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文档简介

初中七年级科学下册《探秘地壳物质循环:岩石、矿物与土壤的形成》教学设计

一、课程与内容深度分析

  本教学设计隶属于初中地球科学模块的核心内容,其知识脉络深植于地球系统科学这一宏大框架之中。传统的“岩石和土壤”教学往往局限于对孤立物质类型的识别与描述,未能有效揭示其作为动态地球系统关键组分的相互作用与循环本质。本设计旨在实现从静态知识传授到动态系统思维培养的范式转换,将“岩石”、“矿物”、“土壤”置于“地壳物质循环”这一核心概念之下进行解构与重构。

  从学科本体知识看,内容横跨地质学、矿物学、土壤学、环境科学乃至资源工程学的基础。其内在逻辑链条为:构成岩石的基本单元是矿物,矿物的组合与结构决定了岩石的性质;岩石在太阳能、重力能驱动下,通过风化、侵蚀、搬运、沉积、成岩等外动力地质作用,以及埋藏、变质、熔融、岩浆活动等内动力地质作用,发生着持续的转化与循环;而土壤正是这一漫长循环过程中,在特定环境条件下,由岩石风化产物与生物活动、气候、地形、时间等因素共同作用的、具有生命活性的特殊产物。理解这一循环,是理解地貌演变、资源分布、生态环境乃至全球气候变化的基础。

  从跨学科视野审视,本单元是进行STSE教育(科学、技术、社会与环境)的绝佳载体。矿物与岩石是工业文明的物质基石,其开采、利用涉及工程技术、经济学与伦理学;土壤是农业之本、生态系统之基,其保护关乎粮食安全与生态安全。此外,其中蕴含的“循环”、“平衡”、“尺度”等思想,与化学的物质转化、物理的能量流动、生物的物质循环、地理的整体性与差异性等观念高度相通,为发展学生跨学科概念体系提供了坚实锚点。

  面向七年级学生,其认知发展正处于皮亚杰理论中具体运算阶段向形式运算阶段过渡的关键期。他们已具备一定的逻辑推理能力和对宏观自然现象的好奇心,但对于需要抽象思维和时空想象的地质过程,仍存在认知困难。因此,教学设计必须架设从具象到抽象、从微观到宏观、从当下到远古的认知桥梁,通过探究性实践与建模活动,促进其科学思维的发展。

二、学习者分析

  认知基础与前置知识:学习者在小学科学课程中已初步接触过“常见的岩石”、“土壤的成分”等表象知识,能识别花岗岩、石灰岩等少数岩石类型,知道土壤中有砂、黏土、水和腐殖质。但对矿物概念模糊,对岩石分类的内在逻辑(成因)不明,对岩石与土壤之间的动态生成关系缺乏认识。在物理、化学学科中,已学习过物质的三态变化、一些简单的物理性质(如硬度、密度)和化学变化概念,这些可作为本单元知识迁移的基础。

  思维特征与学习风格:该年龄段学生思维活跃,乐于动手实验和观察新鲜事物,对多媒体动态演示和实物标本兴趣浓厚。其抽象思维和空间想象力正在发展,但对长达百万年乃至上亿年的地质时间尺度和全球性的空间尺度缺乏直观感受,容易产生“岩石是永恒的静态物体”等迷思概念。小组合作学习能力初步形成,但在数据记录、证据推理和构建解释方面需要细致的脚手架支持。

  潜在学习困难与迷思概念:

  1.难以理解“矿物”作为天然结晶体的定义,易与“石头”、“矿产”等生活概念混淆。

  2.认为岩石分类(岩浆岩、沉积岩、变质岩)是彼此孤立的类型,而非同一物质在不同条件下的转化阶段。

  3.将“岩石风化形成土壤”视为一个简单、快速的过程,忽视其中复杂的物理、化学、生物作用及其漫长的时间跨度。

  4.对地壳物质循环的驱动力(地球内能、太阳能)缺乏认识,难以建立能量与物质循环的关联。

  5.将土壤视为均一的“脏东西”,对其复杂的剖面结构、生态系统功能及不可再生性认识不足。

三、素养导向的教学目标

  基于《义务教育科学课程标准》的核心素养要求,结合本单元内容特质,设定如下三维整合的教学目标:

  (一)科学观念与应用

  1.形成“物质循环”的核心观念:能运用“地壳物质循环”模型,解释岩石、矿物、土壤之间的动态转化关系,认识到地球物质处于永不停息的运动与循环之中。

  2.建立“组成与结构决定性质”的观念:理解矿物是岩石的基本组成单元,其种类、含量和排列方式决定了岩石的物理化学性质及用途。

  3.建构“尺度”观念:认同地质过程的时间尺度(漫长)和空间尺度(宏大),理解“将今论古”的现实主义方法论在地质学研究中的应用。

  4.树立“资源与环境”意识:认识到矿物与土壤是人类赖以生存的重要自然资源,理解其有限性和不可再生性(在人类时间尺度上),初步形成合理利用与保护资源的责任感。

  (二)科学思维与方法

  1.模型建构能力:能够通过分析实物、图像和数据,小组合作绘制并阐释简化的“地壳物质循环示意图”,并利用该模型解释相关自然现象(如山脉隆起、沉积岩层形成)。

  2.分类与比较能力:能够根据成因对常见岩石进行科学分类(岩浆岩、沉积岩、变质岩),并依据关键特征(如矿物组成、结构、构造)对标本进行鉴别和比较。

  3.推理与论证能力:能够基于对当地土壤剖面或岩石风化现象的观察,结合实验数据,运用推理方法,提出关于其形成过程或历史演变的合理假设,并与同伴进行基于证据的讨论。

  4.系统思维:初步学会将岩石圈、水圈、大气圈、生物圈视为相互作用的整体,分析某一因素(如植被破坏)对土壤形成与物质循环可能产生的影响。

  (三)探究实践与创新

  1.能熟练使用放大镜、小刀、稀盐酸等工具对矿物和岩石进行系统的物理性质(颜色、条痕、光泽、硬度、断口、与酸反应)测试与记录。

  2.能设计并实施简单的模拟实验(如模拟风化、沉积层理形成),或进行为期数周的土壤形成观测实验(如将石块置于不同环境中观察变化),培养长期观察和记录的能力。

  3.能利用信息技术(如虚拟岩石薄片观察软件、数字地质地图)获取、处理和分析相关信息,辅助科学探究。

  4.能基于对校园或社区地质环境的调查,完成一份包含岩石类型识别、土壤状况评估和保护建议的微型科考报告,或设计一个“未来城市矿物循环利用”的创意方案。

  (四)态度责任与价值观

  1.激发对地球奥秘的好奇心与探索自然的内在动机,体验地质学家“阅读地球历史”的科学乐趣。

  2.在小组合作探究中,养成认真观察、实事求是、严谨记录的科学态度,以及乐于分享、尊重证据、包容不同观点的合作精神。

  3.关注本地区的矿产资源与土壤资源状况,理解“绿水青山就是金山银山”的生态理念,形成保护地质遗迹和耕地的社会责任感。

四、教学重难点剖析

  教学重点:

  1.地壳物质循环的核心过程与模型:重点阐述风化、侵蚀、搬运、沉积、成岩、变质、熔融、岩浆上升冷凝等关键环节,以及它们如何构成一个相互关联的动态系统。

  2.三类岩石的成因联系与鉴别特征:不孤立记忆特征,而是从形成过程(高温冷却、外力堆积、高温高压改造)理解其矿物组合、结构(如结晶程度、颗粒大小)、构造(如层理、片理)差异。

  3.土壤作为一个动态自然体的形成与组成:强调土壤是岩石圈、生物圈、水圈、大气圈相互作用的界面,理解其剖面层次、肥力来源及生态功能。

  教学难点:

  1.抽象地质过程的具体化与可视化:如何将发生在地球深处或跨越百万年的过程(如变质作用、岩浆活动),通过模拟实验、动态建模、数字模拟等手段转化为学生可感知、可理解的经验。

  2.“尺度”观念的建立:突破学生日常生活经验的时间与空间局限,使其真正认同并理解地质时间的“漫长”和地质作用的“缓慢”。

  3.系统思维的初步养成:如何引导学生跳出对单一岩石或土壤样本的孤立分析,转而思考其在更大时空尺度循环中的位置与角色,分析各圈层之间的物质能量交换。

  突破策略:

  针对难点一,采用“微观证据推宏观过程”的策略。例如,通过观察花岗岩中不同矿物晶体的穿插结构,推断其缓慢冷却的岩浆成因;通过观察砂岩中的交错层理,推断古水流方向与沉积环境。大量使用高清晰度岩石薄片显微图像、3D地质动画、虚拟现实技术展示地壳内部过程。

  针对难点二,设计“时间压缩”体验活动。如制作一条从地球诞生到今天的时间卷尺,将46亿年压缩为1年或校园跑道长度,标出关键地质事件和岩石形成时代,让学生直观感受“人类历史仅是最后一秒”。讲述“沧海桑田”的经典地质案例(如喜马拉雅山曾为古地中海)。

  针对难点三,运用“概念建模”与“情境分析”相结合。引导学生共同构建并不断完善“地壳物质循环”概念图模型。设置综合性问题情境,如“如果一座由花岗岩构成的山脉隆升,经历数百万年,最终可能经历怎样的物质循环旅程?对周边平原的土壤会产生什么影响?”

五、教学资源与环境设计

  (一)实物与实验资源:

  1.矿物与岩石标本套件:包括典型的造岩矿物(石英、长石、云母、方解石等)和三大类代表性岩石标本(花岗岩、玄武岩、石灰岩、砂岩、页岩、大理岩、板岩、片麻岩等),每小组一套。配备放大镜、条痕板(未上釉瓷板)、小钢刀、铜钥匙、稀盐酸(低浓度,安全瓶装)、滴管、磁铁等测试工具。

  2.土壤剖面观察箱:自制或购置,清晰展示土壤O层(枯枝落叶层)、A层(腐殖质层)、B层(淀积层)、C层(母质层)和R层(基岩)。

  3.模拟实验材料:用于模拟风化作用的冰冻-解冻实验(装有水的密封塑料瓶)、化学风化实验(石灰石块与醋酸);模拟沉积层理的实验(不同粒径的砂、泥在水中沉降);模拟变质作用的橡皮泥层压实验。

  4.长期观测装置:设置“岩石风化观测站”,将相同的石灰岩或花岗岩小块放置于室外不同环境(向阳、背阴、有土壤覆盖、裸露等),定期观察记录其变化。

  (二)数字与信息技术资源:

  1.交互式软件与模型:岩石循环交互式动画、虚拟显微镜软件(可观察数字岩石薄片)、基于GIS的本地地质图查询系统。

  2.多媒体素材库:高清纪录片片段(如《地球脉动》、《岩石是怎样形成的》)、卫星影像展示地貌与岩石分布、延时摄影展示岩石风化、土壤剖面三维扫描图像。

  3.数据采集与处理工具:配备平板电脑或智能手机,用于拍摄记录、使用土壤pH传感器、湿度传感器进行简易现场测量。

  (三)学习环境创设:

  1.教室物理环境:设立“矿物岩石角”,陈列精美标本和学生作品;墙面布置大幅“地壳物质循环示意图”和世界矿产资源分布图。

  2.合作学习小组:异质分组,4-5人一组,明确角色(组长、记录员、器材管理员、发言人),培养协作习惯。

  3.校外实践基地联系:与本地自然博物馆、地质公园、矿山遗址、典型土壤剖面出露点(如建筑工地切面、河岸)建立联系,为实地考察创造条件。

六、教学实施过程(核心环节详案)

  本单元设计为项目式学习单元,总课时约12-14课时。驱动性问题为:“如何为我们学校的‘未来地质公园’设计一份岩石与土壤科普解说方案,向参观者生动讲述脚下地球物质的故事?”

  ####第一阶段:项目启动与知识建构(约4课时)

  第1-2课时:遇见地球的“基因”——矿物与岩石的初探

  核心任务:接受“地质侦察兵”训练,学会鉴别常见矿物和岩石,为后续调查储备核心知识与技能。

  活动一:情境导入与迷思揭示

    教师展示学校规划中的“未来地质公园”区域图片,抛出驱动性问题。随即进行前测:让学生画出“石头是怎么来的?”、“土壤是怎么来的?”思维导图,小组内分享,暴露“岩石永恒”、“土壤简单来自尘土”等迷思概念。教师播放一段快节奏的、展示岩石风化、河流搬运、火山喷发、山脉形成的混剪视频,引发认知冲突:“我们的地球表面,真的是静止的吗?”

  活动二:探究矿物的“身份密码”

    问题引导:“岩石由更基本的物质组成,就像房子由砖块组成。这些‘砖块’就是矿物。”分发矿物标本(石英、长石、方解石等)。学生小组合作,利用提供的工具,探索如何科学地描述和区分它们。教师引导系统学习矿物的关键物理性质:颜色、条痕、光泽、硬度(引入莫氏硬度计概念,用指甲、铜钥匙、小刀进行相对硬度测试)、解理与断口、与酸的反应(重点演示方解石遇稀盐酸剧烈起泡)。学生完成“矿物鉴定报告卡”。

  活动三:解码岩石的“生命故事”

    过渡:“不同的‘矿物积木’以不同的方式组合,就形成了不同的岩石,而组合方式背后,是它们波澜壮阔的‘生命故事’。”分发三大类岩石代表性标本。首先,引导学生观察花岗岩和玄武岩,对比晶体大小、颜色、密度。教师讲解:它们都来自炽热的岩浆,冷却速度不同(地下深处慢冷vs.地表快冷)导致了结构的差异。引出“岩浆岩”概念。其次,观察砂岩和页岩,感受颗粒感,寻找可能的层理。教师讲解:它们是古老的岩石破碎后,被风、水搬运、沉积、压紧固结而成。引出“沉积岩”概念,并强调其常含有化石,是“地球历史的书页”。最后,观察大理岩和板岩,与其原岩(石灰岩、页岩)对比,感受质地、光泽的变化。教师讲解:它们是原有岩石在高温高压的“炼丹炉”里,成分、结构被改造而成。引出“变质岩”概念。学生尝试根据成因对标本进行分类,并填写“岩石成因特征表”。

  第3-4课时:追寻物质的“旅程”——初探物质循环

  核心任务:通过模拟实验和模型构建,理解岩石之间是如何相互转化的,初步建立循环观念。

  活动一:模拟“岩石的破碎与重生”

    1.物理风化模拟:将水注入有小裂隙的石膏块或软质岩石中,放入冰箱冷冻,观察水结冰体积膨胀对岩石的破坏作用。

    2.化学风化模拟:将小块石灰岩(主要成分CaCO₃)放入稀醋酸中,观察气泡产生和岩石表面被溶解的现象。联系酸雨对建筑和雕像的侵蚀。

    3.沉积岩形成模拟:在大型透明容器中,将不同颜色、不同粒径的砂和泥混合物倒入水中,静置观察其分层沉降现象,解释沉积岩层理的形成。

    实验后讨论:这些过程在自然界中需要哪些条件(水、温度变化、生物等)?时间尺度如何?

  活动二:构建“地壳物质循环”初步模型

    教师提供关键词卡片(岩浆、岩浆岩、风化侵蚀、沉积物、沉积、固结、沉积岩、高温高压、变质岩、熔融等)和过程箭头。各小组在充分讨论基础上,尝试在海报上排列这些卡片,用箭头连接,绘制出他们理解的物质转化关系图。过程中,教师巡视指导,通过提问促进思考:“火山喷发出的岩浆冷却后变成什么?”“高山上的岩石破碎后去哪了?”“沉积岩埋到地球深处可能会发生什么?”各小组展示并解说自己的模型图,全班进行评议、质疑和修改。最终,教师引导学生共同总结出一个相对完整的简化循环模型,并指出驱动循环的能量来源:地球内部热能和来自太阳的外部能量。

  ####第二阶段:探究深化与技能发展(约4-5课时)

  第5-6课时:土壤——生命交织的“皮肤”

  核心任务:探究土壤的组成、剖面结构及其形成过程,理解土壤是连接无机界和有机界的枢纽。

  活动一:土壤成分大揭秘

    分发来自不同地点(林地、草地、农田、建筑工地)的土壤样本。学生通过观察、触摸、闻气味、加水搅拌沉降实验(直观展示土壤颗粒按大小分层:砂粒、粉粒、黏粒)、过滤、燃烧(验证有机质存在)等一系列定性实验,分析土壤的基本组成:矿物质颗粒、有机物(腐殖质)、水、空气。对比不同样本,讨论其差异及可能原因。

  活动二:解读土壤的“年轮”——剖面观察

    展示真实的土壤剖面照片、视频或观察箱。学生分组,尝试识别并标注O、A、B、C、R各层,描述各层的颜色、质地、结构、包含物(如根系、石块)等特点。教师讲解每一层的形成机制和功能:O、A层是生物活动最活跃的层,有机质丰富;B层是物质淋溶淀积的层;C层是风化碎屑;R层是基岩。引导学生思考:一个完整土壤剖面的形成需要多长时间?哪些因素会影响土壤的发育速度和类型?(气候、生物、地形、母岩、时间)

  活动三:连接“岩石”与“土壤”

    回到学校“地质公园”的规划区域。假设该区域基岩是花岗岩。小组讨论并绘制一幅概念图或编写一段简短的说明,描述从花岗岩基岩到形成表层土壤,可能经历了哪些主要的物理、化学和生物作用过程?强调生物(特别是微生物和植物根系)在成土过程中不可替代的作用,以及腐殖质的形成如何改变土壤性质、孕育生命。

  第7-8课时:实地考察与数据收集(如条件允许)

  核心任务:化身“野外地质学家”,对“地质公园”预选区域或替代考察点进行实地地质与土壤调查。

  活动一:野外安全与技能培训

    学习使用地质罗盘(简易版)、放大镜、标本袋、记录本。学习野外安全守则和样本采集规范(仅采集少量、不影响环境的碎块)。

  活动二:现场调查与记录

    分组行动,完成以下任务:

    1.岩石调查:寻找并识别出露的岩石类型,描述其产状(是基岩还是滚石?),测量其倾向/倾角(简易),采集代表性标本(小块),拍照记录位置。

    2.风化现象观察:寻找岩石裂隙、苔藓附着、颜色变化等风化证据,并记录。

    3.土壤剖面观察:如果条件允许,观察一个自然或人工剖面(如沟渠),绘制土壤剖面草图,描述各层特征,用pH试纸测试不同土层的酸碱度。

    4.环境因素记录:记录考察点的地形、坡度、植被覆盖、水源情况。

  活动三:数据初步整理

    返回教室,各组整理标本、照片、记录,准备汇报。讨论初步发现:该区域主要岩石类型是什么?风化程度如何?土壤发育情况怎样?可能影响此地物质循环的主要自然因素有哪些?

  第9课时(备选或整合):数字工具助力探究

    利用虚拟岩石薄片软件,观察花岗岩、砂岩、大理岩的显微结构,从微观尺度印证宏观成因。使用在线地质图或卫星影像,了解学校所在区域更大范围的地质背景和岩性分布。

  ####第三阶段:整合应用与成果创造(约4-5课时)

  第10-11课时:设计我们的科普解说方案

  核心任务:基于前期的学习与调查,小组合作,完成“未来地质公园”岩石与土壤科普解说方案的设计。

  活动一:确定解说主题与路线

    各小组围绕“地壳物质循环”的核心思想,为“地质公园”设计一条虚拟或真实的解说路线。路线中应包含至少3个“解说点”,每个点需对应一种特定的岩石/土壤现象或过程。例如:“起点:古老的花岗岩基岩”、“点A:风化破碎带——看岩石如何变成碎屑”、“点B:模拟沉积层——倾听古老河流的故事”、“点C:土壤生命观察站——触摸地球的皮肤”。

  活动二:创作解说内容与形式

    为每个“解说点”创作生动、准确、易懂的解说词。解说词需融合以下元素:

    1.科学知识:准确描述该点的岩石/土壤类型、特征、成因。

    2.过程阐释:联系物质循环,说明它从何而来,未来可能向何处去。

    3.互动设计:设计一个让参观者(同学)可以参与的微型活动或思考问题。如:在“风化点”让参观者用放大镜寻找裂隙中的黏土矿物;在“土壤点”设置一个小型“土壤动物观察箱”。

    4.价值引导:自然引申出保护资源、爱护环境的意义。

    鼓励采用多样化的呈现形式:解说牌图文设计、短视频脚本、互动小实验装置设计图、AR(增强现实)扫码内容构思等。

  活动三:制作展示模型或示意图

    小组选择制作一个能直观体现其解说核心思想的实物模型或大型示意图。例如:用不同材料(彩色粘土、沙土、泡沫板)制作一个包含基岩、风化壳、土壤剖面的立体模型;绘制一幅巨型的、带有故事性的“本地地壳物质循环旅程图”。

  第12-13课时:成果展示与评估

  核心任务:举办“未来地质公园科普方案竞标会”,展示、交流与评价各组成果。

  活动一:成果展示与答辩

    各小组依次进行成果展示(8-10分钟),需包含:解说路线介绍、1-2个重点解说点的详细演示(可角色扮演)、模型/图示解说。展示后,接受其他小组和教师组成的“评审团”提问,进行答辩。

  活动二:多维度评估与反馈

    评估贯穿始终。此时,结合过程性评价记录(实验报告、观察记录、小组合作表现)和终结性成果展示,进行综合评估。使用预先制定的、学生知晓的量规,从“科学概念的准确性”、“循环模型应用的合理性”、“解说设计的创意与互动性”、“团队合作与展示效果”等多个维度进行小组互评和教师评价。设立“最佳科学奖”、“最佳创意奖”、“最佳展示奖”等,鼓励不同维度的优秀表现。

  活动三:单元总结与升华

    教师引导学生回顾整个项目学习历程,从最初的迷思概念,到逐步建构的循环模型,再到最终的创造性应用。共同提炼本单元的核心概念体系,并再次强调其与资源、环境、可持续发展的深刻联系。鼓励学生将“循环”的思想迁移到更广阔的学习与生活领域(如水循环、碳循环、废物资源化循环)。布置拓展性作业:调查家庭生活中使用的物品,追溯其中可能用到的矿物原料,思考其生命周期。

  第14课时(机动与延伸)

    可用于深入探讨本地特色矿产资源/地质遗迹,或开展“模拟矿物资源谈判”、“设计一个生态修复方案”等角色扮演或设计活动,进一步深化STSE教育。

七、教学评价设计

  本单元评价遵循“促进学习的评价”理念,强调过程性、发展性和多元性。

  (一)过程性评价(占比60%)

  1.课堂观察记录:教师使用检核表记录学生在小组讨论、实验操作、提问答辩中的表现,关注其科学探究习惯、思维参与度和合作精神。

  2.学习单与实验报告:对“矿物鉴定报告卡”、“岩石成因特征表”、“土壤成分分析记录”、“野外考察记录表”等进行评价,关注观察的细致性、记录的规范性、数据分析的合理性和结论的科学性。

  3.模型与概念图:对小组绘制的“地壳物质循环模型”迭代过程进行评价,关注其逻辑性、完整性和创造性。

  4.小组合作过程评价:通过组内互评和教师观察,评价个人在小组中的贡献度、角色履行情况和协作能力。

  (二)终结性评价(占比40%)

  1.项目成果评价:“科普解说方案”及展示答辩是主要的终结性评价任务。使用详细量规进行评价(示例如下,分项赋分):

    *科学内容准确性(30分):矿物、岩石、土壤、循环过程等知识表述科学无误。

    *核心概念应用水平(30分):能熟练、恰当地运用“地壳物质循环”模型解释现象,体现系统思维。

    *创意与设计能力(20分):解说方案设计新颖,互动性强,能有效吸引和启迪“参观者”。

    *表达与展示效果(20分):展示条理清晰,模型/图示直观美观,答辩应对自如。

  2.单元后测概念图:单元学习结束后,再次让学生独立绘制“岩石、矿物、土壤及其循环关系”概念图,与学前绘制的进行对比,直观评估其概念体系的建构与转变情况。

  (三)反思性评价

    要求学生撰写简短的学习反思日志,回顾自己最感兴趣的内容、最大的挑战、如何克服困难以及对地球物质看法的改变,促进元认知发展。

八、板书设计(动态演进)

  板书不作为静态呈现,而是随着教学进程动态生成和完善的核心概念网络。

  单元核心板书框架:

探秘地壳物质循环

——岩石、矿物与土壤的形成

一、基本单元:矿物

  特性:天然、晶体、化学成分一定

  鉴别:颜色、条痕、光泽、硬度、解理…

二、物质的组合:三大类岩石

  1.岩浆岩(火成):来自岩浆冷凝

    例:花岗岩(深成)、玄武岩(喷出)

  2.沉积岩:来自碎屑沉积、压固胶结

    例:砂岩、页岩、石灰岩(常含化石)

  3.变质岩

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