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文档简介

产教融合视域下智能建造背景土方开挖工程“工地课堂”双师协同教学教案

一、课程基础与教学设计哲学

(一)课程定位与学科背景

本教案适用于高职建筑工程技术专业二年级核心课程《建筑施工技术》模块二“土方与基础工程”中的核心单元。授课对象为已完成《建筑制图与识图》《建筑力学》《建筑材料》前序课程学习的高职学生。本单元在衔接理论与实践、校内学习与岗位胜任力之间具有枢纽地位,是学生首次以“准技术员”身份介入工程实体建造逻辑的关键节点。【核心★★★★★】依据职业教育专业教学标准及建筑工程施工职业资格标准,本设计将学科体系中的土力学理论、规范体系中的强制性条文、岗位工作中的工艺流程与质量验收标准进行三维重构,彻底打破学科中心课程的知识排列方式。

(二)课标依据与设计理念

本设计严格对标《高等职业教育专科建筑工程技术专业教学标准》中“能够参与施工组织设计编制、能够进行施工质量检查与验收”的能力要求,并深度融合2025年新版《建筑与市政工程施工质量控制通用规范》及《建筑基坑工程监测技术标准》的最新修订条款【重要】。设计哲学确立为“工程逻辑即教学逻辑、岗位任务即学习任务、职业素养即评价标准”,将传统的“土方开挖课件”从知识呈现工具升维为“工程情境响应系统”。设计严格遵循行动导向教学法,以中建三局某校区新建综合教学楼±0.00以下真实工程为载体,将课堂搬至工地塔吊阴影下,实现“工程干到哪,课就讲到哪”的同频共振模式【热点】。

(三)跨学科统整视野

本设计突破传统土木施工课程单一技术逻辑,系统整合工程测量技术中的水准仪与RTK放样、工程地质与土力学中的边坡稳定计算、建筑机械中的智能挖掘机控制原理、项目管理中的流水施工参数、建筑信息模型中的施工模拟技术,形成以“土方系统工程”为锚点的跨学科知识网络。这是对传统“土方开挖=挖土机+放坡”陈旧认知的根本性超越【难点】。

二、教学内容重构与核心要点罗列

(一)知识体系全图谱【应列尽罗】

依据项目化教学要求,将本单元知识解构为四大模块、十七个知识节点、四十六个技能点,并依据其在职业资格考试与岗位工作中的权重进行星级标注。

1.土方工程认知基础模块

[1]土的工程分类与现场鉴别方法:根据《建筑地基基础设计规范》及岩土勘察报告,掌握碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土的现场手感鉴别与开挖难易程度分级【基础】。

[2]土的物理性质指标及其工程意义:重点掌握天然密度、干密度、含水率对开挖与压实的影响【重要】。核心掌握土的可松性系数(最初可松性系数Ks、最终可松性系数Ks’)及其在土方调配、运输车辆数量计算、场地标高调整中的工程应用【核心★★★★★】【高频考点】。

[3]基坑(槽)土方量计算:方格网法计算场地平整土方量、断面法计算基槽土方量、拟柱体公式计算基坑土方量【难点】。

2.土方施工技术决策模块

[4]地下水控制技术体系:集水明排适用条件与构造做法;轻型井点降水系统的平面布置、高程布置、涌水量计算与设备选型【核心★★★★★】;管井井点施工要点;降水引起的周边环境沉降机理及回灌技术、抗浮锚杆施工配合【热点】【难点】。

[5]边坡稳定与基坑支护体系:无支护放坡开挖的坡度确定原则(不同土质、不同开挖深度对应的坡率);有支护开挖的支护结构类型及适用工况——土钉墙、水泥土重力式挡墙、排桩(灌注桩、预制桩)、地下连续墙、型钢支撑、钢筋混凝土支撑【重要】。重点区分“支”与“护”的力学机制差异。

[6]土方开挖机械选型与作业参数:正铲挖掘机、反铲挖掘机、抓铲挖掘机、装载机、推土机、铲运机的作业特点与适用工况;挖掘机与自卸汽车配套计算(斗容匹配、车数匹配、行走路线优化)【高频考点】。

[7]智能建造技术前沿:无人挖掘机自动作业系统原理(激光雷达SLAM建图、北斗RTK定位、轨迹规划算法);挖掘机远程操控平台;基于BIM的土方开挖施工模拟与数字孪生【热点】【思政映射】。

3.土方施工执行标准模块

[8]土方开挖工艺流程精细化解读:测量放线(轴线引测、标高控制桩)→地表清理→降排水系统运行→分层分段开挖→基底保护层预留(200-300mm人工清底)→验槽【核心★★★★★】。

[9]深基坑开挖的时空效应法则:分层厚度控制(每层≤2.0m)、分段长度控制、开挖后暴露时间控制(≤24h)、垫层紧跟工艺【重要】【施工禁忌】。

[10]基坑监测信息化施工:监测内容(支护结构位移、沉降、深层水平位移、锚杆轴力、地下水位、周边管线沉降、周边建筑物倾斜);报警值设定原则;监测频率与危险工况紧急处置预案【核心★★★★★】【安全红线】。

[11]冬雨期土方施工技术:雨期边坡防护塑料布覆盖、场区排水;冬期冻土开挖、回填土防冻技术。

4.质量验收与成品保护模块

[12]土方开挖质量验收标准:标高偏差(基槽0~-50mm)、长度/宽度偏差(-50~+200mm)、边坡坡率(不允许偏陡)、基底土性不得扰动【强制性条文】【高频考点】。

[13]地基验槽程序与内容:施工单位自检→监理组织五方验槽(勘察、设计、建设、监理、施工);观察法(验土质、验老土层、验软弱下卧层、验空穴);钎探法与轻型动力触探布点要求及异常点处理【重要】。

[14]局部不良地基处理技术:局部软土换填级配砂石(压实系数≥0.94)、局部硬土挖除超挖部分C15混凝土填筑、松土坑处理工艺【高频考点】。

[15]土方回填工程质量控制:回填土料选择禁用清单(淤泥、膨胀土、有机质>5%、含水溶性硫酸盐>5%);压实机具选择(蛙式打夯机、振动压路机);压实遍数与含水率控制(手握成团、落地开花);环刀取样测干密度【核心★★★★★】。

5.安全与职业素养模块

[16]基坑工程危险源辨识与防控体系:基坑边缘荷载控制(≥2m距离、≤1.5m堆高);临边防护栏杆搭设标准;人员上下专用通道;坍塌与高处坠落预防措施【红线】。

[17]绿色施工与环境管理:渣土运输车辆冲洗、扬尘在线监测与喷淋联动、施工噪声控制、建筑垃圾减量化与分类处置【思政映射】。

(二)教学重点与难点靶向分析

【重点】土方工程工艺流程的逻辑闭环与质量控制标准的规范应用。确立依据:土方工程虽技术难度低于主体结构,但处于工程前端,一旦出现超挖、浸泡、扰动或边坡失稳,后续基础工程将产生不可逆的质量隐患,甚至引发重大安全事故。教学处理策略:通过“规范条文—现场实景—事故案例”三重印证,将枯燥的数据转化为风险认知。

【难点】土方工程量计算与机械配套计算的工程思维养成。确立依据:方格网计算涉及大量空间想象与逻辑步骤;机械配套需综合考虑工期、运距、斗容、道路条件等多变量,传统课堂讲授极易导致“听得懂、算不对、不会用”。教学处理策略:引入真实地形图与施工进度计划,在仿真环境中完成“计算—决策—修正”的完整闭环。

【核心素养】智能建造时代对“传统工艺数字化升级”的认知迭代。通过无人挖掘机、BIM模拟等触点,打破学生对建筑业“搬砖、抹灰、开渣土车”的刻板印象,树立“中国建造”技术自信【热点】【思政】。

三、教学目标体系矩阵

(一)总体目标

对接施工员、质量员、安全员岗位核心能力,培养能够依据图纸、规范及施工方案,独立组织土方作业队组完成从测量放线至验槽交底全流程施工管理的技术技能人才。

(二)分层目标

1.知识目标(K1-K4)

K1:复述土方开挖工艺流程七步骤及每步验收要点【基础】。

K2:解释基坑监测项目、测点布置原则及报警值的设定逻辑【重要】。

K3:根据地质勘察报告和周边环境条件,正确选择开挖方案与支护类型【核心】。

K4:运用方格网法完成给定场地平整的土方量计算及土方调配表编制【难点】。

2.技能目标(S1-S4)

S1:规范操作水准仪与RTK进行基槽平面位置及标高复核,正确填写施工测量记录【重要】。

S2:识别并分析基槽暴露后基底土质异常(橡皮土、扰动土、古墓、洞穴等),模拟验槽会签流程【核心】。

S3:编制基坑监测点布置草图及监测频率计划表,依据监测数据判断基坑安全状态并撰写预警报告【核心】。

S4:在虚拟仿真环境中完成反铲挖掘机“退挖”作业及自卸汽车装车动线优化【拓展】。

3.素养目标(A1-A3)

A1:质量意识——坚守“严禁超挖、严禁扰动基底、严禁泡槽”三条红线的职业底线【红线】。

A2:安全伦理——建立“基坑工程是可感知风险的动态系统”的安全哲学,将规范遵守内化为行为自觉【思政】。

A3:创新精神——感知智能建造技术对传统施工方式的颠覆性变革,形成技术迭代的终身学习自觉【热点】。

四、教学实施过程深度设计(核心篇幅)

本设计采用“三阶九环”沉浸式工地课堂教学模式,总学时4课时(180分钟),其中工地现场实景教学2课时,信息化测绘与虚拟仿真训练1.5课时,双师点评与素养升华0.5课时。

(一)课前赋能——云端预学与工程画像【前置学习30分钟】

1.工程概况数据包推送:依托学习通平台推送校本部新建综合教学楼工程项目概况。该工程地下1层,基坑开挖深度5.2m至6.8m(局部电梯井落深),基坑周长286m,土方总量约18500m³。地质报告揭示土层依次为:①杂填土0.8-1.2m;②粉质粘土2.5-3.0m,可塑;③淤泥质粉质粘土1.8-2.5m,软塑;地下水位埋深-1.5m。推送内容包含:基坑平面图、地质柱状图、支护设计图纸(土钉墙+桩锚结合)、施工组织设计进度计划节选。要求学生完成:观看微课《土方工程七十二变》,完成土的工程分类与可松性系数前测练习【基础】。

2.任务驱动:发布核心引导问题——“假如你是本项目土方施工员,后天就要开始挖土了,从此刻到正式开挖你需要落实哪十项准备工作?”要求学生以小组为单位在学习平台提交清单,作为课堂研讨的认知起点【重要】。

(二)课中实施——工地现场与双师对话【180分钟沉浸场】

环节一:情境导入·工程脉搏(15分钟)【工地现场·基坑临边安全区】

企业导师(项目生产经理)与学生共同站立于基坑临边防护栏杆内侧硬化路面上,脚下即是正在收尾的土方作业面与正在进行垫层浇筑的核心区。导师手持扩音器,以真实场景作“活教材”:“同学们请看,你们左手的区域前天还在进行最后一层土方的清运,右手的独立基础区域垫层已经浇筑完成,正在绑扎基础钢筋。这就是我们工程的节奏——土方、垫层、基础交叉流水。”【双师对话场】

校内专任教师顺势点题:“今天我们课程的标题不是‘书本上的土方开挖’,而是‘我们工地的土方开挖’。请大家打开手机里的图纸软件,对照我们脚下的实际位置,找到基坑南侧1-1剖面,今天的学习就从这里开始。”本环节实现三个“真实”:真实工地、真实进度、真实责任人。学生的认知从虚拟情境切换为真实工程身份,情绪被迅速卷入【思政·劳动教育】。

环节二:任务拆解·识图与交底(25分钟)【工地会议室/集装箱学堂】

师生转移至工地集装箱式智慧教室,墙面悬挂基坑支护结构施工图及监测点平面布置图。教师采用“图纸—现场—规范”三对照教学法。

任务一:基坑开挖尺寸复核。教师出示总包单位提供的轴线控制桩引测记录,要求学生分组(5组,每组6人)依据图纸标注的基坑底口尺寸、放坡坡率、工作面宽度,反算基坑上口开挖线坐标,并与现场实际灰线位置比对。学生使用CAD手机版快速量取距离,发现现场上口线较理论计算值外扩约30cm。企业导师释疑:“这是考虑到土钉墙施工期间作业面及排水沟设置的预留富余量,规范允许正值偏差。你们能发现这个差异,说明图纸看进去了!”本任务植入【高频考点】基坑开挖边长偏差允许值(-50mm~+200mm)【核心】。

任务二:施工技术交底文件审读。每组发一份《土方开挖专项施工方案》节选(含工艺流程、机械行走路线图、分层厚度示意)。教师设定审读焦点:

[1]开挖顺序为何采用“盆式开挖”而非“岛式开挖”?——引导学生结合基坑面积较大、两道内支撑的布置特点进行分析,理解“先撑后挖、限时支撑”原则【难点】。

[2]挖掘机作业停靠点为何选在基坑东北角下坑坡道处?——引导学生从出土口位置、场内交通动线、长臂挖掘机作业半径三维视角进行空间思维训练。

各小组将审读发现的关键控制点写在大白纸上进行“方案审读一分钟发布”,企业导师逐一点评,重点纠正“只知工艺不知逻辑”的浅层学习【核心★★★★★】。

环节三:核心技术·边坡与降水(30分钟)【工地实景+虚拟仿真】

本环节聚焦“土方开挖的两大命脉”——边坡稳得住、水位降得下。

1.边坡稳定性的现场验证【重要】。教师带领学生返回基坑南侧,此处基坑深度6.2m,采用1:0.6放坡。教师提问:“依据《建筑地基基础工程施工规范》,粉质粘土坡率允许值为1:0.5~1:1.0,这里取1:0.6。如果土质变为淤泥质土,还能不能维持这个坡度?”学生现场观察土层断面,结合地勘报告描述,理解土体抗剪强度指标与坡率的函数关系。企业导师穿插讲解土钉墙施工过程:钻孔→安设土钉→注浆→挂网→喷射混凝土。学生触摸坡面钢筋网片与泄水孔,直观理解“护面+锚固”的双重机理。

2.降水系统的全流程解剖【核心★★★★★】。基坑周边布置17口管井,井径600mm,井深15m。教师带领学生察看降水井构造:井管、滤管、沉砂管、回填滤料、黏土封口。重点讲解:

[1]地下水位降至工作面以下0.5m的强制性规定——现场实测水位管数据,屏幕同步显示当前水位标高-6.8m,作业面标高-6.3m,满足规范【高频考点】。

[2]降水与开挖的穿插逻辑:降水提前7天开启→水位达标→土方开挖→垫层封闭后逐步停泵。

[3]环境安全伦理植入:教师引导学生关注基坑周边2倍深度范围内的建筑物沉降观测点,讲解“降水必然引起沉降,沉降必须得到控制”的辩证关系,介绍回灌井点技术作为补偿措施【思政·工程师责任】。

环节四:智能建造·无人挖掘机与数字孪生(25分钟)【智能设备展示区】——【热点】【思政巅峰】

此环节为全课“认知冲突”设计点。企业导师指挥一台XE950GA型无人挖掘机进行静态动作演示,操控台实时显示三维建模画面与北斗定位数据流。学生围观并发问,教师提炼三个思辨维度:

[1]效率与精度:无人挖掘机如何实现厘米级高程控制?(激光雷达扫描+预设数字地形模型+闭环控制算法)——引申:智能建造不是替代人,而是将人的经验转化为数据模型。

[2]安全与减碳:无人作业如何规避基坑坍塌风险?(预设电子围栏,机械臂不得超越警戒线)——引申:本质安全与绿色建造。

[3]职业变迁:20年前工长需要会算土方量,10年前需要会BIM,今天需要会解读算法输出的作业参数。未来的施工员需要什么样的知识结构?——现场引发深度讨论,一名学生回应:“我们要学会和机器对话,更要懂机器为什么这样干。”教师总结:智能建造时代,对工艺原理的理解不是弱化了,而是要求更高了【思政·创新精神】。

环节五:核心技能·测量放线与基底人工清槽(30分钟)【实训工位+分组操练】

返回工地实训区模拟基槽,学生分组实操两项关键技能。

技能1:基底标高控制与水准仪闭合测量。模拟基底设置5个方格网角点,每组学生使用水准仪以“后视—前视—转点”流程测量各点实际标高,计算与设计标高(假设为-6.500m)的差值,判定是否超挖(允许0~-50mm)。有小组测得某点-6.558m,判定为超挖。教师追问:“超挖了怎么办?回填土行不行?”学生结合规范回答:“严禁回填原土,必须用碎石、低标号混凝土或砂石换填至设计标高。”【核心技能】【施工禁忌】。

技能2:基底保护层预留与人工清底模拟。传统教学中该环节仅是“听概念”,本设计将其具象化为“拉线—插钎—挂线—铲平”的全工序仿真。学生在模拟基槽内先用小白灰标记出电梯基坑轮廓线,随后使用平头铁锹进行“严禁扰动原状土”的精细找平训练。企业导师示范:“清底不是刮地皮,是切豆腐——一层一层薄薄地切。”手把手传授手感经验,学生深刻体会“三分机械,七分人工”的工艺哲学【双师协同·经验传递】。

环节六:关键工序·地基验槽全流程模拟(25分钟)【角色扮演+公文写作】

本环节设计为跨学科综合实训,融合专业知识、沟通表达与法律程序。

1.验槽前资料准备模拟。每组领取虚拟资料袋,内含岩土勘察报告(节选)、基础平面图、钎探记录表。要求学生在5分钟内快速检索三组信息:①持力层土质与地勘报告是否相符;②基底是否落在老土层上;③钎探记录中是否存在异常击数点。学生汇报检索结果,教师指出“验槽不是走形式,而是带着疑问去看、去探”【高频考点】。

2.五方验槽会议角色扮演。各小组分别扮演建设、监理、勘察、设计、施工主体。由“监理工程师”主持验收会议,“施工单位”汇报自评报告,“勘察单位”核对基底土质,“设计单位”确认地基承载力。扮演过程中必须使用规范术语,如:“本工程地基持力层为③层粉质粘土,勘察报告提供承载力特征值fak=180kPa,经现场观察,土质均匀、无扰动,与地勘报告基本相符。”【重要】

3.验收记录表填写与会签。每名组员在《隐蔽工程验收记录》相应栏签字。教师强调:签下名字即意味着终身责任,这就是工程师的契约精神【思政·职业敬畏】。

环节七:数据驱动·基坑监测与预警(20分钟)【信息化教学】——【核心★★★★★】

1.监测日报判读。屏幕投影上周基坑监测日报(真实脱敏数据),其中第12号测斜孔显示深层水平位移单日变化量2.1mm,累计值28.5mm,控制值为30mm。教师要求学生以“项目技术员”身份撰写一份《基坑安全状态评估简讯》,包含“数据解读—趋势研判—处置建议”。学生小组研讨后形成意见:“接近报警值,应加密监测频率至1次/日,巡视检查支撑体系是否存在异常。”【高频考点】【难点】

2.突发工况应急演练。教师发布突发工况:“假设今日17时,暴雨,监测系统触发红色预警,基坑南侧冠梁水平位移单日增量达8mm。”学生以小组为单位,在90秒内口述紧急处置流程。必须包含以下要素:①立即停止开挖;②坑内作业人员撤离;③坑顶卸载(转移堆载);④增设临时支撑或反压土方;⑤通知设计单位复核。本环节训练危大工程应急决策思维【安全红线】。

环节八:算量决策·土方平衡与机械配套(30分钟)【难点攻坚】——【高阶思维】

本环节回到集装箱学堂,采用“半成品”任务教学法。教师提供基坑网格图及网格角点自然标高、设计标高,但刻意删除“零点位置”及部分已计算土方量。学生分组接力完成:

[1]方格网法计算各角点施工高度及零点连线;

[2]采用四棱柱法(全挖/全填)、三棱柱法(角点部分填挖)分别计算挖填方量;

[3]依据最初可松性系数Ks=1.15,计算松散状态下的外运土方量;

[4]依据最终可松性系数Ks’=1.03,计算回填需预留的虚方量;

[5]给定自卸汽车车厢容积12m³,每日工作8小时,单车往返时间25分钟,计算机械数量。

教师不直接给出答案,而是巡回介入,对存在认知困难的组进行“脚手架”提示,如:“可松性系数乘在谁头上?——天然密实土Vs松散土”【核心★★★★★】。企业导师现场介绍:“我们项目实际用了6辆渣土车,但你们算出来是7辆,为什么?因为考虑了现场会车等待、雨天停工等效率系数。书本理论是理想状态,工程决策要在理想模型上加一个‘经验系数’。”至此,理论与实践在决策层面深度融合【难点攻克】。

环节九:复盘升华·双师点评与素养固化(10分钟)

1.企业导师视角复盘:“今天我从你们身上看到两种潜力,一是刚才验槽模拟时,有个组提出设计图纸的基底标高与地勘报告建议的持力层切入深度有3cm矛盾,这确实是我们前几天才解决的问题,说明你们真把图纸看进去了。二是无人挖掘机演示时,你们问‘地形数据怎么更新’,这个问题我都被问住了,回去要请教工程师。这就是我要的——不怕你不懂,就怕你连问什么都问不出来。”【情感共鸣】

2.校内教师知识建模:师生共同在手机端绘制本堂课的思维导图,教师以“人、机、料、法、环”五维管理框架归纳土方工程管理要素。最后以三句话结束课程:①土方是建筑的地基,诚实是工程师的地基;②规范上的数字是冷冰冰的,它守护的生命是热腾腾的;③工地是最好的课件,你们是最好的未来工程师【思政·价值引领】。

(三)课后拓展——数字孪生与项目延展

1.虚拟仿真任务:登录施工技术虚拟仿真平台,完成“深基坑土方开挖”单元综合实训。系统随机生成不同地质条件、周边环境、基坑尺寸的组合工况,学生需完成支护选型、降水设计、开挖方案制定、机械选型、进度计划编制五关挑战。平台自动生成能力雷达图【拓展】。

2.真实项目作业:跟踪校本部新建教学楼下一施工节点——基础底板大体积混凝土浇筑。预习大体积混凝土裂缝控制理论,并尝试编写一份针对该工程基础底板的混凝土浇筑旁站记录表【前置学习】。

3.课程思政作业:访谈一位工地上的老施工员,请他讲述一个印象深刻的“土方故事”(可以是事故教训,也可以是技术革新),撰写500字访谈手记【思政·传承】。

五、教学资源与信息化赋能

(一)活页教材与数字化资源

本单元摒弃统编教材固定章节的线性叙事,采用新型活页式工作手册。手册包含:①项目任务书(真实图纸与施工方案);②信息页(土方工程核心知识图谱与规范索引);③工作页(工程量计算表、机械配套计算表、监测数据判读表);④评价页(自评、互评、师评量规)。配套资源库包含:土方工程三维施工工艺动画库(基坑支护、降水运行、机械作业);国家教学资源库《地基与基础施工》精品在线课程;施工企业现场监控视频实时流接入课堂【重要】。

(二)虚拟仿真与真机实训融合

针对“深基坑坍塌”这一高危、高成本、不可逆的教学禁区,采用HTCVIVE头盔构建沉浸式事故体验场景。学生以第一人称视角经历从“违规堆载—位移突增—钢支撑崩脱—基坑失稳”的全过程,在虚拟崩溃中建立对规范红线的生理性敬畏。同时,依托校企共建的“智能建造产教融合实践基地”,配置小型挖掘机模拟驾驶舱,实现挖掘机上下坡、装车、甩方、平整等动作的仿真操作与油耗、效率数据实时评价【热点】。

六、教学评价体系重构——从知识测验转向胜任力评估

(一)过程性评价(占比60%)

本设计彻底取消传统纸质闭卷测验,采用“任务积分银行”机制。

【评价维度1】图纸识读与方案审读能力(15%):依据各小组在“方案审读一分钟发布”环节发现的图纸矛盾、方案优化点数量及质量计分【重要】。

【评价维度2】仪器操作与数据采集(15%):水准仪闭合测量精度及记录规范性,由企业导师现场签字确认【核心】。

【评价维度3】职业行为规范(15%):工地安全帽佩戴、临边警戒区行为、工完场清习惯等,实行“安全一票否决”——出现一次违规,当次实训成绩归零【红线】。

【评价维度4】团队协作与会商表达(15%):角色扮演中的专业术语使用频率、验收会议发言逻辑、组内分工协作程度【基础】。

(二)终结性评价(占比40%)

采用“综合应用测试+工程伦理答辩”形式。

【综合应用测试】提供一套从未见过的基坑施工图及地勘报告(如某地铁车站深基坑工程),要求学生4小时内完成:土方量计算、降水井数量估算、开挖方案表述、监测点布置图绘制。

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