盲校高中生物選擇性必修3《基因工程技術(shù)》教學(xué)設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
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盲校高中生物選擇性必修3《基因工程技術(shù)》教學(xué)設(shè)計(jì)【教材分析】本節(jié)內(nèi)容選自蘇教版高中生物選擇性必修3“生物技術(shù)與工程”第三章第一節(jié)。基因工程作為現(xiàn)代生物技術(shù)的核心,在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。本節(jié)是基因工程的開(kāi)篇,主要闡述基因工程的概念、基本工具和操作流程,為后續(xù)學(xué)習(xí)基因工程的應(yīng)用和倫理問(wèn)題奠定知識(shí)基礎(chǔ)。教材編排遵循從工具到方法、從原理到應(yīng)用的邏輯順序,通過(guò)圖文結(jié)合的方式呈現(xiàn)限制酶的作用機(jī)制、質(zhì)粒載體的結(jié)構(gòu)以及基因工程操作的四步流程。針對(duì)盲校學(xué)生,教材配套了盲文版和可觸摸的凸點(diǎn)圖,教師需充分利用這些資源,將視覺(jué)信息轉(zhuǎn)化為觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)信息,幫助學(xué)生構(gòu)建分子生物學(xué)模型。【學(xué)情分析】授課對(duì)象為盲校高中二年級(jí)學(xué)生,他們已系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)、DNA的、遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯等基礎(chǔ)知識(shí),對(duì)基因的結(jié)構(gòu)和功能有初步理解。由于視覺(jué)障礙,學(xué)生在空間想象和微觀過(guò)程的把握上存在一定困難,但聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)代償功能較強(qiáng),邏輯思維和記憶力通常較為突出。學(xué)生對(duì)基因工程這一前沿技術(shù)充滿好奇,但對(duì)其具體操作感到陌生和抽象。因此,教學(xué)過(guò)程中需要借助直觀的觸覺(jué)模型、音頻描述、實(shí)物類比等手段,將抽象概念具體化、形象化,同時(shí)通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)激發(fā)學(xué)生的探究欲望,培養(yǎng)科學(xué)思維。【教學(xué)目標(biāo)】依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)并融合核心素養(yǎng),設(shè)定以下教學(xué)目標(biāo):1.生命觀念:通過(guò)分析基因工程的原理,理解基因在不同生物體間流動(dòng)的可能性,認(rèn)同生物界遺傳物質(zhì)的統(tǒng)一性,形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念。2.科學(xué)思維:運(yùn)用模型建構(gòu)的方法,歸納限制酶、DNA連接酶和載體的功能特點(diǎn);基于基因工程的操作步驟,發(fā)展批判性思維和邏輯推理能力,能夠解釋實(shí)際生產(chǎn)中的技術(shù)路線。3.科學(xué)探究:通過(guò)模擬基因工程操作,體驗(yàn)科學(xué)家的研究過(guò)程,學(xué)習(xí)控制變量和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基本方法,提升動(dòng)手能力和合作意識(shí)。4.社會(huì)責(zé)任:了解基因工程在解決人類健康、糧食安全等問(wèn)題中的貢獻(xiàn),理性看待轉(zhuǎn)基因技術(shù)的爭(zhēng)議,形成科學(xué)的態(tài)度和倫理責(zé)任感。【教學(xué)重難點(diǎn)】【重點(diǎn)】基因工程的基本工具(限制酶、DNA連接酶、載體)的作用機(jī)制和特點(diǎn);基因工程的操作步驟。【難點(diǎn)】限制酶切割產(chǎn)生黏性末端與平末端的區(qū)別;基因表達(dá)載體的構(gòu)建過(guò)程,尤其是啟動(dòng)子、終止子等調(diào)控元件的作用。【教學(xué)方法】采用情境創(chuàng)設(shè)、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、模型構(gòu)建、合作探究相結(jié)合的教學(xué)方法。針對(duì)盲生特點(diǎn),特別強(qiáng)調(diào)多感官教學(xué):利用可觸摸的立體模型模擬DNA雙鏈和酶分子;使用盲文版學(xué)案和凸點(diǎn)圖展示切割位點(diǎn)與重組過(guò)程;通過(guò)音頻描述和語(yǔ)音反饋強(qiáng)化理解;安排小組合作操作模擬材料,促進(jìn)生生互動(dòng)。【教學(xué)準(zhǔn)備】教師需準(zhǔn)備以下教學(xué)資源:1.基因工程工具模型套件:用不同顏色和紋理的軟磁條代表DNA雙鏈,上面用凸點(diǎn)標(biāo)記堿基序列;用帶磁性的塑料片代表限制酶,可吸附在特定序列上并模擬切割;用粘性膠帶代表DNA連接酶;用小塑料環(huán)代表質(zhì)粒,環(huán)上設(shè)有可插入的接口。2.盲文版學(xué)案:包含基因工程概念、工具表格、操作步驟流程圖等,關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)標(biāo)注盲文。3.凸點(diǎn)圖:包括EcoRI切割位點(diǎn)示意圖、質(zhì)粒結(jié)構(gòu)圖、PCR循環(huán)圖、重組DNA構(gòu)建流程圖。4.音頻資料:錄制科學(xué)家發(fā)明基因工程的故事、胰島素生產(chǎn)案例講解、操作步驟口訣等。5.模擬實(shí)驗(yàn)材料:每組一份彩色紙條(代表DNA片段)、安全剪刀(代表限制酶)、透明膠帶(代表連接酶)、小紙環(huán)(代表質(zhì)粒)、標(biāo)記筆。【教學(xué)過(guò)程】【導(dǎo)入新課】上課伊始,教師播放一段約2分鐘的音頻故事:“同學(xué)們,你們知道糖尿病病人使用的胰島素是從哪里來(lái)的嗎?早期,科學(xué)家從豬或牛的胰腺中提取胰島素,但是提取100克胰島素需要上千個(gè)胰腺,產(chǎn)量低且容易引起過(guò)敏反應(yīng)。到了20世紀(jì)70年代,科學(xué)家利用一種新技術(shù),讓大腸桿菌變成了生產(chǎn)人胰島素的‘微型工廠’,從此胰島素可以大量生產(chǎn),價(jià)格也大大降低。這種神奇的技術(shù)就是基因工程。今天,我們就一起走進(jìn)基因工程的世界,探索科學(xué)家是如何改造生命、造福人類的。”音頻播放后,教師提問(wèn):“大家想一想,要把人的胰島素基因放到細(xì)菌里,需要哪些工具?要經(jīng)過(guò)哪些步驟呢?”學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)可能回答出需要“剪刀”、“針線”等,教師順勢(shì)引出本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。【新課講授】第一環(huán)節(jié):基因工程的概念。【基礎(chǔ)】教師引導(dǎo)學(xué)生觸摸盲文學(xué)案,找到“基因工程”的定義段落,并大聲朗讀:“基因工程是指按照人們的愿望,進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì),通過(guò)體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因等技術(shù),賦予生物以新的遺傳特性。”教師進(jìn)一步解釋:“這個(gè)概念中有幾個(gè)關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)、體外重組、轉(zhuǎn)基因。我們可以把基因工程想象成一種分子級(jí)別的‘樂(lè)高’游戲,科學(xué)家根據(jù)設(shè)計(jì)圖,從不同生物身上拆下想要的基因片段,在體外重新組裝,再放回生物體內(nèi),讓這個(gè)生物獲得新的性狀。比如,讓細(xì)菌長(zhǎng)出人的胰島素基因,它就能生產(chǎn)胰島素了。”接著,教師提問(wèn):“為什么基因可以在不同生物之間轉(zhuǎn)移呢?”引導(dǎo)學(xué)生回顧遺傳物質(zhì)DNA的通用性,所有生物的DNA都是由相同的四種堿基組成,這為基因工程提供了可能。【第二環(huán)節(jié):基因工程的基本工具】這一環(huán)節(jié)分為三個(gè)部分,教師通過(guò)模型演示和學(xué)生動(dòng)手觸摸相結(jié)合的方式進(jìn)行。【第一部分:限制性核酸內(nèi)切酶(限制酶)】【重要】教師分發(fā)DNA模型(軟磁條),每?jī)扇艘唤M。教師說(shuō):“請(qǐng)同學(xué)們觸摸這條DNA模型,上面有不同形狀的凸點(diǎn),分別代表A、T、C、G四種堿基。現(xiàn)在,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一類特殊的酶,叫做限制酶,它們能識(shí)別DNA上特定的堿基序列,并在特定位點(diǎn)切斷DNA。比如,一種從大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的限制酶EcoRI,它只能識(shí)別GAATTC這個(gè)序列,并在G和A之間切斷。”教師將帶有EcoRI標(biāo)志的磁性塑料片吸附在DNA模型的GAATTC序列處,然后輕輕拉開(kāi),DNA模型被分成兩段。學(xué)生觸摸被切開(kāi)的位置,感受斷口處兩條鏈長(zhǎng)度不一,形成單鏈尾巴。教師解釋:“這種切開(kāi)后兩條鏈末端長(zhǎng)短不一,可以互補(bǔ)配對(duì)的,叫做黏性末端。還有一類限制酶,比如SmaI,它識(shí)別CCCGGG序列,并在C和G之間切斷,產(chǎn)生的是齊平的末端,叫做平末端。”教師演示SmaI切割模型,讓學(xué)生觸摸對(duì)比。教師總結(jié)限制酶的作用特點(diǎn):識(shí)別特定序列,切割磷酸二酯鍵,產(chǎn)生黏性末端或平末端。同時(shí)強(qiáng)調(diào),限制酶主要來(lái)源于原核生物,用來(lái)切割外源DNA,保護(hù)自身。教師提問(wèn):“如果限制酶識(shí)別序列在DNA上出現(xiàn)多次,會(huì)怎么樣?”引導(dǎo)學(xué)生理解切割會(huì)產(chǎn)生多個(gè)片段。【第二部分:DNA連接酶】【基礎(chǔ)】教師拿出“連接酶”模型(粘性膠帶),說(shuō):“DNA被切開(kāi)后,有時(shí)我們需要把不同的片段重新連接起來(lái),這就需要另一種工具——DNA連接酶。它能夠催化形成磷酸二酯鍵,將兩個(gè)DNA片段縫合。注意,連接酶只能連接已經(jīng)通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)靠近的片段,特別是黏性末端更容易連接。”教師演示將兩個(gè)具有互補(bǔ)黏性末端的DNA片段靠近,它們自動(dòng)通過(guò)氫鍵結(jié)合,然后用連接酶膠帶粘合,形成一個(gè)完整的DNA分子。學(xué)生觸摸粘合處,感受連接后的平滑。教師補(bǔ)充:“平末端也可以用連接酶連接,但效率較低,因?yàn)槠侥┒藳](méi)有互補(bǔ)的突出鏈來(lái)幫助定位。”【第三部分:載體】【重要】教師展示質(zhì)粒模型(小塑料環(huán)),說(shuō):“有了剪刀和針線,我們還需要一個(gè)運(yùn)輸工具,把目的基因安全地送到受體細(xì)胞里,這個(gè)工具就是載體。最常用的是質(zhì)粒,它是細(xì)菌細(xì)胞中獨(dú)立于染色體之外的小型環(huán)狀DNA。一個(gè)合格的載體需要具備哪些條件呢?請(qǐng)同學(xué)們觸摸質(zhì)粒模型上的幾個(gè)特殊部位:首先,它必須有一個(gè)起點(diǎn),這樣才能在受體細(xì)胞中自我;其次,它要有多個(gè)限制酶切割位點(diǎn),也叫多克隆位點(diǎn),方便插入目的基因;第三,它必須帶有標(biāo)記基因,比如抗生素抗性基因,這樣我們就能篩選出成功導(dǎo)入了載體的細(xì)胞;另外,載體一般不能太大,且對(duì)受體細(xì)胞無(wú)害。”學(xué)生觸摸質(zhì)粒上的凸點(diǎn)標(biāo)記,感受這些結(jié)構(gòu)。教師還提及噬菌體、動(dòng)植物病毒也可作為載體。【第三環(huán)節(jié):基因工程的基本操作步驟】教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀盲文教材中的操作流程圖,并配合觸摸凸點(diǎn)圖,分步詳解。【第一步:獲取目的基因】【熱點(diǎn)】教師說(shuō):“目的基因就是我們想要轉(zhuǎn)移的基因,比如胰島素基因。如何獲得它呢?方法有多種:可以從已有的基因文庫(kù)中調(diào)取,就像從圖書(shū)館借書(shū);也可以用化學(xué)方法人工合成;最常用的是PCR技術(shù),也就是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。”教師拿出PCR循環(huán)模型(三個(gè)溫度區(qū)),讓學(xué)生觸摸感受:高溫區(qū)(95℃)模擬DNA變性,雙鏈解開(kāi);低溫區(qū)(55℃)模擬退火,引物與模板結(jié)合;中溫區(qū)(72℃)模擬延伸,Taq酶合成新鏈。教師描述:“通過(guò)這樣反復(fù)循環(huán),一個(gè)DNA分子可以變成成千上萬(wàn)個(gè)拷貝,就像復(fù)印機(jī)一樣。”強(qiáng)調(diào)PCR需要模板、引物、Taq酶、dNTP等條件。【第二步:基因表達(dá)載體的構(gòu)建】【難點(diǎn)】教師說(shuō):“這是基因工程的核心步驟。我們需要將目的基因與載體連接,形成重組DNA分子。現(xiàn)在,請(qǐng)同學(xué)們用模擬材料自己操作一遍。”學(xué)生分組活動(dòng):每組有兩張彩色紙條(代表目的基因和質(zhì)粒),一把安全剪刀(代表限制酶),一卷透明膠帶(代表連接酶)。教師指導(dǎo):“先用同一種限制酶切割質(zhì)粒和目的基因,比如都用EcoRI切割。注意,質(zhì)粒上要有相應(yīng)的識(shí)別序列。切割后,質(zhì)粒變成線性,兩端產(chǎn)生黏性末端;目的基因兩端也產(chǎn)生相同的黏性末端。然后,將它們混合,黏性末端通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)而靠近,最后用連接酶連接,就得到了重組質(zhì)粒。”學(xué)生動(dòng)手操作,教師巡視,幫助學(xué)生理解必須用同一種限制酶才能產(chǎn)生匹配末端。同時(shí),教師解釋:“在真正的表達(dá)載體中,除了目的基因,還需要有啟動(dòng)子——它是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位,驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄;終止子——使轉(zhuǎn)錄停止。這些元件就像開(kāi)關(guān)和標(biāo)點(diǎn)符號(hào),保證目的基因能正確表達(dá)。”【第三步:將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞】【基礎(chǔ)】教師介紹不同的受體細(xì)胞對(duì)應(yīng)不同的導(dǎo)入方法。對(duì)于微生物,常用感受態(tài)細(xì)胞法:用氯化鈣處理細(xì)菌,使細(xì)胞壁通透性增加,成為容易吸收外源DNA的感受態(tài)細(xì)胞,然后將重組質(zhì)粒與感受態(tài)細(xì)胞混合,通過(guò)熱激或電激使質(zhì)粒進(jìn)入。教師拿出海綿模型代表感受態(tài)細(xì)胞,演示質(zhì)粒進(jìn)入。對(duì)于植物細(xì)胞,常用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法,利用農(nóng)桿菌的Ti質(zhì)粒將目的基因整合到植物染色體上;對(duì)于動(dòng)物細(xì)胞,常用顯微注射法,用極細(xì)的玻璃針直接將DNA注入受精卵。教師通過(guò)音頻描述這些過(guò)程。【第四步:目的基因的檢測(cè)與鑒定】【重要】教師提問(wèn):“我們?nèi)绾沃滥男┘?xì)胞成功導(dǎo)入了目的基因?又如何知道目的基因是否正常工作?”引導(dǎo)學(xué)生思考篩選方法。教師解釋:“利用載體上的標(biāo)記基因,比如氨芐青霉素抗性基因。將處理后的細(xì)菌涂布在含有氨芐青霉素的培養(yǎng)基上,只有導(dǎo)入了質(zhì)粒(無(wú)論是否重組)的細(xì)菌才能生長(zhǎng),而沒(méi)有導(dǎo)入的則死亡。但這里長(zhǎng)出的菌落可能含有空載體(沒(méi)有目的基因的質(zhì)粒)或重組質(zhì)粒。如何進(jìn)一步區(qū)分?可以用另一種方法,比如插入失活法:如果目的基因插入到載體上的另一個(gè)標(biāo)記基因(如四環(huán)素抗性基因)內(nèi)部,那么該基因就會(huì)失活。這樣,在含氨芐青霉素的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的菌落,再分別影印到含四環(huán)素的培養(yǎng)基上,在氨芐青霉素板上生長(zhǎng)但在四環(huán)素板上不生長(zhǎng)的,可能就是重組菌。此外,還可以用分子雜交技術(shù)檢測(cè)目的基因是否插入,用抗原抗體雜交檢測(cè)目的蛋白是否表達(dá),或通過(guò)個(gè)體生物學(xué)水平鑒定,比如觀察轉(zhuǎn)基因棉花是否抗蟲(chóng)。”教師用類比:“就像我們尋找一個(gè)帶著紅色帽子和藍(lán)色衣服的人,先用紅色帽子篩選出一批人,再?gòu)倪@批人中找沒(méi)有藍(lán)色衣服的人,那就是我們要找的目標(biāo)。”【第四環(huán)節(jié):案例深化——利用大腸桿菌生產(chǎn)人胰島素】教師播放音頻資料,詳細(xì)敘述1978年博耶和科恩的實(shí)驗(yàn):首先從人類細(xì)胞中獲取胰島素基因的mRNA,通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄獲得cDNA(互補(bǔ)DNA),即目的基因;然后用限制酶切割質(zhì)粒和cDNA,用連接酶構(gòu)建重組質(zhì)粒;將重組質(zhì)粒導(dǎo)入大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞;在含抗生素的培養(yǎng)基上篩選出重組菌;最后通過(guò)發(fā)酵大量培養(yǎng)細(xì)菌,提取并純化人胰島素。學(xué)生邊聽(tīng)邊觸摸相應(yīng)的流程圖,教師提問(wèn):“為什么用cDNA而不是直接從染色體DNA中獲取胰島素基因?”引導(dǎo)學(xué)生理解原核生物無(wú)法剪切真核基因的內(nèi)含子,所以用cDNA避免內(nèi)含子問(wèn)題。2.DNA練習(xí)】教師提出以下問(wèn)題,學(xué)生分組討論后口答:1.限制酶主要從哪里獲得?它切割DNA后可能產(chǎn)生哪兩種末端?舉例說(shuō)明。2.DNA連接酶連接的是什么化學(xué)鍵?它與DNA聚合酶的作用有何不同?3.作為基因工程的載體,需要具備哪些基本條件?4.基因工程操作的四步曲是什么?其中哪一步最關(guān)鍵,為什么?5.如果我們?cè)跇?gòu)建表達(dá)載體時(shí),使用了兩種不同的限制酶切割質(zhì)粒和目的基因,會(huì)產(chǎn)生什么后果?教師根據(jù)學(xué)生回答進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和糾正。【課堂小結(jié)】教師帶領(lǐng)學(xué)生用“一句話總結(jié)”的方式回顧本節(jié)課核心:基因工程是依據(jù)科學(xué)設(shè)計(jì),借助限制酶、連接酶和載體等工具,通過(guò)獲取目的基因、構(gòu)建表達(dá)載體、導(dǎo)入受體細(xì)胞、檢測(cè)與鑒定四個(gè)步驟,實(shí)現(xiàn)基因的跨物種轉(zhuǎn)移和表達(dá)的技術(shù)。強(qiáng)調(diào)限制酶的特異性、載體的標(biāo)記基因作用、核心步驟是構(gòu)建表達(dá)載體。教師鼓勵(lì)學(xué)生課后利用模型向同學(xué)復(fù)述操作過(guò)程,加深理解。【布置作業(yè)】1.盲文書(shū)面作業(yè):完成課后練習(xí)題第1、2、3題,要求用完整句子回答。2.實(shí)踐作業(yè):利用家中材料(如紙條、回形針)制作一個(gè)簡(jiǎn)單的基因工程模型,并錄制一段語(yǔ)音描述你的操作過(guò)程,下節(jié)課分享。3.預(yù)習(xí)作業(yè):閱讀下一節(jié)“基因工程的應(yīng)用”,思考基因工程在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有哪些具體應(yīng)用。【板書(shū)設(shè)計(jì)】(供明眼教師參考,盲生通過(guò)盲文提綱獲取)一、基因工程概念:設(shè)計(jì)、體外重組、轉(zhuǎn)基因二、工具1.限制酶:識(shí)別特定序列,切割磷酸二酯鍵→黏性末端/平末端2.DNA連接酶:連接磷酸二酯鍵,縫合DNA片段3.載體:質(zhì)粒(起點(diǎn)、酶切位點(diǎn)、標(biāo)記基因)三、操作步驟1.獲取目的基因(PCR、文庫(kù)、合成)2.構(gòu)建表達(dá)載體(核心:?jiǎn)?dòng)子、終止子、目的基因、標(biāo)記基因)3.導(dǎo)入受體細(xì)胞(感受態(tài)細(xì)胞法、農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法、顯微注射法)4.檢測(cè)與鑒定(標(biāo)記基因篩選、分子雜交、抗原抗體雜交)【教學(xué)反思】本節(jié)課針對(duì)盲校學(xué)生的特殊需求,設(shè)計(jì)了豐富的觸覺(jué)模型和音頻資料,將抽象的基因工程概念轉(zhuǎn)化為可感知的操作。學(xué)生在模擬構(gòu)建重組DNA的活動(dòng)中參與度高,對(duì)限制酶和連接酶的功能理解到位,能夠準(zhǔn)確說(shuō)出黏性末端和平末端的區(qū)別。但在表達(dá)載體構(gòu)建環(huán)節(jié),部分學(xué)生對(duì)啟動(dòng)子和終止子的必要性理解不夠深入,需要在后續(xù)課程中結(jié)合具體基因的表達(dá)調(diào)控進(jìn)一步強(qiáng)化。此外,由于模型材料有限,個(gè)別學(xué)生操作時(shí)間不足,今后可增加小組內(nèi)分工,讓每位學(xué)生都有充分觸摸的機(jī)會(huì)。總體而言,本節(jié)課達(dá)成了預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo),為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定了良好基礎(chǔ)。【重要等級(jí)標(biāo)注】在本教學(xué)設(shè)計(jì)中,基因工程的基本工具和操作步驟被標(biāo)注為【重要】,基因表達(dá)載體的構(gòu)建被標(biāo)注為【難點(diǎn)】,獲取目的基因的方法被標(biāo)注為【熱點(diǎn)】。這些標(biāo)注旨在提示學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注,并在復(fù)習(xí)時(shí)加強(qiáng)鞏固。教師在實(shí)際教學(xué)中,應(yīng)針對(duì)這些內(nèi)容設(shè)計(jì)更多的變式訓(xùn)練和問(wèn)題探討,確

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