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關鍵詞:電子技術;CDIO;虛擬仿真;教學改革
1引言
電子技術是上海工程技術大學非電類專業(yè)學生的一門公共基礎實踐課程。電子技術實驗課程不僅可以鞏固學生課堂所學的部分基礎知識,而且有利于培養(yǎng)學生工程實踐和創(chuàng)新能力。CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate)模式,即“構思—設計—實施—運作”模式,其在電子實習教學中得到廣泛應用[1-6]。上海工程技術大學工程實訓中心也通過開展CDIO模式的電子實習實踐,不僅強調學生對電子技術、電工技術等課程基礎知識的復習和掌握,也注重在基本技能訓練過程中培養(yǎng)學生團隊協(xié)作和創(chuàng)新精神[2]。它通過項目的構思設計和實施運作,將學生的整個課程體系有機地結合起來,從而達到知識的系統(tǒng)學習和工程實踐能力的全面提升。
2電子實習教學改革前存在的問題
學生在課前預習率不高,導致自學能力提升不足實習學生在實習上課前都會分到電子實習教材,大多數(shù)學生沒有對教材進行課前預習。在電子實習期間,教師在實訓教室對實習教學進行講解,學生基本上被動聽課。在實習過程中,學生完全聽從教師的安排,不少學生缺乏主動性和積極性。如果學生課前進行課前預習,會帶著些疑問進行聽課和動手實驗,這樣課堂收獲會更大,并在此過程中培養(yǎng)自學能力。教學內容陳舊,教材和實習內容很多年沒有發(fā)生變化,不能很好地適應社會需求電子實習項目內容只包括直流穩(wěn)壓電源的焊接和調試,該實習內容應該屬于20世紀90年代的直流穩(wěn)壓電源的做法,屬于市電不控整流AC/DC變換,功率因數(shù)很低,該架構在實際應用中已經很少采用。實習的內容陳舊,不能有效涵蓋電子技術、電工技術等教材的知識點。如核心的負反饋電路、運算放大器等其他重要的知識點,沒有涵蓋實驗項目。教學過程中理論和創(chuàng)新方面互動環(huán)節(jié)偏少目前在實習過程中,學生和實習教師互動環(huán)節(jié)很多,但涉及理論和創(chuàng)新方面的很少。在實習過程中,不少學生對電路原理不是很理解,關心的重點就是要如何把實驗結果給做出來,對電路工作原理是什么,如何對其進行改進,他們很少關心,造成實踐教學效果有欠缺。學生考核內容不科學,不能很好地反映學生對知識點的掌握、運用和創(chuàng)新能力目前學生實習成績包括考勤、實驗完成情況和實習報告三大塊,不能客觀體現(xiàn)學生對知識點的理解能力和創(chuàng)新能力。由于實驗是分組進行,學生人數(shù)較多,實習教師工作量大,不可能正確評價每個學生在實習中的表現(xiàn),可能會存在濫竽充數(shù)的問題,出現(xiàn)不努力的學生通過一份好的實驗報告,就有可能獲得好的成績等不合理現(xiàn)象。
3教學改革與實踐教學模式介紹
根據(jù)之前電子實習環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題,立足學校實際情況,通過引入虛擬仿真環(huán)節(jié),對以CDIO工程教育理念為指導的電子實習教學環(huán)節(jié)進行教學模式的補充與完善,加強學生主動性,增加知識點運用及創(chuàng)新互動環(huán)節(jié),培養(yǎng)適應新時期社會需要的創(chuàng)新型人才。具體的教學改革措施與實踐情況如下。1)建立以服務學生、引導學生創(chuàng)新為目標的教學模式,通過在實習前讓學生使用MATLAB、Saber、PSIM等計算機虛擬仿真工具進行仿真模擬,提前模擬做技術工作所需要的工作步驟,加強學生對基礎知識的理解,并在此基礎上引導學生獨立思考,培養(yǎng)他們進行自主學習的能力,適應社會需要。首先要求實習教師樹立服務引導學生的教育理念,改變填鴨教學模式,在實習前依據(jù)CDIO工程教育理論,注重對學生電子實習課前的預習任務進行安排,增加課前仿真預習環(huán)節(jié)作業(yè)。指導教師教授學生使用合適的仿真軟件,學生通過使用MATLAB、Saber、PSIM等虛擬仿真工具進行電子原理圖仿真模擬。這樣一來,學生通過計算機虛擬仿真環(huán)節(jié),對實驗中需要手動搭建的原理圖已經有了很好的認知。教師在實驗過程中可以幫助學生有針對性地提出問題,幫助他們掌握電子實習原理圖的工作原理。2)電子實習過程中采用學習、仿真、實驗、創(chuàng)新實踐教學模式,幫助學生有效理解和運用知識,進而產生知識創(chuàng)新的能力。將電子實驗教學模式進行改革與創(chuàng)新,實施過程分解為學習、仿真、實驗和創(chuàng)新四個主要階段。學習主要包括課本知識的學習與理解以及介紹仿真的作用,在這個階段包括教師課堂講授和學生課前課后學習等。實習教師需要給學生講述電子技術的應用范圍及發(fā)展趨勢,并帶領學生參觀之前學生進行電子實習的優(yōu)秀仿真及作品,激發(fā)學生對電子知識的興趣。仿真主要是在搭建仿真電路及仿真調試的過程中幫助學生更好地理解和消化知識點。這個階段要求學生分組進行仿真練習,實習教師主要引導學生逐步掌握電路模塊的調試和診斷能力,在學生仿真過程中引導和啟發(fā)他們在元器件損壞、線路連接不良等條件下,對可能會出現(xiàn)的問題進行仿真分析和分組討論,增加互動環(huán)節(jié),幫助學生對常見電路故障進行分析,在實驗時遇到問題和困難都可以很快解決。該階段有助于培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。實驗主要是通過實際操作環(huán)節(jié)完成上機實驗,并獲取正確的實驗結果。在這個階段,實習教師要引導學生結合仿真和實驗結果進行比較,對于仿真和實驗結果可能會出現(xiàn)的偏差進行分析,這樣有助于增強學生工程實踐的概念。創(chuàng)新主要培養(yǎng)學生創(chuàng)新知識的能力。實習教師通過提出一系列創(chuàng)新項目,對學生進行項目引導,學生自由組隊、分工合作,共同完成創(chuàng)新項目的原理圖設計、仿真驗證及優(yōu)化、電路焊接和性能調試,達到或超過項目目標。這個階段注重發(fā)揮學生的創(chuàng)造性,學生根據(jù)項目的任務要求,自擬方案、自主設計、獨立調試,實習教師只是啟發(fā)和引導他們,同時在小組碰到難題時提供必要的幫助與支持。3)利用虛擬仿真拓展實驗不具備的項目內容,引導學生對關鍵知識點進行仿真,強化學生知識點的掌握和理解能力,并在電子實習教學課程完成后增加創(chuàng)新設計環(huán)節(jié)。在電子技術、電工技術等課程中核心知識點很多,對于在電子實習中沒有涉及的知識點,引導學生對其進行仿真,并同時提供一些已經完成的仿真程序,可以讓學生更直觀地了解電路工作原理,拓寬、加深對知識點的理解,避免出現(xiàn)以往死記硬背、考完試就忘記的現(xiàn)象。對于沒有納入電子技術實驗又非常重要的知識點,如運算放大電路比例積分負反饋、一階暫態(tài)電路瞬態(tài)分析等內容,也要求學生進行虛擬在線仿真,加強對知識點的理解。并在此基礎上讓學生進行難度較大的仿真,增強他們掌握運用知識點的本領,進一步提升創(chuàng)新能力。4)建立大學生創(chuàng)新工作室,為學生繼續(xù)開展項目研究提供硬件保障和技術支持。在完成電子仿真及實驗后,不少優(yōu)秀學生的創(chuàng)造力被激發(fā),他們表達了類似的愿望,希望對電子實習內容進行進一步的項目拓寬及技術探索。為此,工程實訓中心建立大學生創(chuàng)新工作室,聘請有經驗的教師作為學生導師,為學生在課外項目方案確定、仿真評估、實驗驗證過程中提供必要的技術指導和幫助。同時,工程實訓中心全力支持大學生創(chuàng)新項目的實施。5)針對優(yōu)秀的學生,鼓勵他們參與教師科研項目,進一步提升技術能力。對于在電子實習中表現(xiàn)優(yōu)秀的學生,工程實訓中心教師根據(jù)每個學生的特長,讓他們分工合作,共同承擔一部分教師的科研任務,主要包括資料查閱、原理圖繪制、電子元器件封裝制作、仿真模型搭建、電路調試、數(shù)據(jù)測量等內容。這樣可以更好地開闊學生的視野,較好地培養(yǎng)學生的團隊意識,拓寬學生的知識面,激發(fā)他們的潛力和創(chuàng)造力。
4教學效果
通過學生仿真和實驗報告、調查問卷、師生座談和大學生創(chuàng)新項目等形式,了解到進行電子技術實習教學改革嘗試之后,廣大學生普遍感覺受益匪淺,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。個人自學能力明顯提高,對知識點的理解更加透徹之前在課堂上學到的理論知識,到了電子實習階段,不少學生已經忘記很多。為了完成電子實習仿真作業(yè),團隊成員前期必須翻看之前課本教材,查閱仿真技術資料,搭建仿真模型及進行仿真分析,通過虛擬仿真可以幫助他們有效理解、掌握相關知識點,掌握技術研究仿真模擬算法,提高運用電子知識的能力。采用仿真技術有效提高電子實習效率前期仿真學生花費的時間雖然較長,但主要是占用他們的課前課后時間,學生在自己搭建仿真電路并進行仿真調試的過程中,已經對電路工作原理有了比較清晰的認識,后期手動焊接電路調試階段的時間大大縮短,提高了電子實習效率。增強學生創(chuàng)新能力不少學生在實習報告心得體會一欄寫到實習的最大體會,就是學習了如何掌握電子知識的正確的學習方法。仿真對電子實習幫助很大,通過增加虛擬仿真等環(huán)節(jié),使得學生可以更好地理解目前實驗室不具備的實驗項目,使得他們采用虛擬仿真等手段對感興趣的項目進行仿真分析,這也激發(fā)了他們的創(chuàng)新能力。不少學生在實驗報告后續(xù)項目中列出不少新穎的提案,也有不少學生建議把仿真提前應用于之前的電子技術和電工技術的教學中去。培養(yǎng)學生團隊合作精神及溝通能力電子技術實習過程中由于任務繁重,學生需要進行分組實驗。在實習過程中如何搭建仿真模型,如何進行參數(shù)調整及模擬異常情況,以及后續(xù)的動手實操環(huán)節(jié)等,都需要組內學生共通討論、分工合作,一榮俱榮,一損俱損。每個學生要發(fā)揮自己的作用,做好自己的工作內容,其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤,都會影響到小組成績。為了保證實習的正常進行,需要學生發(fā)揮主動性,除了完成自己的工作,對于組內其他學生在工作中出現(xiàn)的問題都要及時提供幫助,在這個過程中也無形地培養(yǎng)了學生的合作精神和溝通能力。
5結語
通過引入虛擬仿真環(huán)節(jié),應用在以CDIO工程教育理念為基礎的電子實習教學中,對電子實習教學模式和考核方法進行改革,增加課前預習仿真作業(yè),重視仿真對實習過程的理論指導作用,通過仿真加強學生對基礎知識的理解和靈活運用,并在此基礎上拓寬學生的仿真范圍,進而引導學生培養(yǎng)創(chuàng)新能力,有效提高了電子實習教學的質量,增強了教學效果。
參考文獻
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摘要:實驗項目的開放共享管理模式越來越受到各高等院校的重視,其目的是為了鼓勵學生自主設計實驗,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、實踐能力和創(chuàng)業(yè)能力。學院本科教學實驗中心通過制訂基于實驗項目的開放共享管理制度,設立基于實驗項目的實驗室開放共享平臺,建設基于實驗項目的開放共享實驗室,逐漸改變了落后的教學模式,高效地利用了現(xiàn)有實驗室條件;并將教學與實踐相結合,與學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相結合,達到了學生在基本技能、創(chuàng)新能力及綜合素質的培養(yǎng)與提高。
關鍵詞:實驗項目;開放模式;實驗室管理;資源共享
中圖分類號:G647 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2016)50-0014-03
一、引言
實踐教學是每一所培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)應用型人才大學的重要組成。建立一個科學的、合理的實踐教學管理制度,合理利用有限的實驗教學設備,保障實踐教學正常運行,既是高校教育教學改革的著重點,也是培養(yǎng)知識、能力、素質協(xié)調發(fā)展的本科應用型人才的必然要求。新的觀點認為,具有一定綜合性和設計性思想的實踐教學比純粹的理論教學要重要得多。把學生培養(yǎng)成為具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的應用型人才,以適應我國“大眾創(chuàng)業(yè),萬眾創(chuàng)新”社會主義現(xiàn)代化建設的需要,是當代每一所高校所努力爭取的目標?;趯嶒烅椖康拈_放共享管理模式近幾年越來越受到各個高校的普遍重視。基于實驗項目的開放共享管理模式改變了以往強調理論教學的方式,以設置綜合性和設計性實驗項目為出發(fā)點,把實驗教學中的依附于理論課程的實驗項目,加以改革和創(chuàng)新,不僅創(chuàng)新了實驗方法,同時創(chuàng)新了實驗內容,學生對實驗項目的操作更加簡便。為了保證正常實驗教學秩序的開展,提高實驗中心的管理水平和辦學效益,我校在2014年成立了12大本科實驗教學中心,旨在開展實驗技術研究與創(chuàng)新,提高實驗教學水平和質量;吸收教學和科研工作的新成果,更新實驗內容,改革實驗教學方法;創(chuàng)造條件,面向師生開放,鼓勵學生自主設計實驗,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力。學校設立實驗教學中心專項經費,實行基于實驗教學項目的經費預算制,明確收支范圍,并實行??顚S谩=涍^2年的建設和實踐,在基于實驗項目的開放共享管理模式上做了一些有益的探索和實踐。
二、制訂了基于實驗項目的開放共享管理制度
工程技術設計和制造類課程需要學生創(chuàng)新性與設計性相結合,同時也需要不斷加強實踐教學的環(huán)節(jié),而各專業(yè)基礎、專業(yè)實驗室是提高實踐動手能力最好的場所。本實驗中心主要是為木材科學與技術、高分子材料、機械、工業(yè)設計和家具設計等專業(yè)課程提供實踐教學環(huán)節(jié)的本科實驗教學。由于針對各專業(yè)具體情況,對工程技術設計和制造類實驗室的使用需求和時間都不相同。實驗中心工程技術設計和制造類實驗室在完成實驗教學計劃內教學任務的前提下,充分利用現(xiàn)有教學資源、實驗儀器設備、實驗室場所等資源,以各種形式面向校內開放,實現(xiàn)實驗室資源互助共享,以增加實驗教學資源的效益,并形成規(guī)范而有效的開放共享管理制度。鑒于以上原因,學院制訂并修改了《工程設計與制造本科實驗教學中心規(guī)章制度》,其中對于基于項目的開放共享管理制度做了以下的規(guī)定。
1.制訂了實驗室開放形式的管理規(guī)定。正常教學時間開放:為鼓勵學有余力,有較多課外時間的學生來加強實踐教學,實驗中心在保障正常實驗教學的前提下,在星期一到星期五的正常教學時間開放相關實驗室。提前預約開放:為充分發(fā)揮實驗中心的人性化功能,提高實驗中心教學資源的利用率,中心實驗室可提供提前三天預約,預約時間可以為星期一到星期日的任何時段。
2.制訂了實驗室開放類別的設置。正常教學計劃內實驗:實驗內容為正常教學計劃內要求的,因受設備臺套數(shù)量的限制,學生不能在正常教學計劃安排的時間內完成,需要在其他時間來進行補充完成,這一類學生可根據(jù)實驗項目,提前三天預約,并按預約的時間進入相關實驗室完成未完成實驗。正常教學計劃外實驗:實驗內容為正常教學計劃外,學生為了提高設計和綜合能力,可自行設計實驗項目,項目要經實驗指導老師確認,如果獲得認可,可以提前三天預約,并按預約的時間進入相關實驗室并完成實驗。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目開放:利用教師的科研項目以及教師的指導能力,實驗中心可定期為獲得大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目資助、大學生創(chuàng)業(yè)實踐項目資助、“東湖杯”大學生科技學術作品競賽項目資助、“挑戰(zhàn)杯”大學生業(yè)競賽項目資助等。對這些獲得資助的項目,實驗中心無條件支持,需要實驗室的,將不限時段對學生開放。
3.制訂了教學設備開放管理規(guī)定。實驗中心為提高實驗設備的利用率,使學生能更方便操作設備,在首先滿足正常教學情況下,為學生畢業(yè)設計(論文)、學科競賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目以及教師科研提供無條件開放服務。
三、設立了基于實驗項目的實驗室開放共享平臺
實驗中心根據(jù)學生的需求,分別開發(fā)了實驗室教學信息與設備管理系統(tǒng)和實驗教學平臺支持系統(tǒng)等二大系統(tǒng)。
1.開發(fā)了實驗室教學信息與設備管理系統(tǒng)。中心開發(fā)了一個實驗室教學信息與設備管理系統(tǒng)。功能包括實驗室管理、實驗教學管理、儀器設備管理、低值品與耗材管理、實驗室建設與設備采購、實驗室評估與評教、數(shù)據(jù)與報表等。其中實驗室管理模塊包括系統(tǒng)的公告管理、用戶管理、數(shù)據(jù)字典。實驗教學管理是指對老師教學過程的整體管理,包括對教學計劃、教學資源上傳,文檔、學生數(shù)據(jù)報表、成績的管理。儀器設備管理包括對實驗設備的加入、存儲、使用、維修、損耗的管理。低值品與耗材管理包括對低值品與耗材的加入、存儲、使用、補充、損耗的管理。實驗室建設規(guī)劃步驟的管理和設備采購流程的管理;設備分為三種:辦公設備、科研設備、教學設備。如需申購,填寫申購表格,然后根據(jù)審批流程進行審批。由采購部門統(tǒng)計生成采購清單。實驗室評估與評教是系統(tǒng)使用者對實驗室的管理及教學的評價統(tǒng)計。數(shù)據(jù)與報表是系統(tǒng)根據(jù)錄入的設備,低值品與耗材等的數(shù)據(jù)情況形成可查詢的明細和統(tǒng)計,可形成報表。
2.開發(fā)了實驗教學平臺支持系統(tǒng)。實驗中心為了能使教師和學生的項目能順利完成,開發(fā)了實驗教學平臺支持系統(tǒng)。在此平臺中,凡是在我學院實驗中心實驗室完成的開放實驗項目必須要有學生實驗的出勤登記手冊、教師帶教的出勤登記手冊、學生開放項目的心得體會、實驗報告和結題報告。這些措施保證開放實驗項目的順利實施,使各實驗室的利用率得到了極大的提高。這里列舉一些實驗中心在此平臺支持系統(tǒng)里完成的開放實驗項目:《擴音機的設計與實現(xiàn)》、《電子門鈴電路的設計與實現(xiàn)》、《觸摸延時電子開關電路的設計與實現(xiàn)》、《冰箱電子除臭器的制作》、《無線電搖控燈頭的制作》、《單片機流水燈的設計與實現(xiàn)》、《PLC交通燈電路的設計與實現(xiàn)》、《組裝電子鐘》、《局域網技術與組網工程》、《虛擬服務器的實踐應用》、《計算機組裝與軟件安裝》、《汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》、《汽車免提電話設計》等等。一個精心設計的開放實驗項目能真正激勵學生做好項目,對于本科的學生,如果把開放實驗項目都能向綜合性和設計性實驗上去精心組織,能大大激發(fā)學生主動去完成開放實驗項目。
四、建設了基于實驗項目的開放共享實驗室
實驗中心在滿足正常實驗教學外,根據(jù)學科和專業(yè)的差異性建設了一批全天開放、設備相對先進的實驗室,為進一步提升工程技術能力和設計水平的學生創(chuàng)造良好的實驗環(huán)境。
1.建立了“競賽進課堂”的大學生創(chuàng)新實驗室。為培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力和動手能力,學院鼓勵“競賽進實驗教學課堂”的教學模式。大學生創(chuàng)新實驗室是一個面向學生全天候開放的實驗室,主要可以用于學生進行學科競賽、作品創(chuàng)作和開展應用性、創(chuàng)新性研究。實驗室以項目驅動的形式對學生進行管理,學生通過申請《浙江農林大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目》可以進入實驗室。學生通過教師輔導培訓,逐步提高了學生的創(chuàng)新實踐能力,最終培育出優(yōu)秀競賽獲獎作品。
2.建立了工業(yè)設計“四位一體”創(chuàng)業(yè)教學平臺。根據(jù)人才培養(yǎng)質量年對專業(yè)的診斷與規(guī)劃,依據(jù)學院的實際情況,為彌補教學中出現(xiàn)的不足,在充分調研的基礎上,工業(yè)設計系提出了實驗室、專業(yè)教室、展示室以及創(chuàng)業(yè)工作室“四位一體”的創(chuàng)業(yè)教學平臺建設思路?!八奈灰惑w”的創(chuàng)業(yè)教學平臺建設是針對工業(yè)設計的學科特點、辦學特色和教學規(guī)律并結合我系現(xiàn)有條件提出的一種整合教學資源的新理念。即利用現(xiàn)有的場地在單一區(qū)塊內整合專業(yè)實驗、專業(yè)教學、作品展示及創(chuàng)業(yè)教學的功能,并將相鄰的教師工作室連成一片,形成一個集約化、高效協(xié)同的多職能教學、創(chuàng)業(yè)平臺。通過合理布局各個實驗分室的功能,既有效解決生均實驗面積嚴重不足的問題,規(guī)范實驗室儀器的管理,規(guī)范教師授課體系、規(guī)范實踐教學管理。同時,也把教師創(chuàng)業(yè)項目導入教學,引進外聘人員進行創(chuàng)業(yè)專題講座、舉辦創(chuàng)業(yè)沙龍等,開展融資、企業(yè)管理技巧、創(chuàng)業(yè)市場調查等內容的系統(tǒng)講解,以提高學生對創(chuàng)業(yè)的認知能力,讓學生參與到教師與企業(yè)之間的課題項目中,培養(yǎng)了學生在讀書期間的自我創(chuàng)業(yè)意識,通過一個個實際企業(yè)需求項目,達到了提高學生自助創(chuàng)業(yè)能力的目的。
3.建立了基于實驗項目的“五給合”的工程訓練實訓室。工程訓練是綜合性很強的技術基礎課和工程實踐課,是對大學生M行綜合工程素質教育和現(xiàn)代設計制造技術教育的重要陣地,在培養(yǎng)高質量、高層次的工程技術人才中起著其他教育環(huán)節(jié)和課程不可替代的作用,是作為工科類學校和專業(yè)必須具備的實踐平臺,也是國家卓越工程師培養(yǎng)計劃所需的一個重要基地。通過整合和建設,建立了基于項目的先進性與傳統(tǒng)內容相結合、創(chuàng)新性與一般性相結合、綜合性與基礎項目相結合、實戰(zhàn)性與拓展了解相結合、動手能力培養(yǎng)與全面素質教育相結合的基礎、能力、創(chuàng)新合理搭配的“五結合”的工程訓練實訓室。
五、總結與思考
通過制訂了基于實驗項目的開放共享管理制度,設立了基于實驗項目的實驗室開放共享平臺,建設了基于實驗項目的開放共享實驗室以后,逐漸改變了落后的專業(yè)教學模式,綜合高效地利用了現(xiàn)有實驗室條件,并將教學與實踐相結合、與學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相結合,解決了學生實驗空間少、實驗操作的時間少和學生動手能力弱的問題,為本科實驗教學中心的建設提供了有益的實踐經驗和參考。
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