大学化学, 2021, 36(3): 2011024-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202011024

课程思政建设专刊

无机化学课程思政探索——以“配位化学基础”中部分内容的教学设计为例

杨艳华,, 王宝玲, 李艳妮, 董春燕, 薛雅新

Exploration of Course Ideology and Politics in Inorganic Chemistry: Taking the Teaching Design of Some Contents of Coordination Chemistry as an Example

Yang Yanhua,, Wang Baoling, Li Yanni, Dong Chunyan, Xue Yaxin

通讯作者: 杨艳华, Email: yangyanh@kmu.edu.cn

收稿日期: 2020-11-4   接受日期: 2021-01-18  

基金资助: 云南省教育厅科学研究基金项目.  2020J0506
昆明学院引进人才科研项目.  YJL2008

Received: 2020-11-4   Accepted: 2021-01-18  

Abstract

Course ideology and politics is to integrate the elements of ideological and political education into curriculum teaching, deepen the connotation of teaching and education in specialized courses. In the teaching process, based on the basic theoretical knowledge, the ideological and political teaching system of inorganic chemistry course was constructed by integrating the development history of chemistry, the major contributions of chemists, the close relationship between chemistry and production and life, and the frontier of contemporary scientific and technological research. In this paper, the teaching design of some contents of coordination chemistry is taken as an example to introduce the ideological and political cases.

Keywords: Inorganic chemistry ; Course ideology and politics ; Coordination chemistry

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杨艳华, 王宝玲, 李艳妮, 董春燕, 薛雅新. 无机化学课程思政探索——以“配位化学基础”中部分内容的教学设计为例. 大学化学[J], 2021, 36(3): 2011024-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202011024

Yang Yanhua. Exploration of Course Ideology and Politics in Inorganic Chemistry: Taking the Teaching Design of Some Contents of Coordination Chemistry as an Example. University Chemistry[J], 2021, 36(3): 2011024-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202011024

2016年,习近平总书记在出席全国高校思想政治工作会议时提出,要坚持把立德树人作为中心环节,把思想政治工作贯穿教育教学全过程,实现全程育人、全方位育人,努力开创我国高等教育事业发展新局面[1]。本校通过加强思政教育和专业教育的有效融合,把思想政治教育贯穿于人才培养过程中,不仅要传授基础知识,更要注重培养学生的核心素养,做好育人工作。无机化学作为化学专业学生的学科基础必修课程,对学生科学素养的培养和创新意识的提高有重要的启蒙作用,同时也是学习后续专业课程的基础和桥梁。在无机化学教学过程中融入课程思政元素,不仅可以提高学生对基础知识的理解和掌握,更有利于培养学生科学的思维方法、树立科学的人生观和价值观。

在无机化学教学中,选用由宋天佑等[2]编写,高等教育出版社出版的《无机化学》(第四版)作为教学用书,在教学过程中结合化学发展史、化学家的主要贡献、化学学科和生产生活的紧密联系以及当代科学研究前沿等内容,将课程思政元素融入课堂,不仅可以使学生开拓眼界、丰富学识、增长见识,而且可以提高学生运用学科知识正确认识问题、分析问题和解决问题的能力,更好地掌握事物发展规律,成为满足新时代社会发展需求的接班人。将化学发展史和化学家的主要贡献与教学内容结合,可以引导学生从源头了解学科产生和发展的过程,明确专业知识的重要性;将化学学科和生产生活的紧密联系与教学内容结合,可以增强学生的专业自豪感和社会责任感,激发学生的学习动力;将当代科学研究前沿与教学内容结合,可以强化学生化学学科素养,树立科技报国、科技强国的远大理想。将中国化学家在配位化学中的贡献与教学内容相结合,可以增强学生的民族自豪感和国家荣誉感,激励学生刻苦学习、奋发图强,为建设中国特色社会主义事业筑牢学科知识基础。本文选取教学用书中配位化学基础部分的教学内容,重点对教学中三个思政案例的设计思路和实施过程进行介绍。

1 以化学发展史为基础,对“配位化合物的基本概念”进行设计

1.1 教学目标

(1) 知识目标:掌握配位化合物的基本概念和命名方法。

(2) 能力目标:通过对科学家事迹的了解,培养学生的科学思维方法,加强学生的创新意识,提高创新能力。

(3) 素质目标:通过对Werner的经历介绍,让学生了解化学家具备的锲而不舍、持之以恒的品质,树立远大的理想信念;激发学生学习兴趣,养成自主学习的习惯。

1.2 课程思政素材——配位化学理论的提出

1866年Werner [3] (1866–1919,图 1(a)所示[4])生于法国一个铁匠之家,18岁开始进行化学研究(1884年),24岁获得苏黎世大学博士学位(1890年),主攻有机含氮化合物异构现象的研究。26岁任苏黎世联邦高等工业学校助教(1892年),27岁任苏黎世大学副教授(1893年)。1892年的某个凌晨,Werner从梦中醒来,突发灵感,为解决当时存在争议的金属离子与氨的成键方式和结构问题,提出了“Werner配位理论”的三大假设,经修改后,便将这篇名为“论无机化合物的组成”的论文寄给了德国的《无机化学学报》。该论文于1893年被发表,打破了德国化学家Kekulé与英国化学家Couper关于化合价恒定不变的观点,以及丹麦科学家Jørgensen与瑞典科学家Blostrand提出的Blostrand-Jørgensen链式理论,提出副价的概念和配合物的立体化学,从此开创了无机化学学科的新时代。Werner配位理论的主要内容为[5]:①大多数元素具有两种类型的价,即主价(相当于共价键)和副价(相当于配位键);②每种元素的主价和副价都倾向于得到满足;其他原子依其与中心金属原子结合方式的差异而分别处于化合物的内界和外界;③副价的空间指向是固定的。受限于当时实验技术和实验条件,Werner配位理论缺乏充足的实验依据,引起了学术界的广泛争议。经过14年的不懈努力,Werner的学生King采用溴代樟脑磺酸银作为拆分剂,经历2000次结晶实验,终于在1911年(45岁)成功拆分出具有镜面对称空间结构的cis-[CoCl(NH3)(en)2]X2 (en =乙二胺,X = Cl、Br或I)配合物,如图 1(b)所示[4],从实验上证明了六配位的金属配合物的几何结构为八面体,进而为配位化学理论的确立提供了决定性证据。1913年,因其在配位化学的突出贡献,47岁的Werner被授予“诺贝尔化学奖”。迄今为止,Werner配位理论依然是当今配位化学研究的基础和指南。

图1

图1   (a) 配位化学的奠基者Werner;(b) cis-[CoCl(NH3)(en)2]X2 (X = Cl、Br或I)镜面对称的八面体结构


1.3 课程思政元素融入教学过程的设计

在学习“配位化学基础”这一章之前,首先以配位化学奠基者Werner的生平和配位化学理论的确立为主线,介绍Werner为追求真理,将毕生精力投入到配位化合物研究中的历史事实。培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感,让学生明白科学技术的进步并非偶然,要学会站在巨人的肩膀上,刻苦钻研。同时,学习Werner不屈不挠、持之以恒的科学精神,特别是在自己提出的配位理论不被同行(如Jørgensen等)认可的情况下,坚持科学哲学思维,坚定理想信念(即金属离子与有机物成键和结构问题),以辩证唯物主义为指导,以事实为依据,大胆假设(摈弃当时流行的Blostrand-Jørgensen链式理论),采用科学的研究方法,不气馁、不畏缩,历经十四年的不断尝试,反复实验,找到最合适的拆分剂,取得成功。教育学生在自身成长过程中,不要因为一点挫折就一蹶不振、临阵脱逃。在学习过程中要向老一辈化学家看齐,学习他们勇于探索、坚持真理、持之以恒的品质,培养学生模型认知的化学学科核心素养,引导学生不忘初心、牢记使命,确立一个化学工作者应有的远大理想。强化学生“青出于蓝而胜于蓝”的思想,打牢学科基础知识,为中国特色社会主义事业做贡献打下坚实基础。

以Werner历经14年合成的[CoCl(NH3)(en)2]Cl2为例,引出教学用书中的配位化合物的定义、构成、配位原子和配位数、多齿配体和螯合物,及配位化合物的命名等内容,教学设计过程如图 2所示。

图2

图2   配位化合物基本概念的教学设计框架


2 以化学史和科学研究前沿为基础,对“配位化合物的异构现象”进行设计

2.1 教学目标

(1) 知识目标:掌握配位化合物的异构现象。

(2) 能力目标:培养学生阅读文献的能力,以及从化学专业角度发现、分析和解决问题的能力。

(3) 素质目标:通过介绍顺铂类抗肿瘤药物的成功研制,增强学生的专业自豪感、社会责任感和使命感;通过Rosenborg发现顺铂抗肿瘤药用的研究过程,引导学生从专业角度认识顺铂抗癌的机理,激发学生的学习热情;强化学生善于观察实验现象的意识,学习化学家刻苦钻研的优秀品质。

2.2 课程思政素材——顺铂的发现及发展

学生们大都看过或听说过的影片《我不是药神》围绕普通慢粒白血病患者承担不起正版抗癌药的昂贵费用,只能使用印度仿制抗癌药为主线展开故事,不仅反映出病患及其家属的无奈和心酸,也体现了药物对人民生命的重要性。铂类抗癌药物是化学治疗肿瘤领域的首选,为了降低临床使用过程中肿瘤细胞的耐药性和毒副作用等影响,科研人员逐渐研发出第二代和第三代抗癌铂药,如表 1所示。

表1   已经批准进入临床使用的几种铂类药物

药物名称
(上市时间)
英文名称化学结构式适应症备注
顺铂
(1978年)
Cisplatin肺癌、卵巢癌、睾丸癌、前列腺癌等第一代铂药
卡铂
(1986年)
Carboplatin肺癌、卵巢癌、睾丸癌、恶性淋巴癌等第二代铂药
奈达铂
(1995年)
Ncdaplatin头颈部癌、食管癌等第二代铂药
依铂
(1999年)
Heptaplatin肺癌、胃癌、宫颈癌等第二代铂药
奥沙利铂
(1996年)
Oxaliplatin直肠癌、结肠癌等第三代铂药
洛铂
(2005年)
Lobaplatin转移性乳腺癌、慢性粒细胞白血病等第三代铂药
米铂
(2009年)
Miboplatin肝癌等第三代铂药

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那么第一代铂类抗癌药是怎么被发现的呢?1961年,美国物理学家Rosenborg [6] (1927–2009,如图 3(a)所示)前往密西根州立大学筹建生物物理系,在开展电场对细菌分裂丝状物的影响研究过程中,选用不会表现出丝状分裂的大肠杆菌为研究对象,以惰性金属铂为电极开展实验,实验发现当培养皿中的电解液同时含有氯离子和铵离子时,大肠杆菌停止生长和分裂,Rosenborg认为这是电极上游离的铂离子与电解液中的氯离子和铵离子作用,可以产生抑菌的效果,这一成果于1965年发表在Nature杂志上[7]。经光化学实验表明,起到抑菌作用的物质是电解时产生的顺式-二氯二氨合铂(Ⅱ) (顺铂,cis-[Pt(NH3)2Cl2]),在美国国家癌症研究中心的协作下,验证了cis-[Pt(NH3)2Cl2]在体外细胞和老鼠体内组织中具有抗肿瘤的活性[8]。经试验后,于1978年上市,成为第一代铂类抗癌药物,主要应用于膀胱癌和睾丸癌的治疗,其中,睾丸癌的治愈率可达90%以上[9]。其实,早在1844年意大利化学家Peyrone在进行氯盐实验时就发现在实验过程中会产生一种黄色物质和一种绿色物质,并将其中的黄色物质命名为“Peyrone盐”。直到1893年,配位化学的奠基者Werner阐明其结构,Peyrone盐就是顺铂[10]

图3

图3   (a) Barnett Rosenborg;(b) 顺铂抗癌作用图


顺铂之所以能够产生抗癌效果,主要是因为顺铂进入细胞后,氯配体被水分子取代,此水解过程为二级反应[11]。双螺旋结构的DNA分子中,鸟嘌呤(Guanine)和腺嘌呤(Adenine)中N7活性最高,易与中心离子Pt形成配位键,从而破坏DNA的双螺旋结构,抑制DNA转录,诱导细胞死亡[12],如图 3(b)所示。

为了直接监测药物或其代谢物在体内的情况,须进行复杂的药物预处理,这可能会对药理产生负面影响,而仪器操作复杂不利于实际操作、昂贵的购买费用不利于推广使用。因此,运用生物成像技术对细胞中的药物进行成像,就显得很有必要。不久前,香港浸会大学Leung等[13]合成了一种硼二吡咯基荧光有机分子(简称PS),可以在A–549肺癌细胞中对Pt2+、顺铂和奈达铂进行监测定位,这项技术为铂类药物及其代谢物监测和新的铂类药物研发提供了新的思路,如图 4所示[13]。教学用书中提及,顺铂的反式异构体无抗癌作用,但后期的研究发现,顺铂的反式异构体的一些衍生物是具有抗癌效果的[12]

图4

图4   Leung等合成的PS可用于细胞成像中顺铂和奈达铂的代谢检测


2.3 教学过程设计及课程思政元素融入

首先讲解知识部分——配位化合物的异构现象包括结构异构和几何异构。其中,以PtCl2(NH3)2为例,讲授具有平面正方形结构的配合物的几何异构现象。从《我不是药神》电影里面所讲述抗癌药物的重要性、价格昂贵等方面,提出自主研发抗癌药物及拥有自主知识产权的重要性。引导学生认识到化学与人类的生命健康息息相关,当前,全世界80%的药物都是由化学方法合成的,可以说,化学是人类生命健康的保障之一,由此强化学生对化学专业的认同感。结合表 1可以看出,铂类抗癌药物已从第一代发展到第三代,接下来可以介绍离我们并不遥远的昆明贵研药业有限公司,该公司是铂族金属抗肿瘤药物生产、科研和质量检验一体化公司,是我国重要的铂族金属抗肿瘤药物生产基地与科技创新平台之一。通过对本土抗癌药物公司及其产品的介绍,激发学生强烈的使命感,鼓励学生努力学习专业知识,将来成为国家和人民需要的螺丝钉,在合适的岗位上发光发热。

其次,引出Rosenborg偶然发现抗肿瘤药物顺铂的过程。在此,可再增加若干科学发现的偶然性事件,如青霉素的发现、石蕊指示剂的发现等,引导学生理解偶然性与必然性的辩证关系,偶然性不只是运气,更是自身知识的长期积累和不断实践探索的结果。教育学生科学技术的发现和发展是不以人的意志为转移的(Rosenborg是在研究电场对细菌分裂丝状物的影响过程中发现顺铂具有抗菌性的),并且科学技术的发展不存在界限。每一项科技的发展,都有国家强大的经济基础、安定的社会环境和优良的教育体系等因素作为支撑,顺铂应用于抗肿瘤治疗,既是科学技术不断进步的结果,也是经济发展提高的重要体现。我们对未知事物的探索过程,就是与未知事物不断建立有效联系的过程,需要我们对已有知识进行综合,学会不同学科知识间的交叉融合应用。深入认识和理解化学与当今人类健康的紧密关系,增强学生的专业认同感和社会责任感;引导学生在坚持辩证唯物主义思想的基础上,结合专业知识,养成勤于思考的习惯,真正理解成功不仅来源于偶然,也来源于自身知识的积累和不断探索的精神的道理。教育学生学习是终身的,不能总是抱着在考试中“撞大运”的想法,只有平时不断积累的“跬步”才能实现“千里”的宏图。

第三,介绍顺铂的抗肿瘤机理,结合科技前沿对铂类抗肿瘤药物作用过程的检测等内容,让学生理解当今学科间的交叉互融,不仅有利于学生对所传授知识的理解和掌握,而且有利于培养学生宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养,引导学生不断进取,做新时代中国特色社会主义建设事业的合格建设者。

接着介绍旋光异构知识,教学过程设计如图 5所示。

图5

图5   配位化合物的异构现象的教学设计框架


3 运用科学研究前沿内容,对“过渡金属化合物的颜色”进行设计

3.1 教学目标

(1) 知识目标:学会分析和解释配位化合物显示颜色的内部因素。

(2) 能力目标:通过对科学研究前沿内容的了解,培养和提高学生获取化学新知识的能力。

(3) 素质目标:通过了解当代配位化学研究前沿的典型内容,培养学生从分子水平和物质结构角度理解结构决定性质的客观规律,帮助学生养成认真、实事求是的美好品德,树立唯物主义观念,端正学习态度,增强学生的专业认同感和家国情怀。

3.2 课程思政素材——有机配位化合物前沿研究

如前面提到的,顺铂是一种黄色物质,那么其他的配合物又是什么颜色的呢?影响配合物颜色的因素又有哪些呢?

(1) dd跃迁。

首先介绍教科书上的吸收光谱显色原理,即当可见光照射到物质上时,部分可见光被吸收,而未被吸收波长的光(与被物质吸收的光互补)通过物质或被物质反射,物质就显示出这些未被吸收波长的光的颜色。除了物质本身的吸收和反射,物质的颜色通常还受到哪些因素的影响呢?

在光照射下,配合物的晶体场d轨道中处在低能级电子吸收能量,跃迁至高能级d轨道,称为dd跃迁。dd跃迁是配合物显色的原因之一,发生dd跃迁一般都会显示颜色。在讲解完教科书中关于[Ti(H2O)6]3+和[Mn(H2O)6]3+分别呈现紫红色和粉红色的理论解释内容后,以科学研究前沿内容为基础,介绍具有dd跃迁的配合物体系的实际应用。

研究人员用过渡元素金属离子Co2+ (3d7)、Ni2+ (3d8)和Cu2+ (3d9)与具有八面体空间结构的Ti (3d2)金属有机框架配合物Ti-MOF进行配位,制备过程如图 6(a)所示[14]。三种过渡金属离子进行配位后,MOF的颜色发生了变化,经紫外可见分光光度计测试可知,这是金属离子中的dd跃迁导致了MOF颜色发生变化,物质颜色如图 6(b)所示[14]。实验表明:M2+离子与Ti-MOF的配位明显促进了配合物的dd跃迁在可见光区域的吸收,并且多金属配位加速了电荷载体的快速分离,可以作为催化剂,提高太阳光驱动H2O分子产生H2的反应活性,在清洁能源燃料领域具有应用潜力。

图6

图6   (a) 三种金属离子与Ti-MOF配位的示意图;(b) 三种金属离子配位后的MOF颜色比较图

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(2) 电荷跃迁。

电子组态为d1d9的配合物容易发生dd跃迁而显示颜色,电子组态为d0d10的配合物没有dd跃迁,但一些d0d10的配合物也会有颜色,这是配合物内电荷从阴离子配体向阳离子配体转移造成的,这种显色机理称为电荷跃迁。在讲解完教科书中的内容后,以Pt(Ⅱ) (5d8)为中心离子的树状大分子配合物为例,介绍具有电荷跃迁的配合物在生产生活中的重要作用。

香港大学Yam院士团队[15]合成了以Pt(Ⅱ) (5d8)为中心离子的树状大分子配合物,如图 7(a)所示[15]。物质的颜色随咔唑基团数量的增加而发生变化,这主要是电子从不同数量的配体单元(含阴离子)转移到中心离子(含阳离子)的电荷迁移作用造成的。电荷迁移除了可以造成结构相似的物质发生颜色改变外,还是配合物在光敏剂、分子存储和有机发光二极体(OLED)等方面的作用原理(图 7(b)[16]),而这三个领域也是当今科学研究的热点。

图7

图7   (a) Yam等制备的含Pt(Ⅱ)树状大分子配合物;(b) 运用电荷迁移理论在光敏剂、分子存储和OLED方面进行研究的三种分子结构式示例


(3) 温度和外力。

在讲授了“dd跃迁”和“电荷跃迁”两种经典的显色机理后,采用提问和讨论的方式鼓励学生参与到配合物颜色的影响因素的讨论中。为了拓宽学生的眼界,以Pt(Ⅱ)配合物Pt(ppy)(trpy-C6H13)]SbF6 (简称3aSbF6)为例介绍温度和压力对配合物显色的影响,并通过我国科学家最新的科研成果的介绍来帮助学生巩固所学知识,进一步认识配合物的应用前景。

在偏光显微镜下,另一种含Pt(Ⅱ)配合物3aSbF6(如图 8(a)所示[17])在不同温度下呈现不同的颜色(图 8(b)[17]);而且经过研磨等机械外力后,3aSbF6从黄色变成橙红色,加热或用有机溶剂熏蒸后,又可从橙红色变为黄色,发生一个可逆的颜色变化过程(图 8(c)[17])。该研究结果表明,温度和外力都可以使配合物颜色发生变化。

图8

图8   (a) 配合物3aSbF6的结构式; (b) 3aSbF6在不同温度下相偏振光显微镜的成像;(c) 3aSbF6的可逆压敏变色图像

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我国科技工作者在配合物研究方面也做出了许多贡献,例如厦门大学夏海平教授长期从事配合物的研究工作,以中国传统的龙文化元素为理念,创立了具有过渡金属配位的“碳龙化学(Carbolong Chemistry)”概念,碳龙配合物的结构如图 9所示[18, 19]。2019年制备出了具有最高碳配位数,且吸收光谱宽、稳定性好的金属配合物,在生物医学和太阳能领域应用前景广阔[20]。夏海平教授的相关研究成果入选2013年“中国高校十大科技进展”,并且“Carbolong Chemistry”概念于2020年入选了国际经典有机化学教科书《March’s Advanced Organic Chemistry》(第八版) [21]

图9

图9   夏海平课题组合成的一些碳龙配合物结构(M表示过渡金属)


3.3 教学过程设计及课程思政元素融入

大一本科生作为无机化学的初学者,夯实基础知识是重要的第一步,成为社会主义合格的建设者是一生的修行。为了帮助学生明白只有学好晦涩枯燥的理论知识才能成为科技强国宏伟蓝图的设计者,以当代科学研究前沿内容为基础,以配位化合物的颜色成因为主线,列举四类有机配位化合物的最新研究进展,将与教科书知识内容紧密相关,并且实验现象明显或潜在用途与生活紧密相关的科学研究前沿内容介绍给学生,开拓学生视野,增长见识,激发学生进行科研实验的兴趣,培养学生透过现象看本质的意识,培育实验探究与创新意识的化学学科核心素养和科学的探索精神。教育学生学无止境,学习不能局限于课本和课堂,课外学习也同样重要。介绍中国化学家在配位化学发展中的引领作用,激发学生学习兴趣,强化科技报国理念,增强民族自豪感和国家荣誉感;让学生深刻理解各学科间的交叉互融,明白学习知识也要融会贯通,深刻感受中华民族传统文化在科学研究中的融合与发展,增强文化自信。引导学生筑牢学科基础知识,教育学生深刻理解化学学科的学科特点,培养良好的团队合作精神、积极向上的生活态度、优秀的自我调控能力、独立思考问题的能力和成熟稳重的人格,培养创新性人才具备的优良品质,为成为中国特色社会主义事业的可靠接班人做好充分准备。

以素材中导致配位化合物显示颜色的本质特征为例,结合教科书中过渡金属配合物呈现颜色的dd跃迁和电荷跃迁的理论解释,将科学研究前沿内容穿插其中,使学生能更好地理解和掌握理论知识。教学过程设计如图 10所示。

图10

图10   过渡金属化合物的颜色教学设计框架


4 结语

通过将思政元素与专业基础知识体系教育有机统一,不仅可以提高学生的思想政治素养,真正将“国家意识、科学精神、专业素质、人文情怀、国际视野”的育人理念落实到课程教学中[22],而且可以使思想教育工作贯穿于学科体系和课程体系,进一步提升学生的学科专业素养,更好地践行和发扬社会主义核心价值观。如何在专业课程的教学过程中融入课程思政元素,并且做到润物无声、立德树人,需要教师深度挖掘提炼专业知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵,科学合理拓展专业课程的深度和广度。从课程所涉专业、行业、国家、国际、文化、历史等角度,增加课程的知识性、人文性,提升时代性、引领性和开放性。教师可以通过同行间的相互学习和经验交流,提高自身的政治素养和专业能力,更好地服务学生,进而提高无机化学课程的教学质量,使自身更加符合新时代中国特色社会主义发展的需求。

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