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摘要：为了提高应用型本科高校学生的工程实践能力和创新能力，解决目前学生理论基础薄弱、缺乏学习主动性的问题，在传统实验的基础上，引入虚拟实验，建立虚实结合的实验教学模式，通过丰富的线上实验资源、良好的人机交互环境，很好地调动学生的学习积极性。同时在实验成绩考核中改变考核标准，加入创新设计的成绩，旨在鼓励学生培养创新意识，提升创新能力，达到培养学生创新实践能力的目的。
关键词：虚拟实验 开放式 虚实结合
中图分类号:G642 文献标识码:A
引言
我校作为应用型本科院校，办学思路的“3个转变”及人才培养“3个对接”，使得加强对学生工程实践能力的培养迫在眉睫；同时必须深入思考和明确回答“培养什么人、如何培养人、为谁培养人”的根本问题，立德树人，德才兼备才是硬道理。我校现处于应用型本科转型的关键时期，学校对培养学生的工程实践应用能力极为重视。但目前现有的实验教学模式未能将理论知识和应用实践有效结合，使学生不能将理论融入到实践分析中。部分学生缺乏创新思维，缺乏主动性，没有将职业规划、专业发展、个人兴趣等融合起来，缺乏对先进科技主动了解、学习的动力。
实验是理论与实践相结合的教学过程，旨在培养学生细致的观察能力和勇于探索的实践能力。但由于学校资金、设备受限，在实验教学中，有些实验会涉及高温高压等高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作、高成本、高消耗而不能实际进行。云计算、互联网+、大数据等现代信息技术为高校提供了新的实验教学手段，基于现代信息技术的虚拟仿真实验教学已逐渐成为大学生实践技能培养的热点。
虚拟实验教学将文字、图形和声音有效结合，利用现代信息技术提供使用者一个人机交互的、界面友好的、开放式的虚拟学习环境，能最大化地进行数据共享和知识分享。学生可以像在真实环境中那样完成预定目标的实验和研究项目，能够最为轻松地进行基础学习、实验和研究[1]。
立足于传统实验教学进行虚拟实验教学改革，建立基于网络资源的开放式虚拟实验教学平台，通过新型教学模式强化学生知识学习与能力训练的结合程度，将传统的单一性、演示性、验证性实验教学模式改革为综合性、独立创新性、设计性的实验教学模式，利用现有资源为学生创造出能发挥他们潜能和个性的空间。开放式虚拟实验教学将成为培养学生综合素质能力、创新能力和工程实践能力的行之有效的重要途径。
一、我校大学生实践环节的现状分析
目前传统的大学生实验课程教学都是课前预习、课中操作、课后报告的模式。课前预习时，学生被动地按课本描述，了解简单的实验过程。课中操作时，由于设备的台套数有限和设备的损坏等种种原因致使学生的学习受到一定的阻碍。课后报告时，学生没有重返实验的机会，仅仅通过对课本的了解而停留在了理论层面上。
以我校金属材料与热处理实验为例，目前该实验教学受到许多实验条件限制，如台套数有限、热处理实验耗时长、消耗费用大、实验过程有一定的危险性等问题。其次实验教学过程基本固定，指导教师提前准备材料和调试好仪器，学生根据实验指导书在规定时间按给定仪器设备和规定的实验步骤进行实验。这种模式存在以下问题：（1）实验内容多是演示性和验证性实验，学生参与度不高；（2）学生基础薄弱，对理论知识掌握不够，影响实验进程；（3）由于学生人数较多，设备台套数受限，学生得不到充分的锻炼机会；（4）设备陈旧，精度不高，影响实验效果；（5）实验开放程度不够，学生课余时间没办法进实验室进行实验。这些问题大大影响学生学习兴趣和创新实践能力的培养，对于理工科机械类专业，传统的实验教学方式远不能满足培养高素质、创新能力的人才需求。
二、开放式虚拟实验平台的特点
开放式虚拟实验平台能综合运用多媒体技术、网络技术、虚拟现实及相关仿真技术产生和发展出一种新的实验模式。相比传统的实验平台，开放式虚拟实验教学平台有开展虚拟实验教学的特点和开放式实验教学的优点。突出优点有以下几点：
(1)最大化利用网络资源。企业和科研院所的科研成果通过网络跨越了空间距离的限制进入课堂，使学生的学习范围可以超出校园向更远的地区辐射，获取学校以外更多更丰富的学习资源。（2）可开放式管理，学习行为更自主。通过网络实验平台，学生可以不受时间、地点的限制，从任意章节开始学习，可以最大自由程度地完成学习并设计各种实验，实践各种实验方案和目的，在学习模式上最直接体现了主动学习的特点，对于培养学生独立实践能力和创新能力有极大帮助[2]。（3）实验安全性有保障：对于以往传统实验中危险性极强的实验可以进行虚拟的操作，以避免安全事故的发生[3]。除此以外，相较于传统实验教学，虚拟实验教学有着更加良好的经济性和开发性，将实验部分或全部功能虚拟化，以此克服实验教学设备有限性、时间局限性等缺陷，更利于开放式实验教学的开展，使虚拟实验教学更加广泛地应用于教育和科研领域中。
三、建立虚实结合的实验教学模式
结合我校学生理论基础薄弱、部分同学厌学现象明显的实际情况，通过教学改革，建立虚拟实验教学平台，形成虚实结合的实验教学模式，促进相关教师改变教学方法、创新教学理念，充分利用学生动手兴趣高、动手能力强的特点，创造适合于我校学生的“学中做、做中学、学和做紧密结合”的教学体系。通过改革教学模式，让学生充分参与到课堂和实践中，以此引起学生的学习兴趣，有助于将来个人职业发展，促使学生理解机械系统的工作原理、掌握先进的设计方法和理念，培养学生的创新意识和思维，提高实践能力，同时改进教师固化的教学理念和方法，调动学生的学习兴趣和积极性，最终提高教学质量。
在教学改革过程中采取的措施主要有： 实验课程体系改革。改变传统实验教学模式，建立开放式虚拟实验课程体系。根据虚拟实验不受时间地点限制的特点，可先开展部分相关课程的开放性虚拟实验,比如我院“金属材料与热处理”课程中的碳钢热处理实验，用传统方法进行实验时，通常一个试样要经过热处理、加热、保温和冷却一系列过程，至少需要2个小时，热处理完成后再进行性能测试，显微分析等就不能在课内完成。为了节约课堂实验时间，让学生在有限的时间内获得实验结果，通常在进行热处理实验时，实验教师提前对试样加热，让学生在课堂上进行检测分析。学生对热处理工艺的制定缺乏参与和思考，只能被动接受，缺乏自主设计和直观感受,实验效果不佳。我院通过建立开放式虚拟实验平台，可以使学生在线上提前熟悉设备，了解实验涉及的理论知识，制定热处理实验方案，选择实验设备进行模拟实验。在实验过程中可反复操作，重复实验，直到方案正确为止。这样既节省了金属试样在实验室中的加热时间，提高了实验效率，同时可以让学生快速地进行多种方案的测试比较，更深刻地理解碳钢热处理的工艺性能。学院通过建立模块化的虚拟实验课程内容，以材料使用性能与热处理工艺设计能力为目标进行虚实结合的实验，初步形成基础知识到专业技能再到专业综合技能的分层次的工程应用能力培养，达到良好的实验效果，提高学生的学习积极性[4]。 （2）实验方法改革。根据我院已有的实验条件，与兄弟院校合作共建网络虚拟实验教学平台，将实验中的设备虚拟化，采用良好的人机交互界面，让学生在虚拟的环境中感受真实的实验效果，对于真实实验环境中难以完成的实验项目，在虚拟实验中就可以很容易实现。通过开放远程虚拟实验，师生在家、寝室或校外通过实验门户网站平台了解课程，查看各种信息，访问和使用专业虚拟仿真实训教学软件，实现信息互动共享交流。通过虚拟实验，使学生不受时间、地域的限制，更加灵活地掌握实验内容，同时可与内地高校学生在平台上交流学习，拓宽学生的视野。当学生回到真实实验室中，根据虚拟实验中已掌握的理论知识和操作技能，能够将实验设备充分利用起来，节约大量的课前预习和准备时间。这样将虚拟实验和真实实验有机结合，进行合理搭配，实验效果将更为明显。
（3）实验内容改革。将真实实验项目特别是实验室不具备或难以完成的教学功能，以及涉及高成本、高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作实验项目转换成虚拟实验项目，对学生开放，鼓励学生自主设计实验方案。采取这种方法，拓展实验内容，将一些在实验室中无法操作、无法观察到的实验过程和结果在虚拟空间中呈现，使学生的实验空间和实验思维得到扩展，能够根据实际情况在两种实验平台交替使用[5]。真实实验中难以解决的问题，可以进入虚拟实验中寻找答案，同样，在虚拟实验中遇到的问题也可以在真实实验中得以解决，两者是相互促进的。
（4）考核方式和评价体系改革。虚拟实验系统自动记录学生实验过程，由老师在监控终端对学生进行成绩考核。但仅仅记录和汇总学生的成绩是远远不够的，特别是现在的实验正在向创新性、研究性方向转变，这不仅要学生完成实验项目，还要具备一定的创新思维，要在实验中充分展现自己的创新设计，发挥自己的创新能力，这样才能使现代大学生的综合能力得以提升。在构建实验教学评价体系时，要做到客观、全面，应形成开放性的实验空间，使实验更加科学有效,将虚拟实验方法与真实实验相结合有助于创新性、研究性实验的开展。实验教学模式的转向对于创新人才培养非常重要。在构建评价体系的过程中，要全面、多角度考核学生，从客观角度评价学生。除了传统的教师评价学生以外，增加学生互评环节，让同小组的学生互相评价。采用多元化的评价体系，将实验过程和实验成果与学生解决实验问题的能力挂钩，实现评价综合性。同时，高度关注学生之间的协作能力，但也强调学生的个性发展。
四、虚拟实验利于对学生实践能力的培养
1.“教与学”结合
在信息化时代，计算机普及的情况下，学生不再是知识的被动接受者，而是积极主动参与教学，具有较强的自主学习能力。
（1）转变教学观念，坚持以学生为中心。以学生为中心，树立教师是学生自主学习的“指导者”“辅导者”的理念。
（2）调动学生学习积极性，构建互动式课堂。打破传统课堂教学形式，建立由学生参与的、师生互动式的教学形式。
（3）加强线上线下教学手段建设，建立纸质、声音、电子、网络等多种媒体构成的立体化教学载体，为学生自主学习提供条件。
（4）建立激励学生自主学习、多渠道的、获取式的开放教学体系。打破以课堂为主的灌输式教学，探索建立多渠道的获取式教学方式，建立全方位开放的教学体系。
2.“学与练”结合
学生在课堂上学习理论知识，在虚拟实验平台上亲自体验和操作，测试自己制订的实验方案的可行性，确保实验室操作的准确性和实效性。同时，在学生自主设计实验和实践的过程中，通过积极思考和实践活动，能够激发学生在学习过程中的积极性、主动性和独立性。教师提供给学生“学”的方法，学生掌握了学习的方法，才能真正掌握学习主动权，调动学习主动性。给学生充分的学习时间，放手让学生自主学习，让学生的学习主动性得到充分的发挥，这是培养学生自学能力的主渠道。
通过转变学习方式，将学生“机械模仿地学”变为“探究创新地学”，着重培养学生自主、创新、合作、探究的能力，让课堂教学体现更有效的价值。
3.“课上课下”结合
课上是学习，课下也是学习。学生利用课余时间在线上虚拟实验平台中进行实验。通过虚拟实验，学生可以灵活地安排学习时间，不受实验室开放时长的影响，有效利用课余碎片时间，提升学习效率。学生可以将线上线下的学习内容关联起来，实现相互弥补。同时将学习过程中遇到的问题放在课堂上反馈，充分培养学生自主学习、分析问题、解决问题的能力。
结语
在传统实验和理论教学的基础上，丰富教学形式，引入虚拟实验，形成一个人人参与实验的良好实验条件，能充分调动学生的学习主动性。同时可以节约大量的课堂教学时间，相比传统实验，教学效果更好。当然，虚拟实验只是模拟实验，其效能是有限的，不能取代真实的仪器设备操作实验。因此需要将虚拟实验与传统实验相结合，相辅相成，才能真正达到培养学生实践能力的目的。
实践证明，这些探索与实践能够激发学生对学习的积极性和主动性，培养学生积极思考和创新的能力，提高学生的综合素质。通过教改实践，我们深深体会到重视培养与训练学生的创新思维，可使教学更加生动，富于启发性，并且有利于学生理解和掌握课程内容，充分调动学生的积极性、主动性。
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关键词：虚拟实验 开放式 虚实结合
中图分类号:G642 文献标识码:A
引言
我校作为应用型本科院校，办学思路的“3个转变”及人才培养“3个对接”，使得加强对学生工程实践能力的培养迫在眉睫；同时必须深入思考和明确回答“培养什么人、如何培养人、为谁培养人”的根本问题，立德树人，德才兼备才是硬道理。我校现处于应用型本科转型的关键时期，学校对培养学生的工程实践应用能力极为重视。但目前现有的实验教学模式未能将理论知识和应用实践有效结合，使学生不能将理论融入到实践分析中。部分学生缺乏创新思维，缺乏主动性，没有将职业规划、专业发展、个人兴趣等融合起来，缺乏对先进科技主动了解、学习的动力。
实验是理论与实践相结合的教学过程，旨在培养学生细致的观察能力和勇于探索的实践能力。但由于学校资金、设备受限，在实验教学中，有些实验会涉及高温高压等高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作、高成本、高消耗而不能实际进行。云计算、互联网+、大数据等现代信息技术为高校提供了新的实验教学手段，基于现代信息技术的虚拟仿真实验教学已逐渐成为大学生实践技能培养的热点。
虚拟实验教学将文字、图形和声音有效结合，利用现代信息技术提供使用者一个人机交互的、界面友好的、开放式的虚拟学习环境，能最大化地进行数据共享和知识分享。学生可以像在真实环境中那样完成预定目标的实验和研究项目，能够最为轻松地进行基础学习、实验和研究[1]。
立足于传统实验教学进行虚拟实验教学改革，建立基于网络资源的开放式虚拟实验教学平台，通过新型教学模式强化学生知识学习与能力训练的结合程度，将传统的单一性、演示性、验证性实验教学模式改革为综合性、独立创新性、设计性的实验教学模式，利用现有资源为学生创造出能发挥他们潜能和个性的空间。开放式虚拟实验教学将成为培养学生综合素质能力、创新能力和工程实践能力的行之有效的重要途径。
一、我校大学生实践环节的现状分析
目前传统的大学生实验课程教学都是课前预习、课中操作、课后报告的模式。课前预习时，学生被动地按课本描述，了解简单的实验过程。课中操作时，由于设备的台套数有限和设备的损坏等种种原因致使学生的学习受到一定的阻碍。课后报告时，学生没有重返实验的机会，仅仅通过对课本的了解而停留在了理论层面上。
以我校金属材料与热处理实验为例，目前该实验教学受到许多实验条件限制，如台套数有限、热处理实验耗时长、消耗费用大、实验过程有一定的危险性等问题。其次实验教学过程基本固定，指导教师提前准备材料和调试好仪器，学生根据实验指导书在规定时间按给定仪器设备和规定的实验步骤进行实验。这种模式存在以下问题：（1）实验内容多是演示性和验证性实验，学生参与度不高；（2）学生基础薄弱，对理论知识掌握不够，影响实验进程；（3）由于学生人数较多，设备台套数受限，学生得不到充分的锻炼机会；（4）设备陈旧，精度不高，影响实验效果；（5）实验开放程度不够，学生课余时间没办法进实验室进行实验。这些问题大大影响学生学习兴趣和创新实践能力的培养，对于理工科机械类专业，传统的实验教学方式远不能满足培养高素质、创新能力的人才需求。
二、开放式虚拟实验平台的特点
开放式虚拟实验平台能综合运用多媒体技术、网络技术、虚拟现实及相关仿真技术产生和发展出一种新的实验模式。相比传统的实验平台，开放式虚拟实验教学平台有开展虚拟实验教学的特点和开放式实验教学的优点。突出优点有以下几点：
(1)最大化利用网络资源。企业和科研院所的科研成果通过网络跨越了空间距离的限制进入课堂，使学生的学习范围可以超出校园向更远的地区辐射，获取学校以外更多更丰富的学习资源。（2）可开放式管理，学习行为更自主。通过网络实验平台，学生可以不受时间、地点的限制，从任意章节开始学习，可以最大自由程度地完成学习并设计各种实验，实践各种实验方案和目的，在学习模式上最直接体现了主动学习的特点，对于培养学生独立实践能力和创新能力有极大帮助[2]。（3）实验安全性有保障：对于以往传统实验中危险性极强的实验可以进行虚拟的操作，以避免安全事故的发生[3]。除此以外，相较于传统实验教学，虚拟实验教学有着更加良好的经济性和开发性，将实验部分或全部功能虚拟化，以此克服实验教学设备有限性、时间局限性等缺陷，更利于开放式实验教学的开展，使虚拟实验教学更加广泛地应用于教育和科研领域中。
三、建立虚实结合的实验教学模式
结合我校学生理论基础薄弱、部分同学厌学现象明显的实际情况，通过教学改革，建立虚拟实验教学平台，形成虚实结合的实验教学模式，促进相关教师改变教学方法、创新教学理念，充分利用学生动手兴趣高、动手能力强的特点，创造适合于我校学生的“学中做、做中学、学和做紧密结合”的教学体系。通过改革教学模式，让学生充分参与到课堂和实践中，以此引起学生的学习兴趣，有助于将来个人职业发展，促使学生理解机械系统的工作原理、掌握先进的设计方法和理念，培养学生的创新意识和思维，提高实践能力，同时改进教师固化的教学理念和方法，调动学生的学习兴趣和积极性，最终提高教学质量。
在教学改革过程中采取的措施主要有： 实验课程体系改革。改变传统实验教学模式，建立开放式虚拟实验课程体系。根据虚拟实验不受时间地点限制的特点，可先开展部分相关课程的开放性虚拟实验,比如我院“金属材料与热处理”课程中的碳钢热处理实验，用传统方法进行实验时，通常一个试样要经过热处理、加热、保温和冷却一系列过程，至少需要2个小时，热处理完成后再进行性能测试，显微分析等就不能在课内完成。为了节约课堂实验时间，让学生在有限的时间内获得实验结果，通常在进行热处理实验时，实验教师提前对试样加热，让学生在课堂上进行检测分析。学生对热处理工艺的制定缺乏参与和思考，只能被动接受，缺乏自主设计和直观感受,实验效果不佳。我院通过建立开放式虚拟实验平台，可以使学生在线上提前熟悉设备，了解实验涉及的理论知识，制定热处理实验方案，选择实验设备进行模拟实验。在实验过程中可反复操作，重复实验，直到方案正确为止。这样既节省了金属试样在实验室中的加热时间，提高了实验效率，同时可以让学生快速地进行多种方案的测试比较，更深刻地理解碳钢热处理的工艺性能。学院通过建立模块化的虚拟实验课程内容，以材料使用性能与热处理工艺设计能力为目标进行虚实结合的实验，初步形成基础知识到专业技能再到专业综合技能的分层次的工程应用能力培养，达到良好的实验效果，提高学生的学习积极性[4]。 （2）实验方法改革。根据我院已有的实验条件，与兄弟院校合作共建网络虚拟实验教学平台，将实验中的设备虚拟化，采用良好的人机交互界面，让学生在虚拟的环境中感受真实的实验效果，对于真实实验环境中难以完成的实验项目，在虚拟实验中就可以很容易实现。通过开放远程虚拟实验，师生在家、寝室或校外通过实验门户网站平台了解课程，查看各种信息，访问和使用专业虚拟仿真实训教学软件，实现信息互动共享交流。通过虚拟实验，使学生不受时间、地域的限制，更加灵活地掌握实验内容，同时可与内地高校学生在平台上交流学习，拓宽学生的视野。当学生回到真实实验室中，根据虚拟实验中已掌握的理论知识和操作技能，能够将实验设备充分利用起来，节约大量的课前预习和准备时间。这样将虚拟实验和真实实验有机结合，进行合理搭配，实验效果将更为明显。
（3）实验内容改革。将真实实验项目特别是实验室不具备或难以完成的教学功能，以及涉及高成本、高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作实验项目转换成虚拟实验项目，对学生开放，鼓励学生自主设计实验方案。采取这种方法，拓展实验内容，将一些在实验室中无法操作、无法观察到的实验过程和结果在虚拟空间中呈现，使学生的实验空间和实验思维得到扩展，能够根据实际情况在两种实验平台交替使用[5]。真实实验中难以解决的问题，可以进入虚拟实验中寻找答案，同样，在虚拟实验中遇到的问题也可以在真实实验中得以解决，两者是相互促进的。
（4）考核方式和评价体系改革。虚拟实验系统自动记录学生实验过程，由老师在监控终端对学生进行成绩考核。但仅仅记录和汇总学生的成绩是远远不够的，特别是现在的实验正在向创新性、研究性方向转变，这不仅要学生完成实验项目，还要具备一定的创新思维，要在实验中充分展现自己的创新设计，发挥自己的创新能力，这样才能使现代大学生的综合能力得以提升。在构建实验教学评价体系时，要做到客观、全面，应形成开放性的实验空间，使实验更加科学有效,将虚拟实验方法与真实实验相结合有助于创新性、研究性实验的开展。实验教学模式的转向对于创新人才培养非常重要。在构建评价体系的过程中，要全面、多角度考核学生，从客观角度评价学生。除了传统的教师评价学生以外，增加学生互评环节，让同小组的学生互相评价。采用多元化的评价体系，将实验过程和实验成果与学生解决实验问题的能力挂钩，实现评价综合性。同时，高度关注学生之间的协作能力，但也强调学生的个性发展。
四、虚拟实验利于对学生实践能力的培养
1.“教与学”结合
在信息化时代，计算机普及的情况下，学生不再是知识的被动接受者，而是积极主动参与教学，具有较强的自主学习能力。
（1）转变教学观念，坚持以学生为中心。以学生为中心，树立教师是学生自主学习的“指导者”“辅导者”的理念。
（2）调动学生学习积极性，构建互动式课堂。打破传统课堂教学形式，建立由学生参与的、师生互动式的教学形式。
（3）加强线上线下教学手段建设，建立纸质、声音、电子、网络等多种媒体构成的立体化教学载体，为学生自主学习提供条件。
（4）建立激励学生自主学习、多渠道的、获取式的开放教学体系。打破以课堂为主的灌输式教学，探索建立多渠道的获取式教学方式，建立全方位开放的教学体系。
2.“学与练”结合
学生在课堂上学习理论知识，在虚拟实验平台上亲自体验和操作，测试自己制订的实验方案的可行性，确保实验室操作的准确性和实效性。同时，在学生自主设计实验和实践的过程中，通过积极思考和实践活动，能够激发学生在学习过程中的积极性、主动性和独立性。教师提供给学生“学”的方法，学生掌握了学习的方法，才能真正掌握学习主动权，调动学习主动性。给学生充分的学习时间，放手让学生自主学习，让学生的学习主动性得到充分的发挥，这是培养学生自学能力的主渠道。
通过转变学习方式，将学生“机械模仿地学”变为“探究创新地学”，着重培养学生自主、创新、合作、探究的能力，让课堂教学体现更有效的价值。
3.“课上课下”结合
课上是学习，课下也是学习。学生利用课余时间在线上虚拟实验平台中进行实验。通过虚拟实验，学生可以灵活地安排学习时间，不受实验室开放时长的影响，有效利用课余碎片时间，提升学习效率。学生可以将线上线下的学习内容关联起来，实现相互弥补。同时将学习过程中遇到的问题放在课堂上反馈，充分培养学生自主学习、分析问题、解决问题的能力。
结语
在传统实验和理论教学的基础上，丰富教学形式，引入虚拟实验，形成一个人人参与实验的良好实验条件，能充分调动学生的学习主动性。同时可以节约大量的课堂教学时间，相比传统实验，教学效果更好。当然，虚拟实验只是模拟实验，其效能是有限的，不能取代真实的仪器设备操作实验。因此需要将虚拟实验与传统实验相结合，相辅相成，才能真正达到培养学生实践能力的目的。
实践证明，这些探索与实践能够激发学生对学习的积极性和主动性，培养学生积极思考和创新的能力，提高学生的综合素质。通过教改实践，我们深深体会到重视培养与训练学生的创新思维，可使教学更加生动，富于启发性，并且有利于学生理解和掌握课程内容，充分调动学生的积极性、主动性。
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