數(shù)學(xué)建模模糊綜合評(píng)價(jià)法范文
時(shí)間:2024-01-11 17:46:15
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篇1
一、前言
自黨的“十”以及十八屆三中全會(huì)召開以來,我國經(jīng)濟(jì)、教育等各項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展邁入了一個(gè)嶄新的歷史時(shí)期。面對(duì)經(jīng)濟(jì)體制轉(zhuǎn)軌、政治體制改革、國際國內(nèi)形勢復(fù)雜多變等環(huán)境,大學(xué)生作為社會(huì)新技術(shù)、新思想的前沿群體、國家培養(yǎng)的高級(jí)專業(yè)人才,在一定層面上代表著國家未來的發(fā)展與創(chuàng)新潛力,這就要求大學(xué)生在參加社會(huì)主義建設(shè)之前需要具備自我決策能力、適應(yīng)社會(huì)能力、創(chuàng)新與實(shí)踐能力、社交與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等。尤其是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,社會(huì)各領(lǐng)域極需具有邏輯思維能力強(qiáng)、演繹能力突出以及能夠?qū)?a href="http://m.va2mtk70.com/haowen/274659.html" target="_blank">數(shù)學(xué)方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新性人才。眾所周知,任何來自于自然科學(xué)與工程實(shí)踐的問題都可以歸結(jié)為數(shù)學(xué)問題,而數(shù)學(xué)建模就是通過計(jì)算得到的結(jié)果來解釋實(shí)際問題,并接受檢驗(yàn),來建立數(shù)學(xué)模型的全過程,這也是利用數(shù)學(xué)方法解決實(shí)際問題的一種實(shí)踐。因此,培養(yǎng)與提高大學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力,對(duì)于提高大學(xué)生的抽象思維能力、分析與解決實(shí)際問題能力、創(chuàng)新與實(shí)踐能力以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力等方面具有十分重要的意義。根據(jù)當(dāng)前大學(xué)生數(shù)學(xué)建模教學(xué)的發(fā)展趨勢,結(jié)合筆者自身指導(dǎo)大學(xué)生參加數(shù)學(xué)建模競賽的經(jīng)歷,本文提出了大學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力差異化培養(yǎng)以及開展模塊化教學(xué)實(shí)踐的探索。
二、數(shù)學(xué)建模的特點(diǎn)與作用
1.數(shù)學(xué)建模的特點(diǎn)。為了激發(fā)大學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)建模的興趣以及培養(yǎng)與提高大學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力,必須要大學(xué)生首先認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)建模的特點(diǎn)。數(shù)學(xué)建模就是通過抽象、簡化、假設(shè)、引入變量等方式將實(shí)際問題用一定的數(shù)學(xué)方式進(jìn)行表達(dá),從而建立一定的數(shù)學(xué)模型,并用優(yōu)化后的數(shù)學(xué)方法及計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行求解的全過程。因此,從數(shù)學(xué)模型建立的實(shí)踐中,我們可以歸納出數(shù)學(xué)模型主要存在以下特點(diǎn):(1)目的性。數(shù)學(xué)建模的目的是利用數(shù)學(xué)模型來分析特定對(duì)象的有關(guān)現(xiàn)象及其規(guī)律,對(duì)事物的運(yùn)行與發(fā)展趨勢進(jìn)行一定的預(yù)測與分析判斷,然后做出控制與決策。(2)多樣性。對(duì)于相同的實(shí)際問題,出于不同目的,使用不同的方法與假設(shè),可以建立出不同的數(shù)學(xué)模型。因此,判斷數(shù)學(xué)模型好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)是看其能否解決實(shí)際問題。(3)逼真性與可行性。數(shù)學(xué)模型的建立需要盡可能與實(shí)際問題接近,也就是數(shù)學(xué)模型的逼真性。而一個(gè)逼真的模型往往達(dá)不到預(yù)期的建模目的,即不可行。因此,數(shù)學(xué)建模只要達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用目的,可行就夠了,不必追求完全逼真。(4)漸近性與強(qiáng)健性。對(duì)于較為復(fù)雜的實(shí)際問題,往往需要多次由簡到繁、由繁到簡的反復(fù)迭代才能建立可行的數(shù)學(xué)模型。同時(shí),隨著科技的發(fā)展與人們實(shí)踐能力的提高,數(shù)學(xué)建模也是一個(gè)不斷完善與更新的過程。另外,模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)隨著觀測數(shù)據(jù)的微小改變也會(huì)表現(xiàn)出微小的變化,從而表現(xiàn)出數(shù)學(xué)建模的強(qiáng)健性。(5)可移性。數(shù)學(xué)模型是在原型的基礎(chǔ)上進(jìn)行理想化、簡化與抽象化處理之后的結(jié)果,它也可以從一個(gè)研究對(duì)象轉(zhuǎn)移到另一個(gè)其他的研究對(duì)象。(6)局限性。①數(shù)學(xué)建模過程中常常會(huì)忽略一些次要因素,因此數(shù)學(xué)模型得出結(jié)論的精確性是近似的,通用性也是相對(duì)的。②由于人們認(rèn)識(shí)與技術(shù)的局限性以及數(shù)學(xué)發(fā)展本身的限制,導(dǎo)致大量實(shí)際問題很難得到有實(shí)用價(jià)值的數(shù)學(xué)模型。③還存在一些特殊領(lǐng)域的實(shí)際問題至今未能建立有效的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解決。
2.數(shù)學(xué)建模的作用。大學(xué)生對(duì)需要解決的實(shí)際問題的認(rèn)識(shí)與理解,可以直接通過大學(xué)生的數(shù)學(xué)模型能力來加以體現(xiàn)。因此,大學(xué)生需要有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)邏輯思維力、數(shù)學(xué)觀念以及對(duì)數(shù)學(xué)模型的把控與構(gòu)建能力,才能運(yùn)用可行的數(shù)學(xué)語言表達(dá)客觀事物或需要解決問題的本質(zhì)特征。所以,數(shù)學(xué)建模在很大程度上反映了大學(xué)生的數(shù)學(xué)觀念、意識(shí)和能力。
隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及智能制造等技術(shù)的快速發(fā)展,提出了許多需要用數(shù)學(xué)方法解決的新問題,同時(shí)也使過去一些即便有了數(shù)學(xué)模型也無法求解的課題(如天氣預(yù)報(bào)、大型水壩應(yīng)力計(jì)算等問題)迎刃而解;建立在數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬基礎(chǔ)上的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),以其快速、經(jīng)濟(jì)、方便等優(yōu)勢,大量地替代了傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)、物理模擬等手段。尤其是將數(shù)學(xué)建模、數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等相結(jié)合形成的計(jì)算機(jī)軟件,已經(jīng)被固化于產(chǎn)品中。因此,數(shù)學(xué)建模在許多高新技術(shù)領(lǐng)域,如電子與信息技術(shù)、生物工程與新醫(yī)藥技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、空間科學(xué)與航空航天技術(shù)、海洋工程技術(shù)等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
此外,隨著數(shù)學(xué)向其他學(xué)科領(lǐng)域的逐漸滲透,尤其是用數(shù)學(xué)方法研究這些學(xué)科領(lǐng)域中的各種定量關(guān)系時(shí),數(shù)學(xué)建模就成為首要的、關(guān)鍵的步驟以及這些學(xué)科發(fā)展與應(yīng)用的動(dòng)力。因此,一些交叉學(xué)科,如計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)、人口控制論、數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)、數(shù)學(xué)地質(zhì)學(xué)等得了快速發(fā)展,在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用,同時(shí)也為數(shù)學(xué)建模的發(fā)展及應(yīng)用提供了無限的空間。因此,數(shù)學(xué)建模必將與其他學(xué)科相互滲透與融合,迎來快速發(fā)展的新時(shí)期。
目前,大學(xué)工科教學(xué)中普遍存在內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少的情況,導(dǎo)致教學(xué)中重理論輕應(yīng)用,使學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)的重要性認(rèn)識(shí)不夠,使得很多學(xué)生在進(jìn)入到專業(yè)課學(xué)習(xí)階段時(shí),不能有效地理解與學(xué)習(xí)專業(yè)課程里的基本原理與數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程,以致其看到繁雜的數(shù)學(xué)公式而望而生畏,造成其理論水平停滯不前,為其以后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)、知識(shí)更新與創(chuàng)新能力的突破留下了極大隱患。而指導(dǎo)大學(xué)生參加數(shù)學(xué)建模競賽就是使大學(xué)生親自參加與體會(huì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)過適當(dāng)簡化的實(shí)際數(shù)學(xué)問題,不僅體現(xiàn)了數(shù)學(xué)應(yīng)用的廣泛性,而且也使大學(xué)生感受到數(shù)學(xué)的魅力與力量,激發(fā)了他們學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣,同時(shí)也提高了他們運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析、推演與計(jì)算的能力,為其后續(xù)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下了夯實(shí)的基礎(chǔ)。
三、大?W生數(shù)學(xué)建模能力差異化培養(yǎng)
《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010―2020)》對(duì)高校人才培養(yǎng)工作明確指出:關(guān)心每個(gè)學(xué)生,促進(jìn)每個(gè)學(xué)生主動(dòng)地、生動(dòng)活潑地發(fā)展,尊重教育規(guī)律和學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律,為每個(gè)學(xué)生提供適合的教育。所以,在大學(xué)生培養(yǎng)過程中,必須牢固樹立“以人為本與以學(xué)生為中心”的意識(shí)。實(shí)際上,人的思維與認(rèn)識(shí)世界的方式是多元的,人類至少擁有包括語言、數(shù)學(xué)、音樂、繪畫、運(yùn)動(dòng)等多種天賦秉性,每個(gè)人都有自己的優(yōu)勢潛能。大學(xué)如果能根據(jù)學(xué)生的個(gè)性差異及能力差異,遵循教育規(guī)律,根據(jù)大學(xué)生的學(xué)習(xí)需求及學(xué)習(xí)效果,設(shè)計(jì)出多元化的培養(yǎng)方案與教育模式,發(fā)掘出每個(gè)大學(xué)生的優(yōu)勢潛能,將極大地提高教育效率與人才培養(yǎng)質(zhì)量,真正做到人盡其才。大學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力差異化培養(yǎng)就是結(jié)合數(shù)學(xué)建模的特點(diǎn),根據(jù)大學(xué)生個(gè)體的優(yōu)勢潛能,有針對(duì)性地對(duì)其開展多樣化的教育教學(xué)工作的一種教育模式,勢必打破千人一面的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化教育模式,其最終目的是發(fā)掘大學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能,培養(yǎng)大學(xué)生的數(shù)學(xué)邏輯思維能力,提高大學(xué)生分析問題與解決實(shí)際問題的能力以及實(shí)踐動(dòng)手能力與科技創(chuàng)新能力。那么,該如何實(shí)現(xiàn)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模能力差異化培養(yǎng)呢?下面筆者主要從兩個(gè)方面展開論述。
1.以學(xué)生為中心,為其選擇合適的數(shù)學(xué)建模課程與授課教師,實(shí)現(xiàn)課程與教師的差異化。數(shù)學(xué)建模課程的差異化,就是以學(xué)生自身的素質(zhì)與能力等為基礎(chǔ),根據(jù)學(xué)生的個(gè)性差異及能力差異設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)建模課程教學(xué)方案與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一種教學(xué)模式。該模式的優(yōu)點(diǎn)如下:在數(shù)學(xué)建模教學(xué)過程中,能夠最大限度地進(jìn)行因材施教,提高數(shù)學(xué)建模的教學(xué)效率與教學(xué)質(zhì)量,最終促進(jìn)數(shù)學(xué)建模人才培養(yǎng)質(zhì)量及學(xué)校辦學(xué)水平的整體提高。此外,教師是各種教育理念與培養(yǎng)方案的直接執(zhí)行者。執(zhí)行者的學(xué)術(shù)能力與個(gè)人素養(yǎng)決定了目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量差異。根據(jù)大學(xué)生差異化的專業(yè)背景與數(shù)學(xué)基礎(chǔ),設(shè)定差異化的培養(yǎng)目標(biāo)與課程,并選擇與之相配套的教師隊(duì)伍。根據(jù)差異化教學(xué)的需要,就是把有意愿、有能力的教師組織起來,引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)地從事數(shù)學(xué)建模的學(xué)習(xí)及開展創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng),以達(dá)到個(gè)性化、多元化數(shù)學(xué)建模的目的。
2.在數(shù)學(xué)建模教學(xué)過程中,教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生自身的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力以及學(xué)生的創(chuàng)新能力等方面的差異,制定出不同層次的教學(xué)任務(wù),使大學(xué)生的潛力得到最大程度地提高,筆者主要是從以下幾方面著手:(1)學(xué)生分層。教師要對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況十分了解,這樣教師就可以把學(xué)生進(jìn)行一定的分層。例如,將班里的學(xué)生以4人為一組,每組要包括學(xué)習(xí)能力好、中、差的學(xué)生,或者由學(xué)生個(gè)人進(jìn)行自行分組。之所以采取將學(xué)生分組進(jìn)行數(shù)學(xué)建模教學(xué),主要是因?yàn)閷W(xué)習(xí)的過程是一個(gè)對(duì)話交流、相互幫助與相互競爭的過程,采取分組教學(xué)的形式能更快、更好地激發(fā)大學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)建模的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。同時(shí),這個(gè)分層是動(dòng)態(tài)的,教師可以根據(jù)學(xué)生平時(shí)完成數(shù)學(xué)建模的任務(wù)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。(2)任務(wù)分層。教師在實(shí)際的教學(xué)過程中,應(yīng)考慮到學(xué)生的個(gè)體差異,兼顧整體和弱、優(yōu)勢群體的發(fā)展。針對(duì)不同層次的學(xué)生,教師可以設(shè)置不同難度的任務(wù),如基礎(chǔ)類、提高類和創(chuàng)新類,由學(xué)生個(gè)人根據(jù)其自身的能力與水平,自主選擇相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模任務(wù)。(3)學(xué)生反饋。每次數(shù)學(xué)建模課結(jié)束前,教師要求學(xué)生提交一份數(shù)學(xué)建模報(bào)告。提交數(shù)學(xué)建模報(bào)告是教學(xué)過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),數(shù)學(xué)建模報(bào)告顯示了學(xué)生對(duì)任務(wù)的完成情況、對(duì)知識(shí)點(diǎn)和方法的學(xué)習(xí)情況等。教師要求學(xué)生下課之前提交數(shù)學(xué)建模報(bào)告,一方面提高了學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)建模的積極性,保證了數(shù)學(xué)建模報(bào)告的質(zhì)量;另一方面提高了學(xué)生課余時(shí)間參與數(shù)學(xué)建模課的熱情,沒有完成數(shù)學(xué)建模報(bào)告的學(xué)生,可以利用自習(xí)課等課余時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的學(xué)習(xí)。(4)教師分層解答。教師根據(jù)輔導(dǎo)過程中遇到的問題和學(xué)生在數(shù)學(xué)建模報(bào)告中提出的問題,進(jìn)行分類歸納總結(jié)。對(duì)出現(xiàn)同樣或相似知識(shí)點(diǎn)疑問的學(xué)生,單獨(dú)召集學(xué)生進(jìn)行講解;對(duì)有不同疑問的學(xué)生,教師要分別給他們進(jìn)行講解。
四、數(shù)學(xué)建模模塊化教學(xué)實(shí)踐
數(shù)學(xué)建模需要依靠功能強(qiáng)大的Matlab與SAS等軟件來實(shí)現(xiàn),因此學(xué)習(xí)自己設(shè)計(jì)程序與熟練應(yīng)用這些軟件對(duì)于提高大學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力具有十分重要的意義。傳統(tǒng)數(shù)學(xué)建模軟件的教學(xué),都是教學(xué)基本菜單和常用工具的使用,這種方法和使用環(huán)境相脫節(jié),導(dǎo)致學(xué)生在具體實(shí)踐中,面對(duì)大量的菜單和工具,不知如何下手、如何運(yùn)用,教學(xué)效果并不理想。如果追求大而全,要求學(xué)生掌握數(shù)學(xué)建模軟件所有的基本菜單和常用工具的使用方法,是不可能做到的。那么怎樣把這樣一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)建模軟件教給學(xué)生,并讓學(xué)生靈活應(yīng)用呢?筆者結(jié)合自己多年的教學(xué)實(shí)踐,提出了數(shù)學(xué)建模方法的模塊化與典型案例相結(jié)合的教學(xué)方法。
1.數(shù)學(xué)建模方法的模塊化。數(shù)學(xué)建模方法總體而言可以分為六大模塊:綜合評(píng)價(jià)、預(yù)測與預(yù)報(bào)、分類與判別、關(guān)聯(lián)與因果分析、優(yōu)化與控制、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。其中,綜合評(píng)價(jià)又可以分為三個(gè)小模塊:方案選擇、類別分析、排序。預(yù)測可分為三個(gè)小模塊:灰色系統(tǒng)、ARIMA時(shí)間序列分析、回歸預(yù)測;預(yù)報(bào)可分為三個(gè)小模塊:按樣本關(guān)聯(lián)性分類、按距離分類、按動(dòng)態(tài)聚類分類。分類與判別可分為兩個(gè)小模塊:模糊識(shí)別與貝葉斯判別。關(guān)聯(lián)與因果分析可以分為三個(gè)小模塊:兩個(gè)變量的關(guān)聯(lián)性、一個(gè)對(duì)多個(gè)變量的關(guān)聯(lián)性、多個(gè)對(duì)多個(gè)變量的關(guān)聯(lián)性。優(yōu)化與控制則可以分為四個(gè)小模塊:線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在方法方面則可以分為三個(gè)小模塊:方差分析、LOGISTIC回歸、正交設(shè)計(jì)。數(shù)學(xué)建模方法眾多,通過對(duì)數(shù)學(xué)建模方法的模塊化進(jìn)行分類,有助于學(xué)生面對(duì)具體實(shí)際問題時(shí),做到腦中有法、心中不亂,快捷地建立出數(shù)學(xué)模型并解決實(shí)際問題。
2.典型案例教學(xué)??茖W(xué)實(shí)踐中的數(shù)學(xué)問題形形、無以窮盡。如何讓大學(xué)生在有限的學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi),學(xué)好數(shù)學(xué)建模,為他們今后在科研實(shí)踐中用數(shù)學(xué)建模解決實(shí)際問題打下良好的基礎(chǔ),這就對(duì)教師的數(shù)學(xué)建模教學(xué)方法提出了更高的要求。例如:假設(shè)某校基金得到了一筆數(shù)額為M=5000萬元的基金,打算將其存入銀行,?;饡?huì)計(jì)劃在5年內(nèi)每年用部分本息獎(jiǎng)勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生,要求每年的獎(jiǎng)金額相同,且在5年末仍保留原基金數(shù)額,其中,收益比a=(本金+利息)/本金,銀行存款稅后年利息與各存款年限對(duì)應(yīng)的最優(yōu)收益比如表1與表2所示。
若??M分成5+1份,xi表示每年的份額,S表示每年用于獎(jiǎng)勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生的獎(jiǎng)金額,ai表示第i年的最優(yōu)收益比,建立數(shù)學(xué)模型的過程如下:
max S,
s.t.a■x■=S,i=1,2,…,5■x■=Ma■x■=M
運(yùn)用LINGO編程如下:
?MAX=S;
?1.018*x1=S;
?1.0432*x2=S;
?1.07776*x3=S;
?1.07776*1.018*x4=S;
?1.144*x5=S;
?1.144*x6=M;
?M=5000;
?x1+x2+x3+x4+x5+x6=M.
程序運(yùn)行結(jié)果如下:
該例子充分體現(xiàn)了數(shù)學(xué)建模的三大步驟:第一步,把實(shí)際問題通過一定的方法處理成數(shù)學(xué)問題;第二步,學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)軟件,用計(jì)算機(jī)語言來解釋數(shù)學(xué)問題;第三步,結(jié)果分析,把整個(gè)數(shù)學(xué)建模的過程用實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式闡述出來,即寫作過程。通過這個(gè)典型案例(基金的使用)的教學(xué),有助于學(xué)生了解與認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)建模的基本步驟,為其后續(xù)數(shù)學(xué)建模的學(xué)習(xí)打下了夯實(shí)的基礎(chǔ)。古人云:“授人以魚,不如授人以漁”。在數(shù)學(xué)建模的教學(xué)過程中,針對(duì)某一個(gè)具體數(shù)學(xué)建模的案例,結(jié)合實(shí)際問題由現(xiàn)象的直觀描述到數(shù)學(xué)的抽象提煉,教師除了要講解數(shù)學(xué)概念和求解方法這些基本知識(shí)之外,還需要組織學(xué)生就該案例中使用的數(shù)學(xué)思想展開討論。同時(shí),教師自身也需要有扎實(shí)的科研能力以及豐富的科研實(shí)踐,真正做到結(jié)合案例講基礎(chǔ),依托基礎(chǔ)講應(yīng)用,使學(xué)生在實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到數(shù)學(xué)建模的強(qiáng)大功能與魅力,在實(shí)踐中培養(yǎng)大學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)建模的興趣,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生與教師的主觀能動(dòng)性,變滿堂灌為主動(dòng)學(xué),真正做到“教學(xué)相長”。
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