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高中物理教學(xué)中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的有效應(yīng)用

2024-01-24 11:19:48朱庭榮
高考·下 2023年9期
關(guān)鍵詞:創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)用策略高中物理

朱庭榮

摘 要:創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在高中物理課程教學(xué)中扮演著極為重要的角色,通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,可以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。本文探討了在高中物理教學(xué)中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的基本原則,并以魯科版高中物理教材為例分別說明了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的具體應(yīng)用策略,通過這些方式可以有效提高學(xué)生的參與興趣,培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞:高中物理;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);應(yīng)用策略

高中物理教學(xué)中,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)作為一種重要的教學(xué)手段,能夠在更大程度上促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程往往缺乏趣味性和實(shí)踐性,學(xué)生可能對(duì)抽象的物理概念感到困惑。在新課改背景下,為提高教學(xué)質(zhì)量和效果,教師在物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)注重創(chuàng)新,充分利用現(xiàn)代技術(shù)和學(xué)生的主動(dòng)參與,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。

一、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的定義和價(jià)值

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是指在物理學(xué)科教學(xué)中通過獨(dú)立思考、設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,以探究新穎的物理現(xiàn)象、解決實(shí)際問題或驗(yàn)證科學(xué)理論的實(shí)踐性活動(dòng),要求學(xué)生運(yùn)用已學(xué)的物理知識(shí)和科學(xué)方法,以創(chuàng)新和探索的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。在高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生可以選擇感興趣的主題或問題進(jìn)行深入研究,他們將成為實(shí)驗(yàn)的主體,可參與方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施,從前期的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選擇合適的儀器和設(shè)備到中期的實(shí)驗(yàn)操作、收集數(shù)據(jù),再到分析數(shù)據(jù)并得出相應(yīng)的結(jié)論。同時(shí),學(xué)生還可以通過探索性實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)性實(shí)驗(yàn),嘗試不同的方法和策略,以提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。新課改背景下,高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力,通過自主設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)展學(xué)生的問題意識(shí)、觀察能力、實(shí)驗(yàn)技能和數(shù)據(jù)處理能力,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和解決問題的能力。

二、高中物理教學(xué)中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的基本原則

(一)安全

安全是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的首要原則。在進(jìn)行任何實(shí)驗(yàn)之前,教師必須確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)器材的安全性,包括檢查實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的完整性和可靠性,確保實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)良好,并提供適當(dāng)?shù)膫€(gè)人防護(hù)裝備,如實(shí)驗(yàn)室外套、手套和護(hù)目鏡。同時(shí),教師還需清楚地說明實(shí)驗(yàn)操作步驟和安全注意事項(xiàng),并監(jiān)督學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遵守安全規(guī)范。為此,教師應(yīng)提前對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全培訓(xùn),確保他們了解和掌握正確的操作方法[1]。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,所有的實(shí)驗(yàn)器材和試劑的處理方式非常重要。試管、燒杯和顯微鏡等必須清洗干凈,徹底去除可能殘留的化學(xué)物質(zhì)。遺留的試劑必須按照相應(yīng)的安全程序和指南進(jìn)行處理,不能隨意倒入下水道或垃圾桶。通過這些細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮鞑粌H能確保實(shí)驗(yàn)室的整潔,還能防止意外的化學(xué)反應(yīng)或者設(shè)備損壞,從而為下一次實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造良好的環(huán)境。

(二)科學(xué)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)基于科學(xué)原理和物理學(xué)的基本概念,整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)符合科學(xué)的邏輯和原則,能夠幫助學(xué)生觀察、探索和驗(yàn)證物理學(xué)的規(guī)律。為此,教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)確保實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)明確,有針對(duì)性地展示特定的物理概念或現(xiàn)象。同時(shí),實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的選擇應(yīng)與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)相匹配,并能夠提供準(zhǔn)確和可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為提高學(xué)生的參與度,教師還應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生提出問題、進(jìn)行推理和分析,以培養(yǎng)他們的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰2]。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中,教師應(yīng)注重激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索欲望,讓他們主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)的過程中去,從而加深他們對(duì)于物理學(xué)原理的理解。

(三)實(shí)用

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)具有實(shí)用性,能夠與學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際問題聯(lián)系起來。一方面,實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)與學(xué)生的日常生活和實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān),更大程度上激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心。通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以親身體驗(yàn)物理現(xiàn)象,并將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際問題中[3]。另一方面,教師可設(shè)計(jì)與生活相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn),如測(cè)量物體的質(zhì)量、測(cè)量光的折射角度等,讓學(xué)生在實(shí)踐中理解物理概念的意義。

三、高中物理教學(xué)中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用策略

(一)精心設(shè)計(jì)趣味性實(shí)驗(yàn)課程,逐級(jí)提升操作難度系數(shù)

趣味性實(shí)驗(yàn)課程是指通過設(shè)計(jì)有趣、富有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,以提供愉悅和有趣的學(xué)習(xí)體驗(yàn),并激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的興趣和好奇心。在高中物理教學(xué)中,趣味性實(shí)驗(yàn)課程可以采用具有趣味性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、故事性的情境設(shè)置或奇特的實(shí)驗(yàn)裝置等方式,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中獲得樂趣,同時(shí)加深對(duì)物理概念和原理的理解。這種課程可以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與和探索的興趣,培養(yǎng)他們的觀察力、實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)思維能力。為了引發(fā)學(xué)生的興趣并提高他們的參與度,教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)主題的特點(diǎn)設(shè)計(jì)趣味性實(shí)驗(yàn)課程,并通過選擇與學(xué)生日常生活相關(guān)的實(shí)際問題和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)。同時(shí),教師可以逐漸提升實(shí)驗(yàn)的操作難度系數(shù),讓學(xué)生在實(shí)踐中不斷挑戰(zhàn)和提升自己的實(shí)驗(yàn)技能和思維能力,激發(fā)學(xué)生的好奇心,培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)興趣和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰4]。在魯科版高中物理“摩擦力”的教學(xué)中,教師可設(shè)計(jì)一個(gè)趣味性實(shí)驗(yàn)“滑稽比拼——摩擦力對(duì)滑板運(yùn)動(dòng)的影響”,以此激發(fā)全體學(xué)生的興趣,再鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新,提高全班學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度。

首先,教師可組織學(xué)生一起準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料。

(1)滑板:準(zhǔn)備多塊滑板,可以是木質(zhì)或塑料材質(zhì)的,大小相似。(2)表面材質(zhì):準(zhǔn)備幾種不同的材質(zhì),如紙張、塑料薄膜、毛毯、砂紙等。(3)傾斜面:使用一個(gè)傾斜的平面,如一塊長(zhǎng)板或書本,使滑板可以在上面滑動(dòng)。(4)測(cè)量工具:如尺子、秒表等。為提高學(xué)生參與感,部分實(shí)驗(yàn)器材可由學(xué)生準(zhǔn)備,比如紙張、塑料薄膜等。其次,組織學(xué)生開展相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。(1)設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件:將傾斜面放置在平整的桌面上,確保其傾角不變。(2)準(zhǔn)備不同材質(zhì)的表面:在傾斜面上分別放置不同材質(zhì)的表面材料,如紙張、塑料薄膜、毛毯、砂紙等。每種表面材料都需要有足夠的長(zhǎng)度以供滑板滑動(dòng)。(3)準(zhǔn)備滑板:將不同材質(zhì)的滑板放置在傾斜面上,確保其位置和初始狀態(tài)相同。(4)實(shí)施實(shí)驗(yàn):以一定的起始高度讓滑板自由滑下,記錄滑板到達(dá)底部所用的時(shí)間或滑動(dòng)距離。然后,重復(fù)上述步驟,每次更換不同的表面材質(zhì),至少進(jìn)行三次重復(fù)實(shí)驗(yàn),以取得可靠的數(shù)據(jù)。(5)數(shù)據(jù)分析:比較不同表面材質(zhì)下滑板滑動(dòng)的時(shí)間或距離,觀察不同材質(zhì)對(duì)摩擦力的影響。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生可以觀察和記錄每種表面材質(zhì)下滑板滑動(dòng)的時(shí)間或距離,并比較它們之間的差異。通過分析數(shù)據(jù),學(xué)生可以得出結(jié)論:不同材質(zhì)的表面對(duì)滑板的摩擦力產(chǎn)生了影響。一些材質(zhì)可能減小了滑板與傾斜面之間的摩擦力,使其更快地滑動(dòng);而其他材質(zhì)可能增加了摩擦力,使其滑動(dòng)速度減慢。

為進(jìn)一步體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性,教師還可鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步思考并討論摩擦力與滑板材質(zhì)、表面材質(zhì)之間的關(guān)系,并探索如何減小或增大摩擦力的方法。學(xué)生可以在“滑稽比拼——摩擦力對(duì)滑板運(yùn)動(dòng)的影響”實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行多個(gè)角度的創(chuàng)新。(1)探究不同滑板材質(zhì)的影響:學(xué)生可以選擇不同材質(zhì)的滑板,如木質(zhì)、塑料或金屬滑板,觀察不同滑板材質(zhì)對(duì)滑動(dòng)速度的影響。他們可以比較不同材質(zhì)滑板在相同表面材質(zhì)下的滑動(dòng)性能,并得出關(guān)于滑板材質(zhì)與摩擦力的結(jié)論。(2)利用潤(rùn)滑劑減小摩擦力:學(xué)生可以嘗試在滑板與傾斜面之間應(yīng)用不同的潤(rùn)滑劑,如油脂、潤(rùn)滑油或凡士林,觀察潤(rùn)滑劑對(duì)滑板滑動(dòng)的影響。他們可以記錄下使用潤(rùn)滑劑后的滑動(dòng)速度,并與無潤(rùn)滑劑的情況進(jìn)行比較。(3)考慮斜度對(duì)摩擦力的影響:學(xué)生可以調(diào)整傾斜面的角度,比較不同斜度下滑板滑動(dòng)的速度。他們可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探究?jī)A斜角度與摩擦力之間的關(guān)系,并觀察斜度對(duì)滑板滑動(dòng)的影響。通過以上創(chuàng)新,學(xué)生能夠擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的范圍和深度,進(jìn)一步探究摩擦力對(duì)滑板運(yùn)動(dòng)的影響,并培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和創(chuàng)新思維能力。同時(shí),教師可以引入一些實(shí)際問題,比如怎么提高輪胎的抓地力,或是如何判斷機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向等,學(xué)生通過小組的方式進(jìn)行探究,且可自行提出其他問題進(jìn)行自主探究。這樣的創(chuàng)新能夠增加實(shí)驗(yàn)的趣味性和學(xué)習(xí)的樂趣,學(xué)生有機(jī)會(huì)結(jié)合自己的興趣和生活進(jìn)行實(shí)踐,還可提出創(chuàng)新想法,能夠更好激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的興趣和好奇心。

(二)善于利用學(xué)生的沖突思維,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)深度探索

在實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生常常會(huì)有疑惑和思考,他們會(huì)遇到認(rèn)知上的沖突和困惑。教師可利用學(xué)生的沖突思維,引導(dǎo)他們主動(dòng)深度探索。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí),教師可以故意設(shè)置一些反?;蛎艿膶?shí)驗(yàn)結(jié)果,引發(fā)學(xué)生的思考和討論。通過這種方式,學(xué)生不僅能夠加深對(duì)物理規(guī)律的理解,還能夠培養(yǎng)解決問題的能力和批判性思維[5]。在此過程中,教師可以鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的假設(shè)和解釋,并引導(dǎo)他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和推理,以加深對(duì)物理概念的理解。在魯科版高中物理“楞次定律”的教學(xué)中,教師可以進(jìn)行環(huán)跳實(shí)驗(yàn),展示當(dāng)一個(gè)金屬環(huán)在一個(gè)變化的磁場(chǎng)中被放置時(shí),它會(huì)跳起來的現(xiàn)象。然后詢問學(xué)生:“金屬環(huán)為什么會(huì)跳起來?”這個(gè)問題會(huì)引發(fā)學(xué)生的思考。學(xué)生可能會(huì)提出一些假設(shè)和解釋,例如認(rèn)為金屬環(huán)跳起來是因?yàn)橛须娏髟诃h(huán)中流動(dòng),或者是因?yàn)榇帕ψ饔玫?。在此基礎(chǔ)上,教師再進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考感應(yīng)電流的方向與磁通量變化的關(guān)系,由此提問:“感應(yīng)電流的方向和磁通量的變化有什么關(guān)系?感應(yīng)電流的方向又與原磁場(chǎng)的方向有什么關(guān)系?”通過這些問題激發(fā)學(xué)生對(duì)于磁通量變化和感應(yīng)電流方向之間的聯(lián)系的思考。然后,教師再指出原磁場(chǎng)的方向和運(yùn)動(dòng)對(duì)磁通量的變化有直接的影響,并引導(dǎo)學(xué)生思考如何建立感應(yīng)電流方向與原磁場(chǎng)方向之間的聯(lián)系,通過比較尋找它們之間的關(guān)系。通過這樣的引導(dǎo),學(xué)生會(huì)逐漸理解和掌握楞次定律的概念,以此培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和解決問題的能力,讓學(xué)生體驗(yàn)到科學(xué)探究的樂趣和成就感。

(三)積極創(chuàng)新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程,不斷強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐力

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程是物理教學(xué)中的重要組成部分,但教師可以積極創(chuàng)新這些實(shí)驗(yàn),使其更具實(shí)踐性和互動(dòng)性。例如引入計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)仿真等現(xiàn)代技術(shù),讓學(xué)生通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析。這樣的創(chuàng)新可以幫助學(xué)生更直觀地觀察和理解物理現(xiàn)象,并提供更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì),不受時(shí)間和資源的限制。在魯科版高中物理“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”教學(xué)中,教師可以引入計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)軟件,讓學(xué)生通過電腦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析。學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行不同條件下的力、質(zhì)量和加速度的實(shí)驗(yàn),通過改變不同參數(shù),觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并分析它們之間的關(guān)系。通過這樣的模擬實(shí)驗(yàn),學(xué)生能夠更直觀地觀察和理解物理現(xiàn)象,也能夠進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)嘗試,并且不受時(shí)間和資源的限制。同時(shí),教師還可利用實(shí)驗(yàn)仿真軟件,讓學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。例如使用仿真軟件模擬在不同力作用下的物體運(yùn)動(dòng)情況,觀察加速度和質(zhì)量之間的關(guān)系。實(shí)踐過程中,學(xué)生可以自主設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù),并觀察仿真結(jié)果,進(jìn)一步加深對(duì)加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的理解。通過實(shí)驗(yàn)仿真,學(xué)生能夠進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),比較不同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,加深對(duì)物理規(guī)律的理解。通過這樣的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)形式,學(xué)生可以更直觀地觀察和理解物理現(xiàn)象,并進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)探究,從而加深對(duì)物理規(guī)律的理解。

(四)鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)和改進(jìn),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)還應(yīng)積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與性,教師可鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)和改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),以提高學(xué)生的實(shí)踐能力。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和需求選擇實(shí)驗(yàn)主題,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、收集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。一個(gè)智能機(jī)器人除了由機(jī)械部件、控制器、編程等構(gòu)成,通常也具備一定的感知能力。在高中物理教學(xué)中,這些具有感知能力的電子器件稱為傳感器,學(xué)生常常會(huì)接觸到聲音傳感器、煙霧傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等。而這些傳感器如何將非電學(xué)量轉(zhuǎn)成電學(xué)量呢,在日常生活中話筒中電磁感應(yīng)現(xiàn)象就是一個(gè)生動(dòng)的載體。師生可以共同利用“話筒”破解電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用,同時(shí),教師也可以鼓勵(lì)學(xué)生多設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),使用電磁爐為載體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察。教師可先展示電磁爐內(nèi)部大線圈,用另一連接著燈泡閉合線圈在通電的大線圈上方左右移動(dòng),觀察燈泡的亮暗,體會(huì)互感原理;可讓學(xué)生展示通電后電磁爐驅(qū)動(dòng)易拉罐運(yùn)動(dòng)的情景,觀察怎樣使易拉罐運(yùn)動(dòng)更快些;可展示電磁爐給手機(jī)充電,觀察如何更快更安全充滿手機(jī)的電量。學(xué)生可以比較自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期,分析實(shí)驗(yàn)的誤差和改進(jìn)的可能性。這個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不僅能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng),同時(shí)還能讓學(xué)生體驗(yàn)到科學(xué)探索的樂趣和成就感。

結(jié)束語

綜上所述,高中物理教學(xué)中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用策略包括精心設(shè)計(jì)趣味性實(shí)驗(yàn)課程、善于利用學(xué)生的沖突思維和積極創(chuàng)新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程。通過這些策略,教師可以激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索和深入思考,提高學(xué)生的實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不僅可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解和應(yīng)用能力,還能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新意識(shí)。

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本文系福州市教育信息技術(shù)研究課題“基于機(jī)器人的物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐研究”(課題編號(hào):FZDJ2020A04)的主要研究成果。

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