資源簡介

(共47張PPT)
關于《技術與設計》的若干問題
吳鐵軍教授
浙江大學信息科學與工程學院
主要內容
關于技術：科學原理的實際應用
關于設計：構思與計劃的技術
關于結構：事物內部的組織形式
關于流程：事物的時間結構
關于系統：相關性和整體性
關于控制：關于駕馭的藝術
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University關于技術
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浙江大學 Zhejiang University
浙江大學 Zhejiang University技術與科學的聯系與區別
技術以科學為基礎
根據科學原理“開發”出來的技術
例：根據電磁場理論開發的無線電報技術
例：根據氣體放電理論開發的等離子顯示技術
例：根據光電效應理論開發的數字照相技術
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浙江大學 Zhejiang University
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1887年德國科學家赫茲證明了無線電波的存在，1895年意大利大學生馬可尼據此發明了無線電報機。
1906年英國科學家湯姆遜創建氣體放電理論，1964年美國伊利諾斯大學研制出等離子顯示裝置。
1905年德國物理學家愛因斯坦創建光電效應理論，1981年日本索尼公司推出第一臺數碼照相機。
浙江大學 Zhejiang University技術與科學的聯系與區別
什么是“Knowhow”
隱含科學原理而“摸索”出來的技術
例：越王劍的冶煉技術
例：汽車鋼板的生產技術
例：航空發動機的制造技術
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浙江大學 Zhejiang University
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大推力航空發動機的關鍵技術是高強度、高韌性的耐高溫合金。
德國大眾汽車采用了高強度、高韌性的汽車復合鋼板。
1965年湖北荊州出土越王勾踐劍，歷經兩千多年仍鋒利無比，毫無銹蝕。
浙江大學 Zhejiang University技術與科學的聯系與區別
科學的使命是“發現”，而技術的使命是“發明”
“科學無國界”：發現客觀規律
例：科學家霍金（S.W. Hawking）：大爆炸宇宙學，弦論
技術有“價值”：知識產權保護
例：基因藥物，3G手機，……
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University技術的善與惡
技術是有“目的”的
“善的”技術
例：器官移植
“惡的”技術
例：毒品加工
“善惡交加”的技術：技術的兩面性
例：“大規模殺傷性武器”
難以回答的道德追問
例：人體克隆，轉基因農業，美容手術，……
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University“技術的專利性”：要不要專利？
技術的“專利性”≠ 技術的“專利”
例：可口可樂的秘密。
專利：法律武器
一把雙刃劍：通過公開秘密來保護秘密
專利什么時候起作用？
何時我們需要專利？
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University技術與自然的關系
技術為人服務，因此技術與自然的關系仍然是技術與人的關系。
“人定勝天”：人如何與自然相處？
技術與自然——一個微妙的關系
例：三峽大壩的建造與環境保護
極端環境保護主義（美國：地球解放陣線 ELF）
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University*
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浙江大學 Zhejiang University
關于設計
浙江大學 Zhejiang University什么是設計
形形色色的“設計”
以設計對象命名
例：產品設計、工藝設計、廣告設計、形象設計、……
以設計領域命名
例：技術設計、藝術設計、工程設計、工業設計、……
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University設計是創造性的技術應用
設計是構思和計劃的技術（德國鮑豪斯Bauhaus設計學派，1919）
以構思和計劃的科學為基礎（創造學 + 運籌學）
具有技術的一切屬性
目的性、創新性、綜合性、兩面性、專利性、……
“技術設計”
以技術產品及其制造過程為對象的構思和計劃技術
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浙江大學 Zhejiang University
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Bauhaus設計學院外景（德國魏瑪）。
該學派的設計原則：藝術與技術的統一；設計的目的是人，而不是產品；設計必須遵循自然和客觀的原則來進行。
浙江大學 Zhejiang University設計 vs 研究
技術領域的設計與研究都是創造性的活動。
例：設計一種新的打印機
例：研究一種新的打印方法
不同點：
設計以大批量實施為目的。因此，強調結果的可實現性和規范性。
研究以特定性發現為目的。因此，強調結果的新穎性和改善性。
研究的結果通過設計變成產品。
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University創新是設計的生命
設計的本質就是創新
仿制：無創新的“設計”
創新性設計方法：模仿與聯想
模仿：對已有事物原理、功能的某種“拷貝”
例：潛水艇和魚眼鏡頭
聯想：對已有事物原理、功能的擴充、集成、推理、甚至逆向思維
例：逆向思維設計——水床與盧佛宮的金字塔
創新性設計方法：“奇特性構思”
奇特性構思是“無中生有”的設計創意
例：自行車與電視機
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University新的設計理念——人機關系設計
人機工程學（Ergonomics）（英國人默雷爾 K. Murrell, 1947）
一門研究人與其所處工作和生活環境之間相互關系，以適應人體解剖學、生理學、心理學要求， 從而達到提高工作效率和安全、健康、舒適為目的的學科。
“人機關系設計”：一個友好的物質世界
例：AK-47沖鋒槍的扳機護套設計
例：Microsoft Windows
什么“不是”人機關系設計？
例：形形色色的沙發
例：形形色色的鉛筆刨
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University“可持續發展”— 另一個新的設計理念
可持續發展：既滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要構成危害的發展
世界環境與發展委員會報告，《我們共同的未來》，1987
設計與自然的關系：一個易被忽視的設計原則
“設計與自然的關系”是“技術與自然的關系”的自然延續
正例和反例
正例：易拉罐開啟方式的設計
反例：過度包裝
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University技術試驗：設計的推進器和評判者
試驗：有明確目的和計劃的嘗試
關鍵詞：目標、手段和程序
兩種類型的技術試驗：實驗和測試
為了“發現”的試驗：實驗
為了“證實”的試驗：測試
誰來推進和評判設計？
實驗：技術設計的推進器
測試：技術設計的評判者
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浙江大學 Zhejiang University設計評價：量化還是非量化？
設計評價是設計的指揮棒
各有優劣的評價指標
量化指標（客觀的）：經濟、實用、規范、……
非量化指標（主觀的）：道德、美觀、友好、……
我們極力尋找可量化的評價指標，以保證設計評價的“科學性”
非量化評價指標體現設計的魅力和創意
例：“鳥巢”和“水立方”的設計
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University*
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浙江大學 Zhejiang University
關于結構
浙江大學 Zhejiang University什么是結構
一個有趣的問題
雞蛋和蛋殼：誰是殼體結構？
看不見摸不著的“結構”
結構：事物內部各組成部分確定的組織形式。
結構是一個抽象而普適的概念
例：建筑結構、人體結構、社會結構、系統結構、……
有結構的和無結構的
有無確定的組織形式，是判斷有無結構的關鍵
例：無結構的水和有結構的冰
例：無結構的沙灘和有結構的沙雕
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University結構決定事物整體的性質
結構反映了事物各組成部分之間的相互關系
由許多成分組成的事物中，結構往往起決定性作用
例：石墨和鉆石
結構主義（structuralism）
“世界是由許多“狀態”構成的總體，每一個“狀態”是一條眾多事物組成的鎖鏈，它們處于確定的關系之中，這種關系就是這個“狀態”的結構，決定了這個世界。”（路德維希·維特根斯坦（奧），《邏輯哲學論》，1922）
例：社會結構
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University結構分析
為什么拱橋是殼體結構？
結構分析步驟
第1步：確定分析對象
第2步：分解該對象的組成成分
第3步：尋找各成分之間的相互關系
第4步：提取相互關系的特征
第5步：解釋特征與對象性質之間的關系
結構的嵌套和混合
回到雞蛋和蛋殼的結構問題
回到拱橋問題
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University力學結構：強度和穩定性
結構的強度和穩定性
強度：在外力作用下結構保持完整的能力。
注：結構的完整 ≠ 結構體的完整
例：被炮火轟擊的建筑
穩定性：在外力作用下結構保持平衡的能力。
注：結構的完整 ≠ 結構的平衡
例：被風吹跑的帳篷
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University力學結構：強度和穩定性
結構的強度和穩定性與外力的大小及方向有關
因此強度和穩定性要與外力一起分析才能得出結論。
例：簡支梁的強度和穩定性
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University*
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浙江大學 Zhejiang University
關于流程
浙江大學 Zhejiang University什么是流程
流程是一系列具有時序的活動（環節）
一個活動不是流程
多個沒有時序的活動不是流程
例：“流程是有組織的活動”？有獎競猜
流程與結構
流程是事物動態變化的時間表達形式
“流程是事物的時間結構”
形形色色的流程
從生產流程、程序流程到控制流程
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浙江大學 Zhejiang University
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控制器
執行器
被控對象
檢測裝置
浙江大學 Zhejiang University流程的基本要素
流程兩要素
活動和時序
此“活動”非彼活動
活動是在一定時間、使用一定資源進行的一個操作
形形色色的時序
標準時序和邏輯時序
例：做饅頭和修電燈
同步時序和異步時序
例：交響樂的“同步和異步”演奏
并行時序和串行時序
例：編輯和打印
問題：Microsoft Windows 執行什么時序？
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University流程的類型
三種基本類型
流水流程（Flow shop）
流程中所有活動按單一的時序排列
作業流程（Job shop）
流程中不同的活動有確定的不同時序
開放流程（Open shop）
流程中所有活動可以有任意的時序
例：自助餐
嵌套流程和循環流程
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University流程分析
流程分析要回答什么問題？
流程分析即流程的時序結構分析
流程分析的粒度
流程的粒度即活動和時序的粒度
在不同粒度下，流程可能呈現不同的時序結構
例：鋼鐵是怎樣煉成的
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浙江大學 Zhejiang University
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原料
煉鐵
煉鋼
軋鋼
煉焦
燒結
高爐
浙江大學 Zhejiang University流程優化：流程設計的終極目標
流程的可行性、滿意性和最優性
在給定資源的情況下，對流程的優化即改變流程的時序結構（流程調度，Scheduling）
怎樣優化流程？
基本的流程優化方法：枚舉法和隨機試驗法
經典的流程優化方法：運籌學方法
現代的流程優化方法：計算智能方法（擬生態方法）
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University*
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浙江大學 Zhejiang University
關于系統
浙江大學 Zhejiang University無處不在的系統
系統在哪里？
1945年奧地利理論生物學家貝塔朗菲（L. Bertalanffy）發表《一般系統論》，描述了系統的各種性質，卻沒有回答這個問題 。
“我思故我在”（笛卡爾，法國哲學家）
系統就是你所關注的對象
系統是“客觀存在”還是“主觀想象”？
對于同樣的事物，當你的關注點不同時，代表不同的系統
例：射擊運動
例：自動取款機
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University系統是有結構的
怎樣定義一個系統？
定義1：“系統之外”——系統所處的環境
定義2：系統的組成成分
定義3：組成成分之間的相互關系
研究“系統”的理由：系統結構決定其性質
系統的層次性（嵌套結構）
系統的組成成分可以是另一個系統（子系統）。
不同層次的系統可以有不同的結構。
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University系統是有結構的
同構系統和模型仿真
結構相同的系統（同構系統）具有同樣的性質。
因此，可用廉價的（同構）模型來研究真實系統。
例：水塔放水和電容放電
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浙江大學 Zhejiang University
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C
R
V
V
t
浙江大學 Zhejiang University一般系統的分類
系統和環境的關系
開放系統（Open system ）
封閉系統（Closed system）
系統和時間的關系
穩態系統（Stable system）
動態系統（Dynamic system）
系統走向何方：穩定系統和不穩定系統
系統在干什么：規則系統和混沌系統
例：混沌——從蝴蝶撲翅到熱帶風暴
時間隧道：可逆系統和耗散系統
例：耗散——從蛋湯到蛋糕
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University一般系統的分類
系統成分之間的關系
單調系統（Monotonic system）
遞歸系統（Recursive system）
遞歸：學習學習再學習
復雜系統
自組織系統（Self-organizing system）
例：從糖漿到冰糖
自適應系統（Adaptive system）
例：生物的進化
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University1＋1＞2 還是 2＞1＋1 ？
多個事物的集合何時被稱為“系統”？
這些事物之間存在相互作用（相關性）；
由于這種關聯相互作用，從整體來看出現這些事物原先不具備的新性質（整體性）。
例：“人群”和“組織”
事物之間的相關性是系統存在的必要條件
單向關聯和雙向關聯
因果關系：相關性是整體性的來源
相關作用的改變將導致整體功能的變化
“1＋1”與“2”誰更大？
“整體性”并不意味著“功能增強”
例：“害群之馬”
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University“系統分析”要分析什么
系統分析即“結構分析”
結構（相關性）決定系統的性質（整體性）
系統分析的 “4W”
Where：“劃清界限”——系統和環境的邊界在哪里？
What：系統成分之間有什么相互作用？
Why：這些相互作用為什么會影響到系統的整體功能？
When：系統什么時候發生變化？
例：控制系統的分析
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University系統優化：在系統分析的基礎上進行
“結構優化”的重要性
再次重申：結構（相關性）決定系統的性質（整體性）
通過改變系統結構來改變系統性能
以系統結構分析為基礎
怎樣優化系統結構？
改變系統的組成成分
改變系統成分之間的相互關系
例：怎樣設計一個食堂供應系統？
每一種系統結構的可行改變，稱為一個“方案”。
系統優化即選擇最適當的方案，使系統整體性能最好。
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University
關于控制
浙江大學 Zhejiang University控制即干預
控制論（Cybernetics）：關于駕馭的理論
《控制論，即關于動物和機器的控制與通訊》，維納（N. Wiener,美國數學家），1948
兩個基本概念：負反饋和信息傳輸
控制科學：普適性的系統科學
人類獨特的能力：改造世界
關于控制的規律是普遍性的規律
形形色色的控制系統
生產控制、交通控制、氣候控制、人口控制、金融控制、疾病控制
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浙江大學 Zhejiang University
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Norbert Wiener
浙江大學 Zhejiang University用控制的獨特視角看問題
系統的視角
控制系統的結構決定其性能
動態的視角
“趨勢比狀態更重要”
反饋的視角
了解控制效果：“沒有反饋就沒有控制”
調節的視角
調節就是修正 —— 有誤差才有調節
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University用系統的觀點看控制：控制系統分析
控制系統結構分析
系統的組成成分
系統分析的粒度：什么是被控對象
例：自動感應門和射擊問題
系統成分之間的相互作用
例：“開環控制”還是“閉環控制”？
系統的性能評價
抑制干擾的能力：穩定性
例：汽車消振系統
追蹤目標的能力：跟蹤性
例：地—空導彈
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University用系統的觀點看控制：控制系統分析
“人工控制”還是“自動控制”？
人在控制系統中的地位和作用
例：火星探險
例：遠程手術
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University如何設計控制系統
系統劃分
誰是被控對象？
系統建模
從現實世界到虛擬世界
系統分析
尋找系統的缺陷
系統設計
如何補償系統的缺陷？
系統優化
使系統變得更好
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University控制器設計：控制的藝術
是誰把控制變成了藝術？
被控對象的古怪脾氣：動態性和不確定性
形形色色的控制藝術
“適者生存”的藝術：自適應控制（Adaptive control ）
“以不變應萬變”的藝術：魯棒控制（Robust control ）
“走一步，看一步”的藝術：預測控制（Predictive control）
“狡兔三窟”的藝術：容錯控制（Fault-tolerant control）
“失敗是成功之母”：學習控制（Learning control）
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浙江大學 Zhejiang University
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浙江大學 Zhejiang University*
浙江大學 Zhejiang University
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謝謝大家
浙江大學 Zhejiang University

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