張慰 張嘉鷺

摘 ? 要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)與共享是我國(guó)教育信息化建設(shè)的迫切要求和重要內(nèi)容。江蘇師范大學(xué)在推動(dòng)學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的過程中，注重統(tǒng)籌規(guī)劃與頂層設(shè)計(jì)，針對(duì)當(dāng)前建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)的主要問題，提出了基于全局視角的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源支撐平臺(tái)五層架構(gòu)模型，并依據(jù)此架構(gòu)開展了有益的探索和實(shí)踐，取得了一定的成效。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);支撐平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2020）13-0057-04

建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)，是新時(shí)代我國(guó)教育事業(yè)改革發(fā)展的宏偉目標(biāo)和努力方向。建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)、辦強(qiáng)的教育，關(guān)鍵是在新時(shí)代加快教育現(xiàn)代化。而教育信息化又是教育現(xiàn)代化的重要內(nèi)容和主要標(biāo)志，是實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的必由之路。以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化是當(dāng)今世界教育改革與發(fā)展的共同趨勢(shì)[1]。

教育信息化內(nèi)涵及外延及其豐富，其中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)與共享是我國(guó)教育信息化的迫切要求和重要內(nèi)容[2]?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》提出：要積極建設(shè)各級(jí)各類優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源，遴選和開發(fā)500個(gè)學(xué)科工具、應(yīng)用平臺(tái)和1500套虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并探索建立數(shù)字教育資源共建共享機(jī)制，同時(shí)還要大力推進(jìn)職業(yè)教育虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)。為進(jìn)一步推動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共建共享和集約應(yīng)用，教育部又推出了《2017—2020年示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃》，提出從2017年起，分年度認(rèn)定1000項(xiàng)左右示范性項(xiàng)目。我國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)已進(jìn)入具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)與大規(guī)模在線開放共享為主的深入發(fā)展階段[3]。在這種背景下，各個(gè)學(xué)校涌現(xiàn)出一大批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，很大程度上提高了高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平。但是隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源數(shù)量不斷增多，深度和廣度不斷拓展，高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)中的一系列問題也隨之暴露出來，對(duì)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)提出了新的要求。

一、當(dāng)前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)存在的問題

1.缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)模式，還是在實(shí)驗(yàn)室管理部門領(lǐng)導(dǎo)下，依靠各個(gè)學(xué)院力量，各自依據(jù)學(xué)院專業(yè)特色和實(shí)際情況規(guī)劃設(shè)計(jì)并建設(shè)。實(shí)驗(yàn)室管理部門在促進(jìn)學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐發(fā)展、推進(jìn)學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目評(píng)比等方面發(fā)揮了重要作用，但鮮見全局站位的統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)，還是以項(xiàng)目為單位，各自為戰(zhàn)。這種建設(shè)模式，直接導(dǎo)致各個(gè)項(xiàng)目之間，從運(yùn)行環(huán)境、硬件、軟件，到身份信息、教學(xué)內(nèi)容、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)資源、業(yè)務(wù)流程、功能模塊、評(píng)價(jià)體系、數(shù)據(jù)服務(wù)等方面割裂，進(jìn)而出現(xiàn)一系列“信息孤島”，嚴(yán)重影響了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)一步發(fā)展。

2.投入成本高，效益低下

高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)存在“高耗資、低效益”問題[4]。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）由于多頭投入、分散建設(shè)，導(dǎo)致服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等基礎(chǔ)設(shè)施重復(fù)建設(shè)，資金成本不斷攀升。

（2）由于各個(gè)學(xué)院所購(gòu)軟硬件設(shè)備數(shù)量多、版本雜，使得整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)更新和維護(hù)工作量很大。一線教師無法同時(shí)兼顧教學(xué)科研與系統(tǒng)管理運(yùn)維，導(dǎo)致“重投入，輕運(yùn)維”現(xiàn)象的產(chǎn)生。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)往往在出現(xiàn)問題時(shí)無人修復(fù)，勉強(qiáng)支撐一時(shí)間后，最終停止運(yùn)行，極大浪費(fèi)了原有投資。

（3）目前大多數(shù)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的技術(shù)架構(gòu)方式是在實(shí)驗(yàn)室配備中高端性能的服務(wù)器，提供集中式計(jì)算服務(wù)。這種陳舊的技術(shù)架構(gòu)無法快速增加、釋放和共享資源，不能彈性滿足實(shí)驗(yàn)需求，資源利用率低，閑置浪費(fèi)嚴(yán)重，綜合效益低下。

3.大規(guī)模開放共享支持不足

很多虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源質(zhì)量不高[5]，新技術(shù)應(yīng)用不充分，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)外共享程度處于較低水平。主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)支撐平臺(tái)薄弱、系統(tǒng)穩(wěn)定性難以保障身份信息無法互通、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與資源封閉沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等方面。相當(dāng)一部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享范圍僅限于校內(nèi)，共享程度低下，導(dǎo)致平臺(tái)無法被充分利用。

4.不能提供個(gè)性化服務(wù)與決策支持

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)尚無統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，數(shù)字資源整合難度很大。各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟硬件平臺(tái)在系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊、業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等方面各不相同，相互對(duì)接存在障礙，業(yè)務(wù)難以融合。各實(shí)驗(yàn)室之前信息閉塞，缺乏有效共享，無法進(jìn)行全局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與深層次挖掘，難以為學(xué)生提供個(gè)性化教育服務(wù)，為學(xué)校提供決策支持。

5.網(wǎng)絡(luò)安全問題突出

受到網(wǎng)絡(luò)安全防范意識(shí)、保障能力、保障經(jīng)費(fèi)等因素制約，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)安全狀況堪憂。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源大多數(shù)沒有專門的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)設(shè)備，沒有病毒防護(hù)軟件，沒有專門的網(wǎng)絡(luò)安全管理制度與保障團(tuán)隊(duì)。對(duì)于要求面向互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模開放的一些國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，甚至沒有最基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)方案。在當(dāng)前日益嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全形勢(shì)下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，尤其需要考慮建立統(tǒng)一的、全面的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源支撐平臺(tái)建設(shè)實(shí)踐

江蘇師范大學(xué)在推動(dòng)學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)過程中，注重統(tǒng)籌規(guī)劃與頂層設(shè)計(jì)，以“統(tǒng)一管理、集約建設(shè)、開放共享、安全穩(wěn)定、個(gè)性發(fā)展”為建設(shè)原則，針對(duì)實(shí)際過程中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了基于全局視角的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源支撐平臺(tái)五層架構(gòu)模型，并依據(jù)此模型開展了建設(shè)實(shí)踐工作。

架構(gòu)模型如圖1所示，從下到上依次分為基礎(chǔ)設(shè)施支撐層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層和應(yīng)用終端共五個(gè)層次，輔以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系、運(yùn)行維護(hù)與網(wǎng)絡(luò)安全體系兩個(gè)保障體系保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源規(guī)范建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)。

1.基于軟件定義的基礎(chǔ)設(shè)施支撐層建設(shè)

基礎(chǔ)設(shè)施支撐層采用跨校區(qū)的雙數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)，在技術(shù)架構(gòu)上采用軟件定義（SDN、SDS、SDC）技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)等資源進(jìn)行靈活的定義、抽象、整合、集中和自動(dòng)化管理。同時(shí)，以用戶需求為導(dǎo)向，以云服務(wù)的方式面向各個(gè)學(xué)院及實(shí)驗(yàn)室提供資源。在數(shù)據(jù)保護(hù)方面，依托這種軟件定義的異地雙數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，形成遠(yuǎn)程備份、異地容災(zāi)、應(yīng)急接管三種級(jí)別的數(shù)據(jù)保護(hù)方式?；A(chǔ)設(shè)施支撐層技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

這種架構(gòu)方式解決了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的以下實(shí)際問題：

（1）彈性滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源需求問題

可擴(kuò)展性是虛擬仿真教學(xué)資源可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵和要求[6]?；谲浖x基礎(chǔ)設(shè)施支撐層可根據(jù)實(shí)際需求分配和釋放資源，在實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求密集時(shí)分配更多的資源，在空閑時(shí)間釋放多余的資源，供其它系統(tǒng)使用，從而彈性地滿足動(dòng)態(tài)變化的需求。

（2）快速申請(qǐng)，敏捷部署問題

資源可通過在線流程直接申請(qǐng)，資源的劃分也是自動(dòng)化完成。免去招標(biāo)、采購(gòu)、上架、部署、綜合布線等過程，極大地縮減了部署和上線周期。

（3）系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性問題

異地容災(zāi)數(shù)據(jù)中心以及資源的虛擬化、集群化運(yùn)行，充分保障了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

（4）重投入、輕運(yùn)維問題

依托數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了全校實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的集中部署和集約建設(shè)，避免了重復(fù)建設(shè)導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。同時(shí)，通過信息化管理部門的技術(shù)力量統(tǒng)一運(yùn)維，基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維由信息化管理部門統(tǒng)一完成，避免了系統(tǒng)大量投入后，無人運(yùn)維的現(xiàn)象產(chǎn)生。

（5）網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)問題。

原有分散建設(shè)方式中，各個(gè)建設(shè)部門很少會(huì)考慮網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)方案，導(dǎo)致各種安全事件頻發(fā)。江蘇師范大學(xué)數(shù)據(jù)中心充分考慮網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施，通過防火墻、IPS、WAF、日志系統(tǒng)、病毒防護(hù)平臺(tái)、安全運(yùn)維服務(wù)等具體措施，在數(shù)據(jù)中心南北向、東西向流量上進(jìn)行縱深防護(hù)、主動(dòng)防御，保障了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的網(wǎng)絡(luò)安全。

2.基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)支撐層建設(shè)

數(shù)據(jù)支撐層負(fù)責(zé)對(duì)收集到信息的全面集成、數(shù)據(jù)清洗和智能分析。江蘇師范大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)基于大數(shù)據(jù)架構(gòu)建設(shè)。數(shù)據(jù)支撐層通過ETL采集各虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)積累的數(shù)據(jù)，以及智慧校園中沉淀的多源、海量的非結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)通過Mysql、HDFS、HBase等以集群方式分類存儲(chǔ)，并進(jìn)行多數(shù)據(jù)類型綜合關(guān)聯(lián)分析和深入挖掘，數(shù)據(jù)分析和處理的結(jié)果存儲(chǔ)在專用數(shù)據(jù)庫(kù)中供用戶和其它系統(tǒng)使用。大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供豐富的API接口，方便各個(gè)應(yīng)用程序調(diào)用所需要的數(shù)據(jù)。

通過數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)，能夠?qū)Ａ坑脩魯?shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，了解學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)能力、行為習(xí)慣和愛好，根據(jù)學(xué)習(xí)者能力、興趣對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)過程、評(píng)測(cè)項(xiàng)目等進(jìn)行智能式調(diào)整，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索、自主實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)以學(xué)習(xí)者為中心，提供個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑，促使學(xué)習(xí)者自我建構(gòu)知識(shí)體系、自我發(fā)展[3]。

另外，高校在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)過程中，要根據(jù)具體的教學(xué)情況進(jìn)行評(píng)估和反思，對(duì)建設(shè)過程中不合理的部分進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)建設(shè)效果的最優(yōu)化。數(shù)據(jù)支撐層也為持續(xù)改進(jìn)服務(wù)流程和提高服務(wù)質(zhì)量提供了有利條件。

3.基于微服務(wù)的應(yīng)用支撐層建設(shè)

微服務(wù)是一種粒度更小、更輕量級(jí)、去中心化、服務(wù)間通訊采用輕量級(jí)通訊機(jī)制（通常是restful API）的SOA架構(gòu)。各微服務(wù)都擁有自己的編程語言、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)、開發(fā)維護(hù)團(tuán)隊(duì)，有獨(dú)立的業(yè)務(wù)邏輯并通過標(biāo)準(zhǔn)的接口對(duì)外開放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化的標(biāo)準(zhǔn)通信機(jī)制，且憑借自動(dòng)化部署機(jī)制實(shí)現(xiàn)獨(dú)立部署[7]。應(yīng)用支撐層基于微服務(wù)的思想，由若干粒度化的共性平臺(tái)組成，核心平臺(tái)主要包括：統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺(tái)、站群平臺(tái)、流程平臺(tái)、消息平臺(tái)等組成。

基于微服務(wù)思想設(shè)計(jì)的應(yīng)用支撐層平臺(tái)實(shí)質(zhì)上是一種能力平臺(tái)，可以解決當(dāng)前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源原創(chuàng)性不足和大規(guī)模共享問題。當(dāng)前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的數(shù)量快速增長(zhǎng)，但大多數(shù)資源通過市場(chǎng)購(gòu)買實(shí)現(xiàn)，學(xué)校自主研發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)相對(duì)較少[4]。基于微服務(wù)的應(yīng)用支撐層平臺(tái)，在開發(fā)、部署、測(cè)試、發(fā)布等方面均采用標(biāo)準(zhǔn)流程，維護(hù)簡(jiǎn)單，為應(yīng)用層系統(tǒng)提供了大量的共性平臺(tái)能力，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)快速開發(fā)提供了有力的支撐。開發(fā)者只需集中精力關(guān)注實(shí)驗(yàn)情境開發(fā)，身份認(rèn)證、業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析、頁(yè)面展示等方面只需要調(diào)用接口即可，在一定程度上解決了原創(chuàng)性不足問題。

同時(shí)，應(yīng)用支撐平臺(tái)充分利用微服務(wù)的特點(diǎn)支持分布式部署，滿足高并發(fā)的需求，解決虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源大規(guī)模共享時(shí)性能不足的問題。

4.應(yīng)用層

應(yīng)用層位于應(yīng)用支撐層之上，基于應(yīng)用支撐層提供的共性平臺(tái)能力開發(fā)或部署，與應(yīng)用支撐層深度融合。應(yīng)用層利用底層平臺(tái)提供的能力及自身業(yè)務(wù)邏輯面向用戶提供服務(wù)。

5.用戶層

用戶層面向虛擬仿真教學(xué)資源相關(guān)的所有人員，包括教師、校內(nèi)外學(xué)生、管理者、運(yùn)維人員等，同時(shí)要求系統(tǒng)界面全端打通，適用于各類終端設(shè)備與終端系統(tǒng)。

6.技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系確定了信息采集、信息處理、信息交換等過程的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，規(guī)范了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、共享標(biāo)準(zhǔn)和交互規(guī)則，為數(shù)據(jù)融合和服務(wù)融合奠定了基礎(chǔ)。

7.運(yùn)行維護(hù)與網(wǎng)絡(luò)安全體系

運(yùn)行維護(hù)與安全體系是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐平臺(tái)正常運(yùn)行的重要保障。安全體系建設(shè)以“一個(gè)中心三重防護(hù)”為目標(biāo)，針對(duì)安全管理中心和計(jì)算環(huán)境安全、區(qū)域邊界安全、通信網(wǎng)絡(luò)安全的安全保障進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，注重全方位主動(dòng)防御、安全可信、動(dòng)態(tài)感知和全面審計(jì)。建立以計(jì)算環(huán)境安全為基礎(chǔ)，以區(qū)域邊界安全、通信網(wǎng)絡(luò)安全為保障，以安全管理中心為核心的網(wǎng)絡(luò)安全保障體系。

三、建設(shè)成效

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不斷深入發(fā)展的背景下，江蘇師范大學(xué)對(duì)建設(shè)過程中遇到的實(shí)際問題深入分析，從全局的視角針對(duì)性地提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源支撐平臺(tái)的建設(shè)模型，并完成平臺(tái)建設(shè)。

目前平臺(tái)已經(jīng)支撐了“動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修”、“教師基本教學(xué)技能訓(xùn)練”、“軌道交通信息與控制”、“高鐵列車一級(jí)檢修”等十幾個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)。其中“動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修”已通過首批國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目評(píng)選[8-9]，實(shí)現(xiàn)了大范圍的共享服務(wù)，平臺(tái)建設(shè)成效顯著。

四、結(jié)束語

江蘇師范大學(xué)基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源支撐平臺(tái)完成了全校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的統(tǒng)籌建設(shè)，解決了資源共建共享、彈性性能擴(kuò)展、系統(tǒng)可靠運(yùn)行與持續(xù)運(yùn)維、統(tǒng)一安全保障、原創(chuàng)性不足等具體問題，實(shí)現(xiàn)了師生隨時(shí)隨地獲取資源的目標(biāo)，為持續(xù)提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，促進(jìn)學(xué)科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)做出了有益的探索。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：王曉明）