人才培育模式。以開放教育理念為指導思想,將科研訓練與實際工程問題有機融合,設置問題情境引發研究生思考,通過學科交叉融合,運用批判性思維提出科學問題并找到解決問題的思路或方法,形成創新建構。③強化國際交流合作,開闊研究生學術視野。以創新教育、終身教育為指導思想,借助國際競賽、學術交流和工程實踐等創新載體,激發研究生的創新建構,培養發散思維,突破思維定式,將抽象知識在科研訓練中轉化為具體知識,變成自己獨特的創新思維,儲備創新建構能力,最終實現創新建構。
4.巖土工程研究生課程體系“一體三維”建構
在“三層級建構維度”的架構下,需要進一步明確研究生課程體系的建構路徑,即將先進教育理念貫穿于研究生課程體系的建設之中;以“三層級建構維度”的特征和要求分析研究生的培養工作,明確研究生課程體系主要內容,強調研究生培養過程;以新工科對卓越人才培養提出的新要求,強調對研究生個體的能力塑造,明確研究生培養的目標。在此基礎上,依據建構主義的核心思想和方法論,以研究生培養的“思政要素、發展教育、創新教育、開放教育和終身教育理念融為一體”為核心,注重研究生自主、思維、創新三維度”的發展,對研究生課程體系進行建構,形成與新工科人才培養目標相適應,有利于研究生全面發展的研究生課程體系。巖土工程研究生課程體系“一體三維”建構框架如圖1所示。該框架具有以下特點:①以科學研究為突破口,以課程思政為有力抓手,將“先進教育理念”和“課程思政”有機融合,使得研究生在培養過程中逐漸形成卓越人才必備的德育素養,強化研究生個體全面素質的培養。②以研究生培養過程為核心,與研究生培養的理念、目標形成實時動態反饋機制,不斷優化思政育人、文化育人、專業育人、創新育人、實踐育人的協同育人模式,持續優化研究生課程體系。③凸顯研究生的主體地位,強調在“三個層級建構維度”下,發揮研究生的主觀能動性,激發他們的創新精神,全面塑造研究生的創新能力和創新素質,保證研究生的培養質量。
三、“一體三維”建構研究生課程體系的實踐效果
學院的巖土工程專業在研究生教育中,將“學科交叉融合”“創新精神”“工程實踐能力培養”“經典理論”核心要素與專業能力的塑造加以融合,初步形成了具有新工科特征的研究生課程體系,取得了良好的人才培養效果。
1.以“學科交叉融合”為牽引,構建了具有新工科特色的巖土工程課程體系
學院結合新工科建設的實際需求,以“學科交叉融合”為牽引,構建了具有新工科特色的巖土工程研究生課程體系,即:基礎素質課、專業背景課、專業基礎課、專業核心課、專業技術課及專業實踐課等六大類別(見表1)。該課程體系具有以下特征:①將思政要素融入基礎素質課程中,增設了“立德樹人”思政元素,形成研究生培養過程中的特色模塊,夯實研究生的職業道德素質基礎,為培養思想素質過硬的卓越工程技術人才打牢基礎。②以研究生科研能力培養為目標,充分發揮學科專業課程的主軸作用,增設了學科前沿系列講座、學科交叉融合等專業課程,建設學科示范性課程體系。③以研究生“創新精神”和“創新能力”的培養為契機,在專業實踐課程中設置了工程案例調研與分析、校外實踐基地教學等課程內容,探索了以“實踐”促“創新”的教學模式,以學術會議等活動積極推動對外交流,邀請了以鄭穎人院士為代表的巖土工程界知名專家做學科前沿系列講座40余次,主辦學術會議10余次,近年來共培養研究生80余名(碩士50余名、博士30名),其中:1篇論文獲評全軍優秀碩士學位論文,1篇論文獲評中國聲學學會優秀博士學位論文(每年只評選5篇)、2篇碩士學位論文和3篇博士學位論文獲評重慶市優秀研究生學位論文;從事巖土力學與大數據學科交叉領域研究的博士生4名、碩士生6名;研究生的思想境界、科研能力和實踐能力均得到顯著提高,所培養的人才服務于艱苦邊遠地區、基層單位、科研院所和高等院校,獲得用人單位一致好評。
2.以“創新精神”為引領,改革了課程教學模式
巖土工程是陸軍勤務學院的優勢專業,以鄭穎人院士為代表的科研團隊在國內外具有較大的影響力。學院基于研究生培養面臨的新挑戰,結合多年研究生教育實踐經驗,遵循研究生培養規律,注重研究生“學”與“研”的能力屬性,以“創新精神”為引領,強調在教學中形成“學研能力支架”共同體,注重研究生深度學習和科研創新能力的培養,形成了“學研能力支架”教學模式(見圖2),即:學習能力和科研能力融為一體,強化學研共同體間的相互作用,創設學研能力培養支架,進而完成對內容域、能力域的建構過程。其中,內容域的建構是通過支架①—支架⑥間的共同作用實現的;能力域的建構是指學習經典理論,通過對基礎理論的深度學習,強化科研訓練使研究生逐步實現“低階思維”向“高階思維”的轉化,并貫穿課程教學、論文選題及職業選擇等關鍵環節。
隨著“學研能力支架”教學模式的探索與實踐,研究生逐步實現了從“自主建構”向“創新建構”的跨越,研究生的創新精神培養效果明顯,科研創新能力明顯增強,能在學科交叉領域積極開展研究,特別在巖土材料塑性本構模型、庫區滑坡地質災害預警與大數據、人工智能、機器學習、數據挖掘等領域的研究成效顯著。其中,筆者所在教學團隊獲評學院優秀教學實踐創新團隊;10余名研究生獲得省部級研究生創新項目資助;40余篇相關研究成果在國外優秀期刊上發表;獲得國家(國防)發明專利30余項,創新成果顯著。
3.以“工程實踐能力培養”為導向,打造了模塊化創新實踐教學平臺
為培養具有較強專業知識背景、工程實踐能力、勝任行業發展需求的應用型和技術、技能型人才[10],學院以“工程實踐能力的培養”為導向,以“創新精神”和“創新能力”的塑造為核心,打造了以“經典實踐模塊、工程實踐模塊和前沿實踐模塊”為一體的“三位一體”模塊化創新實踐教學平臺:①在經典實踐模塊中積極組織研究生開展經典探究性試驗,如:三軸壓縮試驗、直接剪切試驗等,體驗理論與試驗過程,關注新現象、新成果的討論與分析,激發思維領悟和創新靈感,著重培養研究生的基本科研能力。②在工程實踐模塊中,以解決實際工程問題為驅動,讓研究生自主擬定創新方案,完成重大典型工程的“沉浸式”實踐,如:地質災害滑坡治理方案、高邊坡穩定性分析等,瞄準工程師處置實際工程問題的創新思維、最優設計方案和實施路徑,實現“思維建構”到“創新建構”的飛躍,強化卓越工程師能力建構。③在前沿實踐模塊中,立足學科前沿熱點問題,充分發揮師生共同體的作用,強化科研訓練,撰寫并發表系列科研成果,進行國際學術交流。同時培養研究生靈敏的科研洞察力和科研嗅覺,注重培養科學研究能力與素質,有助于確定他們終身持續性的科研方向。實施研究生模塊化創新實踐教學以來,在人才培養、導師隊伍建設和科學研究等方面均取得突出成果,獲批“重慶英才·創新創業領軍人才項目(科技領域)”創新創業示范團隊1個、陸軍勤務學院教學科研創新團隊1個,5人次獲評重慶市優秀研究生學位論文導師,獲評國家級、省部級科研項目20余項,研究生創新實踐能力顯著提升。
4.以“經典理論”為線索,改革了專業核心課程教材
研究生教材是研究生個體獲取知識、培養能力的重要載體,具有“研究性、前沿性、理論性與應用性”的基本屬性[19]。結合新工科背景下巖土工程研究生培養規律,抓住研究生教材和研究生培養的共同特征,用創新建構理論更新教材。以高等巖土塑性力學為例,將高等巖土塑性力學經典理論作為重要線索,吸收本教研團隊與國內外最新研究成果,同時,結合筆者所在教學團隊長期從事研究生教育的經歷、著作和實踐應用,以“終身教育理念”為內涵、“創新能力”為導向,重構了高等巖土塑性力學教材框架,將“理論基礎→研究方法→工程案例分析和學科熱點問題→展開科學研究”為改革軸線,著重改革了巖土工程研究生核心課程內容,使教材內容更有利于研究生“創新思維”和“創新能力”的培養。在國家科技出版基金資助下,團隊分別出版了《高等巖土塑性力學》(中文)和《Plastic Mechanics of Geomaterial》(英文),均被列入“十三五”國家重點出版規劃項目。這兩本專著自出版以來,一直受到巖土工程專業領域高校教師、研究生、科研與設計人員的青睞,同時被陸軍勤務學院、中國科學院武漢巖土力學研究所、清華大學等20余個研究生培養單位作為研究生教材或參考書,針對專著涉及的科學前沿問題,本團隊在中國科學院(武漢)巖土力學所、浙江大學等高校和研究所做過50余次學術報告,對巖土工程研究生的培養起到了較好的作用。
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(責任編輯 周玉清)