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一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與建設(shè)*

2016-10-18 08:10:06楊南粵李爭(zhēng)名戚宇恒
中國(guó)教育信息化 2016年7期
關(guān)鍵詞:教學(xué)資源實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

楊南粵,李爭(zhēng)名,戚宇恒

(廣東技術(shù)師范學(xué)院工業(yè)中心,廣東廣州510665)

一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與建設(shè)*

楊南粵,李爭(zhēng)名,戚宇恒

(廣東技術(shù)師范學(xué)院工業(yè)中心,廣東廣州510665)

本文提出一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與建設(shè)方案,利用現(xiàn)代信息技術(shù)搭建一個(gè)集教、學(xué)、考于一體的一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)和優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的建設(shè)提供平臺(tái)。該平臺(tái)具有教學(xué)過(guò)程和教學(xué)資源的“整合性”與“共建共享性”等特點(diǎn)。實(shí)踐證明,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能整合職業(yè)院校多種專業(yè)的實(shí)驗(yàn)“教”與“學(xué)”資源,為學(xué)生多樣化的技能訓(xùn)練提供較全面的一體化實(shí)踐平臺(tái),同時(shí)提高了優(yōu)質(zhì)信息化資源的覆蓋率和利用率。

教育信息化;共建共享;虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

一、引言

與普通教育不同,職業(yè)教育以就業(yè)為導(dǎo)向,具有專業(yè)性、實(shí)踐性、應(yīng)用性、操作性、技能性等特點(diǎn)[1]。其中,技能教育是職業(yè)教育的核心。而當(dāng)前的職業(yè)教育中,存在以下的問(wèn)題:

(1)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備昂貴,數(shù)量有限,損耗比較嚴(yán)重并且型號(hào)落后,更新?lián)Q代難以跟上科技發(fā)展的步伐。而社會(huì)對(duì)技能型人才的需求使得職業(yè)院校不斷擴(kuò)招。這就造成了有限的實(shí)驗(yàn)資源與大規(guī)模學(xué)生的教學(xué)需求之間的矛盾。

(2)教學(xué)過(guò)程中涉及高?;驑O端環(huán)境的技能操作,如核電站、礦井采煤等專業(yè)操作,涉及不可及或不可逆條件下的操作,如心臟搭橋手術(shù),煤制乙炔工藝,以及一些高成本、高消耗、大型綜合操作訓(xùn)練,如船舶建造、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配等缺乏有效的實(shí)訓(xùn)資源,無(wú)法經(jīng)常開(kāi)展實(shí)訓(xùn)。

(3)受課程內(nèi)容影響,配套的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)或“片段式”的企業(yè)案例使學(xué)生只注重專項(xiàng)技能訓(xùn)練,忽略了對(duì)行業(yè)整體技能的培訓(xùn)?!爸活櫬耦^拉車(chē),不會(huì)抬頭看路”導(dǎo)致學(xué)生缺乏行業(yè)性思維,就業(yè)靈活性和適應(yīng)性大大降低。另外,目前的教學(xué)資源存在著分散和不連貫的現(xiàn)象和缺乏信息化和體系化的建設(shè),導(dǎo)致其不能形成一個(gè)有機(jī)整體,甚至某些優(yōu)秀教學(xué)資源沒(méi)能傳承下去和被持續(xù)地應(yīng)用。

(4)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)無(wú)法及時(shí)跟蹤、反饋學(xué)生的實(shí)踐結(jié)果,加上評(píng)價(jià)體系單一,缺乏讓學(xué)生不斷修正、提高和完善的階段性建議和步驟。

以上原因造成學(xué)生缺乏興趣,積極性不高,動(dòng)手實(shí)踐能力差等問(wèn)題,與職業(yè)教育提高學(xué)生職業(yè)技能,培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)的初衷不一致[2]。

二、一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

通過(guò)信息技術(shù)與教育過(guò)程、內(nèi)容、方法和質(zhì)量評(píng)價(jià)深度融合,提高實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、職業(yè)競(jìng)賽和技能鑒定的水平,吸引行業(yè)企業(yè)參與專業(yè)教學(xué),從而全面提高各專業(yè)學(xué)生新時(shí)代的職業(yè)能力和信息素養(yǎng)。《教育部關(guān)于加快推動(dòng)職業(yè)教育信息化發(fā)展的意見(jiàn)》(職教成[2012]5號(hào))中明確提出了“十二五”時(shí)期職業(yè)教育信息化建設(shè)的基本思路和總體目標(biāo):“以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo),堅(jiān)持以人為本,需求導(dǎo)向,創(chuàng)新引領(lǐng),共建共享,突出特色,加快推進(jìn)職業(yè)教育信息化發(fā)展?!?/p>

然而很多職業(yè)院校信息化的建設(shè),僅僅停留在應(yīng)用多媒體課件展示教學(xué)內(nèi)容上,沒(méi)有體現(xiàn)出信息技術(shù)與課程整合的實(shí)質(zhì)性內(nèi)涵。根據(jù)前面引言提出的職業(yè)教育存在的問(wèn)題來(lái)看:解決問(wèn)題(1)需要建設(shè)一個(gè)開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái);解決問(wèn)題(2)需要借助虛擬仿真技術(shù)彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)訓(xùn)的不足;解決問(wèn)題(3)必須使該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備良好的共建共享性;解決問(wèn)題(4)必須使該平臺(tái)具有完整性,即良好的整合性。綜上幾點(diǎn),利用現(xiàn)代信息技術(shù)搭建一個(gè)集教、學(xué)、考于一體的一站式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)職業(yè)教育與信息技術(shù)真正深度融合,能為解決當(dāng)前職業(yè)教育面臨的問(wèn)題提供新途徑。

一站式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)學(xué)生而言,聯(lián)通了課堂、實(shí)訓(xùn)基地和社會(huì)崗位,為學(xué)生創(chuàng)造一種能夠隨時(shí)隨地在做中學(xué)、例中學(xué),及時(shí)得到反饋和指導(dǎo)的“空中課堂”[4][5]如圖1所示,有效地解決了職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)難、實(shí)習(xí)難的問(wèn)題。

圖1 集教、學(xué)、考于一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

一站式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)于教師而言,整合了課程建設(shè)、教學(xué)資源、評(píng)價(jià)模式,形成一個(gè)一體化的教學(xué)體系如圖2所示,實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)完整配套,便于隨時(shí)更新和異地共享,為加快推進(jìn)職業(yè)教育資源開(kāi)發(fā)和共享,縮小校際和區(qū)域資源配置差距,提供了新的可能。

圖2 一體化的教學(xué)體系

三、一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成

一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)、自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)和自動(dòng)化考核系統(tǒng)組成,如圖3所示。

圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)組成

1.實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)包含通知系統(tǒng)、用戶管理、用戶組管理、角色管理、權(quán)限管理等,負(fù)責(zé)對(duì)各種實(shí)驗(yàn)資源、實(shí)驗(yàn)資訊、用戶信息等進(jìn)行統(tǒng)籌管理,提高實(shí)驗(yàn)管理運(yùn)作的科學(xué)化、智能化,并加快系統(tǒng)化建設(shè)進(jìn)程。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)提供開(kāi)放實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的資源共建共享、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、作業(yè)管理以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià),為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和效果提供支持。

資源共享共建模塊提供可用性高、易獲取、優(yōu)質(zhì)豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例資源及題庫(kù),對(duì)課件、精品課程、微課程、企業(yè)的真實(shí)案例等進(jìn)行分門(mén)別類(lèi)的標(biāo)注,方便檢索。同時(shí)這些資源是開(kāi)放和共享的,支持自主擴(kuò)展,能夠逐漸形成一個(gè)完整的學(xué)科資源庫(kù)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)建高交互的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程跟蹤與針對(duì)性指導(dǎo)。同時(shí)也包括實(shí)驗(yàn)任務(wù)的發(fā)布、回收與評(píng)價(jià)以及作業(yè)的收發(fā)與批改,優(yōu)秀案例作業(yè)的展示與分享[6]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

3.自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)

自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)中有登錄模塊、知識(shí)呈現(xiàn)模塊、資源集成模塊、學(xué)習(xí)工具模塊、在線測(cè)試與在線作業(yè)模塊、實(shí)時(shí)自由討論區(qū)和專題討論區(qū)模塊、學(xué)習(xí)過(guò)程記錄、查詢模塊。自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供豐富的實(shí)驗(yàn)案例和具有高度交互功能的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境供學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn),并全程跟蹤操作過(guò)程,實(shí)時(shí)診斷與評(píng)價(jià)操作技能及結(jié)果,指出錯(cuò)誤的原因,并提出學(xué)習(xí)建議和操作示范,實(shí)現(xiàn)真正的一對(duì)一教學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

學(xué)生可以隨時(shí)隨地登錄到該學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行某門(mén)專業(yè)課程的學(xué)習(xí),過(guò)程是:學(xué)生登錄自主學(xué)習(xí)系統(tǒng),在知識(shí)呈現(xiàn)模塊獲取學(xué)習(xí)任務(wù)后進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí),可以通過(guò)資源集成模塊提供的專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)案例、真實(shí)環(huán)境下的操作演示視頻等各種資源進(jìn)行例中學(xué),遇到不懂的問(wèn)題可以在討論區(qū)進(jìn)行咨詢,同時(shí)使用學(xué)習(xí)工具在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)的交互性操作,實(shí)現(xiàn)做中學(xué),而學(xué)習(xí)過(guò)程記錄模塊已在學(xué)生登錄自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)時(shí)開(kāi)始進(jìn)行學(xué)習(xí)軌跡跟蹤,查詢模塊提供學(xué)習(xí)進(jìn)度、策略方面的支持。學(xué)生無(wú)論進(jìn)行在線學(xué)習(xí)還是完成作業(yè)或測(cè)試,高度交互的虛擬操作系統(tǒng)都會(huì)實(shí)時(shí)反饋與評(píng)價(jià),給出針對(duì)性的提示信息和操作演示,直至該學(xué)生最終掌握正確的操作技能和方法。最后系統(tǒng)還會(huì)對(duì)本次自主學(xué)習(xí)進(jìn)行總結(jié)分析,給出進(jìn)一步學(xué)習(xí)的建議,指明繼續(xù)努力的方向[7]。自主學(xué)習(xí)過(guò)程如圖5所示。

圖5 自主學(xué)習(xí)過(guò)程

4.自動(dòng)化考核系統(tǒng)

建立以技能自動(dòng)化測(cè)評(píng)為中心的多元化評(píng)價(jià)體系,通過(guò)科學(xué)化評(píng)價(jià)機(jī)制,采用多樣化的評(píng)價(jià)方式[8],最終實(shí)現(xiàn)按照不同情況的需要,實(shí)現(xiàn)作業(yè)評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的跟蹤評(píng)價(jià)、認(rèn)證評(píng)價(jià)和課堂總結(jié)性評(píng)價(jià)。

自動(dòng)化考核系統(tǒng)提供真實(shí)環(huán)境下的技能訓(xùn)練和考核,全面地考察操作者實(shí)際操作能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力,學(xué)生可以在該系統(tǒng)下進(jìn)行各類(lèi)認(rèn)證考核的模擬練習(xí)。系統(tǒng)提供自定義測(cè)試卷組,學(xué)生可以由答題庫(kù)隨機(jī)出卷,也可以自由組合客觀題與操作技能題目,考核系統(tǒng)都將進(jìn)行操作技能的自動(dòng)化評(píng)測(cè),為學(xué)生提供一個(gè)有效的指導(dǎo)。

四、一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)

1.整合性

集教、學(xué)、考于一體的一站式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)使學(xué)生獲得“教學(xué)練評(píng)”的一體化技能訓(xùn)練,即學(xué)生在生動(dòng)逼真的虛擬環(huán)境中體驗(yàn)并訓(xùn)練技能,并隨時(shí)與實(shí)驗(yàn)對(duì)象、學(xué)習(xí)資源、教師、同學(xué)等進(jìn)行交互反饋,得到實(shí)時(shí)評(píng)價(jià),鍛煉和培養(yǎng)真實(shí)的職業(yè)行為[5]。

該平臺(tái)整合了校內(nèi)不同專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn),一方面為學(xué)生進(jìn)行本專業(yè)和跨專業(yè)技能培訓(xùn)和自主探究式學(xué)習(xí)提供開(kāi)放的、綜合性的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,同時(shí)也為教師進(jìn)行交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)建設(shè)和多工種技能鑒定提供平臺(tái)。

2.可擴(kuò)展性

為隨時(shí)增加不同的專業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和其他功能模塊預(yù)留可更新和擴(kuò)展的數(shù)據(jù)接口、功能接口,使平臺(tái)應(yīng)用可持續(xù)更新[9]。

3.共建共享性

平臺(tái)具備教學(xué)資源上傳、試題添加、優(yōu)秀作業(yè)成果展示等功能,這些資源可以逐級(jí)推薦和審核,實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀教學(xué)資源的共建共享。該平臺(tái)可以使教師持續(xù)有效地開(kāi)展優(yōu)質(zhì)職業(yè)教育資源體系化建設(shè)。教師一方面可以把已有的信息化教學(xué)資源和成果進(jìn)行共建共享;另一方面隨著實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不斷應(yīng)用產(chǎn)生的新經(jīng)驗(yàn)成果及資源,教師可以進(jìn)行二次整理和進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和實(shí)時(shí)更新,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量。

五、一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)實(shí)踐

為了更好地管理校內(nèi)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源,提高優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的利用率,促進(jìn)職業(yè)教育與信息技術(shù)的深度融合,工業(yè)中心開(kāi)展智能管理系統(tǒng)二期工程項(xiàng)目建設(shè),一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是其中一個(gè)重要組成部分。該項(xiàng)目獲廣東省2015年“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”項(xiàng)目資助。該平臺(tái)整合了校內(nèi)原有的電子工程、自動(dòng)控制、物流管理、數(shù)字傳媒、機(jī)械加工五個(gè)專業(yè)類(lèi)別的22個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,如中央空調(diào)遠(yuǎn)程控制、高電壓控制、虛擬數(shù)控銑削加工、教育電聲系統(tǒng)、虛擬演播、非隔離型AC-DC變換器、物流三維模擬仿真、交互式虛擬裝配等,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)充和建設(shè)。

學(xué)生可以在此開(kāi)放性的平臺(tái)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)與技能訓(xùn)練,獲得實(shí)時(shí)評(píng)價(jià),提高操作能力。某些專業(yè)還可以進(jìn)行認(rèn)證考核模擬練習(xí),例如“CZK數(shù)控加工仿真訓(xùn)練與智能化考核系統(tǒng)”開(kāi)展面向?qū)嶋H生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)床仿真加工訓(xùn)練;如“電氣故障信息化考核系統(tǒng)”中的“制冷設(shè)備電氣故障檢測(cè)智能考核系統(tǒng)”提供了四種不同的制冷設(shè)備控制電路:(1)變頻空調(diào)控制電路、(2)熱泵式分體空調(diào)控制電路、(3)中央空調(diào)控制電路、(4)冷庫(kù)控制電路供學(xué)生進(jìn)行仿真訓(xùn)練。這四種電路均由信息化系統(tǒng)以智能化方式設(shè)置各種故障點(diǎn):變頻空調(diào)設(shè)置了28個(gè)故障點(diǎn)、熱泵式空調(diào)設(shè)置了24個(gè)、中央空調(diào)設(shè)置了30個(gè)、冷庫(kù)24個(gè),以滿足不同等級(jí)的技術(shù)培訓(xùn)與考核使用。另外,考核系統(tǒng)中的試題庫(kù)含有兩類(lèi)試題:一類(lèi)是針對(duì)制冷設(shè)備控制電路板設(shè)置的培訓(xùn)應(yīng)會(huì)試題庫(kù);另一類(lèi)是根據(jù)國(guó)家勞動(dòng)部有關(guān)制冷設(shè)備相應(yīng)職業(yè)技能等級(jí)的應(yīng)知考試題庫(kù);再如“中央空調(diào)信息化智能考核系統(tǒng)”,學(xué)生可以遠(yuǎn)程進(jìn)入中央空調(diào)的虛擬仿真界面,如圖6,圖7所示,進(jìn)行中央空調(diào)和冷庫(kù)的正確開(kāi)關(guān)機(jī)順序、延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短控制、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障排除等仿真操作和模擬考核[7]。仿真界面上顯示的各種動(dòng)態(tài)變化的數(shù)值來(lái)源于可編程控制器PLC上的對(duì)應(yīng)變量鏈接,通過(guò)傳感器采集空調(diào)運(yùn)行的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲得。

圖6 中央空調(diào)運(yùn)行狀況虛擬訓(xùn)練界面

圖7 中央空調(diào)遠(yuǎn)程控制仿真界面

該平臺(tái)計(jì)劃提供面向廣東省支柱產(chǎn)業(yè):數(shù)控、電子、電工、軟件、汽車(chē)、金融等專業(yè)技術(shù)考核60多個(gè)方向的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn),28個(gè)工種的職業(yè)技能鑒定,向其他職業(yè)院校開(kāi)放,形成輻射作用,擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)信息化資源覆蓋面。同時(shí)各專業(yè)的教師可對(duì)平臺(tái)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源共同進(jìn)行建設(shè)與開(kāi)發(fā),保證優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源得到持續(xù)性的更新和共享,為我?!懊嫦蚵毥?、服務(wù)職教、引領(lǐng)職教、特色發(fā)展”的辦學(xué)思想提供支持。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文提出一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想,在建設(shè)與應(yīng)用的實(shí)踐中,該平臺(tái)的“整合性”與“共建共享性”為職業(yè)院校師生的教與學(xué)提供了極大的便利。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)與投入使用為職業(yè)院校提供了一個(gè)清晰的體系化數(shù)字教育教學(xué)資源庫(kù),便于各專業(yè)教師進(jìn)行綜合統(tǒng)籌,對(duì)相關(guān)領(lǐng)域各種資源進(jìn)行分批逐次的信息化建設(shè),有利于職業(yè)院校的學(xué)生充分利用校內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源進(jìn)行技能培訓(xùn),拓寬職業(yè)視野。在國(guó)家號(hào)召加快發(fā)展現(xiàn)代職業(yè)教育的今天,通過(guò)一站式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整合職業(yè)教育已有信息化成果和師資力量進(jìn)行新舊資源的共建共享,有利于擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)資源的覆蓋面和受眾,使職業(yè)教育信息化實(shí)現(xiàn)與時(shí)俱進(jìn),得到持續(xù)性的發(fā)展并跨上新的臺(tái)階,為培養(yǎng)學(xué)生新時(shí)代的職業(yè)能力和信息素養(yǎng)開(kāi)拓新的途徑。

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(編輯:楊馥紅)

TP311.56

B

1673-8454(2016)07-0074-04

2015年廣東省“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”項(xiàng)目“工業(yè)中心智能管理系統(tǒng)二期工程”(編號(hào):991310605);2014年度廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(本科類(lèi))“基于VRP仿真平臺(tái)的廣播電視編導(dǎo)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的改革與探索”(編號(hào):GDJG20142346)。

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