余 華 李川勇 吳 強(qiáng) 薄 方 劉智波 閻寶巖
(南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,天津 300071)
物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽對(duì)學(xué)生從中學(xué)到大學(xué)過(guò)渡的橋梁作用
余 華 李川勇 吳 強(qiáng) 薄 方 劉智波 閻寶巖
(南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,天津 300071)
通過(guò)分析高中教育和大學(xué)教育的差異以及本科階段創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng),本文闡述物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽在學(xué)生從高中到大學(xué)的轉(zhuǎn)型期的作用,以及在本科階段培養(yǎng)學(xué)生基本科研能力方面的作用。本文還以南開(kāi)大學(xué)為例,介紹物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽在本科教育中的實(shí)施和發(fā)展。
物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽;高中教育;大學(xué)教育;創(chuàng)新實(shí)踐能力; 綜合能力
素質(zhì)教育中,創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力是非常重要的一部分。創(chuàng)新教育的基礎(chǔ)是實(shí)踐,實(shí)踐教學(xué)對(duì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。科研實(shí)踐教育的理念早在19世紀(jì)由德國(guó)教育家威廉·馮·洪堡提出[1]。在美國(guó),實(shí)用主義教學(xué)思想創(chuàng)始人杜威和設(shè)計(jì)教學(xué)法之父克伯屈也提出了以解決問(wèn)題為核心的研究性教學(xué)的要求[2]。1998年和2001年美國(guó)博耶委員會(huì)(The Boyer Commission)在《重建本科生教育:美國(guó)研究型大學(xué)發(fā)展藍(lán)圖》報(bào)告中的第一條建議就是“確立以研究為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)”[3]。20世紀(jì)90年代,無(wú)論是歐洲的法國(guó)從初高中到大學(xué)預(yù)備班統(tǒng)一開(kāi)設(shè)相互銜接實(shí)踐類(lèi)課程、芬蘭主題學(xué)習(xí)法、丹麥的項(xiàng)目教學(xué)、瑞典的問(wèn)題學(xué)習(xí)法,以及挪威的大班授課與小班討論和輔導(dǎo)相結(jié)合,還是亞洲日本的自主性學(xué)習(xí),創(chuàng)新實(shí)踐教育越發(fā)受到教育工作者的關(guān)注[4]。目前中國(guó)的高校中,針對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)主要采用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室、課外創(chuàng)新項(xiàng)目、創(chuàng)新實(shí)踐基地、創(chuàng)新論壇等和與之配套的評(píng)估和獎(jiǎng)勵(lì)措施[5,6]。如清華大學(xué)于1995年提出學(xué)生科研訓(xùn)練SRT(Students research training,簡(jiǎn)稱SRT)計(jì)劃,隨后,復(fù)旦、浙大和中科大也提出了各自的本科生研究計(jì)劃,南開(kāi)大學(xué)也于2003年開(kāi)設(shè)本科生百項(xiàng)工程項(xiàng)目。這些舉措以項(xiàng)目研究為抓手實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的4個(gè)基本要素,即:創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新平臺(tái)、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新文化。經(jīng)過(guò)幾十年的摸索和發(fā)展,高校針對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)逐漸形成一整套各具特色的方式和方法。
創(chuàng)新實(shí)踐教育是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、持續(xù)的并不斷加以深入的過(guò)程,最終形成個(gè)體的創(chuàng)新習(xí)慣。雖然目前創(chuàng)新教育蓬勃發(fā)展,但是也不難發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題。其一就是本科生的科研實(shí)踐教育沒(méi)有很好地針對(duì)其群體差異進(jìn)行展開(kāi),其二就是與本科教育相銜接的高中和研究生教育沒(méi)有形成科研實(shí)踐教育的基礎(chǔ)培養(yǎng)和深造準(zhǔn)備階段。我們的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了廣泛調(diào)研和深入研究,以南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院為試點(diǎn),針對(duì)不同能力的本科生進(jìn)行多層次的綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)模式,打通高中階段和研究生階段的實(shí)踐教育基地。形成“課內(nèi)外,校內(nèi)外,境內(nèi)外”縱向多層次,高中—本科—研究生橫向多點(diǎn)輻射發(fā)展的物理科研實(shí)踐教育網(wǎng)狀體系,使學(xué)生的培養(yǎng)形成“多層次,分階段,可持續(xù)”的教育模式。
在研究中我們發(fā)現(xiàn),從高中階段被動(dòng)式學(xué)習(xí)到大學(xué)階段自主式學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變中,如何引導(dǎo)學(xué)生形成創(chuàng)新意識(shí),轉(zhuǎn)變思維模式顯得非常困難,而物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的引入很好地解決了這一問(wèn)題。本文將針對(duì)物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽對(duì)于高中—大學(xué)轉(zhuǎn)型期的學(xué)生如何從無(wú)到有建立創(chuàng)新習(xí)慣,具備創(chuàng)新基本素質(zhì)進(jìn)行探討。
在高中教育階段,課堂教學(xué)作為主導(dǎo),通過(guò)重復(fù)式的練習(xí)以達(dá)到學(xué)生對(duì)于知識(shí)的熟練掌握。尤其在高考的壓力下,學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣于在教師的引領(lǐng)下通過(guò)大量的作業(yè)去鞏固所學(xué)的知識(shí)。與之形成鮮明對(duì)比的是,大學(xué)的教育強(qiáng)調(diào)獨(dú)立自主學(xué)習(xí),在學(xué)習(xí)大量知識(shí)的同時(shí)不斷提高自身的能力。在高中—本科的接棒過(guò)程中,很多學(xué)生會(huì)出現(xiàn)不適應(yīng)、迷茫、自我否定等思想問(wèn)題,嚴(yán)重影響其在大學(xué)中的學(xué)習(xí)。很多學(xué)者也提出將大學(xué)課程下放,在高中階段提前修讀一部分大學(xué)課程,以減少學(xué)生在大學(xué)學(xué)習(xí)期間的不適應(yīng)感。但是,學(xué)生們?cè)诟咧小究齐A段出現(xiàn)的不適應(yīng)癥狀的真正來(lái)源不是來(lái)自于所學(xué)知識(shí)的欠缺,而是學(xué)習(xí)知識(shí)方法的迷茫。這時(shí),就需要在學(xué)生剛剛進(jìn)入大學(xué)階段的時(shí)候,通過(guò)一些方式和方法使學(xué)生們逐漸進(jìn)行自我轉(zhuǎn)型,逐漸適應(yīng)大學(xué)的學(xué)習(xí)模式,這才是解決問(wèn)題的根本。
學(xué)生在高中習(xí)慣的學(xué)習(xí)模式為“解題做作業(yè)”,而大學(xué)階段的學(xué)習(xí)模式為“自主研究探索”。物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽恰恰滿足這兩個(gè)階段的雙重特點(diǎn)。物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽是就一些實(shí)際物理問(wèn)題進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作研究,然后就其物理知識(shí)、理論分析、實(shí)驗(yàn)方案、結(jié)果討論等進(jìn)行辯論性的比賽[7]。物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽乍看上去就是一道一道的物理習(xí)題,有已知條件和求解的問(wèn)題,但是這些物理問(wèn)題是開(kāi)放性的,解題的過(guò)程不僅僅需要常規(guī)的利用所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行運(yùn)算,還需要通過(guò)自己設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。不僅僅要用到學(xué)生已有的知識(shí),更多的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)自己去查閱和學(xué)習(xí)未知的知識(shí)點(diǎn)并加以運(yùn)用。此外,這些開(kāi)放性的物理問(wèn)題和日常生活聯(lián)系緊密,生動(dòng)有趣中蘊(yùn)含豐富的物理原理。學(xué)生們?cè)凇敖忸}做作業(yè)”的過(guò)程中逐漸學(xué)會(huì)了“自主研究探索”,何況這些開(kāi)放性的物理問(wèn)題沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案,學(xué)生學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)型過(guò)程是個(gè)性化的,是最符合學(xué)生自身特點(diǎn)的,每一位學(xué)生通過(guò)物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽都會(huì)找到自己最適應(yīng)的大學(xué)學(xué)習(xí)方法。
物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽是一座搭建在高中—本科過(guò)程中的橋梁,學(xué)生們通過(guò)物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽可以選擇自己最適應(yīng)的方式走過(guò)這座橋進(jìn)行大學(xué)的學(xué)習(xí)。物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的橋梁作用正是由于自身的雙重特點(diǎn),滿足了高中和本科階段進(jìn)行銜接的要求,更重要的是在學(xué)生心中播撒了創(chuàng)新實(shí)踐能力培育的種子。
素質(zhì)教育的提出使本科階段越來(lái)越多的學(xué)生進(jìn)行科研實(shí)踐基地鍛煉自己的科研素質(zhì)。學(xué)生要真正進(jìn)入課題組進(jìn)行科學(xué)研究需要提前進(jìn)行一些基本知識(shí)和能力的培訓(xùn),比如查閱文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)的搜集和基本處理、編程語(yǔ)言的使用、科研匯報(bào)和寫(xiě)作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等。這些科研基本能力的培養(yǎng)在以前往往是通過(guò)在科研過(guò)程中逐漸的積累,這勢(shì)必使得科研的腳步放緩。物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽便很好地解決了這一問(wèn)題。
學(xué)生們?cè)谖锢韺W(xué)術(shù)競(jìng)賽的準(zhǔn)備階段,需要組隊(duì)對(duì)題目進(jìn)行分析,通過(guò)分工對(duì)題目進(jìn)行解析。在這一過(guò)程中,為了使自己得到的結(jié)果更具有說(shuō)服力,便要查閱很多的文獻(xiàn)進(jìn)行論證,通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論模擬計(jì)算進(jìn)行佐證,然后通過(guò)清晰和規(guī)范的展示環(huán)節(jié)說(shuō)明得到結(jié)果的可靠性和正確性。在這些準(zhǔn)備和展示環(huán)節(jié)中,學(xué)生們通過(guò)自學(xué)和向老師咨詢逐步獲得了科研的基本能力。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中,學(xué)生主動(dòng)地通過(guò)各種資源獲取自己所需的知識(shí),通過(guò)與老師或者同學(xué)間的交流學(xué)會(huì)如何表達(dá)自己的觀點(diǎn),以及如何吸納別人好的建議,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中更是通過(guò)自己動(dòng)手掌握了實(shí)驗(yàn)的基本技能。在團(tuán)隊(duì)中,學(xué)生們學(xué)會(huì)如何發(fā)揮每一個(gè)人的特長(zhǎng)以期實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的更大產(chǎn)出比。在展示自己的成果中,學(xué)生們更是要通過(guò)自己的摸索和學(xué)習(xí)使得自己的展示更加的正式。
物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽更像是學(xué)生真正進(jìn)入科學(xué)研究之前的預(yù)科班,在這里學(xué)生是通過(guò)自我的需求而不是填鴨式的教育積極主動(dòng)的去學(xué)習(xí)各類(lèi)科學(xué)研究的基本能力,為本科甚至是研究生階段進(jìn)入科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。
素質(zhì)教育不僅僅指的是創(chuàng)新和實(shí)踐能力的培養(yǎng),更著重于人的培養(yǎng)。交流表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、主動(dòng)解決問(wèn)題的能力和思辨思維的形成在人的成長(zhǎng)過(guò)程中十分重要,這些能力的形成需要通過(guò)具體的事件并親身參與其中才能逐漸領(lǐng)悟和學(xué)會(huì)。
在物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的過(guò)程中,學(xué)生需要利用身邊的各種資源,需要向?qū)W長(zhǎng)、同學(xué)、老師、網(wǎng)絡(luò)等尋求幫助,需要聯(lián)系老師借用實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)工作。在有限的經(jīng)費(fèi)資助下,學(xué)生們會(huì)想辦法尋求更好的解決路徑以期獲得最大的回報(bào)。在這些過(guò)程中,學(xué)生鍛煉了與人交流表達(dá)的能力,學(xué)會(huì)更好地設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)方案以滿足自己的“解題”需求。無(wú)論是在準(zhǔn)備比賽的過(guò)程中,還是在比賽場(chǎng)上,互相協(xié)作的能量要遠(yuǎn)大于單打獨(dú)斗。
特別需要指出的是,在比賽場(chǎng)上,如何有禮儀地提出反對(duì)的聲音,對(duì)于別人的質(zhì)疑如何應(yīng)對(duì),如何正確且恰當(dāng)?shù)卦u(píng)價(jià)別人的工作。這些能力可能與學(xué)習(xí)物理知識(shí)完全沒(méi)有關(guān)系,但是對(duì)于人的培養(yǎng)來(lái)說(shuō),是一個(gè)人綜合能力的一種體現(xiàn)。在學(xué)術(shù)競(jìng)賽的比賽過(guò)程中,正反雙方的辯論和評(píng)論方的點(diǎn)評(píng)恰恰正是對(duì)于這種能力的一種訓(xùn)練和培養(yǎng)。
在南開(kāi)大學(xué),凡是代表學(xué)校參加過(guò)各種形式學(xué)術(shù)競(jìng)賽的隊(duì)員回校之后都會(huì)成為物理思辨社的成員,為下一屆新生更好地參與學(xué)術(shù)競(jìng)賽提供各類(lèi)服務(wù),包括如何準(zhǔn)備、學(xué)術(shù)ppt的制作、比賽規(guī)則解讀、各類(lèi)資源咨詢指南等,這種志愿服務(wù)也是培養(yǎng)學(xué)生一種社會(huì)責(zé)任感,一種回報(bào)和感恩的素質(zhì)。這種精神力量的輻射作用在育人的過(guò)程中顯得尤為重要,這也是學(xué)術(shù)競(jìng)賽帶給學(xué)生們一生享用的財(cái)富。
物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽通過(guò)其特有的比賽形式,很好的培養(yǎng)了學(xué)生以上能力,這些能力的養(yǎng)成不僅僅在學(xué)生的學(xué)習(xí)階段十分重要,而且在學(xué)生一生的發(fā)展過(guò)程中都是大有裨益的。
2008年,南開(kāi)大學(xué)將物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽引入中國(guó),先后發(fā)起了中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽(China Undergraduate PhysicsTournament,簡(jiǎn)稱CUPT)和中國(guó)高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽(China Young Physicists’ Tournament,簡(jiǎn)稱CYPT)。在南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,本科生有一系列多層次的創(chuàng)新實(shí)踐培訓(xùn)課程,其中本科一年級(jí)的物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽,本科二年級(jí)的課外創(chuàng)新項(xiàng)目,本科三年級(jí)的創(chuàng)新研究與訓(xùn)練課程和本科四年級(jí)的畢業(yè)論文形成了一系列初步深入的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)體系。針對(duì)于國(guó)家拔尖學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃的學(xué)生,則采用一年級(jí)的學(xué)術(shù)競(jìng)賽,二年級(jí)和三年級(jí)的物理研討、科研訓(xùn)練、課外創(chuàng)新項(xiàng)目和海外實(shí)踐基地科研實(shí)習(xí),加上四年級(jí)的畢業(yè)論文更深入地加大對(duì)于拔尖學(xué)生的培養(yǎng)。由此可見(jiàn),無(wú)論是針對(duì)于一般本科生還是拔尖學(xué)生的培養(yǎng),物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽都是最基本的一種訓(xùn)練手段,其主旨也是在于其對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培育作用。
針對(duì)物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽,在南開(kāi)大學(xué)也有不同層級(jí)的培養(yǎng)方式。對(duì)于大一的本科生,可以參加物理學(xué)院舉辦的年度物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽,在此競(jìng)賽的基礎(chǔ)上,通過(guò)學(xué)生的自愿報(bào)名也可參加全國(guó)的CUPT,與全國(guó)各個(gè)高校的同學(xué)共同交流,取長(zhǎng)補(bǔ)短。為了鍛煉學(xué)生的英語(yǔ)表達(dá)能力和與研究生交流協(xié)作的能力,學(xué)生也可參加臺(tái)灣地區(qū)的大專(zhuān)生物理辯論高峰會(huì)(Taiwan College-student Physicists’ Tournament,簡(jiǎn)稱TCPT)和國(guó)際物理學(xué)家錦標(biāo)賽(International Physicists’ Tournament,簡(jiǎn)稱IPT),通過(guò)不同層級(jí)的物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽使具有不同能力和特長(zhǎng)的學(xué)生得到鍛煉,他們?cè)诟黝?lèi)物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽上的收獲在回校后都會(huì)進(jìn)行交流和分享,使得每位學(xué)生都能有所收益。
在南開(kāi)大學(xué),物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽參加的學(xué)生基本上是本科一年級(jí)的學(xué)生,學(xué)生進(jìn)入本科二年級(jí)時(shí)就開(kāi)始申報(bào)各類(lèi)課外創(chuàng)新項(xiàng)目,通過(guò)多年的觀察和科研導(dǎo)師的反饋,明顯感覺(jué)到經(jīng)過(guò)物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的學(xué)生能夠在科研中更快地進(jìn)入角色,成為導(dǎo)師的得力助手。通過(guò)物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽也使學(xué)生對(duì)于本專(zhuān)業(yè)的課程學(xué)習(xí)更加有興趣。此外,參加過(guò)學(xué)術(shù)競(jìng)賽的學(xué)生在接人待物、奉獻(xiàn)精神、社會(huì)責(zé)任感等方面也頗受老師和用人單位的好評(píng)。由此可見(jiàn),物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽真正起到了對(duì)于本科生綜合能力培育的作用。
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簡(jiǎn)訊
清華大學(xué)龍桂魯研究組在量子控制方面取得進(jìn)展
在量子信息領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)量子系統(tǒng)的高精度控制是構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵因素,也是面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。盡管日前IBM稱已能對(duì)50量子比特的系統(tǒng)進(jìn)行控制,然而就已發(fā)表的文章看來(lái),最先進(jìn)的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)很少超過(guò)10量子位,且大多數(shù)情況下只能提供簡(jiǎn)單的控制。本工作成功地實(shí)現(xiàn)了高精度操作12個(gè)量子比特的核磁共振量子信息處理器;所發(fā)展出來(lái)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以移植到氮空位色心、離子阱或超導(dǎo)電路等易于拓展的量子系統(tǒng)。
龍桂魯教授及其博士生李可仁、辛濤,以及已經(jīng)畢業(yè)的馮冠儒、李行與滑鐵盧大學(xué)Raymond Laflamme教授研究組、圭爾夫大學(xué)曾蓓教授研究組合作,演示了對(duì)一個(gè)12量子位核磁共振系統(tǒng)的操控,制備了12個(gè)量子比特的相干態(tài)。本工作的一個(gè)特點(diǎn)就是在這個(gè)12比特量子體系本身進(jìn)行反饋控制優(yōu)化算法(MQFC),來(lái)優(yōu)化對(duì)自身系統(tǒng)的控制脈沖序列。與經(jīng)典計(jì)算運(yùn)算相比,不僅大大減少了計(jì)算時(shí)間,而且將控制精度提高了10%。這種方法一方面更有效地優(yōu)化了系統(tǒng)控制,另一方面可以利用系統(tǒng)自身的優(yōu)化消除不確定系統(tǒng)的噪聲影響。
該成果以“Enhancing quantum control by bootstrapping a quantum processor of 12 qubits” 為題于2017年10月23日發(fā)表在npj Quantum Information 3, 45 (2017)。博士生李可仁為共同第一作者。MIT的Lloyd教授等在今年Nature發(fā)表的“Quantum Machine Learning”綜述論文中引用了該論文(Arxiv的版本)。
文章鏈接: https://www.nature.com/articles/s41534-017-0045-z
(摘編自清華大學(xué)物理系工作簡(jiǎn)報(bào),原文由龍桂魯老師研究組供稿)
THEBRIDGINGROLEOFPHYSICSTOURNAMENTINTHETRANSITIONFROMHIGHSCHOOLTOCOLLEGE
YUHuaLIChuanyongWUQiangBOFangLIUZhiboYANBaoyan
(School of Physics, Nankai University, Tianjin 300071)
Through the analysis of the differences between high school education and college education and the training of innovative practical ability in the undergraduate stage, this paper investigatesthe role of physics tournament in the transition from high school to college including cultivating students’ basic scientific research ability and personal skill. Futhermore, there is a brief introduction of the implementation of physics tournament and its development in Nankai University.
physics tournament; high school education; college education; innovative practical ability; comprehensive ability
2016-06-21
國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金(J1103208),國(guó)家基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗(yàn)計(jì)劃2017年課題,天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計(jì)劃(D03-0702),南開(kāi)大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目資助。
余華,男,副教授,主要從事發(fā)光物理學(xué)與本科教學(xué)研究工作,yuhua@nankai.edu.cn。
李川勇,女,教授,主要從事物理教學(xué)和生物物理研究工作,chuan@nankai.edu.cn。
余華,李川勇,吳強(qiáng),等. 物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽對(duì)學(xué)生從中學(xué)到大學(xué)過(guò)渡的橋梁作用[J]. 物理與工程,2017,27(6):104-107.
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