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人工智能與新工科雙背景下工科教學(xué)改革研究

2022-03-21 22:47:24王鐵濱管雪梅王榮白巖邢鍵
教育教學(xué)論壇 2022年5期
關(guān)鍵詞:人工智能改革策略

王鐵濱 管雪梅 王榮 白巖 邢鍵

[摘 要] 隨著信息技術(shù)的日新月異,人工智能技術(shù)也隨之獲得前所未有的進(jìn)展。在未來發(fā)展過程中,工科專業(yè)將與多個領(lǐng)域和專業(yè)產(chǎn)生密切聯(lián)系,互相發(fā)展和協(xié)同發(fā)展更是大勢所趨。為此,當(dāng)前新工科教育主要面臨各學(xué)科之間產(chǎn)生的交叉和融合問題。當(dāng)前社會多個領(lǐng)域的發(fā)展都與人工智能技術(shù)密切相關(guān),這就對當(dāng)前的應(yīng)用型工科專業(yè)教育教學(xué)提出了全新的要求,應(yīng)用型工科專業(yè)教育教學(xué)改革十分必要和緊迫,改革應(yīng)滿足當(dāng)前社會對掌握多學(xué)科知識、水平高、能力強(qiáng),具備創(chuàng)新性思維的高素質(zhì)專業(yè)型人才的實(shí)際需求。

[關(guān)鍵詞] 新工科;人工智能;教學(xué);改革;策略

[基金項(xiàng)目] 2019年度東北林業(yè)大學(xué)教改課題“人工智能與新工科雙背景下應(yīng)用型工科專業(yè)的教學(xué)改革研究”;2019年度黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“新工科與工程教育專業(yè)認(rèn)證雙背景下具有行業(yè)特色的工程人才培養(yǎng)模式研究”

[作者簡介] 王鐵濱(1977—),男,黑龍江哈爾濱人,博士,東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院講師,主要從事MIMO和OFDM研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324(2022)05-0054-04 [收稿日期] 2021-08-23

一、基于新工科和人工智能背景下工科專業(yè)改革的必然性

如果基于傳統(tǒng)工科在教育教學(xué)方面的特點(diǎn)對“新工科”的內(nèi)涵進(jìn)行解讀的話,“新”主要體現(xiàn)在工程教育的新理念、學(xué)科與專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系等。

全國近五年來,理、工、農(nóng)、醫(yī)、哲學(xué)、歷史、管理、藝術(shù)等專業(yè)中,新增和撤銷數(shù)量最多的專業(yè)是工科專業(yè),分別占總數(shù)的38.39%和26.94%。而工科專業(yè)中撤銷比較多的是電子信息專業(yè)和通信工程專業(yè)等傳統(tǒng)工科專業(yè),新增比較多的則是人工智能、機(jī)器人等新興工科專業(yè)。比如浙江大學(xué)在2019年撤銷的十個本科專業(yè)中,就有電子信息和通信工程,新增的兩個本科專業(yè)則是人工智能與機(jī)器人,這是電子類專業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的一個典型標(biāo)志。所以電類專業(yè),尤其是電子信息、通信工程和自動化等專業(yè),必須要勇于迎接時代大潮,乘上新時代發(fā)展的東風(fēng),將內(nèi)容相近和有所交叉的人工智能的最新發(fā)展融入電子信息和通信工程的發(fā)展當(dāng)中,不僅為了適者生存,也為了提高發(fā)展。當(dāng)今很多高校設(shè)置了電子信息工程專業(yè),并且越來越注重專業(yè)的應(yīng)用程度,因此還推出了應(yīng)用型電子信息工程專業(yè),使該專業(yè)學(xué)生的電子信息應(yīng)用能力及實(shí)踐能力得到了培養(yǎng)和提高。

目前,在高校轉(zhuǎn)型發(fā)展戰(zhàn)略下,新工科對高校特別是電子信息類專業(yè)建設(shè)提出了新的要求和新的方向。它既是挑戰(zhàn),也是電子信息類專業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇。因此,新工科背景下綜合性高校本科電子信息類專業(yè)必須積極調(diào)整專業(yè)結(jié)構(gòu),使電子信息類專業(yè)布局與新興產(chǎn)業(yè)接軌,同時加快傳統(tǒng)電子信息類專業(yè)轉(zhuǎn)型升級,特別是在工程人才培養(yǎng)方案、培養(yǎng)模式等方面進(jìn)行開拓創(chuàng)新[1]。

由此可見,基于新工科和人工智能雙背景下的應(yīng)用型工科專業(yè)教學(xué)改革,是未來的發(fā)展趨勢和前進(jìn)方向,且前景廣闊。

二、電子信息工程類專業(yè)改革的必要性

傳統(tǒng)學(xué)科的設(shè)置通常按照其包含的知識的種類和關(guān)系,從精細(xì)的領(lǐng)域進(jìn)行劃分,但在當(dāng)下日新月異的前沿新興科技發(fā)展和解決龐大問題需要的驅(qū)動下,傳統(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域按照知識劃分產(chǎn)生了巨大的局限性,如傳統(tǒng)專業(yè)設(shè)置大多體系封閉、彼此獨(dú)立,各專業(yè)領(lǐng)域關(guān)聯(lián)度低,學(xué)科的交叉融合少,當(dāng)下重大科學(xué)及工程問題的解決只靠一個學(xué)科是難以獨(dú)立支撐的。比如人工智能學(xué)科就涉及電子信息、通信工程、計(jì)算機(jī)、軟件、自動化、電子、機(jī)械、人體動力學(xué)、心理學(xué)和哲學(xué)等不同科學(xué)領(lǐng)域。

當(dāng)今社會,一方面,每年大約有本科畢業(yè)生800萬人面臨就業(yè)困難;另一方面,每年國家有上千萬的技術(shù)工種無人應(yīng)聘。這種巨大的供需矛盾也集中反映在電子信息專業(yè)上。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,社會對電子信息類相關(guān)專業(yè)的人才需求越來越迫切,但一方面企業(yè)找不到電子信息專業(yè)合適的人才,另一方面電子信息的高校畢業(yè)生找不到理想的工作。

造成這種局面的原因在于傳統(tǒng)電子信息專業(yè)在培養(yǎng)人才的過程中,只注重知識的傳授,缺乏對學(xué)生實(shí)踐動手能力的培養(yǎng),也脫離了社會電子信息產(chǎn)業(yè)的實(shí)際需求,學(xué)生不具備走上工作崗位最重要的實(shí)際工程開發(fā)和應(yīng)用能力。要解決這一問題,我們必須結(jié)合“新工科”背景下工程教育的新目標(biāo)、新思路、新方法和新需求,對電子信息類專業(yè)進(jìn)行大刀闊斧的改革,尤其是增設(shè)“人工智能”專業(yè)。在教育部發(fā)布的《關(guān)于公布首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》中提出,必須重視人工智能與其他學(xué)科專業(yè)教育的交叉融合。隨后教育部在《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計(jì)劃》中也強(qiáng)調(diào)了要加強(qiáng)人工智能領(lǐng)域的專業(yè)建設(shè),推進(jìn)“新工科”建設(shè),形成“人工智能+X”的復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)新模式。

通過教學(xué)方法的改革,教學(xué)實(shí)踐的創(chuàng)新,讓教育教學(xué)與人工智能深度融合并智能化、高效化發(fā)展,有助于將傳統(tǒng)工科教育升級成新工科的教育模式。

信息類專業(yè)建設(shè)在“人工智能+X”總體框架下,構(gòu)建出跨學(xué)科的綜合性、復(fù)合型專業(yè)課程體系,在交叉融合和工程實(shí)踐動手能力的鍛煉中,培養(yǎng)出符合新工科標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新人才。

三、雙背景下應(yīng)用型工科專業(yè)的教學(xué)改革措施

上述內(nèi)容主要針對應(yīng)用型工科專業(yè)改革的必要性和必然性展開詳細(xì)的分析,在實(shí)施教學(xué)改革工作的過程中,應(yīng)該注重層次化和模塊化的設(shè)計(jì),針對學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)情況,結(jié)合具體的課程要求,讓學(xué)生由淺入深地參與各種類型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動。要求學(xué)生全面掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)和步驟,通過這種方式,讓學(xué)生在實(shí)踐操作過程中實(shí)現(xiàn)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的有效培養(yǎng)。在人工智能和新工科雙背景下,教師應(yīng)該針對傳統(tǒng)工科教育存在的問題和困境,大力結(jié)合人工智能技術(shù)的優(yōu)勢,進(jìn)一步開發(fā)和設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容,結(jié)合工科專業(yè)的課程要求,設(shè)計(jì)四個層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,有助于進(jìn)一步提升工科專業(yè)人才培育效果。

(一)推進(jìn)“理論+實(shí)踐”一體化的教學(xué)模式

針對傳統(tǒng)的工科專業(yè)教學(xué)情況,大部分教師將教學(xué)重心放在理論教學(xué)方面,而且主要通過閉卷理論考核的方式評估教學(xué)效果,這種教學(xué)方式忽略了實(shí)踐教學(xué)的重要性,學(xué)生的主體作用在課堂中沒有得到充分的發(fā)揮和展示,導(dǎo)致教師對學(xué)生實(shí)際情況缺乏了解和掌握。為了有效幫助學(xué)生提高自身的專業(yè)技能水平,讓學(xué)生在實(shí)踐操作過程中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力的有效培養(yǎng),教師應(yīng)該采取理論與實(shí)踐一體化的教學(xué)模式,加大實(shí)踐課程的比重,在學(xué)校的支持下,為學(xué)生建造更加合適的教學(xué)環(huán)境。在工科專業(yè)教學(xué)工作的開展過程中,教師應(yīng)該有意識地將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合在一起,帶領(lǐng)學(xué)生了解各種類型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。通過這種方式,及時收集學(xué)生的課堂反饋,有助于針對學(xué)生的表現(xiàn)及時給予有效的指導(dǎo)和幫助。理論和實(shí)踐課程二者之間能夠相互促進(jìn),能夠有效解決以往傳統(tǒng)教學(xué)模式落后的問題,幫助學(xué)生更加直觀地了解工科專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)和要求。為了有效培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用專業(yè)知識處理實(shí)際問題的能力,除了加強(qiáng)理論教學(xué)工作,幫助學(xué)生打好扎實(shí)的基礎(chǔ)之外,還應(yīng)該設(shè)計(jì)不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,其中主要包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。教師應(yīng)該結(jié)合不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)定相應(yīng)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和方向,在操作過程中帶領(lǐng)學(xué)生充分地掌握和了解實(shí)驗(yàn)的具體步驟與原理。

針對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),除了要帶領(lǐng)學(xué)生采用基本的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)之外,還要讓學(xué)生充分利用自身所學(xué)的理論知識參與實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練。通過這種方式,幫助學(xué)生打好扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ),讓學(xué)生在實(shí)踐過程中對電子信息工程類專業(yè)的理論知識體系有所了解。教師應(yīng)該向?qū)W生詳細(xì)地介紹實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和步驟,引導(dǎo)學(xué)生自主參與實(shí)驗(yàn)操作。針對綜合實(shí)驗(yàn),教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有問題自主探索解決方案,通過這種方式進(jìn)一步提高了學(xué)生的應(yīng)用能力,學(xué)生在解決問題的過程中,要對自身所掌握的專業(yè)知識進(jìn)行系統(tǒng)的整理,根據(jù)實(shí)際情況和需要運(yùn)用相關(guān)內(nèi)容。針對創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),教師旨在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才,除了向?qū)W生介紹各種創(chuàng)新項(xiàng)目和大賽之外,還應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的表現(xiàn)情況,引導(dǎo)學(xué)生針對項(xiàng)目要求進(jìn)行積極主動的思考和探索。

(二)構(gòu)建“平臺+模塊”的專業(yè)課程體系

為了進(jìn)一步推進(jìn)工科專業(yè)課程教學(xué)改革工作的實(shí)施,學(xué)校應(yīng)該支持教師構(gòu)建平臺與模塊共行的課程體系,借助先進(jìn)的人工智能技術(shù),切實(shí)捕捉學(xué)生的實(shí)際訴求和個性偏好,對學(xué)生的實(shí)際情況和相關(guān)信息進(jìn)行整理和歸納,進(jìn)一步建設(shè)有效的課程平臺。通過統(tǒng)一的課程平臺為學(xué)生提供豐富的教學(xué)資源信息,同時讓學(xué)生參與各種虛擬實(shí)驗(yàn),在先進(jìn)技術(shù)的支持下體驗(yàn)各種課程。通過利用課程平臺,有助于培養(yǎng)學(xué)生的基本素養(yǎng)。教師可以通過統(tǒng)一的平臺,為學(xué)生發(fā)布教學(xué)任務(wù),將專業(yè)人才培養(yǎng)的要求貫徹于整個教學(xué)環(huán)節(jié)。作為教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況,按照工科專業(yè)的課程,要求設(shè)計(jì)遞進(jìn)的公共課和專業(yè)必修課程,在學(xué)生完成基礎(chǔ)課程的任務(wù)之后,鼓勵學(xué)生根據(jù)自身需要選擇個性化的課程參與訓(xùn)練,在課程平臺中有效發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。除此之外,學(xué)校也應(yīng)該設(shè)置專門的個性化課程模塊,結(jié)合當(dāng)前工科專業(yè)技術(shù)崗位的具體要求,有針對性地設(shè)計(jì)專門的選修課程內(nèi)容,為學(xué)生提供更加豐富的教學(xué)資源。這在當(dāng)前的背景下,有助于激發(fā)工科專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)知識的積極性,讓學(xué)生能夠根據(jù)自身個性發(fā)展的需求和職業(yè)生涯規(guī)劃的內(nèi)容,選擇適合自己的教學(xué)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。借助個性化的模塊有助于打造獨(dú)立的專業(yè)培養(yǎng)方向,教師能夠從更加多元化的角度評估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

在建造平臺與模塊共行的實(shí)驗(yàn)課程體系過程中,教師應(yīng)該結(jié)合工科專業(yè)所涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,合理規(guī)劃各個板塊的主要內(nèi)容,進(jìn)一步加強(qiáng)對學(xué)生共性和個性的了解,以此作為課程體系設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。采取這樣的課程體系,有助于突破工科專業(yè)之間的界限,讓學(xué)生靈活運(yùn)用學(xué)習(xí)資源,不斷豐富和充實(shí)自己。教師也應(yīng)該根據(jù)不同的培養(yǎng)目標(biāo),進(jìn)一步完善相應(yīng)的課程模塊內(nèi)容,及時監(jiān)測和了解學(xué)生的實(shí)際情況,進(jìn)一步滿足學(xué)生全面發(fā)展的實(shí)際需求,引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)對各類實(shí)踐活動的參與,有助于培養(yǎng)工科專業(yè)的應(yīng)用型人才。

(三)不斷“設(shè)計(jì)+開發(fā)”專業(yè)教學(xué)內(nèi)容

將人工智能技術(shù)與工科教育有機(jī)結(jié)合在一起,能夠有效提升教學(xué)的實(shí)際效果,為此,必須要不斷加強(qiáng)對課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)和開發(fā),以更好地滿足學(xué)生全面發(fā)展的實(shí)際需求。為了有效實(shí)施此工作,學(xué)校和教師應(yīng)該進(jìn)行全面分析,對工科專業(yè)學(xué)生的接受能力,以及學(xué)習(xí)過程中的問題和不足進(jìn)行詳細(xì)了解,進(jìn)一步把握學(xué)生群體的特征,制訂更加詳細(xì)的培養(yǎng)計(jì)劃。在明確培養(yǎng)目標(biāo)之后,可以開展課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)和開發(fā)階段耗時最長,而且需要綜合考慮多種因素。教育部應(yīng)針對應(yīng)用型工科專業(yè)人才的要求,制定教材的主要內(nèi)容,按照由淺入深的順序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論知識和高級理論知識,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中,逐步打好扎實(shí)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ),并且參與相關(guān)的實(shí)踐內(nèi)容訓(xùn)練,將理論與實(shí)踐進(jìn)行緊密的結(jié)合。在設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的過程中,應(yīng)該對理論部分配以解釋型的圖像和圖表,通過這種方式幫助學(xué)生加深對理論知識的掌握。在設(shè)計(jì)實(shí)踐內(nèi)容的過程中,學(xué)校和教師應(yīng)該共同進(jìn)行規(guī)劃,按照難易程度設(shè)置遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)。學(xué)校應(yīng)該加大投入,為學(xué)生建造相匹配的教學(xué)環(huán)境,進(jìn)一步改善教學(xué)條件,便于教師教學(xué)工作的開展。教師在引導(dǎo)學(xué)生拓展知識的過程中,可以借助一些機(jī)器人的重要作品,為學(xué)生講解相關(guān)知識和重點(diǎn),或者為其安排一些任務(wù),從而自主探索解決實(shí)際問題的辦法。除此之外,學(xué)校應(yīng)該加強(qiáng)與校區(qū)之間的合作和交流,不斷完善教學(xué)視頻的質(zhì)量,采取合格的教具開展教學(xué)工作,增添趣味性教學(xué)的內(nèi)容。高校應(yīng)該結(jié)合工科專業(yè)崗位的實(shí)際要求,引導(dǎo)學(xué)生提前做好職業(yè)生涯規(guī)劃工作,幫助學(xué)生全面了解自身的情況,結(jié)合具體的人才培養(yǎng)方案參與專項(xiàng)訓(xùn)練。學(xué)校應(yīng)該加強(qiáng)教學(xué)工作的推廣和宣傳,除了采用線下面授的方式之外,還可以借助各種先進(jìn)的平臺和技術(shù),進(jìn)一步拓寬學(xué)生獲取資源和信息的渠道。

(四)制定多元化的教學(xué)效果評估標(biāo)準(zhǔn)

為了進(jìn)一步提高教學(xué)改革的效果,教師應(yīng)該不斷完善教學(xué)評估的標(biāo)準(zhǔn),開展多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)措施。教學(xué)評價(jià)對人才培養(yǎng)具有重要的影響和作用,在一定程度上來說,教學(xué)評價(jià)的成果,有助于為人才培養(yǎng)方向提供重要的參考依據(jù),教師能夠根據(jù)教學(xué)評價(jià)及教學(xué)反饋的成果,進(jìn)一步完善人才培養(yǎng)策略。在當(dāng)前新工科的背景下,教師應(yīng)該制定更加完善的教學(xué)評價(jià)體系,將教學(xué)重心放在教學(xué)過程的實(shí)施上,將人才培育的目標(biāo)落實(shí)在各個環(huán)節(jié)中。除此之外,學(xué)校應(yīng)該加強(qiáng)對教師專業(yè)能力的培訓(xùn),支持教師參與各種實(shí)踐和訓(xùn)練,進(jìn)一步提升師資的整體水平。為了幫助工科專業(yè)學(xué)生提高自身的應(yīng)用和實(shí)踐能力,學(xué)校應(yīng)加大投入,進(jìn)一步完善教學(xué)條件和環(huán)境,為教師提供更多的使用新型教學(xué)方法和手段的空間。教師在制定教學(xué)評估標(biāo)準(zhǔn)的過程中,應(yīng)該綜合考慮教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,以人才培養(yǎng)為主要導(dǎo)向,采取多元標(biāo)準(zhǔn)對教學(xué)過程進(jìn)行評價(jià)[2]。

教師應(yīng)該進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對整個學(xué)習(xí)過程進(jìn)行觀察和思考,對其中所涉及的一些關(guān)鍵和重要的問題進(jìn)行研究,及時提出自己在學(xué)習(xí)和操作過程中所面臨的問題和困難,有助于為教師提供有效的課堂反饋。根據(jù)這些信息,教師能夠進(jìn)一步改進(jìn)和完善教學(xué)措施,有效提升教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。在人工智能技術(shù)的支持下,教師應(yīng)該采取線上和線下雙重評價(jià)機(jī)制,根據(jù)所收集到的反饋信息,不斷地改善和修訂教學(xué)內(nèi)容,進(jìn)一步加強(qiáng)對硬件設(shè)施的建設(shè),確保學(xué)生在良好的學(xué)習(xí)環(huán)境中提高對實(shí)踐訓(xùn)練的積極性。在設(shè)計(jì)評估標(biāo)準(zhǔn)的過程中,應(yīng)該結(jié)合一定的鼓勵機(jī)制,引導(dǎo)學(xué)生加入關(guān)鍵技術(shù)和新型技術(shù)的研究,結(jié)合現(xiàn)階段在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中存在的問題,積極提出有效的建設(shè)性意見。

綜上所述,在人工智能和新工科的雙背景下,培養(yǎng)應(yīng)用型工科專業(yè)人才至關(guān)重要,完善工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建設(shè)工作是一項(xiàng)復(fù)雜的工程,但在當(dāng)今社會發(fā)展的過程中,積極進(jìn)行工科專業(yè)教學(xué)改革很必要。學(xué)校應(yīng)該結(jié)合工科專業(yè)的發(fā)展需求和特征,以學(xué)生為中心,采取理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式,結(jié)合課程要求不斷設(shè)計(jì)和開發(fā)教學(xué)內(nèi)容。除此之外,應(yīng)該進(jìn)一步加大實(shí)踐課程的比重,利用人工智能技術(shù)構(gòu)建更加先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)平臺,加強(qiáng)師生之間的溝通和交流,通過這種方式有助于構(gòu)建更加完善的人才培養(yǎng)模式,推動高校培養(yǎng)更多應(yīng)用型工科專業(yè)人才。

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