[摘 要]科學(xué)思維是對(duì)客觀(guān)事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的一種認(rèn)識(shí)方式,是學(xué)生終身發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力,因此,關(guān)注學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的發(fā)展在高中物理課堂教學(xué)中就顯得尤為重要。文章通過(guò)巧用生活情境、鋪設(shè)實(shí)驗(yàn)路徑和激發(fā)批判性思維等方式,啟發(fā)學(xué)生通過(guò)比較與分類(lèi)、抽象與概括、分析與綜合和邏輯推理等活動(dòng),在形成概念或得出規(guī)律的同時(shí),提高學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理和論證以及質(zhì)疑創(chuàng)新等能力,這樣的教學(xué)有效促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的發(fā)展。
[關(guān)鍵詞]科學(xué)思維;啟發(fā)探究式教學(xué);簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)
[中圖分類(lèi)號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058(2023)14-0038-04
在物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維是關(guān)鍵能力,科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新四個(gè)方面,發(fā)展科學(xué)思維對(duì)人的終身發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。啟發(fā)探究式教學(xué)一方面強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)思考,強(qiáng)調(diào)教師主動(dòng)而科學(xué)地引導(dǎo),體現(xiàn)教師的主導(dǎo)地位;另一方面強(qiáng)調(diào)學(xué)生積極思考,主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng),體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。啟發(fā)探究式教學(xué)需要更多的教學(xué)時(shí)間,而且挑戰(zhàn)很大,假如在探究過(guò)程中教師不能適當(dāng)啟發(fā),就不能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,甚至還有可能挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性。為此,在設(shè)計(jì)教學(xué)方案時(shí),教師要注意創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)那榫?,讓學(xué)生有效融入課堂,并以適宜的情境為載體,以問(wèn)題為導(dǎo)向,通過(guò)師生、生生、生本等多元化的互動(dòng)啟發(fā),有效開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)探究,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程中學(xué)習(xí)相應(yīng)的物理知識(shí),提升科學(xué)思維素養(yǎng)。
下面以人教版高中物理選擇性必修第一冊(cè)第二章第一節(jié)“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”為例,探討在啟發(fā)探究式教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。
一、巧用生活情境,培養(yǎng)模型建構(gòu)能力
模型建構(gòu)是一種認(rèn)識(shí)手段和思維方式。高中物理教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,就要注意關(guān)注并提升學(xué)生的模型建構(gòu)能力,具體應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)“基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)研究模型的過(guò)程”,讓學(xué)生感悟思維方法,提升學(xué)生遷移運(yùn)用物理知識(shí)、思維方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”教學(xué)過(guò)程中,教師可以先從生活實(shí)例入手,在增加學(xué)生感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)膯l(fā)引導(dǎo),讓學(xué)生抓住運(yùn)動(dòng)的主要因素,忽略次要因素,最后形成一個(gè)能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的理想化模型。在具體教學(xué)過(guò)程中,讓學(xué)生在觀(guān)察、實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中學(xué)習(xí)建模、學(xué)習(xí)思維、學(xué)習(xí)論證,在交流、討論、展示與評(píng)價(jià)中學(xué)習(xí)思維、論證、質(zhì)疑、創(chuàng)新,從而有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。
[生活情境展示1]展示鐘擺的擺動(dòng)、水面上隨水浪上下浮動(dòng)的物體、樹(shù)枝在風(fēng)中來(lái)回?cái)[動(dòng)和人們擔(dān)物行走時(shí)扁擔(dān)下物體上下顫動(dòng)四張動(dòng)態(tài)圖。
問(wèn)題1.這四個(gè)運(yùn)動(dòng)有什么共同點(diǎn)?
交流討論:上述物體都在某個(gè)位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng),跟以往學(xué)習(xí)的單向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和平拋運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)不同。物理學(xué)中將物體在某一平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為機(jī)械振動(dòng)。
問(wèn)題2.像這樣的機(jī)械振動(dòng),生活中常見(jiàn)的還有哪些?
交流討論:蕩秋千,飛行的鳥(niǎo)兒的翅膀擺動(dòng),活塞的運(yùn)動(dòng)……
問(wèn)題3.上面展示的四個(gè)運(yùn)動(dòng)有什么不同點(diǎn)?
交流討論:鐘擺擺錘的運(yùn)動(dòng)是曲線(xiàn)的,水面上上下浮動(dòng)的物體和扁擔(dān)下上下顫動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)是直線(xiàn)的,風(fēng)中擺動(dòng)的樹(shù)枝上各個(gè)點(diǎn)都在振動(dòng)。
[生活情境展示2]播放振動(dòng)篩工作時(shí)的視頻(如圖1所示),振動(dòng)篩下面連接著多組彈簧,振動(dòng)篩工作時(shí)隨彈簧上下振動(dòng)。
交流討論:在學(xué)習(xí)物理的過(guò)程中,為了研究某種問(wèn)題,往往選擇一個(gè)較為簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行研究。比如,在學(xué)習(xí)拋體運(yùn)動(dòng)時(shí),在忽略物體自身的大小和一切阻力等次要因素后,研究水平拋出物體的平拋運(yùn)動(dòng)。
問(wèn)題4.在上面提到的各種振動(dòng)中,為了便于研究,選哪種振動(dòng)進(jìn)行研究比較合適?
交流討論:第一,直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)比曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)更簡(jiǎn)單,所以排除鐘擺的擺動(dòng);第二,要有能突出的研究對(duì)象,即運(yùn)動(dòng)中的次要因素可忽略,像樹(shù)枝和鳥(niǎo)兒翅膀在振動(dòng)時(shí)各點(diǎn)都在振動(dòng),不能突出研究對(duì)象,所以也應(yīng)排除。而水面上上下浮動(dòng)的物體、扁擔(dān)下上下顫動(dòng)的物體、活塞和振動(dòng)篩的振動(dòng)相對(duì)便于研究,且受力也較為簡(jiǎn)單。
因此,在研究機(jī)械振動(dòng)時(shí),可以建構(gòu)這樣的運(yùn)動(dòng)模型(如圖2所示),將輕質(zhì)彈簧的一端固定,另一端跟一個(gè)小球相連,將小球穿在水平直桿上,忽略小球的大小、彈簧的質(zhì)量和小球與桿之間的摩擦,向右拉動(dòng)小球到某個(gè)位置釋放后,可以對(duì)小球在平衡位置附近做的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。
設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)對(duì)不同實(shí)例進(jìn)行比較分類(lèi),可以使學(xué)生在表象認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)有初步的探究,有了初步探究后,就需要教師適當(dāng)?shù)膯l(fā),借助振動(dòng)篩引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行抽象和概括,把振動(dòng)這個(gè)運(yùn)動(dòng)的共同的、本質(zhì)的屬性聯(lián)合起來(lái),從而構(gòu)建出能反映振動(dòng)本質(zhì)的且易于研究的彈簧振子運(yùn)動(dòng)模型。這樣的設(shè)計(jì),使學(xué)生的形象思維得到了發(fā)展,抽象概括和建模能力得到了提升。在后面的學(xué)習(xí)中,彈簧振子還可以在不同的環(huán)境中創(chuàng)設(shè),學(xué)生就需要通過(guò)知識(shí)遷移和創(chuàng)新思維解決不同環(huán)境下的振動(dòng)問(wèn)題。
二、鋪設(shè)實(shí)驗(yàn)路徑,培養(yǎng)推理論證能力
蘊(yùn)含在物理知識(shí)背后的規(guī)律與方法對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)需要一個(gè)領(lǐng)悟的過(guò)程,假如教師在傳授知識(shí)時(shí)只是照本宣科,就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不能把握知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系,而是簡(jiǎn)單記憶事實(shí)和概念。學(xué)生對(duì)事物本質(zhì)沒(méi)有深入的認(rèn)識(shí),就會(huì)影響他們應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力的提升,這對(duì)學(xué)生的繼續(xù)學(xué)習(xí)和發(fā)展是不利的。因此,就需要教師在實(shí)際教學(xué)中創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,并圍繞問(wèn)題鋪設(shè)實(shí)驗(yàn)路徑,讓學(xué)生親身實(shí)踐并收集證據(jù),引導(dǎo)他們將收集到的證據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),從而達(dá)到使學(xué)生在認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的同時(shí),推理論證能力也得到提升的目的。
簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是物體在大小跟位移成正比,方向跟位移方向相反的回復(fù)力作用下的運(yùn)動(dòng),位移是研究物體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要物理量,在機(jī)械振動(dòng)中,又因?yàn)槲矬w一直在往復(fù)運(yùn)動(dòng),所以研究振動(dòng)的位移更加重要。那么,如何研究振動(dòng)的位移?振動(dòng)的位移跟之前學(xué)過(guò)的運(yùn)動(dòng)的位移有什么不同?這是教學(xué)過(guò)程中要重點(diǎn)關(guān)注的。
問(wèn)題1.通過(guò)對(duì)彈簧振子的觀(guān)察,發(fā)現(xiàn)振子的位置在不斷變化,圖2中的[A]、[O]、[B]三個(gè)位置中,選擇哪個(gè)位置作為位移的起點(diǎn)最合理?
交流討論:做機(jī)械振動(dòng)的物體都是在平衡位置附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng),在研究機(jī)械振動(dòng)的位置變化時(shí),對(duì)相對(duì)平衡位置的位移進(jìn)行研究更有價(jià)值,又因?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)具有對(duì)稱(chēng)性,所以以[O]點(diǎn)作為位移的起始位置最為恰當(dāng)。
問(wèn)題2.因?yàn)檎褡訒?huì)在不同時(shí)刻經(jīng)過(guò)同一位置,所以經(jīng)過(guò)的位置有重疊,為了清楚地描述這個(gè)運(yùn)動(dòng),可以采取什么方法?
交流討論:在研究單向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí),為了反映位置隨時(shí)間的變化,經(jīng)常采用作位移—時(shí)間圖像([x-t]圖像)的方法,通過(guò)描出不同時(shí)刻的位置,再連成平滑的曲線(xiàn),以此反映位置隨時(shí)間的變化關(guān)系。
演示實(shí)驗(yàn)1:如圖3所示,將重物下拉一段距離后放手,讓豎直彈簧振子振動(dòng)起來(lái)。
問(wèn)題3:猜想一下,假如以平衡位置(重物靜止時(shí)的位置)為坐標(biāo)原點(diǎn),以向上為正方向,以下拉到的某個(gè)位置為起始時(shí)刻的位置作出的[x-t]圖像大概是怎樣的圖像?
學(xué)生在之前的學(xué)習(xí)中雖然對(duì)位移—時(shí)間圖像已經(jīng)有所認(rèn)識(shí),但因?yàn)閷?duì)振動(dòng)物體的具體運(yùn)動(dòng)情況還不了解,所以很容易作出如圖4所示的鋸齒形的位移—時(shí)間圖像。
拍攝一段豎直彈簧振子運(yùn)動(dòng)的視頻,然后采用Potplayer軟件將視頻連續(xù)截圖,再將圖片錯(cuò)開(kāi)疊加(如圖5所示),發(fā)現(xiàn)模擬得到的[x-t]圖像并不是直線(xiàn)的,而是有點(diǎn)像正弦或余弦曲線(xiàn)。
交流討論:在研究單向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí),假如是勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),[x-t]圖線(xiàn)是直線(xiàn),假如是變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),[x-t]圖線(xiàn)則是曲線(xiàn)。
播放豎直彈簧振子運(yùn)動(dòng)視頻的慢鏡頭,讓學(xué)生觀(guān)察振子運(yùn)動(dòng)的情況。通過(guò)觀(guān)察,發(fā)現(xiàn)重物的運(yùn)動(dòng)是變速的,在經(jīng)過(guò)平衡位置時(shí)速度最大,在上下兩個(gè)端點(diǎn)的速度為零。為了更加清楚地反映彈簧振子的運(yùn)動(dòng)情況,可對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。
演示實(shí)驗(yàn)2:如圖6所示,彈簧一端固定,另一端連著一個(gè)滑塊,滑塊放在氣墊導(dǎo)軌上,氣源對(duì)氣墊導(dǎo)軌充氣后,就構(gòu)成了水平彈簧振子。兩個(gè)位移傳感器,一個(gè)固定在導(dǎo)軌上靜止不動(dòng),另一個(gè)安裝在滑塊上。滑塊在導(dǎo)軌上振動(dòng)時(shí),位移傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集器把各個(gè)時(shí)刻滑塊的位置輸入計(jì)算機(jī)。
用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)后,在屏幕上顯示出各個(gè)時(shí)刻滑塊位置的連線(xiàn)(如圖7所示),發(fā)現(xiàn)其類(lèi)似正弦曲線(xiàn)。
設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)先讓學(xué)生猜想豎直彈簧振子的[x-t]圖像,再用信息技術(shù)手段將實(shí)際的圖線(xiàn)展示出來(lái),使學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)際的跟猜想的并不相同,產(chǎn)生了認(rèn)知沖突,對(duì)繼續(xù)深入研究產(chǎn)生了興趣。學(xué)生通過(guò)觀(guān)察豎直彈簧振子運(yùn)動(dòng)視頻的慢鏡頭,找到[x-t]圖像不是直線(xiàn)的原因是振動(dòng)物體的速度在不斷變化,然后,師生一起改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案,繼續(xù)尋找證據(jù)。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì),可以引導(dǎo)學(xué)生不斷地進(jìn)行分析、推理和評(píng)價(jià),使學(xué)生的論證能力得到提升,同時(shí),學(xué)生對(duì)振動(dòng)的認(rèn)識(shí)也有了從現(xiàn)象到本質(zhì)的轉(zhuǎn)變。
三、激發(fā)批判性思維,培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力
要將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象物化為實(shí)驗(yàn)結(jié)論,還需要通過(guò)解釋和交流。解釋交流的過(guò)程是培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力的最佳階段,這時(shí)就需要教師設(shè)置一些能激起學(xué)生批判性思維的問(wèn)題情境,啟發(fā)學(xué)生對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出合理的質(zhì)疑,然后師生一起通過(guò)尋找更加優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方案繼續(xù)進(jìn)行探究,使得所研究的對(duì)象得到充分的解釋?zhuān)罱K得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論后,學(xué)生再通過(guò)合作與交流,準(zhǔn)確表述實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這樣,學(xué)生學(xué)習(xí)能力得到發(fā)展的同時(shí),思維能力、創(chuàng)新能力也得到了發(fā)展。
問(wèn)題1.如圖7所示,計(jì)算機(jī)得出的位移隨時(shí)間變化的圖像是一條類(lèi)似正弦曲線(xiàn)的圖線(xiàn),能不能直接確定它就是正弦曲線(xiàn)?
交流討論:在探究物體的質(zhì)量一定,加速度和受力的關(guān)系時(shí),得到的是一條直線(xiàn),就能說(shuō)明加速度和力是成正比的,但是,在探究物體受力一定,加速度和質(zhì)量的關(guān)系時(shí),得到的是一條曲線(xiàn),就不能直接得出反比關(guān)系。同樣,這里得出的位移隨時(shí)間變化的圖像是一條類(lèi)似正弦曲線(xiàn)的圖線(xiàn),要確定是不是真正的正弦關(guān)系,還要進(jìn)一步論證。
問(wèn)題2:怎樣確定圖7中位移和時(shí)間的具體關(guān)系?
交流討論:采用假設(shè)法,假設(shè)這條圖線(xiàn)是正弦曲線(xiàn),然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù),利用數(shù)學(xué)知識(shí)來(lái)分析論證。首先從圖像上讀出周期T和振幅A,圖像對(duì)應(yīng)的正弦函數(shù)表達(dá)式就是[x=Asin2πTt];然后將不同的時(shí)刻代入表達(dá)式,算出相應(yīng)的位移,比較計(jì)算出來(lái)的位移與實(shí)驗(yàn)得到的位移是否一致,假如一致,則假設(shè)成立。
通過(guò)正弦函數(shù)表達(dá)式計(jì)算出的位移與實(shí)際位移近似相等,說(shuō)明彈簧振子的位移—時(shí)間圖像確實(shí)是一條正弦曲線(xiàn)。
學(xué)生實(shí)驗(yàn):如圖8所示,一位同學(xué)勻速拉動(dòng)紙帶,另一位同學(xué)拿筆在紙帶的中心線(xiàn)附近在垂直中心線(xiàn)的方向上來(lái)回?cái)[動(dòng),兩人合作繪制振動(dòng)圖像。
兩位同學(xué)合作繪制振動(dòng)圖像的過(guò)程,既是對(duì)位移—時(shí)間圖像的一次實(shí)踐,更是一起交流的一個(gè)過(guò)程。拿筆的同學(xué)的手來(lái)回?cái)[動(dòng)的形式會(huì)影響所畫(huà)的圖線(xiàn),有的小組畫(huà)出的圖像接近正弦曲線(xiàn),有的小組畫(huà)出的圖像呈現(xiàn)鋸齒形。
交流討論:畫(huà)出接近正弦曲線(xiàn)的小組,拿筆的同學(xué)的手來(lái)回?cái)[動(dòng)速度時(shí)刻在變化,而畫(huà)出呈現(xiàn)鋸齒形圖像的小組,拿筆的同學(xué)的手來(lái)回?cái)[動(dòng)的速度幾乎不變。
最后概括總結(jié),形成概念,物理學(xué)中把振動(dòng)圖像是正弦曲線(xiàn)的振動(dòng)稱(chēng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。
設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)教師的啟發(fā),學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)得出的曲線(xiàn)是否就是正弦曲線(xiàn)提出疑問(wèn),學(xué)生的思維得到了啟發(fā),在師生、生生的互動(dòng)啟發(fā)下,最終找到運(yùn)用數(shù)學(xué)加以驗(yàn)證的方法,再通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行振動(dòng)圖像的繪制,使學(xué)生對(duì)振動(dòng)的位移進(jìn)行了充分的交流討論和反思,從而達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力的目的。假如教師在授課時(shí)一直注重這樣的思維鍛煉,就能夠使學(xué)生逐步進(jìn)行思維建構(gòu),形成穩(wěn)定的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。當(dāng)學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律認(rèn)識(shí)理解達(dá)到一定程度后,這種認(rèn)知結(jié)構(gòu)會(huì)使學(xué)生對(duì)物理規(guī)律有很深的認(rèn)識(shí)度,并能產(chǎn)生遷移,學(xué)生就懂得應(yīng)用概念、規(guī)律解決實(shí)際的問(wèn)題。
啟發(fā)探究式教學(xué)是希望物理教學(xué)始終植根于問(wèn)題情境,教學(xué)過(guò)程始終處于師生之間、生生之間的啟發(fā)與探究之中。從生活現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,鋪設(shè)實(shí)驗(yàn)路徑收集證據(jù),改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行充分論證,最后通過(guò)生生之間的合作交流將探究結(jié)果進(jìn)行表述和反思,通過(guò)這樣的教學(xué)設(shè)計(jì),讓學(xué)習(xí)在活動(dòng)、實(shí)踐、操作中有效進(jìn)行,學(xué)習(xí)活動(dòng)處在分析、推理、論證、質(zhì)疑中,這樣才能使學(xué)生勇于提出自己的觀(guān)點(diǎn),最終將創(chuàng)意“物化”,使學(xué)生獲得“真知識(shí)”,使學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到了培養(yǎng),科學(xué)思維和“自我能力”也得到了發(fā)展。
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[2]? 馬華峰.運(yùn)用探究性演示實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)科關(guān)鍵能力:以“牛頓第三定律”教學(xué)為例[J]物理教學(xué),2020(10):30-33,13.
[3]? 江山.基于物理學(xué)科關(guān)鍵能力培養(yǎng)的“啟發(fā)+探究”式教學(xué):以“磁感應(yīng)強(qiáng)度”教學(xué)為例”[J].物理教師,2020(7):24-27,30.
(責(zé)任編輯 易志毅)
[基金項(xiàng)目]本文系江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度立項(xiàng)課題“指向?qū)W科思維能力發(fā)展的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施策略的研究”(項(xiàng)目編號(hào):D/2021/02/765)階段性研究成果。