蔡曉儀 吳偉 楊雪楓
摘? ?要:普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)將發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維作為課程目標(biāo)之一,同時(shí)建議充分挖掘電視資源的教育功能。將實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目應(yīng)用于高中物理教學(xué),對(duì)于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維有一定的積極作用。文章以“電磁感應(yīng)”為例,探討在高中物理教學(xué)中如何應(yīng)用實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。
關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目;科學(xué)思維;高中物理教學(xué);電磁感應(yīng)
中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? 文章編號(hào):1003-6148(2021)5-0069-5
《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的實(shí)施建議指出,要積極探索與開(kāi)發(fā)來(lái)自電視與電影、科技館、博物館、公共圖書(shū)館、高等院校、科研院所、工廠、農(nóng)村等的物理資源[1]。實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目屬于電視節(jié)目資源,許多環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)蘊(yùn)含著科學(xué)思維。高中物理教師可以對(duì)實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目進(jìn)行剪輯等處理,將其融入教學(xué)環(huán)節(jié)中,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。
眾多實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目中,中央電視臺(tái)的《加油!向未來(lái)》《是真的嗎》《原來(lái)如此》深受觀眾們的喜愛(ài)。節(jié)目一般以問(wèn)題為導(dǎo)向,呈現(xiàn)出一些意想不到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,激發(fā)觀眾的求知欲;再通過(guò)主持人或旁白的提問(wèn)、節(jié)目嘉賓觀點(diǎn)的論證逐步引導(dǎo)觀眾對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析、猜想;最后由主持人或?qū)<覍?duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行介紹。這三檔節(jié)目是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的良好資源。文章以人教版高中物理“電磁感應(yīng)”為例,對(duì)這三檔物理實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目中與電磁感應(yīng)相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行整理,闡述在高中物理教學(xué)中如何應(yīng)用實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。
1? ? 三檔實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目中電磁感應(yīng)內(nèi)容的梳理
電磁感應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)比較抽象,相比于各種力學(xué)現(xiàn)象,電磁感應(yīng)現(xiàn)象在日常生活中很難被直接觀察。在教學(xué)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)資源有限,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解并不深刻。而實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目能夠提供更多優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源,是現(xiàn)有物理教學(xué)手段的有效補(bǔ)充。文章對(duì)中央電視臺(tái)三檔實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目中與電磁感應(yīng)相關(guān)的片段進(jìn)行整理,發(fā)現(xiàn)了一些比較好的資源,如表1所示。這些節(jié)目資源涉及到的知識(shí)點(diǎn)有楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、電磁阻尼以及電磁驅(qū)動(dòng),基本囊括電磁感應(yīng)的重要知識(shí)點(diǎn)。教師可以將這些節(jié)目資源進(jìn)行適當(dāng)加工或改進(jìn),整合到教學(xué)中來(lái)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。
2? ? 實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的具體應(yīng)用
科學(xué)思維由模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新四個(gè)主要部分構(gòu)成,文章將從這四個(gè)方面重點(diǎn)闡述在高中物理教學(xué)中如何應(yīng)用實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。
2.1? ? 融合實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目實(shí)驗(yàn),提升科學(xué)推理能力
科學(xué)推理是在已有證據(jù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)分析與綜合等思維方式、控制變量等推理形式得出結(jié)論的過(guò)程[2]。在實(shí)際教學(xué)中,教師往往通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)現(xiàn)象,引導(dǎo)學(xué)生思考后進(jìn)行科學(xué)推理與論證;教材中的實(shí)驗(yàn)資源有限,課堂上學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)常常只靠教師單純的理論講解,這不利于學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展。而實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目經(jīng)過(guò)了節(jié)目組以及專家團(tuán)隊(duì)精心挑選和打磨,包含了許多科學(xué)推理過(guò)程。教師既可以參考節(jié)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,也可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行升級(jí)改造,引導(dǎo)學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過(guò)程中提升物理科學(xué)推理能力。
以“電磁阻尼”知識(shí)點(diǎn)為例,將教材的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目的實(shí)驗(yàn)片段進(jìn)行對(duì)比。在“思考與討論”欄目中,教材先讓學(xué)生分析磁電式儀表的鋁框的受力情況以及其對(duì)儀表轉(zhuǎn)動(dòng)的影響,再說(shuō)明該現(xiàn)象為電磁阻尼。在“金屬放入錫紙筒會(huì)緩慢下降?”實(shí)驗(yàn)片段中,主持人釋放磁鐵,磁鐵自由落下,然后在錫紙筒上方釋放磁鐵,磁鐵緩慢落下。節(jié)目組再將經(jīng)過(guò)慢鏡處理的兩段錄像進(jìn)行對(duì)比,說(shuō)明磁鐵進(jìn)入錫紙筒后會(huì)受到阻礙作用。相比于教材的設(shè)計(jì),節(jié)目的實(shí)驗(yàn)片段暗含了控制變量的推理形式。教師演示該實(shí)驗(yàn)時(shí)可以適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生思考,根據(jù)現(xiàn)象和所學(xué)知識(shí)進(jìn)行推理。但節(jié)目中對(duì)比實(shí)驗(yàn)變量只有一個(gè),現(xiàn)象分析比較簡(jiǎn)單,學(xué)生科學(xué)推理能力的鍛煉有限。所以,教師可以進(jìn)行改進(jìn)(圖1):首先,將錫紙筒換成鋁管,鋁的導(dǎo)電性能比錫好,磁鐵進(jìn)入筒后產(chǎn)生的感應(yīng)電流更大,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象會(huì)更明顯;其次,同時(shí)設(shè)置三個(gè)裝置“1.無(wú)裂縫鋁管+磁鐵”“2.有裂縫鋁管+磁鐵”“3.無(wú)裂縫鋁管+鋁塊”進(jìn)行對(duì)比。教師可以先讓學(xué)生猜想哪個(gè)裝置的金屬塊下落最慢,然后在同一高度同時(shí)釋放三個(gè)金屬塊,讓學(xué)生觀察現(xiàn)象并解釋原因。在學(xué)生思考時(shí),教師可給予一定的提示,讓學(xué)生分析三個(gè)裝置之間的區(qū)別,從而引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用控制變量的推理形式分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,最終得出結(jié)論:在閉合回路中磁通量的變化能產(chǎn)生感應(yīng)電流。
2.2? ? 借用嘉賓論點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)論證
科學(xué)論證是以科學(xué)知識(shí)為依據(jù),對(duì)所獲資料進(jìn)行解釋,提出自己的論點(diǎn),反思自己與他人論點(diǎn)的不足,同時(shí)反駁他人的質(zhì)疑和批判的高級(jí)思維能力[2]。在日常教學(xué)中,教師更關(guān)注學(xué)生個(gè)人的論證。然而,科學(xué)論證也可以是社會(huì)層面的,多人之間的論點(diǎn)的交流碰撞更能有效地促進(jìn)批判思維的發(fā)展?!妒钦娴膯帷贰都佑?!向未來(lái)》每期都會(huì)邀請(qǐng)一些嘉賓根據(jù)個(gè)人認(rèn)知對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行猜想,并給出論證依據(jù),專家負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)原理的解釋說(shuō)明。這兩個(gè)過(guò)程都涉及到觀點(diǎn)和論證。教師可以借用節(jié)目中嘉賓的論點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生提出自己的論點(diǎn)并論證,反思論點(diǎn)之間的優(yōu)劣,發(fā)展批判性思維。
以“渦流、電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)”為例。在以往的教學(xué)中,教師在鞏固提升環(huán)節(jié)會(huì)將本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容與本章前面的知識(shí)點(diǎn)建立聯(lián)系,加深學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的理解。此過(guò)程主要是通過(guò)教師的講解實(shí)現(xiàn)的,僅有個(gè)別學(xué)生會(huì)發(fā)表自己的觀點(diǎn),缺乏觀點(diǎn)之間的交流。而在“銅、鋁、不銹鋼,哪種軌道使磁鐵下降最慢”實(shí)驗(yàn)片段中,現(xiàn)場(chǎng)嘉賓則對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展開(kāi)了激烈的討論。教師可以仿照節(jié)目片段設(shè)計(jì)一個(gè)知識(shí)競(jìng)猜環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)論證,理清各知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。首先,教師將剪輯后的實(shí)驗(yàn)裝置介紹片段播放給學(xué)生看,讓學(xué)生思考“當(dāng)裝有釹磁鐵的‘小車從高8.8米的軌道頂端下落時(shí),哪條軌道上的‘小車最后到達(dá)終點(diǎn)?”這個(gè)問(wèn)題,并讓學(xué)生從“A.木軌+銅軌”“B.木軌+鋁軌”“C.木軌+不銹鋼軌”三個(gè)選項(xiàng)中選擇一個(gè),然后交流并解釋原因。此階段是學(xué)生之間的論點(diǎn)交流,如表2所示。學(xué)生的選擇可能不同,或者相同選擇的學(xué)生論據(jù)可能不同,他們就會(huì)思考其他人論證過(guò)程中存在的邏輯問(wèn)題以及依據(jù)是否可靠,并提出自己的觀點(diǎn)進(jìn)行反駁論證。然后,教師播放實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證視頻以及專家觀點(diǎn)。視頻中銅軌道的小車下落最慢,不銹鋼軌道的小車下落最快。對(duì)此,曹則賢教授給出了他的解釋,如表2所示。這個(gè)階段是學(xué)生與權(quán)威專家之間觀點(diǎn)的碰撞。大多數(shù)學(xué)生都能夠從楞次定律、電磁阻尼等角度論證A選項(xiàng)的合理性,而曹教授是從渦流的角度解釋,此時(shí)教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思:“曹教授跟大家的解釋不太一樣,誰(shuí)的說(shuō)法是正確的?還是各有各的道理呢?大家是從什么角度對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋呢?”學(xué)生便開(kāi)始思考楞次定律、電磁阻尼、渦流這三個(gè)概念之間的聯(lián)系與區(qū)別,判斷各方論據(jù)是否充分。在實(shí)驗(yàn)原理的論證過(guò)程中他們就會(huì)弄清楚這些概念是電磁感應(yīng)現(xiàn)象在不同方面的體現(xiàn)。最后教師進(jìn)行總結(jié),學(xué)生是從電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)角度解釋現(xiàn)象,曹教授則是從能量的角度對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行解釋,兩個(gè)角度都是可行的,并鼓勵(lì)學(xué)生從多個(gè)角度分析問(wèn)題、論證觀點(diǎn)。
2.3? ? 創(chuàng)設(shè)物理情境,引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型
模型建構(gòu)是在對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括的基礎(chǔ)上,抓住其關(guān)鍵因素,構(gòu)建能反映其本質(zhì)特征的理想模型的科學(xué)抽象過(guò)程[2]。真實(shí)的情境是有效建構(gòu)物理模型的前提。真實(shí)情境下的學(xué)生對(duì)情境的理解更加深刻,運(yùn)用恰當(dāng)?shù)奈锢砟P徒鉀Q實(shí)際問(wèn)題的能力會(huì)有所提升。教材借助插圖創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境,然而插圖篇幅有限,所呈現(xiàn)的情境不一定最優(yōu),教師應(yīng)該挖掘更多的資源創(chuàng)設(shè)情境。實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目通過(guò)驚險(xiǎn)有趣或貼近日常生活的實(shí)驗(yàn)展示科學(xué)的“奇、美、趣、用”,努力做到以最直觀、生動(dòng)的方式展示科學(xué)實(shí)驗(yàn),是創(chuàng)設(shè)物理情境、發(fā)展學(xué)生物理模型建構(gòu)能力的良好素材[3]。教師可以在恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)環(huán)節(jié)中融入節(jié)目的實(shí)驗(yàn)片段,引導(dǎo)學(xué)生把節(jié)目中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象抽象概括為物理模型,發(fā)展其建模能力。
以“電磁感應(yīng)”單元復(fù)習(xí)為例,將教材與節(jié)目資源進(jìn)行比較。教材的“復(fù)習(xí)與提高”欄目共有13道題目,其中10道只給出物理模型,僅有3道提供了物理情境,學(xué)生模型建構(gòu)能力得不到足夠的鍛煉。而“金屬穿過(guò)磁場(chǎng)的阻尼器”實(shí)驗(yàn)片段介紹了一種用于穩(wěn)定樓體結(jié)構(gòu)的阻尼裝置,如圖2所示。該裝置主要由兩個(gè)金屬片單擺組成,一個(gè)完好無(wú)缺,一個(gè)呈梳齒狀,擺的平衡位置有磁場(chǎng)。將兩個(gè)金屬擺提到同樣高度釋放,經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)后,完整金屬擺很快停下,而梳齒狀金屬擺則繼續(xù)擺動(dòng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)與楞次定律、電磁感應(yīng)定律、電磁阻尼等知識(shí)點(diǎn)相關(guān)。教師可以在單元復(fù)習(xí)課上運(yùn)用該實(shí)驗(yàn)片段創(chuàng)設(shè)物理情境,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)真實(shí)情境進(jìn)行抽象概括,建構(gòu)恰當(dāng)?shù)哪P徒鉀Q問(wèn)題。教師在播放該節(jié)目片段后,可以向?qū)W生展示表3。表3呈現(xiàn)了金屬擺進(jìn)入磁場(chǎng)的情況下,實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)過(guò)抽象概括的模型圖。教師可以通過(guò)提出“完整金屬擺經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)的過(guò)程中磁通量是如何變化的?有沒(méi)有感應(yīng)電流產(chǎn)生?感應(yīng)電流和安培力的方向是怎樣的?能否畫(huà)圖表示?”等問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)性地分析該物理過(guò)程。然后,再讓學(xué)生把其他情況的物理模型圖進(jìn)行抽象概括,最終得出金屬擺進(jìn)入和離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)都會(huì)受到安培力阻礙的結(jié)論。這時(shí)教師可以繼續(xù)提問(wèn):“梳齒狀金屬擺跟完整金屬擺有什么不同?為什么基本不受磁場(chǎng)影響呢?”學(xué)生便可基于剛剛建構(gòu)的物理模型進(jìn)行分析,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,梳齒狀金屬擺產(chǎn)生的感應(yīng)電流小,所以阻尼效果小。通過(guò)對(duì)電磁阻尼裝置的物理模型進(jìn)行抽象概括以及后續(xù)的分析,學(xué)生的建模能力得以提升,并且會(huì)對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象及相關(guān)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題有更加深刻的認(rèn)識(shí)。
2.4? ? 引發(fā)認(rèn)知沖突,鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新
質(zhì)疑創(chuàng)新是批判性思維與創(chuàng)造性思維的體現(xiàn),即學(xué)生在面對(duì)新的情境或者具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí),具有好奇心,能進(jìn)行反思與質(zhì)疑,能提出新穎的、有價(jià)值的想法,并能付諸實(shí)踐[2]。批判性思維與創(chuàng)造性思維通常始于認(rèn)知沖突,當(dāng)學(xué)習(xí)情境與學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突時(shí),學(xué)生的求知欲就被激發(fā),并以批判的態(tài)度審視原有認(rèn)知的局限性,嘗試從其他角度提出新的猜想。教師可通過(guò)實(shí)驗(yàn)、播放錄像等方式引發(fā)認(rèn)知沖突[4]。教材中的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的大多是直觀的物理現(xiàn)象,不易引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。而實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目是以問(wèn)題為導(dǎo)向的互動(dòng)求證節(jié)目,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果往往出人意料,是用于創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、引起認(rèn)知沖突的良好資源。教師可以在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)?shù)亟梃b或引用節(jié)目,激發(fā)學(xué)生的思考,引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑并提出自己的想法。
以“電磁驅(qū)動(dòng)”知識(shí)點(diǎn)為例,教材中以學(xué)生觀察鋁框在轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鐵間的運(yùn)動(dòng)引入電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象,該現(xiàn)象相對(duì)簡(jiǎn)單平淡,不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而在“不觸碰也能讓金屬片旋轉(zhuǎn)”實(shí)驗(yàn)片段中,主持人先用磁鐵靠近圓鋁片再拿開(kāi),鋁片沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng);再用磁鐵在圓鋁片下方繞圈時(shí),鋁片跟著磁鐵繞圈的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這前后矛盾的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能夠引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行批判性思考。教師可以把節(jié)目實(shí)驗(yàn)改進(jìn)成一個(gè)科學(xué)魔術(shù),激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲望,引導(dǎo)學(xué)生積極思考[4]。如圖3所示,教師先將磁鐵藏在清涼油盒子的暗格中,演示時(shí)向?qū)W生展示盒子內(nèi)部是“空的”,并表示這個(gè)盒子可以讓鋁片轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。此時(shí),多數(shù)學(xué)生都會(huì)持懷疑態(tài)度。然后,教師拿著盒子在鋁片上方繞圈,鋁片跟著盒子轉(zhuǎn)動(dòng)。面對(duì)盒子“吸引”鋁片的現(xiàn)象,部分學(xué)生會(huì)猜測(cè)盒中藏有磁鐵,然后就會(huì)引起其他同學(xué)的質(zhì)疑,因?yàn)榇盆F對(duì)鋁沒(méi)有吸引作用。教師應(yīng)對(duì)敢于質(zhì)疑的學(xué)生表示贊許,并引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證盒子內(nèi)部沒(méi)有磁鐵。此時(shí),學(xué)生的創(chuàng)造性思維就被激活了,學(xué)生可能從“磁體之間的相互作用”這個(gè)角度出發(fā),提出找一塊磁鐵靠近盒子觀察是否有相互作用;或者從“磁鐵能夠吸引鐵鈷鎳”這個(gè)角度,提出用盒子靠近鐵制品,觀察是否對(duì)其有吸引作用。采用學(xué)生提供的方案進(jìn)行驗(yàn)證后,教師可拿出藏在盒子暗格里的磁鐵,此時(shí)學(xué)生的認(rèn)知沖突達(dá)到最大化。通過(guò)之前的討論,他們清楚地知道僅有磁鐵的作用是無(wú)法讓鋁片轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),所以他們會(huì)開(kāi)始思考能否從其他角度對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。此時(shí),教師可以給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo),讓學(xué)生思考磁鐵在鋁片上方繞圈的目的,鼓勵(lì)學(xué)生說(shuō)出自己的想法,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維。
3? ? 小結(jié)與反思
實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目不僅能用于“電磁感應(yīng)”教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維,還能推廣到其他的教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中。這需要廣大教師深入挖掘這類教學(xué)資源,巧妙設(shè)計(jì)整合,把教學(xué)效果最優(yōu)化。在設(shè)計(jì)教學(xué)的過(guò)程中,教師應(yīng)當(dāng)挑選最佳實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目片段應(yīng)用于相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)教學(xué),考慮將其應(yīng)用于哪個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié),根據(jù)教學(xué)需求選擇適合的應(yīng)用方式。如何將實(shí)驗(yàn)類科普節(jié)目與教材中已有資源進(jìn)行整合,在課內(nèi)和課外如何有效應(yīng)用這些資源優(yōu)化教學(xué),還需要進(jìn)一步探究。
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(欄目編輯? ? 邱曉燕)