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    基于數(shù)學(xué)史的初中數(shù)學(xué)新知引入課例分析

    2019-09-10 07:45:01姜浩哲汪曉勤
    關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)史初中數(shù)學(xué)

    姜浩哲 汪曉勤

    【摘要】研究者通過對2014—2017年間10個初中HPM(History and Pedagogy of Mathematics的縮寫,意為數(shù)學(xué)史與數(shù)學(xué)教育)課例進行分析發(fā)現(xiàn),HPM視角下的新知引入有問題引入、故事引入、演示引入三種類型。大多數(shù)HPM課例新知引入具備可學(xué)性、關(guān)聯(lián)性、有效性和趣味性的特點,體現(xiàn)了數(shù)學(xué)同現(xiàn)實生活的緊密聯(lián)系,使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動機在“知識之諧”中能夠得到有效激發(fā)。但部分HPM課例在引入方式的選擇和運用、數(shù)學(xué)史料的選取和加工上還有待進一步完善和改進。

    【關(guān)鍵詞】數(shù)學(xué)史;新知引入;初中數(shù)學(xué);HPM課例

    一、引言

    作為課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié),新知引入具有引起學(xué)生注意、激發(fā)學(xué)生動機、構(gòu)建教學(xué)目標(biāo)、明確學(xué)習(xí)任務(wù)以及建立新舊知識聯(lián)系等功能[1],精妙的新知引入往往有“轉(zhuǎn)軸撥弦三兩聲,未成曲調(diào)先有情”之效。同時,新知引入還是一門教學(xué)藝術(shù),能起到預(yù)示課堂高潮、引導(dǎo)學(xué)生思維等效果[2]。在我國,絕大多數(shù)數(shù)學(xué)教學(xué)由舊知識引入新知識,這既符合“溫故而知新”的傳統(tǒng)教育方式,也符合現(xiàn)代認(rèn)知主義理論和建構(gòu)主義思想。但是,部分教師在實際課堂中運用“以舊引新”的方式時,淡化了從舊知識到新知識的發(fā)生發(fā)展過程,甚至在簡單復(fù)習(xí)舊知識后直接把新知識告訴學(xué)生,因此達不到理想的教學(xué)形態(tài)[3]。

    數(shù)學(xué)史為豐富和拓寬傳統(tǒng)教學(xué)新知引入的方式提供了一種有效路徑。早在20世紀(jì)初,美國數(shù)學(xué)史家卡約黎(FCajori)就指出,數(shù)學(xué)史是有效的教學(xué)工具。美國學(xué)者瓊斯(PSJones)則認(rèn)為,數(shù)學(xué)史能提供新課引入的話題以及幫助學(xué)生“發(fā)現(xiàn)”新概念或新思想的方法。美國著名數(shù)學(xué)家和數(shù)學(xué)史家M克萊因(MKline)強調(diào),數(shù)學(xué)史是教學(xué)的指南。英國數(shù)學(xué)史家福韋爾(JFauvel)將增強學(xué)生的學(xué)習(xí)動機作為數(shù)學(xué)教學(xué)中運用數(shù)學(xué)史的重要理由之一。查納基斯(Tzanakis)和阿卡維(Arcavi)等學(xué)者則相信,通過數(shù)學(xué)史,教師可以確定引入一種新數(shù)學(xué)知識的動機[4]。有關(guān)數(shù)學(xué)史教育價值的各家觀點都表明,數(shù)學(xué)史對于課堂上的新知引入具有重要意義。

    鑒于此,本文對2014—2017年間發(fā)表的10個具有代表性的初中HPM課例[5-14]進行考察和分析,希望從中總結(jié)基于數(shù)學(xué)史的初中數(shù)學(xué)新知引入方式的類型和特點,為初中數(shù)學(xué)教學(xué)以及HPM課例開發(fā)與實踐提供參考。

    二、新知引入的方式

    基于已有的分類方法[15]38-44,結(jié)合對初中HPM課例的具體分析,我們發(fā)現(xiàn),基于數(shù)學(xué)史的初中數(shù)學(xué)新知引入有問題引入、故事引入、演示引入三種類型(見表1)。從數(shù)學(xué)史運用方式來看,問題引入采用了復(fù)制式或順應(yīng)式,故事引入采用了順應(yīng)式或重構(gòu)式,而演示引入數(shù)學(xué)史的運用水平最高,全部采用了重構(gòu)式。

    課例“字母表示數(shù)”[5]28-30以復(fù)制式的數(shù)學(xué)史運用方式,將數(shù)學(xué)史融入新知引入教學(xué)。教師先通過古埃及時期《萊因德紙草書》中的問題,幫助學(xué)生回顧字母可以用來表示未知數(shù),再由古希臘數(shù)學(xué)家丟番圖(Diophantus)所著《算術(shù)》中的“已知兩數(shù)的和與差,求這兩個數(shù)”的問題引入新知。學(xué)生會用字母去設(shè)所求的兩個未知數(shù)。然而,兩數(shù)的和與差雖是已知的,但題中沒有給出,這使學(xué)生產(chǎn)生了認(rèn)知沖突,教師繼而引導(dǎo)學(xué)生進行探究。

    課例“一元二次方程的配方法”[6]38-42以復(fù)制式的數(shù)學(xué)史運用方式,將數(shù)學(xué)史融入新知引入教學(xué)。教師通過一組課前練習(xí)題幫助學(xué)生了解古人運用幾何圖形進行開平方運算的方法,呈現(xiàn)阿拉伯著名數(shù)學(xué)家花拉子米(Al-Khwarizmi)所著《代數(shù)學(xué)》中的問題:一平方與十根等于二十迪拉姆,求根。問題所涉及的一元二次方程x2+10x=20不易用因式分解法來解。教師進而引導(dǎo)學(xué)生探索幾何解法,引入“配方”的有關(guān)內(nèi)容。

    課例“可化為一元一次方程的分式方程”[7]42-46以順應(yīng)式將數(shù)學(xué)史融入新知引入教學(xué)。教師在介紹13世紀(jì)意大利數(shù)學(xué)家斐波那契(LFibonacci)的生平后,出示了斐波那契經(jīng)商時遇到的問題:兩次雇傭工人搬運貨物的詳細(xì)賬目分別如表2和表3所示。若兩次工人第一天和第二天的人均所得都相等,分別求表格中的x和y。這道題是根據(jù)《計算之書》中的問題改編的,學(xué)生能在教師引導(dǎo)下審題,找等量關(guān)系,并列出方程y2=y+308和10x=40x+6,教師由此要求學(xué)生觀察、比較問題中的兩個方程,引出新課。

    課例“同底數(shù)冪的運算”[8]39-42以順應(yīng)式將數(shù)學(xué)史融入新知引入教學(xué)。教師由阿基米德(Archimedes)和敘拉古王子蓋羅(Gelo)在海邊散步時談?wù)摗坝钪嫔硵?shù)”的故事引入:一天,阿基米德和他的朋友敘拉古王子蓋羅在海邊散步,阿基米德請蓋羅猜測腳下的沙灘和整個西西里島上共有多少粒沙子,蓋羅回答有無窮多粒,而阿基米德則詳細(xì)介紹了自己的大數(shù)記數(shù)法。根據(jù)他的幾何證明,若將沙粒看作罌粟殼那么大,裝滿整個“宇宙”(以地球為中心,地球和太陽的距離為半徑的球)的沙粒數(shù)目為不超過6個1萬萬相乘再乘以1000。教師引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)記數(shù)法表示1萬萬、1萬萬個1萬萬……,并思考6個1萬萬相乘再乘以1000究竟有多大,進而引出10m×10n=10m+n的同底數(shù)冪運算公式。

    課例“平方差公式”[9]43-47以順應(yīng)式將數(shù)學(xué)史融入新知引入教學(xué)。教師選擇等周問題,將發(fā)生在古希臘的欺騙性土地分配事件改編為莊園主與佃戶的故事:從前,一個狡猾的莊園主把一塊邊長為a(a>5)m的正方形土地租給佃戶張老漢。第二年,莊園主對張老漢說:“我把這塊地的一邊減少5m,相鄰的另一邊增加5m,繼續(xù)租給你,租金不變,你也沒有吃虧,你看如何?”張老漢一聽,覺得好像沒有吃虧,就答應(yīng)了?;氐郊抑?,張老漢把這件事和鄰居一講,大家都說:“你吃虧了!”由此,教師引導(dǎo)學(xué)生比較a2和(a+5)(a-5)的大小,判斷張老漢是否真的吃虧了,從而引出平方差公式。

    課例“平面直角坐標(biāo)系”[10]32-37以重構(gòu)式將數(shù)學(xué)史融入新知引入教學(xué)。教師首先講述了笛卡兒(RDescartes)發(fā)明坐標(biāo)系的歷史故事:一天,笛卡兒因病躺在床上無所事事,于是又想起了那個折磨他很久的問題,即如何將平面上的點和數(shù)聯(lián)系在一起。天花板上,有一只小小的蒼蠅慢慢地爬動。笛卡兒想,如果把蒼蠅看成一個點,那么該怎么用數(shù)來表示蒼蠅的位置呢?然后,教師根據(jù)故事中的情境設(shè)計了以下問題串。

    問題1:如果這只蒼蠅向右爬了5cm,怎么用數(shù)來表示它的位置?如果向右爬了3cm呢?

    問題2:如果這只蒼蠅向左爬了5cm,怎么用數(shù)來表示它的位置?如果向左爬了3cm呢?

    問題3:如果這只蒼蠅向上爬了5cm,怎么用數(shù)來表示它的位置?如果向下爬了3cm呢?

    問題4:如果這只蒼蠅先向右爬3cm,再向上爬5cm,那么怎樣表示它的位置?

    課例“反比例函數(shù)”[12]41-47以重構(gòu)式將數(shù)學(xué)史融入新知引入教學(xué)。教師首先將我國古代的勸善書《太上感應(yīng)篇》中記載的故事引入:明朝萬歷年間,揚州有一家大南貨店,店主在臨死時告訴兒子,他的一桿秤乃烏木合成,中間空的地方藏有水銀,稱出時,將水銀倒在秤頭,稱入時,將水銀倒在秤尾,從而造成“入重出輕”現(xiàn)象。接著,教師向?qū)W生展示桿秤實物并介紹使用原理,然后出示與桿秤有同樣原理的天平模型。如圖1所示,點O相當(dāng)于提鈕所在的位置,點A相當(dāng)于秤盤所在的位置,B處所掛重物相當(dāng)于秤砣。這一模型上的四個量可以分別設(shè)AO=acm,BO=bcm,A處掛的物體重mg,B處掛的物體重ng。最后,教師通過演示實驗引導(dǎo)學(xué)生探究“a、n不變時,b、m有怎樣的關(guān)系”和“a、m不變時,b、n有怎樣的關(guān)系”兩個問題,引出反比例函數(shù)。

    圖1天平模型

    3演示引入

    課例“實數(shù)的概念”[12]41-47以重構(gòu)式將數(shù)學(xué)史融入新知引入教學(xué)。教師根據(jù)古希臘畢達哥拉斯學(xué)派發(fā)現(xiàn)不可公度量的歷史,設(shè)計了折紙和拼圖的教學(xué)活動。教師首先提出“如何求一張A4紙長與寬的比”的問題,接著要求學(xué)生進行如圖2所示的折紙操作,指出折痕AE(即正方形ABEF的對角線)和A4紙的長AD相等,進而提出“若AB長為1,則AE長為多少”的問題,并引導(dǎo)學(xué)生通過多種方法將兩個邊長為1的正方形拼成一個以它們的對角線為邊長的大正方形。最后,教師指導(dǎo)學(xué)生運用二分法估算面積為2的大正方形的邊長,自然引出了無理數(shù)的概念。

    圖2尋找與A4紙的長相等的線段

    課例“平行線的判定”[13]34-40以重構(gòu)式將數(shù)學(xué)史融入新知引入教學(xué)。教師以《墨經(jīng)》《數(shù)理精蘊》《幾何原本》中對平行線的判定(定義)方式為切入點,引導(dǎo)學(xué)生進行從“用距離刻畫平行”到“用角刻畫平行”的探究。在教師的提示和啟發(fā)下,學(xué)生首先聯(lián)想到用兩條直線之間的距離相等來刻畫平行,接著發(fā)現(xiàn)可以先畫已知直線a的垂線,再畫垂線的垂線b,得到b∥a,而后進一步探索發(fā)現(xiàn)了用三角尺的直角沿直尺上推得到兩條平行直線,最后有學(xué)生發(fā)現(xiàn)能運用三角尺其余任意某個角和直尺推得平行直線。教師隨即演示了這一過程(如圖3),自然引出了平行線的判定方法和基本性質(zhì)。

    圖3運用三角尺其余任意某個角和直尺推得平行直線

    課例“三角形內(nèi)角和”[14]40-44以重構(gòu)式將數(shù)學(xué)史融入新知引入教學(xué)。教師基于三角形內(nèi)角和的歷史,引導(dǎo)學(xué)生開展泰勒斯(Thales)當(dāng)年探究和發(fā)現(xiàn)三角形內(nèi)角和定理的拼圖實驗:分別將6個同樣的等腰三角形圍繞一個共同頂點無縫且不重疊地拼接在一起(如圖4),可以發(fā)現(xiàn)具有共同頂點的6個角的和為360°,而在這6個角中,三角形的3個內(nèi)角∠1、∠2和∠3各出現(xiàn)兩次,故知∠1+∠2+∠3=180°;利用6個同樣的不等邊三角形重復(fù)上述實驗(如圖5),可以得到相同結(jié)論。

    圖4利用6個同樣的等腰三角形進行拼圖實驗

    圖5利用6個同樣的不等邊三角形進行拼圖實驗

    三、基于數(shù)學(xué)史的新知引入特點

    根據(jù)M克萊因提出的四個數(shù)學(xué)課程原理(興趣、動機、直觀、文化)和波利亞(GPólya)的三個數(shù)學(xué)教學(xué)原理(最佳動機、主動學(xué)習(xí)、循序漸進),理想的新知引入方式被認(rèn)為至少應(yīng)具備以下特征[3]43-46。

    ① 可學(xué)性,即引入建立在學(xué)生已有知識基礎(chǔ)之上,易于學(xué)生理解;

    ② 有效性,即引入能夠有效地揭示新知學(xué)習(xí)的必要性,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機;

    ③ 關(guān)聯(lián)性,即引入能為后面的相關(guān)知識服務(wù);

    ④ 趣味性,即引入能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知的興趣。

    基于上述特征,我們依次對初中階段HPM課例引入的特點進行分析。

    “字母表示數(shù)”是滬教版七年級數(shù)學(xué)第一學(xué)期的內(nèi)容。教科書通過列舉四個實例說明了用字母可以表示數(shù)。HPM課例中,教師則通過兩個經(jīng)典的歷史問題,在學(xué)生“字母能表示未知數(shù)”的認(rèn)知基礎(chǔ)之上引入“字母能表示任意數(shù)”,體現(xiàn)了可學(xué)性、關(guān)聯(lián)性。學(xué)生在情境問題中對于如何處理已知數(shù)無從下手,教師以此引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,引出新課探究,體現(xiàn)了有效性。但是,該課例在趣味性的體現(xiàn)上還略顯不足。

    “同底數(shù)冪的運算”是滬教版七年級數(shù)學(xué)第一學(xué)期的內(nèi)容。教科書在要求學(xué)生觀察32×34=(3×3)×(3×3×3×3)=36=32+4的計算過程后指出:兩個同底數(shù)冪32、34相乘的結(jié)果是底數(shù)3不變,指數(shù)6等于2與4相加,并由此引出同底數(shù)冪相乘的法則。HPM課例由阿基米德數(shù)沙子的故事引入,學(xué)生感受到了用科學(xué)記數(shù)法表示大數(shù)的復(fù)雜和困難。教師由此開始講解同底數(shù)冪相乘的有關(guān)內(nèi)容,體現(xiàn)了關(guān)聯(lián)性、有效性和趣味性的特點。

    “平方差公式”是滬教版七年級數(shù)學(xué)第一學(xué)期的內(nèi)容。教科書分別通過代數(shù)和幾何兩種方法引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)平方差公式。HPM課例則由根據(jù)歷史改編的莊園主與佃戶的故事引入,通過引導(dǎo)學(xué)生比較邊長變化前后的土地面積引出平方差公式,有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動機,體現(xiàn)了可學(xué)性、關(guān)聯(lián)性、有效性和趣味性的特點。

    “可化為一元一次方程的分式方程”是滬教版七年級數(shù)學(xué)第一學(xué)期的內(nèi)容。教科書以全國第五次鐵路提速為背景作為問題引入,引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)題意列出分式方程后,去掉方程中分式的分母轉(zhuǎn)化為一元一次方程求解。HPM課例則通過改編《計算之書》中的問題,引導(dǎo)學(xué)生分別列出整式方程和分式方程,并在觀察和比較中引出分式方程的特點。相較教科書,在HPM課例中,教師以圖文并茂的形式展現(xiàn)了斐波那契的生平,且為問題增加了斐波那契早年隨父親經(jīng)商的故事背景,因而更具趣味性。

    “實數(shù)的概念”是滬教版七年級數(shù)學(xué)第二學(xué)期的內(nèi)容。教科書通過演示“將兩個邊長為1的小正方形沿一條對角線剪開后拼成面積為2的大正方形”這一過程來說明2的存在。從歷史上看,畢達哥拉斯學(xué)派是在“萬物皆數(shù)”的理念指導(dǎo)下研究正方形對角線與邊長之比的。而在課堂上將兩個小正方形拼成一個大正方形,對學(xué)生而言是缺乏動機的。相比較而言,A4紙比較常見,教師通過A4紙的長、寬之比問題引導(dǎo)學(xué)生進行折紙活動,使正方形的構(gòu)造變得更加自然。由此可見,HPM課例的引入過程體現(xiàn)了關(guān)聯(lián)性、有效性和趣味性的特點。

    “平行線的判定”是滬教版七年級數(shù)學(xué)第二學(xué)期的內(nèi)容。教科書從實驗幾何的角度,引導(dǎo)學(xué)生進行平推三角尺的操作實踐,得到“同位角相等,兩直線平行”的判定方法,再要求學(xué)生操作實踐得到平行線的基本性質(zhì)。HPM課例則基于歷史相似性,引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷從“用距離刻畫平行”到“用角刻畫平行”的探究過程,體現(xiàn)了可學(xué)性、關(guān)聯(lián)性和趣味性的特點。

    “平面直角坐標(biāo)系”是滬教版數(shù)學(xué)七年級第二學(xué)期的內(nèi)容。教科書由“對號入座”問題引入。在HPM課例中,教師巧妙地將問題串與數(shù)學(xué)故事相結(jié)合,引導(dǎo)學(xué)生一步步走出一維世界,認(rèn)識二維平面,既充分考慮了學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ),又揭示了用“實數(shù)對”表示平面內(nèi)點的必要性,整個引入過程具備可學(xué)性、關(guān)聯(lián)性、有效性和趣味性的特點。

    “三角形內(nèi)角和”是滬教版七年級數(shù)學(xué)第二學(xué)期的內(nèi)容。教科書通過演示從一塊三角形紙板裁下三個角并拼在一起的實驗,引導(dǎo)學(xué)生猜想三角形的三個內(nèi)角和等于180°。在HPM課例中,教師首先介紹了泰勒斯鋪設(shè)地磚時的發(fā)現(xiàn),然后基于學(xué)生“周角等于360°”的認(rèn)知基礎(chǔ),引導(dǎo)學(xué)生開展泰勒斯的拼圖實驗引入新知,體現(xiàn)了可學(xué)性、關(guān)聯(lián)性、有效性和趣味性的特點。

    “一元二次方程的配方法”是滬教版八年級數(shù)學(xué)第一學(xué)期的內(nèi)容。教科書在要求學(xué)生觀察x2+8x和(x+4)2的展開式后直接介紹了運用配方法求解方程x2+8x=0。但是,方程x2+8x=0也可以直接通過因式分解法求解,教科書的引入無法體現(xiàn)新知學(xué)習(xí)的必要性。HPM課例則對歷史進行了重構(gòu),在學(xué)生從代數(shù)和幾何的角度理解“直接開平方法”的基礎(chǔ)上,通過呈現(xiàn)花拉子米《代數(shù)學(xué)》中的一道因式分解法不易解決的方程問題,引導(dǎo)學(xué)生將幾何意義上的“將長方形割補成正方形”與代數(shù)意義上的“配方”聯(lián)系起來,體現(xiàn)了可學(xué)性、關(guān)聯(lián)性、有效性和趣味性的特點。

    “反比例函數(shù)”是滬教版八年級數(shù)學(xué)第一學(xué)期的內(nèi)容。教科書通過引導(dǎo)學(xué)生探究面積固定的長方形長與寬的相互關(guān)系引入反比例函數(shù)。HPM課例則根據(jù)桿秤的故事創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境,通過實驗演示使學(xué)生經(jīng)歷了從正反比例到正反比例函數(shù)的歷史過程,具備可學(xué)性、關(guān)聯(lián)性、有效性和趣味性的特點。

    表4對初中階段各課例中新知引入的基本特征進行了總結(jié)。大多數(shù)HPM課例新知引入具備可學(xué)性、關(guān)聯(lián)性、有效性和趣味性的特點。與高中HPM課例新知引入的特點相比[15]38-44,初中階段教師更注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和興趣,使學(xué)生獲得積極的情感體驗,因而在引入的趣味性上更勝一籌。

    表4初中階段各HPM課例的新知引入特點

    課題新知引入

    類型可學(xué)性關(guān)聯(lián)性有效性趣味性字母表示數(shù)問題引入√√√/可化為一元一次

    方程的分式方程問題引入√√√√一元二次方程的

    配方法問題引入√√√√同底數(shù)冪的運算故事引入√√√√平方差公式故事引入√√√√平面直角坐標(biāo)系故事引入√√√√反比例函數(shù)故事引入√√√√實數(shù)的概念演示引入/√√√平行線的判定演示引入√√/√三角形內(nèi)角和演示引入√√√√四、結(jié)語

    綜上所述,在我們所考察的10個HPM課例中,新知引入的方式有問題引入、故事引入、演示引入三種類型。在現(xiàn)行的教科書中,數(shù)學(xué)知識往往是按照特定的邏輯體系來編排的,學(xué)生往往不知道為何要學(xué)習(xí)某個知識點;而一個知識點的歷史卻揭示了知識發(fā)生和發(fā)展的動因,這種動因往往又與問題解決息息相關(guān)。因此,歷史上導(dǎo)致知識發(fā)生發(fā)展的數(shù)學(xué)問題就成了引入新知的理想材料。數(shù)學(xué)史融入初中數(shù)學(xué)教學(xué)的重要目標(biāo)之一是讓數(shù)學(xué)課堂更具人性化,當(dāng)我們關(guān)注知識的源流時,往往會涉及數(shù)學(xué)人物和事件。因此,考慮到初中生的年齡特點,數(shù)學(xué)故事自然受到教師的喜愛;而從人物故事中引出數(shù)學(xué)問題,則是引入新知比較理想的方式。在將數(shù)學(xué)史融入初中數(shù)學(xué)教學(xué)時,教師需要追溯所教知識的起源,而古人的“做數(shù)學(xué)”的方式往往與今天不同。實際上,返璞歸真是“知識之諧”的要求。教師為了再現(xiàn)古人“做數(shù)學(xué)”的過程,會讓學(xué)生通過動手操作和演示獲得初步的發(fā)現(xiàn),這便是演示引入的方法。

    當(dāng)然,部分HPM課例的引入未能兼顧四種特點,因而在引入方式的選擇和運用、數(shù)學(xué)史料的選取和加工上還有待進一步完善和改進。但是,數(shù)學(xué)史為一線教師引入新知提供了豐富的素材,基于數(shù)學(xué)史的課堂引入能大大拓寬傳統(tǒng)教學(xué)“以舊引新”的方式,使新知識自然而然地“流淌”出來,而非灌輸和強加于學(xué)生,這印證了引言中相關(guān)學(xué)者的論斷和觀點。同時,HPM課例的新知引入環(huán)節(jié)設(shè)計也對今后教科書的修訂和編寫具有一定的參考價值。

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