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文档简介

寻菌探酵:基于真实情境的初中生物学跨学科实践与素养培育一、教学内容分析

《义务教育生物学课程标准(2022年版)》将“微生物与健康”及“生物技术”列为重要主题,强调通过探究实践理解生命观念、发展科学思维。本课以“收集与比较当地酵母菌种”为载体,其知识图谱核心是“真菌(酵母菌)的结构、营养方式及呼吸作用原理”,并延伸至“发酵技术”的应用。这构成了连接“生物体的生命活动”与“生物与社会”的关键节点,承上启下了解生物多样性,启下为理解现代生物技术奠基。在过程方法上,课标倡导的“科学探究”是本课的实践路径,具体转化为“从真实生活提出问题→设计对照实验→规范操作收集数据→基于证据得出结论”的完整探究循环,并自然融入“控制变量”、“设置重复”等科学方法。在素养渗透层面,亲手采集环境样本培养了“结构与功能观”、“物质与能量观”;探究不同菌种发酵效能,锤炼“实证与理性思维”;联系当地饮食文化(如传统面食、米酒酿造)则暗含“社会责任感”与“文化自信”的培育,使知识学习升华为对本土生物资源价值的体认。

面向八年级学生,其已有基础在于:通过之前的学习,已掌握细胞基本结构、呼吸作用的物质变化,并对微生物有模糊的生活认知(如馒头、面包的制作)。可能的认知障碍在于:其一,易将“发酵”简单等同于“产生气体”,难以从细胞呼吸类型(有氧与无氧)的深度理解其本质;其二,实验设计能力薄弱,尤其在变量控制与方案可行性评估上容易疏漏;其三,从定性观察到定量比较的数据处理与分析能力待提升。因此,教学调适应以“可视化”和“脚手架”为关键策略。例如,利用显微投影清晰展示不同来源酵母的形态,化解抽象;提供实验设计模板(引导性问题清单)支持小组方案研讨;运用简单图表工具(如柱状图)引导学生处理数据,实现从“看到现象”到“说出规律”的思维跨越。同时,通过设立“基础任务线”与“挑战任务包”,为不同兴趣与能力的学生提供可选择的研究纵深。二、教学目标

知识层面,学生将系统建构关于酵母菌的核心概念体系:能够准确描述酵母菌作为单细胞真菌的基本形态结构与营养方式;能辩证阐释有氧呼吸与无氧呼吸(发酵)的物质、能量变化差异及其与发酵工程的关系;并能运用上述原理解释生活中不同面食、酒类风味差异的可能成因。

能力层面,重点发展科学探究与实践能力。学生将能够以小组合作形式,设计并实施一个包含明确自变量(酵母菌来源)、因变量(发酵效果如产气量)和控制变量的对照实验;能够规范使用显微镜、恒温培养箱等仪器进行观察与培养;并能对收集的数据进行初步整理、分析,尝试用科学语言表述探究结论。

情感态度与价值观层面,引导学生在亲身参与本土微生物资源探索的过程中,萌发对身边生物世界的好奇心与探究欲;在实验的成败与数据差异分析中,体会科学的严谨性与实证精神;并通过了解传统发酵技艺,初步建立生物资源保护与可持续利用的意识。

科学思维目标聚焦于“模型与建模”、“演绎与推理”思维的训练。学生将通过构建“酵母菌呼吸作用与发酵产物关系”的概念模型,将微观生理过程与宏观现象相联系;并能在分析不同组别实验数据时,基于控制变量法的逻辑,合理推导致效差异的可能原因(如菌种活性、环境适应性等),而非简单归因。

评价与元认知目标在于,学生将能够依据教师提供的实验方案量规,对小组及他组的初步设计进行互评与优化;在探究活动结束后,能通过撰写简短的反思日志,回顾本组在方案执行、团队协作中的得失,规划后续改进方向。三、教学重点与难点

教学重点确立为:酵母菌发酵作用的原理及科学探究的一般过程。其依据在于,从课标视角看,理解发酵的本质是构建“生物通过呼吸作用利用有机物释放能量”这一大概念的关键范例;从中考命题趋势看,以发酵为情境考查科学探究能力(尤其是实验设计与分析)是高频热点,因为它能综合检验学生对变量控制、原理应用及证据推理等多个维度的掌握水平。因此,必须通过真实探究活动将其夯实。

教学难点在于:基于真实问题的实验方案设计与实施中的变量控制。难点成因在于,相比教材上验证性实验的清晰步骤,从“比较发酵效果”这一开放问题到可操作的具体方案,对学生而言是一个从理论到实践的认知跨越。学生常出现的思维障碍包括:无法将“发酵效果”具体化为可测量的指标(如气体产生量、面团膨胀体积);难以周全地考虑并控制除菌种来源外的其他变量(如温度、营养液浓度、起始菌量);在设计对照实验时逻辑不清。突破方向是提供结构化的问题链作为思考支架,并鼓励学生在动手前进行充分的方案论证与辩驳。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具:交互式白板课件(含酵母菌显微结构图、呼吸作用过程动画、实验设计流程图);不同来源发酵食品(如商业酵母馒头、传统老面馒头)样品。1.2实验器材与材料:光学显微镜、载玻片、盖玻片;恒温培养箱或水浴锅;锥形瓶、橡胶塞、导气管、量筒(用于排水法收集气体);电子天平、量筒;葡萄糖、蒸馏水配置的培养液;灭菌的采样管(供学生课前采集环境样本用)。1.3学习支持材料:分层学习任务单(含实验设计模板、数据记录表、反思日志框架);课堂评价量规表(供小组互评)。2.学生准备2.1预习与采样:预习教材酵母菌部分;以小组为单位,利用提供的采样管,在保障安全与卫生的前提下,从家中或社区(如水果表皮、花园土壤、传统发酵面团)采集至少一种“疑似”含有酵母菌的样本,并做好来源标签。2.2物品与分组:携带教材、笔记本;课前完成异质分组(45人一组),明确组内角色(如组长、记录员、操作员、汇报员)。3.环境布置

教室调整为小组合作式布局;预留实验器材展示与操作区;黑板划分出“核心问题区”、“方案设计区”和“数据共享区”。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与认知冲突:教师同时出示一个蓬松的商业酵母馒头和一个可能略瓷实的老面馒头。“同学们,大家看这两个馒头,它们的‘前世’都是面粉团,为什么‘今生’的样貌和风味会有这么大不同呢?咱们常说,这跟‘发面’用的‘引子’有关。那么,你们家里或社区里,有没有一些独特的‘老面’或者发酵秘诀?”2.问题提出与旧知唤醒:学生简短分享后,教师聚焦:“看来,不同来源的‘引子’里,藏着的酵母菌可能大不相同。今天,我们就化身成微生物领域的‘探客’,来研究一个真问题:我们身边收集到的各种本土酵母菌种,它们的发酵能力到底谁更强?”。(“探客”这个词,是不是比“研究员”更带劲儿?)3.路径明晰:“要回答这个问题,我们不能光靠猜,得靠科学的比较。这节课,我们就沿着‘设计探究方案→动手实施观察→分析数据结论’这条科学家走过的路,一起来寻菌探酵。首先,回想一下,我们学过的‘对照实验’有几个关键原则?”引导学生回顾“单一变量”等核心概念,为后续设计铺路。第二、新授环节任务一:方案设计——如何公平地“比拼”酵母菌?教师活动:首先,抛出驱动性问题:“‘发酵效果’是个比较抽象的词,我们怎么把它变成实验室里能看得见、测得准的东西呢?大家开动脑筋。”引导学生brainstorm可测量的指标(如产生气体量、产生气体速率、面团体积变化等)。接着,利用白板呈现一个不完整的实验设计框架图,关键处留白。“假设我们选定‘单位时间内产生的气体体积’作为比拼指标,那么,实验的自变量、因变量分别是什么?我们需要控制哪些可能影响比赛的‘环境因素’?”组织小组讨论,并邀请代表上台在框架图中填写。教师穿梭指导,特别关注基础较弱的小组,用更具体的问题引导:“比如,各个锥形瓶里的培养液,除了酵母来源不同,其他方面必须怎样?”最后,汇总各小组思路,共同完善出一份标准的实验设计方案(示意图),并强调“设置重复组”以减小误差的重要性。“好,我们的‘比赛规则’已经民主制定出来了,科学、公平!”学生活动:小组内积极讨论,提出测量发酵效果的多种可能方法;在教师引导下,分析并明确实验中的变量;尝试在实验设计模板上勾勒本组的初步方案;参与全班论证,对方案的严谨性提出疑问或补充。即时评价标准:1.观点提出:能否提出至少一种可量化“发酵效果”的合理指标。2.变量分析:能否准确识别并表述实验中的自变量、因变量及至少两个需要控制的无关变量。3.协作参与:小组成员是否均能参与讨论,记录员是否有效整理组内观点。形成知识、思维、方法清单:★科学探究始于可测量的问题:将“发酵效果”转化为可观测、可测量的指标(如产气量)是实证研究的第一步。教学提示:引导学生思考不同指标的优缺点。★对照实验的设计核心:遵循单一变量原则,确保除酵母菌来源(自变量)不同外,其他条件(如温度、营养、pH、起始体积)完全一致(控制变量)。教学提示:可用“比赛要公平,所有选手除了自身实力不同,起跑线、跑道、天气都得一样”作类比。▲重复实验的意义:设置重复组(如每个菌种做3个平行实验)可以避免偶然因素导致的误差,使结果更可靠。认知说明:这是培养学生严谨科学态度的重要环节。任务二:菌种“亮相”与预处理教师活动:“我们的‘选手’们已经就位,在比赛前,先让我们认识一下它们。”指导学生利用显微镜观察课前采集的样本(如水果皮浸出液、老面液)及商业酵母悬液,寻找椭圆或圆形的单细胞个体(酵母菌)。通过显微投影对比展示典型形态。“大家看到了吗?这些就是今天的主角。虽然看起来模样差不多,但‘内力’可能天差地别。”随后,讲解并演示菌种的活化与稀释步骤:将各样本接种到等量无菌培养液中,置于适宜温度下活化一段时间,以确保所有“选手”在比赛前都处于相似的活性状态。“这一步就像运动员赛前的热身,至关重要,不然比赛结果就不公平了。”学生活动:按照规范制作临时装片,在显微镜下寻找并观察酵母菌细胞,绘制简图;在教师指导下,完成对各自采集菌种的活化操作,并做好标签;思考并理解“活化”对于控制实验变量的意义。即时评价标准:1.操作规范性:显微镜使用、装片制作、无菌操作(如取液前灼烧接种环)是否规范。2.观察与记录:能否在视野中准确识别酵母菌,并清晰记录其形态特征与样本来源。3.理解与关联:能否口头解释“活化预处理”是为了控制实验中的哪一类变量。形成知识、思维、方法清单:★酵母菌的形态识别:酵母菌是单细胞真菌,常见呈卵圆形或球形,具有细胞壁、细胞膜、细胞核、液泡等结构。教学提示:强调其真核生物的本质,与细菌区分。★微生物培养的基本操作:包括无菌操作概念、菌种活化(使休眠菌体恢复旺盛代谢状态)的意义。易错点:学生易忽视操作中的污染控制,需反复强调。▲实验中的系统误差控制:除了方案设计中的变量控制,在实验操作前对材料进行标准化预处理(如统一活化),是减少系统误差、保证比较公平性的关键实践。任务三:启动“发酵竞赛”与数据采集教师活动:“热身完毕,比赛正式开始!”监督并指导各小组按照共同议定的方案,将等量、已活化的不同来源酵母菌液,分别加入盛有等量、同浓度葡萄糖培养液的锥形瓶中,迅速连接好排水集气装置,并同时放入恒温环境(如30℃水浴)。“大家注意,所有组的‘发令枪’就是放入恒温箱的那一刻,时间记录要精确。接下来,我们要做的就是当好公正的‘计时员’和‘记录员’。”引导学生确定统一的数据记录时间点(如每5分钟或10分钟),观察并记录各装置中收集到的气体体积。教师巡回,及时纠正操作失误,并提醒学生注意观察现象差异。“看,有些瓶子里的气泡冒得可真欢快,气体收集得很快;有些则相对‘沉稳’。这些现象都要忠实记录下来。”学生活动:小组分工协作,严格按照标准化流程接种、连接装置、设定恒温;在规定时间点,同步读取并记录各锥形瓶对应的量筒中气体体积;同时观察气泡产生速率等定性现象,并记录在案。即时评价标准:1.操作同步性与规范性:是否做到同时开始实验,装置连接是否严密,有无漏气。2.数据记录的及时与准确:是否在预定时间点准时读数,记录是否清晰、完整。3.团队协作效率:组内分工是否明确,操作是否井然有序。形成知识、思维、方法清单:★发酵过程的宏观表现:酵母菌无氧呼吸(发酵)产生二氧化碳气体,是导致面团膨胀、收集到气体的直接原因。应用实例:排水集气法是定量测量气体产生的常用方法。★定量数据的获取:科学实验依赖准确、及时的数据记录。时间、体积等数据的测量务必精确,这是后续分析的基石。▲实验现象的多元化观察:除了定量数据(产气量),定性观察(如气泡产生快慢、培养液浑浊度变化)也能为结果分析提供重要辅助信息,应鼓励学生全面记录。任务四:数据分析与初步结论教师活动:数据采集阶段结束后,“现在,我们手头有一堆数据,就像挖到了矿石,需要提炼才能变成宝藏。”指导各小组将本组数据整理到统一的表格中,并尝试绘制“时间产气量”折线图或“菌种最终产气量”柱状图。“请大家对比图表,小组内讨论:哪种或哪几种来源的酵母菌表现出更强的发酵效能?你们的数据支持这个判断吗?有没有什么‘意外’发现?”组织小组间分享数据与初步结论,特别关注那些结果与普遍认知(如商业酵母应最强)或组间不一致的情况。“诶,三组的数据显示他们从葡萄皮上采的菌种后来居上,超过了商业酵母初期!大家想想,可能是什么原因?这说明了什么?”学生活动:整理、计算本组数据,尝试用图表进行可视化呈现;基于图表,小组讨论分析发酵效能的差异,并尝试用科学语言描述结论(如“在实验条件下,来源于XX的酵母菌,在最初30分钟内产气速率最快…”);倾听他组汇报,对比数据异同,参与全班讨论。即时评价标准:1.数据处理能力:能否将原始数据正确整理并转化为直观的图表。2.证据意识:得出的结论是否严格基于本组的实验数据,能否指出数据中的具体证据。3.批判性思维:在讨论“意外”结果时,能否提出合理的假设性解释(如菌种适应性、采样污染可能性等),而非轻易否定数据。形成知识、思维、方法清单:★数据呈现与初步分析:图表是呈现数据规律、辅助分析的强大工具。教学提示:引导学生关注曲线的斜率(代表速率)和平台期(代表反应完成或底物耗尽)。★基于证据的结论表述:科学结论的表述应严谨,明确指出结论成立的条件(“在本实验条件下…”),并与展示的数据证据直接关联。易错点:学生常将“看到的现象”直接等同于“结论”,需引导其进行概括和推理。▲对异常数据的科学态度:实验结果与预期不符是科学探索中的常事。这并非失败,而是深入探究的新起点。应引导学生分析可能原因(操作误差、菌种特性、未知变量等),培养开放、求实的科学态度。任务五:联系、拓展与反思教师活动:在学生基于实验数据分析的基础上,进行升华与拓展。“我们的‘微观竞赛’暂告段落,但它和我们的‘宏观’生活有什么联系呢?”引导学生思考:不同发酵面食的风味差异(如老面馒头的微酸)、不同地域传统酒类的特色,是否可能与本土独特的酵母菌种有关?“这让我们想到,我们身边可能就蕴藏着未被充分开发利用的微生物资源宝库。”接着,引导学生回顾整个探究过程:“请大家在心里默默复盘,从提出问题到得出初步结论,我们经历了哪些关键步骤?哪个环节你觉得最有挑战性?如果让你重新设计一次,你会在哪里改进?”最后,简要介绍现代发酵工业中如何筛选和培育高产菌种,将学生的实践活动与前沿科技联系起来。学生活动:结合生活经验和实验发现,讨论本土酵母菌资源的价值与保护意义;在教师引导下,口头或简单书面梳理科学探究的一般流程;反思本组在实验设计、操作或协作中的得失,思考优化方案。即时评价标准:1.知识迁移能力:能否将实验结果与生活、生产中的实际例子进行合理关联。2.过程梳理能力:能否较为完整地概括出本次科学探究的主要环节。3.反思深度:反思是否触及具体操作、思维方法或团队协作的实质层面。形成知识、思维、方法清单:★发酵技术的应用与价值:酵母菌发酵广泛应用于食品工业(面包、馒头、酿酒)、饲料工业等,是生物技术的重要分支。▲本土生物资源:自然环境(包括传统发酵环境)中蕴藏着丰富多样的微生物菌种资源,它们可能具有独特的性能(如特殊风味、耐受力),是宝贵的自然与文化遗产。★科学探究的一般过程:通常包括提出问题、作出假设、制定计划、实施计划、得出结论、表达交流等环节。本课完整地实践了这一过程。认知说明:这是超越具体知识、掌握科学方法的元认知提升。第三、当堂巩固训练

基础层(全体必做):1.判断:在比较不同酵母菌发酵效果的实验中,除酵母菌来源不同外,培养液的温度、浓度和体积都必须相同。()2.选择:酵母菌发酵产生气体使面团膨松,该气体是()A.氧气B.氮气C.二氧化碳D.水蒸气。

综合层(大多数学生完成):呈现一份某研究小组“探究温度对酵母菌发酵影响”的实验方案草图,其中存在2处明显的变量控制错误。请学生以“科学顾问”身份指出错误并说明理由。

挑战层(学有余力选做):基于本课实验,有同学提出新猜想:“水果表皮酵母菌发酵可能产生不同于商业酵母的风味物质”。请你设计一个非常简略的思路,如何(在不使用复杂仪器的情况下)初步验证这个猜想?

反馈机制:基础题通过全班齐答或手势反馈快速诊断;综合题采用小组互评后教师讲解典型错误案例的方式;挑战题邀请有想法的学生口头简述思路,教师给予肯定并提示其思考的合理性与局限性(如风味物质鉴别的粗略方法——感官评鉴结合对照),保护其探究热情。第四、课堂小结

“同学们,今天的寻菌探酵之旅即将到站。现在,给大家两分钟时间,和你的组员一起,用关键词或者简易的流程图,在白纸上梳理一下我们今天这节课的‘探险地图’。”邀请12个小组展示他们的总结,教师在此基础上,用板书形成结构化的知识方法网络图,清晰呈现从“核心问题”到“探究实践”再到“结论联系”的逻辑主线。“大家看,我们不仅认识了酵母菌这位老朋友的新侧面,更重要的是体验了一把科学家如何工作——用严谨的设计控制变量,用精准的操作获取数据,用理性的头脑分析证据。这才是今天最大的收获。”

布置分层作业:1.必做:完善本组实验报告,重点完成“数据分析与结论”部分。2.选做A(拓展):尝试用本组发酵效能最佳的菌种(或商业酵母对照),在家人的协助下制作一小份面食,观察并记录其效果。3.选做B(探究):查阅资料,了解一种我国(或本地区)传统的发酵食品(如豆瓣酱、泡菜),简述其制作过程中主要利用了哪些微生物,以及蕴含的智慧。六、作业设计

基础性作业(必做):1.整理课堂笔记,准确复述酵母菌发酵的原理(写出反应式)。2.完成学习任务单上的实验数据整理表,并根据本组数据,用一句话陈述一个基于证据的发现。

拓展性作业(建议大多数学生选择其一):1.“家庭面包师”计划:利用商业酵母或(在安全卫生前提下)尝试用课上筛选的活性较好的自制菌种(需经教师确认),完成一次面包或馒头的制作实践,用照片和简短文字记录过程与成品,并与家人分享品尝感受,思考发酵成功的关键因素。2.“发酵技术畅想”小报:以“酵母菌的魔力”为主题,制作一张A4大小的科普小报,内容需包含酵母菌的科学知识、在生活中的应用,并发挥想象,描绘一项未来可能基于酵母菌的新技术或产品。

探究性/创造性作业(选做):1.“菌种适应性”微探究:有同学提出,从果园土壤分离的酵母可能更适应酸性环境。请设计一个探究“不同pH值对某本土酵母与商业酵母发酵效果影响差异”的简要方案(只需写出研究问题、自变量、因变量、控制变量及基本思路)。2.“传统技艺的现代解读”:选择一项本地非遗或特色传统发酵技艺,通过访谈长辈、查阅地方志或网络资料,撰写一份300字左右的简介,重点分析其生物学原理,并谈谈你对传承与创新这类技艺的看法。七、本节知识清单及拓展★1.酵母菌的身份与结构:酵母菌是一种常见的单细胞真菌,属于真核生物。其细胞具有典型的细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核和明显的液泡。教学提示:与细菌(原核)进行区分,强调其“真菌”的分类地位。★2.酵母菌的营养方式:酵母菌不含叶绿体,不能进行光合作用,其营养方式为异养,主要以腐生方式生活,依靠吸收外界现成的有机物(如葡萄糖)来维持生命活动。★3.呼吸作用的两种类型:酵母菌的呼吸作用具有多样性。在有氧条件下,进行有氧呼吸,将葡萄糖彻底分解为二氧化碳和水,释放大量能量;在无氧条件下,则进行无氧呼吸(即发酵),将葡萄糖分解为二氧化碳和酒精(乙醇),释放少量能量。★4.发酵作用的原理与应用:本课所指“发酵”特指酵母菌的无氧呼吸。反应简式为:葡萄糖→酒精+二氧化碳+少量能量。产生的二氧化碳气体是面团膨松、啤酒起泡的直接原因;酒精则贡献了酒类饮品的基本风味。★5.科学探究的核心:对照实验:探究某一因素(自变量)对结果(因变量)的影响时,需要设计对照实验,遵循单一变量原则,即除自变量不同外,其他所有可能影响结果的变量(无关变量)都必须保持相同且适宜。这是实验设计严谨性的基石。★6.变量的识别与控制:在“比较酵母菌种发酵效果”实验中,自变量是酵母菌的来源;因变量是发酵效果(如产气量);需要控制的无关变量包括温度、营养液浓度与体积、接种量、发酵时间等。控制这些变量是保证比较公平性的关键。▲7.数据的定量收集方法:排水集气法是一种常用的收集和测量难溶于水的气体(如二氧化碳)体积的方法。实验中要注意装置的气密性,并确保读数时内外液面相平。★8.数据处理与呈现:将实验获得的数据整理成表格,并进一步转化为图表(如柱状图、折线图),有助于更直观地发现数据间的关系和规律,是分析得出结论的重要步骤。▲9.结论表述的规范性:科学结论应基于实验证据,并通常限定条件。例如:“在本实验条件下(如30℃,5%葡萄糖溶液),来源于老面团的酵母菌在前30分钟内的产气速率高于商业活性干酵母。”★10.微生物培养的基本要求:培养微生物通常需要提供适宜的营养物质、温度、pH等条件。实验中“活化”菌种,就是提供适宜条件使休眠或代谢缓慢的菌体恢复旺盛生长状态,以确保实验起点的活性一致。▲11.本土微生物资源:不同的自然环境(土壤、水果表面、传统发酵作坊)中可能蕴藏着特性各异的微生物菌种,这些本土菌种在适应性、代谢产物等方面可能具有独特价值,是生物多样性的一部分。★12.发酵技术的社会价值:以酵母菌发酵为代表的生物技术,广泛应用于食品工业(烘焙、酿酒、调味品)、生物能源(燃料乙醇)、医药(抗生素生产)等领域,与人类社会发展和生活品质提升密切相关。八、教学反思

(一)教学目标达成度分析:从当堂巩固训练反馈和小组汇报情况看,知识目标(酵母菌发酵原理)与能力目标(设计对照实验)的基础层面达成度较高,约85%的学生能准确辨析变量并规范操作。情感目标在课堂讨论中有所体现,学生对“本土菌种”产生了明显兴趣。然而,科学思维目标中的“基于数据的推理”深度稍显不足,部分学生在解释数据差异时,仍停留在现象描述,未能深入关联菌种特性与环境适应性等生物学概念。元认知目标中的反思环节因时间关系略显仓促,多数学生仅停留在“操作是否顺利”层面,对“思维策略”的反思引导不足。

(二)核心环节有效性评估:“任务一(方案设计)”的集体论证环节效果突出,通过框架图留白和生生互评,有效暴露并修正了学生在变量控制上的典型错误思维。“任务三(实验实施)”中,尽管进行了标准化演示,但仍有约30%的小组在装置连接或同步计时上出现小瑕疵,导致组间数据可比性受到轻微影响。这提醒我,对于复杂操作流程,仅靠一次演

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