高中生物常规实验及实验设计 旧人教 必修1.docx
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高中生物常规实验及实验设计旧人教必修1
高中生物常规实验及实验设计旧人教必修1
一实验的概念和分类
一、实验的概念：
1.人们认识自然的方法：
观察和实验是搜集科学事实、获取感性经验的基本途径，是形成、发展和检验自然科学理论的实践基础；因此观察和实验方法是自然科学研究中十分重要的认识方法。
2.什么是观察方法？
观察是人们对自然现象在自然发生的条件下进行考察的一种方法。
“自然发生的条件”是说人们对自然现象不加以控制的情况，正是在这一点上它和实验方法相区别。
3.什么是实验方法？
实验方法是人们根据研究的目的，利用科学仪器、设备，人为地控制或模拟自然现象，排除干扰，突出主要因素，在有利的条件下去研究自然规律。
4.实验方法的优点：
观察只能在自然发生的条件进行，当然受到自然条件的局限；而实验方法是人为地去干预、控制所研究的对象，是在有意识的变革自然中去认识自然，更有利于发挥人的能动性去揭示隐藏的自然奥秘。
5.实验方法在认识过程中的特殊作用：
（1）实验方法具有简化和纯化的作用；
（2）实验方法可以强化对实验现象的作用，使它处于某种极限状态中，这样有利于揭示新的自然规律；
（3）运用实验方法去寻求自然规律和变革自然的手段是比较经济、可靠的。
二、实验的分类：
1.按实验中量和质的关系划分：
①定性实验：
用以判定某因素是否存在，某些因素之间是否有关系等。
②定量实验：
用以测定某对象的数值，或求出某些因素之间的经验公式、定律等。
③结构分析实验：
用以测定化合物的原子或原子团的空间配置。
2.按实验在认识中的作用划分：
①析因实验：
由已知结果去寻找原因的实验。
②对照实验：
这种实验有两个或两个以上的相似组群，一个是“对照”组，作为比较的标准，另一个是“实验”组，通过某种实验步骤，以便人们确定它对实验组的影响。
大多数生物实验是对照实验。
③中间实验：
在工程建设中用以检验设计方案，为生产实践做准备而进行的实验。
二科学研究方法的基本步骤
通过观察
提出问题
设计并完成
实验
分析数据
得出结论
提出
假说
1.观察、提出问题
观察是科学研究方法的第一步，要求以客观的态度，在自然常态条件下进行。
在此基础上提出有意义的值得探讨的问题。
2.提出假说
假说也称假设或猜测，指用来说明现象但未经证实的论题，也就是对所提出的参考答案。
假说一般分为两个步骤：
第一步，提出假说，即依据发现的事实材料或已知的科学原理，通过创造性思维，提出初步假定；
第二步，作出预期推断，即依据提出的假说，进行推理，得出假定性的结论。
例如孟德尔“对分离现象解释的验证”的测交实验的假说是：
“F1（Dd）产生配子时，产生了含有基因D和基因d的两种配子，并且它们的数目相等”；而预期是“测交的后代，高茎（Dd）与矮茎（dd）的数量比接近1：
1”。
3.设计、完成实验
实验是验证假说和解决问题的最终途径，指在人为控制的条件下研究事物的一种方法。
这是科学方法的最大特色，也是科学方法的最困难的一步。
如何求证假设可充分展现研究者的才华。
如孟德尔在验证“对分离现象的解释”这一假设时，便巧妙地设计了“测交”实验。
4.分析数据、得出结论
观察、实验的目的在于获得验证性的结果。
所以，在实验中要记录实验的事实、现象、数据，即捕捉、记录由实验变量带来的反应变量。
据此论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系，进而得出实验结论。
①如果所获得的结果与假设相符，则肯定假设；②如果结果与假设不相符，则否定假设；③如果结果与假设无关，则无从判断。
实验过程必须真实、客观。
如前述孟德尔的测交实验结果，不论正交、反交，都与预期一致，说明假设正确，从而可以得出相关结论。
三实验设计
科学实验设计应注意以下几个方面的问题：
1.变量
在实验中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。
据其在实验中的作用，可分为两类：
存瑞中学2004年高三补习班生物学案
①实验变量与反应变量
实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。
反应变量，也称因变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。
通常，实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。
实验的目的在于获得和解释这种前因后果。
例如，在“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中，所给定的低温（冰块）、适温（370C）、高温（沸水浴）就是实验变量。
而由于低温、适温、高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这就是反应变量，该实验即在于获得和解释温度变化（实验变量）与酶活性（反应变量）的因果关系。
②无关变量与额外变量
无关变量，也称控制变量，指实验中除实验变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件。
额外变量，也称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。
显然，额外变量会对反应变量起干扰作用。
例如，上述实验中除实验变量（低温、适温、高温）以外，试管洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉溶液浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度、实验操作程序、温度处理的时间长短等等，都属于无关变量；如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件，对3个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会对实验结果造成干扰，产生误差。
在实验设计和操作中，要尽量减少无关变量，而且不同的实验组中的无关变量应完全相同，这就会避免实验结果的差异是由于无关变量引起的可能性，便于清晰地研究实验变量与反应变量的关系。
③教材中相关实验中的变量
实验
自变量
因变量
无关变量
实验五、比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率
催化剂的种类（过氧化氢酶、Fe3+）
催化效率的高低（以点燃但无火焰的卫生香燃烧的猛烈程度表示或气泡产生速度表示）
试管等用具的洁净度、环境温度、相同材料的量、各种试剂的量、反应时间等
实验六、探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水解的作用
底物的种类（淀粉、蔗糖）
淀粉酶将淀粉水解（处理后加菲林试剂，加热出现砖红色沉淀），但不能水解蔗糖（处理后加菲林试剂并加热，无砖红色沉淀出现）
淀粉与蔗糖溶液的量、水浴的温度与处理时间、菲林试剂的使用量与加热时间、操作程序等
实验七、温度对酶活性的影响
温度（600C热水、沸水、冰块）
加碘后溶液颜色的变化
试管的洁净度、淀粉溶液的量、不同温度的处理时间长短、操作的程序、碘液的加入量等
实验
自变量
因变量
无关变量
实验九、观察植物细胞的质壁分离和复原
外界溶液的浓度（高渗及低渗溶液）
质壁分离（液泡失水缩小、颜色变深、原生质层与细胞壁分离）；质壁分离复原（液泡恢复原状、颜色变浅、原生质层恢复原状）
溶液的种类及浓度、分离与复原现象的观察时间、装片的洁净度及临时装片的制作、材料的选择等
实验十、植物向性运动的实验设计和观察
①是否单侧光照（黑暗、单侧光照、均匀光照）
②改变幼苗的空间位置以接受重力影响
1幼苗的弯曲状况
②根的弯曲方向
1幼苗的种类及生长状况、环境温度、培养条件、处理的部位、装置的合理性等
②萌发种子的种类及萌发状况、环境温度、培养条件等
实验十一、设计实验观察生长素或生长素类似物对植物生长发育的影响
生长素（或类似物）的不同浓度
①扦插枝条的生根状况的差异
2果实发育状况的差异
3落花落果状况在使用前后的差异
实验材料的一致性、激素浓度的准确性、处理时间的一致性等
实验四、（选修）观察SO2对植物的影响
不同浓度的SO2
植物体的生长状态的变化
实验装置及器材的一致性、实验植物的生长状况、SO2浓度的控制、培养的环境条件、实验操作程序、观察时间的长短等
2.设计原则
（1）科学性原则
所谓科学性原则，是指实验的原理要符合科学原则，实验结果的预期要有科学依据，实验的各个环节都不能偏离生物学基本知识和基本原理，以及其它学科领域的基本原则。
科学性原则具有两个方面的含义：
首先，必须保证实验的设计不出现科学性错误；其次，实验设计要具有科学思想和科学方法的因素。
具体说来，生物学实验设计的科学性原则体现在以下几个方面：
①实验原理的科学性
实验原理是实验设计的依据，也是用来检验和修正实验过程中失误的依据，因此它必须是经前人总结或经科学检验得出的科学理论。
如2000年全国高考试题第25题，本题要求学生设计实验验证钙离子在血液凝固中的作用。
题中给出了两个实验原理：
血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用，若缺少它则血液不能凝固；草酸钾溶液能与血液中的钙离子发生反应，形成草酸钙沉淀，因此具有抗凝血作用。
这两条原理科学而且完整，学生可由此产生明确的设计思路。
②实验材料选择的科学性
根据实验目的和实验原理选择恰当的实验材料，是保证实验达到预期效果的关键因素之一。
孟德尔选用自花传粉的豌豆作为杂交实验的材料，以及“植物细胞的质壁分离和复原”实验选用紫色的洋葱作为实验材料都是一些经典的成功选材的范例。
再如，新鲜的黑藻嫩叶是“观察细胞质流动”实验的理想材料，因其新鲜，故能保证观察到的是活细胞；因其含水量多，故能保证细胞质的流动速度快，实验现象明显；因其含叶绿体，故能使细胞质的流动速度和流动方向清晰可见；因其叶片薄，故便于制片且能在显微镜下观察。
另外，黑藻在一年四季都可以培养，取材方便。
有了这样的实验材料，再加上科学的方法，就可以顺利地达到实验目的。
③实验方法的科学性
巴甫洛夫有这样一句名言：
方法掌握着研究的命运。
只有科学而严谨的实验方法，才能得出正确而可靠的实验结果。
如证明植物呼吸作用释放二氧化碳的实验是这样设计的：
通入的空气首先经过NaOH溶液除去其中的CO2，再经过Ca（OH）2溶液检验CO2是否除尽，最后才通入装有萌发种子的密封瓶中。
只有经过这样的步骤，才能完全排除干扰因素（空气中的CO2），才能证明瓶中排出的CO2确实来源于种子。
④实验结果处理的科学性
这是指对于实验得出的结论不能简单对待，而应该首先记录，然后整理，最后再经过仔细分析，找出它们所能够透露给我们的最大信息量。
如下面这个实验：
用含有各种必须矿质元素的溶液培养大麦，48h后测定几种离子的浓度占该离子开始浓度的百分比，实验结果如下：
实验条件
水分消耗（ml）
Ca2+,K+,Mg2+（%）
光照
1090
135，27，179
黑暗
534
105，35，113
上面的结果因为经过了记录和整理，所以使人一目了然。
观看这个实验结果，首先要分析出该实验中设计了哪些对照组。
由上表可知，表中出现三组对照：
一组是有光与无光；一组是水分的吸收与矿质元素的吸收；还有一组是不同的矿质元素的吸收情况比较。
所以，我们分析实验结果时，也应从这三方面入手，得出如下实验结论：
一是植物对水分和矿质元素的吸收，与光有一定关系；二是植物对水分和矿质元素的吸收是相对独立的两个过程；三是植物对矿质元素的吸收具有选择性。
（2）平行重复原则
任何实验必须有足够的实验次数，才能避免结果的偶然性，使得出的结论准确、科学。
平行重复原则要求控制某种因素的变化强度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果的影响程度。
下面的这道题是根据平行重复原则设计的实验。
在用质壁分离法测定细胞的渗透能力的实验中，把剪成小块的洋葱表皮细胞（等量）分别依次放入下面各组溶液中，结果记录如下表：
培养皿
蔗糖溶液浓度
（mol.L-1）
发生初始质壁分离细胞占
观察细胞数目的百分比
1
0.2
无
2
0.3
无
3
0.4
15%
4
0.5
40%
5
0.6
80%
6
0.7
99%
7
0.8
100%
请回答：
（1）该洋葱细胞液的等渗浓度范围为。
（2）在以上基础上，如何进一步改进实验，将测定的洋葱表皮细胞的细胞液浓度范围精确到小数点后两位数。
①需设置的蔗糖溶液浓度分别为。
②。
③观察。
④结果分析。
实验的第二步需要根据平行重复原则设计实验来得出结论。
（3）单一变量原则
该原则可使实验中的复杂关系简单化，使结果更准确。
其含义是：
1不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个实验变量对应观测一个反应变量；
2实验中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。
例如，在“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水解作用”的实验中，加入的淀粉和蔗糖是单一变量，而加入的淀粉酶的量、反应温度、pH值则应控制成相同条件（常量），否则这些因素的差异将作为无关变量，干扰实验结果及对实验结果的分析。
再如：
某生物学小组为了研究阳光对大豆发芽的影响，而在两个花盆里种了大豆，并设计了如下实验：
花盆
阳光
温度
水
Ⅰ
光照
200C
充足
Ⅱ
暗室
200C
不充足
在这一实验设计中，应该改正的错误是：
A.两个花盆都应该放在向阳的地方
B.两个花盆都应该放在黑暗的地方
C.两个花盆的温度不应该一样高
D.两个花瓶都应该浇给充足的水
这个实验要研究的是阳光对大豆发芽的影响，因此阳光应该为自变量。
根据单因子变量原则，其他因素都应该设为常量，所以本题的答案为D---两个花盆都应该浇给充足的水。
这样既保证了变量单一，又使大豆不会因为缺水而影响发芽。
而如果两个花盆都浇水不足，两个盆中的大豆就都会因为缺水而使发芽不良，也会导致实验的失败。
因此，在考虑单因子变量时，还要尽量使常量能满足实验成功的条件。
（4）控制与平衡控制原则
该原则是指要严格地操纵自变量，以获取因变量。
同时，要严格地均衡无关变量，以消除额外变量干扰。
即尽量消除实验误差，以取得较为精确的结果。
常用的方法有单组、等组及轮组实验法。
①单组实验法
对一组（或一个）对象，既用A法，又用B法，顺序随机或轮流循环，这是生物实验常用的实验方法。
例如，“观察植物细胞的质壁分离与复原”实验，通常是将做好的紫色洋葱鳞片叶表皮细胞装片，先用蔗糖溶液做质壁分离观察，接着又用清水做质壁分离观察，这就是单组实验法。
由于对象同一，无关的变量的影响也就被平衡和抵消了。
②等组实验法
将状况相等的对象，分成两组或多组，一组用A法，另一组用B法，这也是生物实验常用的实验方法。
例如，“植物激素与向性”实验，设计了5组实验，其对象是玉米幼苗，要求品种、萌发期、粗细、大小、长势等状况都是相同的，这就是等组实验法，对无关变量的影响起到了平衡和消除作用。
③轮组实验法
对两组或两组以上的对象，循环进行两个或两个以上的实验处理，如甲组---A法、B法；乙组---B法、A法等，这样能有效地平衡和抵消无关变量的影响。
自然，操作起来要麻烦一些。
例如，“植物向光性”实验，可随机取两组（株）生长状况不相等的玉米幼苗，做如下实验处理：
甲组：
玉米幼苗-----a先用“不透光”处理；b后用“单测光”处理。
乙组：
玉米幼苗-----c先用“单测光”处理；d后用“不透光”处理。
实验结果，则是a+d（“不透光”）和b+c（“单测光”）的比较，这就是轮组实验法。
这种实验处理的匹配，对平衡、消除无关变量和额外变量更有说服力。
（5）对照原则
对照原则是中学实验设计中最常用的原则，如有关酶的高效性、专一性和影响酶活性的条件的实验，观察植物细胞的质壁分离和复原实验等都采用了对照。
通过设置对照实验，既可排除无关变量的干扰，又可增加实验结果的可信度和说服力。
对于对照实验，一个实验可包括实验组和对照组。
实验组是接受自变量处理的对象组，对照组（控制组）是不接受自变量处理的对象组。
至于哪个作实验组，哪个作对照组，一般是随机决定的。
常用的对照类型有以下几种：
①空白对照：
对照组为不做任何处理的对象组。
如“探索影响淀粉酶活性的条件”实验中，1号试管加1mL蒸馏水，2号、3号试管分别加等量的NaOH、HCI溶液。
1号试管即为典型的空白对照组。
②自身对照：
实验与对照在同一对象上进行，不另设对照组。
如“观察植物细胞质壁分离和复原”实验，即是典型的自身对照-----实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。
③条件对照：
给实验组某种处理，给对照组另一条件的处理。
如在“验证甲状腺激素促进幼小动物发育”的实验中，存在以下实验组和对照组。
甲组：
饲喂甲状腺激素（实验组）
乙组：
饲喂甲状腺激素抑制剂（条件对照组）
丙组：
对蝌蚪不作任何处理（空白对照）
④相互对照：
指另不设对照组，而是利用几个实验组相互对照。
如在“植物向光性”的实验设计中，如下图所示，2与1对照可证明感光部位在胚芽鞘尖端，3也可与1对照，4也可与1对照，也可与2对照。
光光光光
1234
未经处理尖端遮光切去尖端中部遮光
3.实验设计的内容
完整的实验设计一般包括以下几个方面：
①实验题目。
②假设：
对可见现象提出的一个可检验的方案。
③预期结果：
在检测一个假设前，先提出实验的预期结果。
如果预期没有实现，则说明假设不成立；如果预期实现，则假设成立。
④实验方法：
根据实验的目的和提出的假设，来具体设计实验的方法步骤。
⑤观察和搜集数据：
按实验设计的观察内容、方法和次数进行如实记录。
⑥分析：
对实验记录下来的现象、结果、数据进行整理、分析。
存瑞中学2004年高三补习班生物学案
⑦得出结论：
根据实验事实进行推理，得出结论。
四常见的实验题型
1.按是否是教材规定的实验，分为常规实验和创新实验
常规实验是教材中学生必须掌握的实验，考查对象为原理、材料和试剂的应用、设计操作和现象的分析等。
其中反映出的实验设计思想、方法，可以用于创新实验设计。
创新实验是利用常规实验所包含的原理和方法，利用新材料，借助新情境进行实验设计，解决新问题。
如2002年全国理综试卷中“验证镁是植物必需元素”的错误实验分析及正确实验设计；2003年全国理综试卷中“验证脊神经背根、腹根的传导功能”的实验等。
创新实验设计是当前命题的热点。
2.按实验目的分为对照型或非对照型实验
对照型实验的目的是为了说明研究对象具有某种功能或具有某种特点，如有关酶的特点及作用条件的实验，植物细胞的质壁分离和复原实验等。
非对照型实验是过程—结果型实验，即有某处理出现某现象，得出某结论。
例如“生物组织中可溶性还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定”实验。
3.按考查要求，分为补充完善型、分析型、改错型、完全设计型及综合型实验
（1）补充完善型
一般给出了具体的材料和条件，要求完成实验操作的部分步骤，并预期结果,分析原因。
如2000年全国理综试卷“验证Ca2+在血液凝固中的作用”的实验。
再如以下实验：
正常的成熟植物细胞，在一定条件下能够发生质壁分离和复原。
请根据提供的实验材料和用具，简要写出“观察植物细胞的质壁分离和复原”实验的第二步的操作方法，并回答有关问题。
①材料用具
紫色洋葱表皮细胞的临时装片、滴管、吸水纸、显微镜和质量浓度为0.3g/mL的硝酸钾溶液。
②方法步骤
第一步：
观察洋葱表皮细胞的临时装片。
先用低倍镜观察紫色洋葱表皮细胞的临时装片，再用高倍镜观察，可以看到洋葱表皮细胞中的紫色大液泡，还可以看到原生质层紧紧地贴着细胞壁。
第二步：
观察洋葱表皮细胞的质壁分离。
（在下面横线上写出操作过程及观察到的现象）
第三步：
观察洋葱表皮细胞质壁分离复原。
质壁分离发生以后，经过一段时间，用显微镜观察，可以发现液泡又逐渐变大，原生质层和液泡又逐渐恢复原来的状态。
③解释实验结果
发生质壁分离复原的原因是：
。
（2）分析实验结果型
这类试题以实验为背景，通过图、文的表等多种形式来表达实验情境，要求学生通过对实验结果的解读，进行分析。
着重考查学生科学思维的品质。
例如：
根据对A、B、C、D4个水深均超过2m的池塘水质进行全方位研究的结果，回答下列问题：
1）从水体发绿的池塘中取4瓶等量的水样，测定其溶氧量为8.5×10-6，将4瓶水样于晴天分别置于A、B、C、D4个池塘的1m水深处1d，测得其溶氧量见下表。
样品
A
B
C
D
溶氧量（×10-6）
9.5
8.5
7.5
10.5
①水质清澈度最高的池塘是。
②形成B瓶结果的原因是
2）为了证明水体富营养化是由N和P引起的，又在泛着绿色的池塘中取水，并进行如下处理：
（A）静置4h，倒去上清夜，留下藻类，加清水，如此重复3次；（B）再加水至1000mL，分装于甲、乙、丙、丁4个烧杯中；（C）在甲烧杯中加0.3g洗衣粉（含P），在乙烧杯中加0.3g尿素，在丙烧杯中加0.15g洗衣粉和0.15g尿素，丁烧杯中不加任何物质。
根据上述过程回答问题：
①（A）处理的目的是。
②你认为藻类繁殖最快的烧杯是，丁烧杯的作用是。
（3）改错型
实验目的或材料或过程、结果等有错误，要求学生运用已有知识分析找出并加以改正。
（4）设计型
设计型实验题是在目前实验考查尚难以做到动手操作的情况下，要求学生自己设计、选择、分析实验的思路和方案，着重考查学生的创新能力和实验能力。
如2003年全国高考（新课程卷）“验证脊神经背根的传入功能和腹根的传出功能”的实验。
再如：
蛋清的主要成分是蛋白质，在碱性溶液中，蛋白质与CuSO4反应能产生紫色物质，这是蛋白质的双缩脲反应。
请根据这一反应特征，利用下列材料，设计一个实验来证明人的唾液中含有蛋白质。
实验材料：
5%的NaOH溶液、3%的CuSO4溶液、水、试管、滴管、脱脂棉球、镊子和小烧杯。
实验步骤：
①。
②。
③。
④。
（5）综合型
它是前述几种题型的组合，如2002年全国理综试卷中的“验证镁是植物必需的矿质元素”的实验等。
4.按考查内容，分为独立型和组合型实验
独立型实验题完全从某个或某些角度考查考生的实验能力；而组合型题目不仅从某个角度考查考生的实验能力，还考查考生某方面的基础知识。
五常规实验的复习内容
1.复习要求：
主要包括教材之中的所有必做和选做的16个实验、实习和研究性课题。
对于每个实验，要求从两个方面来复习：
一方面是熟悉每个实验的常规内容，即理解每个实验的目的、原理、实验仪器和药品的使用、实验的方法步骤、实验现象的观察和分析以及实验结论的得出等基本内容。
另一方面，是引导学生站在一个全新的、应用的角度去重新分析已做过的每一个实验，从中提取出应真正要掌握的最重要的内容，主要包括两部分：
一部分是有关每个实验的设计思想。
重点引导学生去分析设计思想，研究其设计思路（假如由我们自己来设计这个实验，应该怎样去设计，应考虑哪些问题，能否设计出比教材中更好的步骤来）。
通过分析和研究，就可以使学生懂得为什么要这样做，这些步骤是如何设计出来的，这样就自然而然地提高了学生自身的实验分析和设计能力。
另一部分内容是每个实验中最基本的实验方法和技术，是我们在自己独立设计实验时也经常用到的。
这样在我们自己进行实验设计时就能够迁移和利用这些基本的实验方法和技术。
例如，在复习“叶绿体中色素的提取和分离”时，首先要引导学生分析此实验的设计思路：
本实验的目的是什么？
围绕此目的设计实验时应考虑哪些问题？
应该取什么样的材料才能完成此实验？
完成此实验要对实验材料进行怎样的处理才能把色素提取出来？
提取出来后再用什么样的方法才能把各种色素加以分离？
其次要引导学生从实验中提取出一些基本的实验方法和技术：
如研磨、过滤技术、纸层析技术等，这些基本的实验方法和技术是进行实验设计中经常用到的，一定要掌握其操作要领，如凡是需要从细胞中提取某些物质时，就应考虑是否要用到研磨和过滤
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