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建构主义学习论及其对我国中小学科学教育的启示
建构主义学习论及其对我国中小学科学教育的启示
早稻田大学外国人研究员胡 学亮
自上个世纪八〇年代初以来,在科学教育方面,一个旨在探讨儿童对自然现象所持有的“前概念(preconceptions)”或“朴素概念(naiveconceptions)”1)的所谓建构主义学习论的研究在新西兰、日本、欧美等国相继兴起、持久不衰。
该研究从建构主义(constructivism)立场出发,认为人类的学习是一种建构过程,人类获得的大部分新知识是通过建构而获得的。
儿童的科学知识、科学概念的形成是“儿童在他们与自然现象的相互作用、自身的社会经验的基础上,对自然界的有关知识进行的一种建构过程”2)。
目前,在科学教育方面,上述各国的建构主义学习论的研究已从调查研究、理论化阶段,转向小范围的教学应用阶段,其研究成果日加受到中小学理科教师的关注。
签于探讨建构主义学习论的有关问题会有助于我国教育研究、教育实践的深入和发展,本文拟在评析建构主义学习论在理科教育方面的研究动向及研究成果的基础上,探讨它对我国今后的中小学教育改革特别是理科教育改革方面具有哪些参考价值。
为此,本文首先对建构主义学习论的基本观点做一扼要介绍,其次,重点归纳、整理一下建构主义学习论者对儿童科学概念形成的几个典型调查实例,探讨儿童“前概念”或“朴素概念”形成的主要原因,再次,对建构主义学习论的教学模式以及它在教学实践上的应用做一简单介绍,然后,分析整理建构主义学习论与其它主要学习论的异同,即它对传统的教学论·学习论的批判与继承,最后谈谈它对我国中小学科学教育的几点启示。
一、建构主义学习论的基本观点
1.建构主义学习论的基本观点
近年,尽管有关建构主义或建构主义学习论的论文和报告为数众多,但尚未发现对建构主义学习论下明确定义的文献资料,一般认为在理科教育中对建构主义学习论形成做出重要贡献的人物之一是新西兰科学教育学者欧知童(RogerOsborne)。
以欧知童为首的专题研究小组在新西兰教育部的援助下主持了“自然科学学习的研究课题(LearninginScienceProject),他们通过“事例面谈法(interview-about-instances)”和“现象面谈法(interview-about-events)”3),花了五年时间(1979-1984)对儿童的科学概念的形成进行了大量的分析和考察4)。
他们得出的主要结论如下:
影响儿童科学概念形成的最重要的因素是,儿童在被教授某种科学概念之前,就已经在自身的日常生活的基础上对这些概念有了他们自己独特的思考和理解,儿童们的这种对自然界的思考和理解根深蒂固,可以说完全超出了教师们的预料,要想改变它们实非易事。
欧知童并认为儿童们也像科学家们一样对周围发生的事物、现象及其因果关系等怀有浓厚的兴趣,并且用自己已有的经验、知识及语言试图去理解和解释它们,可以说儿童们从幼时起就已经是某种意义上的科学家5)。
欧知童把这种儿童对自然诸现象及因果关系所具有的独自认知称为“儿童式的科学(children'sscience)”。
欧知童认为:
学习者在学习某种知识之前,就已经在他的头脑里存在着有关他对学习对象的想法或见解(existingideas),学习者通过听觉、视觉等感觉器官捕捉外部各种信息,但是这些信息并不能全部直接地被学习者接收,而是学习者根据他们既有的观念或见解选择性的获取对象中的信息,然后通过既有的观念、知识和新的被筛选的信息相互作用从而建构了他们独自的新的见解6)。
总之,建构主义学习论的最基本立场就是“知识的获得是一种建构过程,概念的学习不是单纯的新的知识的增加而是对其意义的再建构”7)?
这种建构过程的特点表现为:
第一、处于不同环境的学习者,只是选择性地吸收外部世界的信息,通常只有那些被他们认为有价值的信息才被接收,因而忽视了其它信息,被接收的信息储存到大脑再被加工处理;第二、既使被学习者所注意所选择的信息,其本身并没有任何意义;第三、只有当被输入的信息被学习者认为与他们所记忆的内容(既有的想法)之间有关联时,两者才能相互结合;第四、学习者能动的运用他们所记忆的内容(既有的想法),从输入的信息中建构具有新的意义的独自知识。
由于每个学习者所处的环境以及他们拥有的既有知识不一定相同,因此被他们建构的新的知识也就不尽相同。
2.从几个调查实例看建构主义学习论的基本观点
如上所述,建构主义学习论研究者对儿童自然科学概念的形成进行了大量的调查研究,其方法不同于一般的问卷调查,而是采用事例面谈法和现象面谈法,重点不在于儿童知识的多寡或所持概念的正误,而是儿童自然科学概念形成的背景及理由。
例如,欧知童等在对儿童所持的植物概念的调查8)中发现,11岁、13岁、15岁的儿童当中,认为“树木不是植物”的儿童大有人在,一个10岁的儿童这样叙述着他的想法:
“橡树在它很小的时候是植物,但它长大以后就变成了树木而不是植物了”。
另外,11岁和15岁的一些儿童认为,植物是人类通过耕作而获得的东西,所以,小草、蒲公英等等是杂草而不是植物。
还有,被调查的半数儿童认为,象胡萝卜、包心菜它们不属于植物应属于蔬菜类。
至于植物的种子,更有一半以上的儿童并没有把它看成是植物,而且受过植物基础知识教育的15岁的儿童比11岁的儿童更具有较强的这种倾向。
欧知童还以日常生活中常见的水的沸腾现象为例,对儿童的水的蒸发和液化的概念的形成进行了调查、考察。
此调查先让学生观察水电壶中水的沸腾现象,然后问学生产生的气泡是由什么组成的。
结果证明学生的想法各种各样,包括认为气泡是空气、水蒸气、氧气或氢气,甚至还由一些学生认为它是热量。
然而令人吃惊的是被调查的15岁以下的学生全部履修了综合科学课程,16岁和17岁的学生还履修了物理或化学课程,结果符合科学见解的“水蒸气”的回答率不管哪个年龄层都在40%以下9)。
日本的远西昭寿按照欧知童的调查方法对日本小学2年级到初中3年级的学生做了同样的调查10),调查当时,小学5年级的学生已学习了有关物质三态变化的简要内容,初中1年级重新学了物质的三态变化及气象学上的水蒸气等有关知识。
结果表明,尚未履修相关内容的小学2、3、4年级的绝大多数学生都认为气泡是空气,而刚学相关内容不久的小学五年级学生的正答率上升到30%,但是到了一年后的6年级时又下降到15%左右,复习了物质三态变化的初中1、2年级学生正答率急升到大约45%,一、二年后的初中3年级又降到10%,而认为气泡是空气的学生却超过了50%。
从新西兰和日本的调查结果可以看出,儿童对自然现象所持有的独自的见解和思考比人们预想的要固执得多,而且通常的理科教学对它们的影响可以说是微乎其微。
尽管这些学生能通过一些复杂的理科考试,能记住许多科学概念、法则或公式,但他们对所学的知识却缺乏真正的理解。
那么儿童的这些既有的独自的见解能不能一律斥之为荒唐无稽呢?
从远西昭寿的调查结果看,主张沸腾的水中产生的气泡是热量的学生认为,因为“当把火熄灭掉时候,气泡就消失了,当把火点燃的时候,气泡又产生了”。
对于认为气泡里面是空气的学生来说,日常生活中他们所见所闻的许多气泡都是空气气泡,这都成为他们想法的左证。
另外,15岁的学生中认为气泡里面是氢气和氧气的比例突然增大,这可能与他们刚刚学过“水的电解”有关,即把“水是由氧元素和氢元素组成”这一对他们来说非常生疏的科学用语,转化成他们从小就听惯了的“水里面有氧和氢”这一非科学的日常用语而造成的误解。
以上调查结果表明:
在幼儿期或在接收学校科学教育之前,儿童就在他们独特的自然观当中,对许多有关科学用语的含意进行着他们独自的思索和创新;尽管儿童们这些独自的见解与教科书上的概念有着很大的差异,但是他们对此表现得非常固执;儿童们这些独自的见解是建立在他们自己独特的理论上的,具有一定的明确性和一贯性,而且它们通常几乎不受学校理科教学的影响而发生改变。
因而,建构主义学习论者主张,传统科学教育的最大失败之处在于我们忽视了儿童持有的各种各样的朴素概念及它的顽固性,这种顽固性表现在,一方面,儿童的朴素概念不易在通常的理科教学中予以纠正,另一方面,儿童的朴素概念即使被纠正了,但经过一定的时间后又还原到了原来的状态。
二、儿童“前概念”、“朴素概念”形成的主要原因
那么,上述儿童们的这些“前概念”、“朴素概念”形成的主要原因及特征是什么呢?
从近几年有关儿童认知科学的调查和研究的结果看,它们主要可以归纳为以下几种:
1.日常用语等的影响
(1)自然科学术语与日常用语的纠葛
“前概念”、“朴素概念”形成的一个主要原因是理科教学中所使用的科学术语与日常生活用语之间常常存在着某些差异。
比尔(bell1981)的调查结果11)表明,9到15岁的中小学生中,只有10%左右的人能从牛、小草、蜘蛛、鲸鱼、蚯蚓和少年当中把动物正确地分类出来,特别值得一提的是多数调查对象都没有把少年归纳到动物一类。
究其原因,正如比尔指出的那样,在日常会话中,包括科学家在内一般都只使用了狭义上的“动物”一词,比方说,商店门前的“动物禁止入内”的招牌,“兽医”和一般医院的区别用语,无不把人类排斥在动物之外。
同样的混乱也发生在那些刚接触地质学不久的儿童身上。
根据哈普斯(Happs1982)的调查12),儿童对岩石的独特既有的思考与科学家对岩石的定义有着很大的差别,一般来说,科学家认为岩石是由一种或几种矿物组成的集合体,显然它没有一定的大小、形状、颜色、密度,但是,哈普斯的调查发现,对于有拳头大小的无光泽、坚硬而高低不平的砂岩,80%的学生很快能指出它是岩石,然而对于很小的圆圆的浮岩,只有28%的学生承认它是岩石,对于大多数的学生来说把浮石称为岩石实在是太轻了。
再如在理科教学中,“微粒”是原子、分子、离子、电子等的统称,如分子被定义为保持物质性质的最小微粒,但是在日常生活中,微粒常被用来形容微小的可视的颗粒。
因此很多儿童在学习自然科学中听到或看到微粒时,自然而然地联想到日常生活中的微粒的意思,并且把它迁移到对自然科学微粒的学习上,当他听到“空气是由微粒构成的”时,在他的脑海里重现的不是原子、分子等而是象沙子那样小的可视的颗粒。
(2)自然科学术语与其它科学概念的纠葛
另外,自然科学用语与其它学科的用语的重叠(包括使用同一用语或发音相同或相近的用语)也是形成“朴素概念”的一个主要原因。
例如,在日本的初中教学中,不管是“理科”13)课程还是“社会科”14)课程,或者在日常会话中,师生都频繁的使用“消费者”这一用语。
在社会科中,社会中各种产品的使用者被称做“消费者”,而在生物学上,“消费者”又被限制在以其它生物做为食物的动物这一特定概念上。
因此,学生如果无意识地把社会科学所赋予的“消费者”的意思,带进自然科学的学习当中时,就会产生意想不到的混乱和误解。
一位13岁的学生在接收“动物是消费者吗?
”这一调查时,作了如下的回答:
所有的动物都要吃食物,如果不吃东西的话那它就不是动物了。
对了,花就不吃食物,所以它不是消费者。
但是,虽然有些生物不吃食物,但也不能说它不是消费者。
想起来了,想起来了,有些植物或动物虽然说不吃东西,但它们也会从土壤中吸收养分。
(调查者问:
你认为植物也是消费者吗?
)是,是消费者的一种,因为植物也接收阳光和吸收土壤中的养分
顺便一提的是在生物学上,植物通过光合作用而产生养分,所以是生产者而不是消费者。
(3)教师语言与学生语言的纠葛
一般来说,教师的主要教学手段是语言,教师们利用板书、挂图、或者让学生默读教科书等等手段,尽其所能想把自己知道的或是教科书上记载的科学知识向学生讲解、传授。
但是,这些知识并不能自动地进入学生的大脑。
实际上,教室里的每个学生都依据他们通过多种途径获得的各种各样的词汇建构着他们各自固有的语境。
这样,教师的语言与学生的语言就发生了碰撞,主要表现如下:
第一、学生无视教师教授用语的意图
学生总是用自己理解的意思去捕捉教师的讲话内容,在捕捉过程中他们又时常不顾老师的特定的语言内涵,而是用自己已有的语言认知与其相连接,这样就造成了老师的语言世界与学生语言世界的分离。
比如说,老师可能说的是“理论世界”,而学生想的却是“现实世界”(如自己的经验、印象等等)。
当教师说的是物理学含意上的“热量”时,学生想到的却是实际生活中的“热”,如天气炎热、铁被熔化等等。
然而最不幸的是师生对此并无察觉,从而无视这种歧意的解决。
第二、学生意识到教师的教授用语与自己所持的见解不同
在理科教学中,有时学生意识到教师使用一些科学术语的含意与自己对此所持的理解之间有很大分歧,但是尽管如此,他们仍然固执自己原有的想法。
例如一位13岁的新西兰学生在接收调查时与调查者作了如下对白(括号是调查者的提问):
(“人类是否属于动物在学校内外看法不一样,你喜欢使用哪一种?
”)经常使用日常生活的说法。
(那么,在上课时你使用哪一种?
)也是使用日常生活的说法,因为它既容易理解又容易记。
(那么,老师是使用哪一种?
)是教科书上写的那一种。
(你和老师的说法不一样你不觉得可疑吗?
)是的,我也是那么想,但实际上老师说的话我实在无法理解。
这也说明儿童在学习科学概念时,朴素概念和科学概念常常并存,当考试时,他们就使用记住的科学概念,但在日常生活中或碰到具体实际问题时又回到了他们的朴素概念上。
2.儿童直观式思考的特点及实例
这里所说的直观式思考就是不经证明用感官对周围的事物和现象的直接认识和观察。
一般说儿童在认识周围事物时,与其说用理性不与说常常只凭感官去观察和判断,即使在分析事物的因果关系时也大都只依赖感觉器官。
例如把砂糖放到水里而砂糖以极小的微粒形式形成水溶液时,儿童们由此得出“砂糖不见了,消失掉了”的结论,显而易见要他们真正理解溶解时的质量守恒绝非易事。
那么儿童的这种式思考在不同的年龄阶段以及对他们学习自然科学有多大的影响呢?
下面以物理学中力和运动的概念为例,做一简要说明。
力和运动在物理学中是一个最基础最重要的的概念,在物理教育中又是一个最难教的概念,同时在日常生活中又是一个儿童最熟悉最容易感觉的现象。
那么儿童对力和运动做如何理解呢?
瓦滋等人(WattsandZylberstajn?
1981)对已履修过综合理科的13、14、15岁学生各200名、履修过物理学的16、17岁学生各100名进行了如下内容的调查,即“有人把网球垂直向上轻轻抛出,当球在上升途中、达到最高点和降落途中时,它的各自受力方向如何?
”。
按照牛顿力学来说,当球离开手以后它只受到重力的作用(如果考虑到空气,它还受到空气的阻力的作用),当然不管球运动到哪一个阶段它的受力方向总是朝下(在这里我们称为牛顿式见解)。
但是,对于接收调查的大部分学生的想法是运动方向总是与受力方向是一致的,也就是当球向上运动时它的受力方向向上,当球达到最高点时它没有受到任何力量,当球降落时它的受力方向向下(在这里我们称它为布里丹式见解)。
从调查结果看,持非牛顿想法的学生中,13岁是46%,14岁上升到53%,到了15岁更上升到66%,履修过物理学的16、17岁的学生
仍然保持着很高比率。
相反,持牛顿想法的学生不管在哪一个年龄阶段都在22%以下15)。
其实,儿童从幼小的时候开始就已经知道要使物体保持持续运动,就必须有某种力量推动它,相反如果物体没有受到任何力量推动的话它就会很快停下来。
儿童们也象科学家一样把收集的信息因果化,从而“制造”了他们自己独有的知识。
在科学史上,14世纪以巴黎大学校长布里丹(Buridan)为首的在当时占着物理学界统治地位的科学家的力学见解就与儿童们的这种见解不谋而合。
这种见解直至今日仍然受到中学生的广泛支持,而且几乎不受理科教师的苦口婆心的影响。
3.直线型类推思考特点及实例
类推(analogy)是人类最基本的思考方法,简单的说它是比照某一已知事物的道理推出跟它类似的其它未知事物的道理的过程。
这个过程一般由五个阶段组成,即①对某一未知事物引起注意,②从记忆中选择已知事物,③同定已知和未知事物间的类似点,由已知推论到未知,④对推论进行评价和修正,⑤最后,根据类推的成功或失败,学习一般事物的性质。
那么儿童的类推具有什么特征呢?
据岩崎纪子(1999年)介绍16),在一节日本小学六年级的理科教学中,老师把相同质量的铁丝放在天平两端并使其保持平衡,然后燃烧其中一端铁丝后再放到天平上,问学生天平是否再保持平衡?
结果85%的学生回答变轻了,其理由有“被燃烧掉了,纸一燃烧就烧掉了,所以铁燃烧也会变轻”等等。
由此可知,儿童们根据“纸燃烧变轻了”这一日常生活中的常识(实际上这一常识本身就是错的)类推“铁燃烧是否变轻”的未知事物现象,从而得出“铁燃烧也变轻了”的结论。
如果把儿童的这种类推和科学家做一比较,发现科学家也是利用已知现象去类推面临的未知现象,提出假说后,试图理解和说明未知现象。
因此儿童式的科学概念的构成与科学家的科学概念的构成的过程都是对新奇的自然现象产生好奇,用自己特定的已知事实与未知现象置换试图得出新的结论。
但是,两者的差别也是显而易见的,首先,被认为是类推最关键的第二阶段对已知事物选择上,科学家在其专业领域里有着较丰富的经验和知识,因而较容易选择合适的已知事物;相反,儿童由于知识不足,选择已知事物上常常出现破绽。
另外,在第四阶段上,科学家能自觉地评价和修正他们的假说,而儿童们由于他们的思考的直观性,要么不知道或不能提出假说,要么既使提出了假说也不能积极地评价和修正它。
三、建构主义学习论模式
以上简单的介绍了建构主义学习论的几种主要观点,其最基本的特征就是重视被学生带进课堂或学习中的既有知识、“朴素概念”,强调自然科学的学习的重点是概念的学习和概念的转化(conceptualchange)。
因此如何改变学习者的“朴素概念”也就成为建构主义学习论者的研究的主要焦点,下面再整理一下建构主义学习论在实践中的具体展开。
1.学习者概念转变的四个要素
建构主义者侯松(P.W.Hewson,1989)认为17),要使学习者对某一概念产生转变,或保持某一概念,或对某一概念发生深思,必须要符合一下四个前提:
第一、这个概念对学习者来说是不是容易理解的(intelligiblei)。
这里所说的“容易理解的”主要指这个概念在某种意义上是否适合学习者,换言之,学习者是否了解这个概念,是否能找出表述这个概念的方法,能否试探性地看出这个概念的内涵和外延等等。
这是转变概念、保持概念的第一必须条件。
第二、这个概念对学习者来说是不是似乎很有道理(plausibl)?
除了上述的第一个条件以外,学习者是否很相信这个概念,这个概念与学习者以前接收的概念(包括“朴素概念”)之间有无矛盾,或者这个矛盾能否调和等等。
第三、这个概念对学习者来说是不是很有价值性的(fruiful)。
某一概念只容易被学习者理解还不行,还要看这个概念能否给学习者带来什么价值,现在尚未解决的问题能否用(与这个概念有关的)别的方法予以解决,能否启示一些新的方向性、可能性及解决问题的思路。
第四、这个概念能否给学习者带来产生不满(dissatisfaction)的契机。
也就是这个概念能否与学习者既有的知识、“朴素概念”产生尖锐的对立,从而使他们认识到自己既有的概念似乎没有道理,原来的想法出现了问题等等。
这样学习者就容易从“朴素概念”转变成科学概念,再上升到提高他们的科学思维。
2.理科教师的新角色
正如上所述,建构主义学习论重视学习者的“朴素概念”,科学教育的重点就是要把学习者的“朴素概念”改变成科学概念,因此理科教师的任务和角色就不能仅仅是以前的知识信息的提供者和传递者。
那么建构主义学习论者认为的理科教师的新的角色又是什么呢?
欧知童(Osborne,1985)18)举例说明了未来的理科教师应具备以下六个角色。
第一、强化动机的理科教师。
不管什么时候,使学生产生学习兴趣是每位教师的职责。
通常教师比较关心学生是否积极参入学习活动或理科实验等等,但这不是关心学生学习动机的“本质’内容,真正让学生产生强烈学习欲望的教师,应该利用各种方法让学生积极认识和改变他们的既有知识、见解(“朴素概念”)。
第二、诊断者的理科教师。
象医生开药治病之前先要诊断病因一样,教师在怎样才能改变学生“朴素概念”的之前,应先诊断学生既有的知识、既有的见解。
做为出色的诊断者的教师表现为,诸如利用一切机会倾听学生的发言,如觉得有不对的地方,要不吝惜的花一些时间搞清楚学生为什么会那么说,其背后的“朴素概念”的具体内容是什么等等。
第三、引路人的理科教师。
教师要象登山向导那样,首先要让学生清楚他们的目标是什么,如何做才能得到恰当的科学概念。
为此,教师要在掌握每个学生“朴素概念”的基础上,亲切细致指导每个学生的爬山计划,同时不能忽视个人与集团之间的相互作用。
第四、刷新学生观念的理科教师。
正如前所述学生经常把许许多多的非科学观念(“朴素概念”)带进教室,显然易见只凭学生自身的力量来改变它们几乎没有可能,因此这时教师的作用就变的非常重要。
教师要想尽一切办法使学生知道,与他们既有的观念相比,新的科学概念更让人容易理解,更具有合理性,以便达到学生新旧观念的激烈冲突和对立,为他们理解和接收新的科学概念铺平道路。
第五、实验者的理科教师。
这里的实验是指教师的个人教学研究。
改变学生的“朴素概念”决不是一件单纯的事,只靠告诉正确答案解决不了问题,某一方法对某一学生有效,对其他学生也许与事无补。
因此教师要经常尝试、改善、总结自己的指导方法。
第六、研究者的理科教师。
这是做为实验者的理科教师角色的延长,做为教师不能“孤芳自赏”,要把自己的教学成果、教学心得体会,通过各种途径(如学会、研究会)等向自己的同行汇报以征求他们的意见,在讨论中得到启发。
3.建构主义学习论模式
建构主义学习论模式很多,如由欧知童开发的典型的产生式学习论(generativelearning),Karplus等人提出的三段式学习法(探究、概念引入和概念应用)等。
下面择要介绍根据欧知童产生式学习论在英国实施的CLIS(Children'sLearninginScience)教学计划19)。
此计划以不易理解的微粒概念为学习中心,以13,14岁的学生为对象,分10回每回二个小时,在科学教育研究者的指导下由第一线的教师做成。
CLIS由以下四个程序构成,即
(1)引出学生的“朴素概念”,
(2)提供学生概念再构成的实践,(3)提供学生新的见解的应用机会,(4)提供学生再考察改变自己“朴素概念”的理由的机会。
该计划首先引出学生对该课题(微粒等概念)的各种既有观念(包括“朴素概念”),为此,将二到四人分为一组,分组讨论各人对微粒的各种各样的思考和见解,然后把各自讨论的结果以黑板报的形式张贴出来向全班学生介绍。
比方说,用粒子理论解释固体、液体、气体中粒子间有什么不同的时候,出现了诸如“微粒和微粒之间有空气”“微粒的大小是由物质的状态决定的”等等“朴素概念”。
另外还鼓励学生把自己的见解和其他学生的见解比较,找出它们之间的异同点,再通过黑板报揭示出来,从而充分意识到自己和同学们的既有知识,观念。
第二阶段通过小型讨论、制作模型、模拟实验或文献资料的调查等各种方法,使学生既有观念与科学概念遭遇后产生冲击。
给学生充分的时间和机会,让他们熟思新的科学概念更似乎有道理,更让人容易理解,积极援助学生的新概念的建构。
并乘科学概念刚建构之际,提供它的应用机会,如用微粒知识说明一些日常现象,或给时间和机会让他们思索他们概念转变的前因后果。
CLIS的基本设想是让学生自己建构自己的知识,所以,教师不是向学生传授“真实的知识”是什么,而是提供学生建构知识的机会和实践,充当学习促进者的角色。
具体来说,如设计学生议论的话提,引导学生注意黑板报上各种见解的异同,为了
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