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        虛實(shí)一體化的傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐

        2024-10-22 00:00:00劉嬌月楊聚慶喻武龍祝家東黃飛東
        中國教育技術(shù)裝備 2024年18期

        摘 要 通過對傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程的教學(xué)理念、內(nèi)容、方法與考核評價等方面的研究分析,探索虛實(shí)一體化的項(xiàng)目式創(chuàng)新課程設(shè)計,采用項(xiàng)目式教學(xué)模式,理論與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)組合;以產(chǎn)線檢測項(xiàng)目與工程應(yīng)用為核心,將智能制造領(lǐng)域常用傳感器技術(shù)應(yīng)用場景與實(shí)例融入課程教學(xué);設(shè)計基于虛擬儀器和仿真工程環(huán)境搭建的虛實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程和手段;通過信息化的課程改革設(shè)計與創(chuàng)新實(shí)踐,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用新型傳感技術(shù)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及工程實(shí)踐能力。

        關(guān)鍵詞 項(xiàng)目式教學(xué);虛實(shí)一體化;傳感器技術(shù)及應(yīng)用;仿真實(shí)驗(yàn);新工科;實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

        中圖分類號:G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

        文章編號:1671-489X(2024)18-0083-05

        0 引言

        當(dāng)前,人類社會正處于從信息時代向智能時代邁進(jìn)的關(guān)口,人工智能等新一代信息技術(shù)正在引發(fā)人類社會新的變革。對于高等教育來說,人工智能等新一代信息技術(shù)推動了教育模式轉(zhuǎn)型,提高了知識傳遞效率,強(qiáng)化了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,使高等教育開始真正趨于智慧化。傳感器技術(shù)及應(yīng)用是應(yīng)用型本科以及職業(yè)院校電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)、智能科學(xué)與技術(shù)、自動化、電氣工程及其自動化等電學(xué)類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程,涉及機(jī)械、動力、電子、信息處理等眾多學(xué)科交叉技術(shù)領(lǐng)域,體現(xiàn)了信息化和新興產(chǎn)業(yè)化的結(jié)合。該課程通過系統(tǒng)講授各種傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、測量電路和應(yīng)用等方面的內(nèi)容,要求學(xué)生在掌握各類傳感器原理的基礎(chǔ)上,能夠達(dá)到合理選擇與使用各類傳感器,并初步具備自動傳感檢測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用能力的目標(biāo)。隨著智能時代的來臨和信息技術(shù)的飛速發(fā)展,傳感技術(shù)已成為現(xiàn)代智能信息技術(shù)的三大關(guān)鍵核心技術(shù)之一,在人工智能、工業(yè)制造、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、航空航天、海洋探測等各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。同時,傳感檢測技術(shù)的發(fā)展及新型傳感器產(chǎn)品的研發(fā)、使用和維護(hù),對高校應(yīng)用型、創(chuàng)新型傳感人才的培養(yǎng)目標(biāo)和內(nèi)容提出新的要求,因此,傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程的重要性不言而喻[1-3]。

        目前,國內(nèi)很多高校圍繞應(yīng)用型、創(chuàng)新型新工科專業(yè)人才培養(yǎng)需求開展傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)改革。虛實(shí)一體化是指通過建立實(shí)際物體與虛擬仿真環(huán)境相互關(guān)聯(lián)和結(jié)合的教學(xué)環(huán)境,將實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相對應(yīng)建立虛實(shí)樣本等效模型,并通過數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)來對應(yīng)展示實(shí)際測量過程和分析實(shí)物實(shí)驗(yàn)性能與結(jié)果,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)教學(xué)研究對象虛實(shí)結(jié)合的信息化教學(xué)。結(jié)合傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)實(shí)踐,本文提出一種基于虛實(shí)一體化教學(xué)設(shè)計的項(xiàng)目式課程改革與創(chuàng)新方案,通過分析傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)實(shí)踐過程中存在的主要問題,按照新工科專業(yè)人才培養(yǎng)要求,以行業(yè)企業(yè)典型崗位能力要求更新教學(xué)內(nèi)容,并將智能制造領(lǐng)域常用的傳感器技術(shù)應(yīng)用場景與實(shí)例融入課程教學(xué),實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)。借助現(xiàn)代信息技術(shù)和產(chǎn)學(xué)研合作教育的優(yōu)勢,對接傳感器及檢測技術(shù)工程化應(yīng)用,提出基于虛擬儀器和仿真工程環(huán)境搭建的虛實(shí)一體化實(shí)踐教學(xué)方法,設(shè)計傳感器元件檢測電路仿真組件和仿真?zhèn)鞲袦y控系統(tǒng)虛擬化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,改進(jìn)傳感器性能測試與技術(shù)應(yīng)用在課堂教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)過程和手段。通過信息化課程改革設(shè)計與創(chuàng)新實(shí)踐,配套形成系統(tǒng)性教學(xué)組織與評價考核方法,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用現(xiàn)代新型傳感技術(shù)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及工程實(shí)踐能力[4-6]。

        1 相關(guān)背景

        與傳統(tǒng)工科相比,新工科強(qiáng)調(diào)實(shí)用性、交叉性、綜合性。傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程屬于新工科專業(yè)核心課程,涉及知識面較廣。該課程本身綜合性較高,既有深邃的專業(yè)理論概念,又有涉及不同行業(yè)和場景的各類檢測技術(shù)應(yīng)用,且與電子信息、通信工程、控制工程、機(jī)器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程等多個技術(shù)應(yīng)用類專業(yè)的核心課程緊密關(guān)聯(lián)。該課程有較強(qiáng)的專業(yè)理論和知識綜合分析要求,更強(qiáng)調(diào)實(shí)踐中的技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計與綜合應(yīng)用。然而,以往課程教學(xué)中,教師主要是以傳統(tǒng)分類方法依次進(jìn)行各種傳感器的理論講授,原理性內(nèi)容較多,理論知識繁雜冗長,且以推導(dǎo)與推理為主,與具體應(yīng)用需求聯(lián)系不緊密,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)難度上升,學(xué)習(xí)興趣和掌握能力不高。例如:講授各類常用傳感器時,教師側(cè)重講述其工作原理及材料類別,忽略了傳感器技術(shù)的具體檢測應(yīng)用過程和方法的指導(dǎo),導(dǎo)致學(xué)生感覺知識點(diǎn)晦澀難懂、不明所以;講授技術(shù)應(yīng)用時,側(cè)重于單個元器件測量的計算推導(dǎo)和原理分析,導(dǎo)致學(xué)生只會理論計算,卻不會系統(tǒng)化設(shè)計與配置傳感器,同時導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識過多而實(shí)踐能力較弱,即學(xué)生面對具體的傳感檢測系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)、傳感器選型過程和精度要求以及傳感器與測控系統(tǒng)的線路工程設(shè)計等方面,感到無從下手。

        另外,實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目均為原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),操作簡單,導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室只能根據(jù)指導(dǎo)書簡單連接導(dǎo)線、操作開關(guān)、記錄數(shù)據(jù)、觀察結(jié)果,無法針對傳感器器件在制造業(yè)真實(shí)生產(chǎn)線和設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行技術(shù)復(fù)現(xiàn)與演練。同時,實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目應(yīng)用性、可拓展性不強(qiáng),缺乏綜合應(yīng)用及創(chuàng)新類的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,不能展示和體現(xiàn)當(dāng)前先進(jìn)傳感器技術(shù)的綜合性、實(shí)踐性和先進(jìn)性。比如應(yīng)變片電橋,電感式、光電式以及熱電偶等各類傳感器的特性實(shí)驗(yàn),學(xué)生只是為了測量而測量,不能直觀學(xué)習(xí)和理解傳感特性參數(shù)與方式在自動化生產(chǎn)與智能制造過程中的作用和應(yīng)用方法,學(xué)習(xí)缺少積極性、主動性和創(chuàng)新性[7-8]。

        概括來說,傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程以往教學(xué)中主要講解傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用中的傳感器器件和原理技術(shù),按照普通工業(yè)自動化設(shè)備和系統(tǒng)中的常規(guī)傳感檢測方法和特點(diǎn)進(jìn)行各種傳感器的教學(xué),缺乏現(xiàn)代智能制造產(chǎn)業(yè)與新一代信息化產(chǎn)業(yè)中出現(xiàn)的大量智能化、無線化、微型化、集成化等新型傳感器的相關(guān)知識與技術(shù)應(yīng)用,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的傳感器技術(shù)知識和能力與現(xiàn)在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中日益成熟和普及的機(jī)器人、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)明顯脫節(jié),不能滿足社會對檢測技術(shù)的要求。

        本文在課程實(shí)踐中通過突出新型傳感器在新興智能化產(chǎn)業(yè)中的重要作用與典型應(yīng)用,借助虛擬儀器和數(shù)字化技術(shù)教學(xué)手段,創(chuàng)新項(xiàng)目式課程教學(xué)方法與過程,開展虛實(shí)結(jié)合的傳感器技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計,結(jié)合綜合性的專業(yè)化自動測量與控制設(shè)備,開發(fā)傳感器虛擬實(shí)驗(yàn),設(shè)計真實(shí)檢測案例的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,深入淺出地將傳感器技術(shù)應(yīng)用崗位的相應(yīng)知識點(diǎn)歸納到項(xiàng)目化課程教學(xué)實(shí)踐過程中,將與檢測相關(guān)的國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范融入具體工作任務(wù)實(shí)施,培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力與創(chuàng)新工程化素質(zhì),真正讓學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中既能夠理解理論知識,又能夠具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力,做到學(xué)以致用、理論聯(lián)系實(shí)際。

        2 虛實(shí)一體化的傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐

        2.1 更新課程教學(xué)內(nèi)容,開發(fā)項(xiàng)目式測量任務(wù),設(shè)計項(xiàng)目式教學(xué)流程

        傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)改革設(shè)計首先從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式設(shè)計開始。課題組深入企業(yè)一線,結(jié)合傳感器技術(shù)主要應(yīng)用行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)發(fā)展趨勢與當(dāng)前人工智能技術(shù)不斷普及情況,獲取很多工程實(shí)際檢測案例,并進(jìn)一步提煉出裝備制造業(yè)中常用的典型參量檢測任務(wù)。緊貼培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才目標(biāo),對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行項(xiàng)目化更新整合。采用項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計,以傳感器檢測核心參量和檢測工作場景為載體,進(jìn)行各種常用傳感器的選型、安裝、調(diào)試、檢測及應(yīng)用技術(shù)學(xué)習(xí)。以具體測量任務(wù)為導(dǎo)向,采用工程實(shí)際中具體傳感器測量工作的實(shí)現(xiàn)過程組織教學(xué)單元,設(shè)計多個可操作性任務(wù)環(huán)節(jié),以檢測任務(wù)過程參與解決當(dāng)前技術(shù)性問題并完成多個項(xiàng)目化綜合性任務(wù)。課堂教學(xué)中靈活組織任務(wù),讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體。

        具體設(shè)計的傳感器檢測項(xiàng)目包括溫度的檢測、力和壓力的檢測、流量的檢測、運(yùn)動學(xué)量的檢測、物位的檢測、環(huán)境量的檢測以及現(xiàn)代智能傳感系統(tǒng)多參量綜合檢測等。每個項(xiàng)目下設(shè)多個學(xué)習(xí)任務(wù),包含項(xiàng)目引入、任務(wù)背景、知識學(xué)習(xí)、應(yīng)用案例、技能提升、鞏固與拓展等模塊。課程項(xiàng)目化教學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

        2.2 虛實(shí)結(jié)合,設(shè)計開發(fā)傳感器檢測案例虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,構(gòu)建虛實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

        進(jìn)行項(xiàng)目式課程實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計,將虛擬化實(shí)踐教學(xué)方法嵌入項(xiàng)目化教學(xué)過程。借助計算機(jī)仿真軟件,開發(fā)基于虛實(shí)一體化理念的創(chuàng)新數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。通過整合軟硬件設(shè)備資源,利用虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室、自動控制實(shí)驗(yàn)室、自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)裝置、機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)室、智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室等實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)施,導(dǎo)入相關(guān)軟硬件教學(xué)資源項(xiàng)目庫,不斷整合信息化資源和工程應(yīng)用案例,持續(xù)優(yōu)化新型傳感器應(yīng)用教學(xué)項(xiàng)目庫,完善虛實(shí)一體化實(shí)踐教學(xué)資源,形成虛實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

        首先,在原有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上,對應(yīng)其中的傳感器工作特性和機(jī)理,設(shè)計傳感器數(shù)字化虛擬檢測實(shí)驗(yàn)。利用電子仿真軟件、單片機(jī)及IDE軟件結(jié)合傳感器及檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)套件,開發(fā)電容式傳感器測量位移、熱電偶傳感器測溫、差動變壓器傳感器測量位移、氣敏傳感器檢測酒精、濕敏傳感器測量環(huán)境濕度、PN結(jié)傳感器測溫、電渦流傳感器測量位移、熱敏電阻傳感器測量溫度、霍爾式傳感器測量位移、金屬箔式應(yīng)變片傳感器測量壓力等十余個傳感器技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

        其次,引入工程技術(shù)檢測設(shè)備和產(chǎn)品作為仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)體參考設(shè)備,如工業(yè)機(jī)器人自動化檢測裝置、柔性生產(chǎn)線檢測設(shè)備、機(jī)器視覺引導(dǎo)裝置、機(jī)床振動測試儀、智能小車循跡系統(tǒng)、服務(wù)機(jī)器人等。以設(shè)備傳感檢測資源與應(yīng)用方法為參考,提煉自動化生產(chǎn)、智能制造、智能機(jī)器人及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的典型傳感器測量案例。對照案例系統(tǒng)中的實(shí)際傳感器元件和測量顯示器件以及控制單元進(jìn)行分解和原型功能分析,分別完成傳感器件原理電路分析仿真設(shè)計和傳感檢測系統(tǒng)測量應(yīng)用仿真設(shè)計。在對應(yīng)工業(yè)自動化生產(chǎn)線測量與控制設(shè)備中的傳感器測量實(shí)體基礎(chǔ)上,先后設(shè)計生產(chǎn)線溫控測量系統(tǒng)、智能小車紅外光電循跡檢測系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人視覺檢測產(chǎn)品分類系統(tǒng)、機(jī)械振動頻率應(yīng)變片測量系統(tǒng)、鋼板厚度位移測量系統(tǒng)、自動化攪拌稱重系統(tǒng)等綜合型虛實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過虛擬傳感檢測實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施,學(xué)生能夠開展實(shí)際傳感器件的仿真原理電路、連接線路和驅(qū)動放大電路的搭建與測試實(shí)驗(yàn),借助虛擬儀器平臺環(huán)境和控制器代碼編程還能夠完成測量系統(tǒng)搭建、控制結(jié)果顯示等工程化測量任務(wù)的虛擬過程實(shí)施,進(jìn)一步了解掌握自動化設(shè)備內(nèi)傳感單元的檢測過程和調(diào)節(jié)控制狀況的手段,學(xué)習(xí)實(shí)際應(yīng)用中的傳感測試方法和判斷依據(jù)。典型虛實(shí)一體化傳感檢測實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計流程如圖2所示。

        2.3 閉環(huán)式項(xiàng)目教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐,構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的信息化創(chuàng)新教學(xué)組織模式

        在課程教學(xué)實(shí)踐過程中,基于虛實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,將真實(shí)測量案例和工程化情境作為任務(wù)導(dǎo)入傳感器技術(shù)課程教學(xué)項(xiàng)目,針對每個項(xiàng)目把教學(xué)過程分成課前準(zhǔn)備、課堂實(shí)施、課后拓展、考核與評價四大模塊,創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練組織過程,形成閉環(huán)式項(xiàng)目化教學(xué)模式。傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程閉環(huán)式項(xiàng)目教學(xué)組織流程如圖3所示。

        引導(dǎo)學(xué)生做到預(yù)習(xí)傳感器件知識→熟悉傳感電路原理→操練測量過程→創(chuàng)新檢測技術(shù)應(yīng)用。學(xué)生在課前預(yù)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,編制程序軟件,減少課堂現(xiàn)場編程時間。

        在課堂實(shí)施上設(shè)置“導(dǎo)入問題→虛擬連接電路并測量數(shù)據(jù)→改變參數(shù)并觀察變化→對比真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行分析與總結(jié)→掌握測量技能”這五大教學(xué)環(huán)節(jié)。課堂上教師適度講解分析,利用講授法、引導(dǎo)法、討論法、案例分析法以及過程仿真調(diào)試等教學(xué)手段,模擬實(shí)現(xiàn)一個完整的工程化項(xiàng)目。學(xué)生在操練階段以小組為單位協(xié)同開展實(shí)驗(yàn),教師巡回指導(dǎo)、點(diǎn)評。根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況,重點(diǎn)對普遍反饋的疑難問題和實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵步驟進(jìn)行講解。

        通過學(xué)習(xí)“傳感器的需求分析→產(chǎn)品方案設(shè)計→安裝及調(diào)試→運(yùn)行數(shù)據(jù)分析”的整個操作過程,讓學(xué)生完成器件選型、系統(tǒng)設(shè)計、接線操作、控制編程、檢測調(diào)試等技能訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用和實(shí)踐創(chuàng)新能力,提升學(xué)生的綜合職業(yè)素養(yǎng)。教學(xué)過程中任務(wù)明確、講練一體、虛實(shí)結(jié)合,鼓勵學(xué)生學(xué)以致用、主動學(xué)習(xí),自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的構(gòu)思、開發(fā)和設(shè)計,并進(jìn)一步付諸操作和實(shí)施,培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

        3 結(jié)束語

        本文通過分析傳感器技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)實(shí)踐過程中存在的主要問題,根據(jù)專業(yè)能力培養(yǎng)要求,對接新一代信息化產(chǎn)業(yè)中的崗位能力需求,改革課程教學(xué)內(nèi)容、組織過程與教學(xué)方式,進(jìn)行信息化教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新。采用項(xiàng)目式教學(xué)組織模式,開展工程化項(xiàng)目任務(wù)教學(xué),將智能制造領(lǐng)域常用的傳感器技術(shù)應(yīng)用場景與實(shí)例融入課程教學(xué)。設(shè)計基于虛擬儀器和仿真工程環(huán)境搭建的虛實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,以多媒體技術(shù)、數(shù)值模擬與仿真技術(shù)為支撐,基于虛實(shí)一體化的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法,結(jié)合綜合性的專業(yè)化自動測量與控制設(shè)備開發(fā)傳感器虛擬實(shí)驗(yàn),設(shè)計具有先進(jìn)前沿技術(shù)與工程實(shí)用性的綜合案例模塊。進(jìn)行對應(yīng)仿真程序設(shè)計,開發(fā)典型的檢測工程實(shí)踐教學(xué)案例和實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的測量過程實(shí)驗(yàn)。通過課程改革實(shí)踐,改進(jìn)傳感器性能測試與技術(shù)應(yīng)用在課堂教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)過程和展示手段,突出傳感器技術(shù)在新一代信息化、智能化產(chǎn)業(yè)中的重要作用與典型應(yīng)用,體現(xiàn)新工科對于崗位技能要求與學(xué)習(xí)內(nèi)容的對接,較好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用現(xiàn)代新型傳感技術(shù)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力,促進(jìn)課程教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)能力提升。

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