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人工智能時代小學(xué)科學(xué)教學(xué)的變革路徑

2025-09-06 00:00:00李中國張曉妍

隨著數(shù)字化的迅猛發(fā)展,人工智能成為推動教育領(lǐng)域革新的重要力量,國家高度重視人工智能與教育的融合發(fā)展,相繼發(fā)布一系列重要文件。《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確要求在中小學(xué)階段開設(shè)人工智能方面課程。《教育信息化2.0行動計(jì)劃》強(qiáng)調(diào),要積極推動人工智能等新技術(shù)在教育教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用,依靠智能技術(shù)推進(jìn)教育理念革新、模式的改變以及體系的重構(gòu)。小學(xué)科學(xué)教育要打破傳統(tǒng)教學(xué)的系統(tǒng)性壁壘,創(chuàng)新構(gòu)建“理念更新一能力提升一資源適配一評價創(chuàng)新一倫理奠基”的立體化應(yīng)對方案,為科技創(chuàng)新人才的培育奠定基礎(chǔ)。

一、以科學(xué)探究與實(shí)踐素養(yǎng)為指引,推動教學(xué)目標(biāo)與組織方式的雙重轉(zhuǎn)化

人工智能融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動,著重借助智能技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)建個性化學(xué)習(xí)路徑,基于每個學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、知識掌握程度和興趣愛好,提供有針對性的學(xué)習(xí)資源與指導(dǎo)。傳統(tǒng)教學(xué)模式難以打破“應(yīng)試人才”培養(yǎng)的禁錮,功利主義的教育邏輯在人們的意識里根深蒂固。目前教學(xué)依然以講授為主,講得多做得少,學(xué)生缺少自主探究和實(shí)操演練的機(jī)會,這種傳統(tǒng)教學(xué)模式與人工智能時代所主張的以學(xué)生為中心、重視互動及自主學(xué)習(xí)的理念不相吻合,阻礙了人工智能技術(shù)在教學(xué)中的有效應(yīng)用。改變傳統(tǒng)教學(xué)的路徑依賴,需緊密結(jié)合《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡稱“新課標(biāo)”)強(qiáng)調(diào)的“科學(xué)探究與實(shí)踐”素養(yǎng)培養(yǎng)要求,加快教學(xué)目標(biāo)及組織方式雙重轉(zhuǎn)化。

(一)重塑教學(xué)目標(biāo),促進(jìn)素養(yǎng)進(jìn)階

教師應(yīng)摒棄功利主義的教育教學(xué)觀,從“著眼育分”轉(zhuǎn)向“聚焦育人”,把科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)思維及科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來,明確科學(xué)教育目標(biāo),突出探究與實(shí)踐,讓學(xué)生在探究與實(shí)踐中,深化對科學(xué)知識的理解,生成基于自身學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)性知識。如在“動物分類”的教學(xué)中,教師應(yīng)采用圖像識別算法讓學(xué)生自主進(jìn)行分類訓(xùn)練,掌握觀察實(shí)驗(yàn)、歸納演繹這類科學(xué)思維方法,而不只是單純記憶生物分類標(biāo)準(zhǔn)。教師要明確把握人工智能時代學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力與終身學(xué)習(xí)意識的轉(zhuǎn)型取向,基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和方法,遵循“問題導(dǎo)向一探究實(shí)踐一反思遷移”的教學(xué)邏輯,采用技術(shù)工具拓展最近發(fā)展區(qū),并通過人工智能的加持,走進(jìn)新發(fā)展區(qū)。在講解“電路連接”時,不再單純以演示正確連接方法為主,而是提出“如何借助人工智能來實(shí)現(xiàn)家庭電路安全監(jiān)測的優(yōu)化”類似問題,引導(dǎo)學(xué)生查閱資料、探索人工智能在電路范疇的應(yīng)用并采用科學(xué)探究“假設(shè)一驗(yàn)證一修正”的方法,自主建立電路知識與技術(shù)應(yīng)用的關(guān)聯(lián)。

(二)重構(gòu)教學(xué)方法,注重科學(xué)探究

要轉(zhuǎn)變以教師為中心,重知識灌輸、輕能力培養(yǎng),重理論演繹、輕實(shí)踐應(yīng)用的教學(xué)方式,構(gòu)建“理論學(xué)習(xí)一實(shí)踐反思一自主深化”的閉環(huán)體系。積極組織自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、互動式教學(xué)及實(shí)踐教學(xué)活動,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的獲得感。遵循新課標(biāo)“科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境”相互關(guān)聯(lián)的基本要求,主動發(fā)掘?qū)W生生活中的科學(xué)知識和問題,讓教學(xué)與生活融為一體。如在開展“物體的沉浮”實(shí)驗(yàn)教學(xué)時,教師引入借助人工智能傳感器在海洋探測中監(jiān)測物體沉浮狀態(tài)的案例,把科學(xué)知識和人工智能技術(shù)組合起來,這不僅能激發(fā)學(xué)生對知識應(yīng)用的熱情,還顯示出科學(xué)知識在社會中的應(yīng)用實(shí)例。教師采用移動學(xué)習(xí)等手段開展科學(xué)教育“第二課堂”,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)科學(xué)學(xué)習(xí)資源開展科學(xué)探究活動,激勵學(xué)生思索怎樣利用所學(xué)知識設(shè)計(jì)一個簡易的人工智能輔助物體沉浮監(jiān)測裝置,讓學(xué)生理解物體沉浮的原理以及怎樣依靠傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能,破除學(xué)生掌握知識需死記硬背的路徑依賴,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新運(yùn)用意識和能力,切實(shí)體悟科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境之間的緊密聯(lián)系。

二、強(qiáng)化教師人工智能專業(yè)發(fā)展,促進(jìn)人工智能技術(shù)深度融入

高素養(yǎng)的科學(xué)教師隊(duì)伍是培育學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的基礎(chǔ)保障,把人工智能融入小學(xué)科學(xué)教學(xué),本質(zhì)上要求教師跨越傳統(tǒng)技術(shù)工具“搬運(yùn)工”的角色邊界,提高“技術(shù)一學(xué)科一教學(xué)法”深度整合能力,在掌握人工智能技術(shù)特性的基礎(chǔ)上,將編程思維、數(shù)據(jù)素養(yǎng)和科學(xué)探究實(shí)踐有機(jī)結(jié)合,為學(xué)生創(chuàng)設(shè)“做中學(xué)一用中學(xué)一創(chuàng)中學(xué)”的智能學(xué)習(xí)情境。調(diào)查表明,現(xiàn)階段教師技術(shù)能力發(fā)展明顯滯后,在技術(shù)應(yīng)用與整合方面問題十分突出。在知識儲備上,僅有 30% 的教師掌握編程技術(shù)與人工智能基礎(chǔ)理論, 70% 的教師對智能教學(xué)平臺深度功能的應(yīng)用還停留在基礎(chǔ)水平。在實(shí)際教學(xué)中,很多教師面對智能教學(xué)軟件的復(fù)雜功能,諸如智能作業(yè)批改、學(xué)習(xí)進(jìn)度跟蹤分析,時常覺得無從下手,難以將人工智能技術(shù)深度滲透進(jìn)科學(xué)教學(xué),實(shí)現(xiàn)個性化教學(xué)與智能化教學(xué)管理更是困難。針對教師技術(shù)能力與學(xué)科教學(xué)脫節(jié)的問題,應(yīng)以“技術(shù)一教學(xué)一內(nèi)容”整合為核心,設(shè)計(jì)聚焦小學(xué)科學(xué)學(xué)科特性的人工智能專業(yè)發(fā)展路徑。

(一)分層培訓(xùn),精準(zhǔn)對接教學(xué)需求

學(xué)校與教育主管部門要高度重視小學(xué)科學(xué)教師的人工智能專業(yè)發(fā)展,把教師人工智能素養(yǎng)提升納入學(xué)校發(fā)展的整體規(guī)劃和重點(diǎn)任務(wù),系統(tǒng)設(shè)計(jì)培訓(xùn)日程、內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn),依照“技術(shù)一教學(xué)一內(nèi)容知識”架構(gòu),針對教師發(fā)展的實(shí)際狀況,分層構(gòu)建培訓(xùn)體系,精準(zhǔn)提高教師人工智能專業(yè)能力。針對初級教師,開設(shè)以“科學(xué)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中的人工智能工具”為主題的工作坊,著重進(jìn)行虛擬仿真平臺、數(shù)據(jù)可視化工具操作及學(xué)科轉(zhuǎn)化的培訓(xùn);以“用AI生成植物生長數(shù)據(jù)曲線”等教學(xué)案例為依托,指導(dǎo)教師運(yùn)用AI掌握“變量控制”“趨勢分析”等科學(xué)探究活動的實(shí)施方法;針對具有一定教學(xué)基礎(chǔ)的教師,開展以“人工智能驅(qū)動的科學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)”為主題的研修活動,從頂層設(shè)計(jì)、全面融入層面,幫助教師利用如智慧課堂等智能學(xué)習(xí)平臺采集教學(xué)數(shù)據(jù),并基于數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、發(fā)掘和分析,構(gòu)建差異化教學(xué)策略。

(二)建立激勵與考核機(jī)制及“人工智能科學(xué)教學(xué)”專項(xiàng)考核

考查教師是否能在科學(xué)教學(xué)中適時引入AI工具,是教師數(shù)字化能力考查的重要觀測點(diǎn)。學(xué)校與教育主管部門要健全教師人工智能融入教學(xué)的應(yīng)用能力評價體系,加強(qiáng)過程性評價與增值性評價相融合,把人工智能應(yīng)用情況納入教師專業(yè)發(fā)展檔案,制訂人工智能應(yīng)用教學(xué)專項(xiàng)考核辦法,對積極借助人工智能且教學(xué)效果良好的科學(xué)教師給予獎勵,形成“培訓(xùn)一實(shí)踐一反饋一改進(jìn)”的良性循環(huán)。如在“聲音傳播”教學(xué)實(shí)踐中,依靠AI生成不同介質(zhì)的聲波振動模型,幫助學(xué)生學(xué)習(xí)“能量傳遞”的原理,把抽象的概念轉(zhuǎn)化為可觀測、可比較、可分析的生動圖景。學(xué)校應(yīng)鼓勵教師建設(shè)“人工智能輔助科學(xué)探究作品集”,以此評價教師是否借助技術(shù)有效培養(yǎng)學(xué)生“實(shí)證意識”“創(chuàng)新思維”等核心素養(yǎng)。

三、優(yōu)化教學(xué)資源建設(shè)與管理,提供“精準(zhǔn)適配”的學(xué)習(xí)支持

人工智能時代,小學(xué)科學(xué)教學(xué)資源凸顯出多元化、智能化等特點(diǎn),諸如智能互動課件,不僅包含大量文字、圖片、視頻等基礎(chǔ)成分,還要依據(jù)學(xué)生課堂反饋及時調(diào)整內(nèi)容呈現(xiàn)方式,構(gòu)建“數(shù)據(jù)驅(qū)動、動態(tài)適配”的智能化資源體系,借助智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)科學(xué)知識的多元呈現(xiàn),切實(shí)依據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律給予“適配”的學(xué)習(xí)支持。針對目前教學(xué)資源質(zhì)量良莠不齊、適配性欠佳的問題,要建立一套“標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)一分層開發(fā)一智能推薦”的資源建設(shè)機(jī)制,讓技術(shù)表征和小學(xué)科學(xué)認(rèn)知規(guī)律深度契合。

(一)研制人工智能教學(xué)資源三維標(biāo)準(zhǔn)

嚴(yán)控人工智能教學(xué)資源審核標(biāo)準(zhǔn),要求其政治性、科學(xué)性與思想性相結(jié)合,建立多維度的人工智能教學(xué)資源審核體系。按照新課標(biāo)要求和科學(xué)素養(yǎng)培育的基本邏輯,組建由新課標(biāo)編寫專家與一線教師組成的審核團(tuán)隊(duì),制訂“科學(xué)概念一技術(shù)表征”映射表格,保證資源內(nèi)容契合新課標(biāo)要求。依照學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的階段,把資源劃分為“具象化”(低年級,如用動畫演示齒輪轉(zhuǎn)動)、“半抽象”(中年級,如利用多媒體表格展示電路中的電流情況)、“抽象建模”(高年級,如采用AI模擬生態(tài)系統(tǒng)的做法)三級,結(jié)合不同版本教材的知識點(diǎn)索引,消除“一刀切”弊端。同時,智能教學(xué)資源建設(shè)要遵循三維標(biāo)準(zhǔn):一是聚焦核心內(nèi)容,如在“光合作用”虛擬實(shí)驗(yàn)中,須標(biāo)明“葉綠體功能”“光能轉(zhuǎn)化”等核心內(nèi)容,防止技術(shù)呈現(xiàn)偏離學(xué)科核心;二是助力學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展,所建資源要擁有清晰的目標(biāo)導(dǎo)向和教學(xué)價值,培養(yǎng)學(xué)生哪一方面的思維能力要有針對性和科學(xué)性;三是符合倫理道德,要把“倫理提示”模塊嵌入資源,在數(shù)據(jù)采集類實(shí)驗(yàn)資源中,能夠自動彈出“保護(hù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)隱私”的操作指引說明,既關(guān)注技術(shù)應(yīng)用又重視責(zé)任意識培養(yǎng)。

(二)鼓勵校本化和區(qū)域化資源開發(fā)

學(xué)校要緊密結(jié)合地域特色、學(xué)校基礎(chǔ)和學(xué)生發(fā)展特征,整合優(yōu)質(zhì)資源,組建科學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì),遵循“地域特色一教材銜接一學(xué)生適配”的三維設(shè)計(jì)原則,加快開發(fā)校本人工智能科學(xué)教學(xué)資源,力求資源建設(shè)數(shù)字化、地域化和實(shí)用性。以山區(qū)學(xué)校為例,學(xué)校可開發(fā)“無人機(jī)遙感中的地形測量”項(xiàng)目資源,把航拍數(shù)據(jù)采集、圖像識別歸類等模塊納入資源建設(shè)范圍,這既契合“地球與宇宙科學(xué)”的新課標(biāo)內(nèi)容,又把本區(qū)域地理環(huán)境融入其中,有助于提高學(xué)生對科學(xué)技術(shù)的親近體驗(yàn)感和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。科學(xué)資源的開發(fā)還要關(guān)注STEM多學(xué)科融合教育,把學(xué)生熟悉的社會性科學(xué)議題作為科學(xué)學(xué)習(xí)的主題與載體,打造“AI資源共享平臺”;在實(shí)際教學(xué)中,采用智能推薦算法,根據(jù)教師選課及學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析,動態(tài)優(yōu)化資源推送策略,提高資源利用水平,不斷增強(qiáng)人工智能科學(xué)教育資源的適配性及實(shí)踐價值。

四、注重探究過程和創(chuàng)新能力培養(yǎng),構(gòu)建多維度智能化評價體系

人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展為新時代的課堂教學(xué)評價提供了可靠支撐,小學(xué)科學(xué)教學(xué)評價要借此實(shí)現(xiàn)“全維度捕捉、全過程反饋”,不僅聚焦知識掌握的“顯性結(jié)果”,還要運(yùn)用學(xué)習(xí)分析技術(shù)記錄“科學(xué)探究軌跡”“思維發(fā)展過程”“協(xié)作創(chuàng)新表現(xiàn)”隱性素養(yǎng)。目前評價體系未滿足這一變革需求,面臨評價維度狹隘和反饋機(jī)制低效的雙重困局,依據(jù)新課標(biāo)中“科學(xué)探究”對學(xué)生探究過程和結(jié)果評估的要求,借助人工智能技術(shù),需要構(gòu)建“過程數(shù)據(jù)采集一智能分析一精準(zhǔn)反饋”的評價新范式,實(shí)現(xiàn)“教一學(xué)一評”深度聯(lián)動。

(一)拓展評價維度

人工智能技術(shù)可突破傳統(tǒng)評價的知識維度局限,構(gòu)建含有科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任的立體式評價框架。依照多元評價理論,評價體系需把過程性數(shù)據(jù)、表現(xiàn)性證據(jù)與發(fā)展性指標(biāo)整合起來。過程性數(shù)據(jù)實(shí)時抓取學(xué)生在虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的操作動態(tài)、項(xiàng)目討論中的觀點(diǎn)責(zé)獻(xiàn)度(借助技術(shù)分析有效科學(xué)問題的提出數(shù)量)等數(shù)據(jù);表現(xiàn)性評價實(shí)現(xiàn)對學(xué)生科學(xué)意識、科學(xué)探究能力、科學(xué)倫理道德等素養(yǎng)以及團(tuán)隊(duì)寫作能力的智能化綜合研判。如在“識別校園鳥類”實(shí)踐中,評價體系不僅考查學(xué)生對圖像識別的基礎(chǔ)操作,還借助智能工具對其數(shù)據(jù)采集策略、團(tuán)隊(duì)協(xié)作分工合理性進(jìn)行分析,全面審定科學(xué)探究能力。需要強(qiáng)調(diào)的是,評價應(yīng)以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為目的,借助智能學(xué)習(xí)平臺動態(tài)呈現(xiàn)學(xué)生在模型建構(gòu)能力、證據(jù)推理水平、創(chuàng)新思維指數(shù)等維度的演進(jìn)軌跡,生成針對個體的科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展報(bào)告,并以此為基礎(chǔ)優(yōu)化評價體系。

(二)強(qiáng)化評價結(jié)果反饋

評價反饋機(jī)制要實(shí)施“診斷性反饋一元認(rèn)知引導(dǎo)一改進(jìn)建議”的層次化設(shè)計(jì)方案,使評價不只是充當(dāng)學(xué)習(xí)成果的“檢測儀”,還應(yīng)成為助力教學(xué)改進(jìn)的“催化劑”,給予學(xué)生翔實(shí)且有針對性的評價反饋。如在“植物生長條件探究”實(shí)驗(yàn)中所記錄的異常數(shù)據(jù),系統(tǒng)可即時標(biāo)注出問題類型和原因,進(jìn)而推送定制化微視頻講解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理或機(jī)理;教師可借助可視化數(shù)據(jù)看板,深化理解和認(rèn)知,實(shí)時知悉班級整體概念掌握的薄弱區(qū)域和科學(xué)思維的進(jìn)階趨勢,及時調(diào)整教學(xué)方案。這種借助智能分析的反饋機(jī)制,突破了傳統(tǒng)評價“結(jié)果滯后、建議含糊”的局限,讓教師得以精確把控每個學(xué)生知識理解程度和學(xué)習(xí)進(jìn)度,學(xué)生能夠借助及時、具體的反饋明晰問題所在和改進(jìn)方向,使科學(xué)學(xué)習(xí)在“評價一反饋一優(yōu)化”的良性循環(huán)中實(shí)現(xiàn)螺旋式遞進(jìn)。

五、技術(shù)素養(yǎng)與倫理責(zé)任并重,完善科技倫理與道德教育體系

在人工智能融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)的背景下,構(gòu)建兼顧技術(shù)素養(yǎng)與倫理責(zé)任的教育生態(tài)十分必要。科學(xué)實(shí)驗(yàn)往往需要學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和記錄,人工智能倫理范疇內(nèi)容的空白,造成學(xué)生在技術(shù)應(yīng)用過程中缺少“數(shù)據(jù)隱私保護(hù)”“算法公平性”等核心素養(yǎng),與“培養(yǎng)負(fù)責(zé)任的技術(shù)使用者”的目標(biāo)存在距離。在“教師一人工智能一學(xué)生”構(gòu)成的三元關(guān)系中,教師尚未負(fù)起技術(shù)倫理“把關(guān)人”的責(zé)任,導(dǎo)致學(xué)生在無意識的情形下暴露個人信息。這種引導(dǎo)的缺失不僅影響了師生情感聯(lián)結(jié),還使學(xué)生在面對人工智能相關(guān)問題時喪失判斷能力和道德約束。為此,教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生體悟技術(shù)應(yīng)用的社會倫理后果,使其成為有責(zé)任感的技術(shù)運(yùn)用者,加快完善科技倫理道德教育體系,加強(qiáng)數(shù)據(jù)隱私和安全意識的相關(guān)教育。

(一)將人工智能倫理融入科學(xué)課程教學(xué)

基于情境認(rèn)知理論、道德發(fā)展理論,人工智能倫理教育應(yīng)確立“認(rèn)知支架一情感共鳴一行為引導(dǎo)”的三維滲透模式,在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中增設(shè)人工智能倫理道德的章節(jié),編排生動的案例故事,讓學(xué)生掌握人工智能倫理道德相關(guān)知識。在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)層面,可依據(jù)科爾伯格道德發(fā)展階段理論,創(chuàng)設(shè)包含兩難困境的智能教學(xué)情境。例如,在智能攝像頭隱私案例中,通過虛擬仿真系統(tǒng)讓學(xué)生經(jīng)歷“數(shù)據(jù)采集一信息泄露一權(quán)益救濟(jì)”的完整決策鏈,這種設(shè)計(jì)既符合新課標(biāo)中的批判性思維培養(yǎng)要求,又暗合信息加工理論對復(fù)雜問題解決能力的訓(xùn)練路徑,強(qiáng)化學(xué)生智能倫理意識和研判能力。

(二)開展人工智能倫理道德專題教育活動

學(xué)校應(yīng)定期開展專題教育活動,通過主題班會和辯論會等方式,讓學(xué)生圍繞“人工智能與道德”“如何在學(xué)習(xí)中正確使用人工智能”等主題進(jìn)行討論,引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的價值觀和行為觀。在討論過程中,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)探究中的質(zhì)疑、思考和交流,對人工智能相關(guān)問題進(jìn)行多元分析、深度分析和價值判斷,培養(yǎng)學(xué)生的自主探究和批判性思維能力。學(xué)校還應(yīng)積極開展多種形式的知識競賽和案例分析講座,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能倫理道德知識的興趣,加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解,培養(yǎng)其正確的價值觀和道德觀,并以此增強(qiáng)價值判斷和行為自覺。

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注:本文系2024年度教育部高等學(xué)校科學(xué)研究發(fā)展中心項(xiàng)目“基于深度學(xué)習(xí)的高職院校AI教學(xué)診斷研究與實(shí)踐”(項(xiàng)目編號:2024ZC034)的研究成果。

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