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(共47张PPT)
关于《技术与设计》的若干问题
吴铁军教授
浙江大学信息科学与工程学院
主要内容
关于技术：科学原理的实际应用
关于设计：构思与计划的技术
关于结构：事物内部的组织形式
关于流程：事物的时间结构
关于系统：相关性和整体性
关于控制：关于驾驭的艺术
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University关于技术
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浙江大学 Zhejiang University
浙江大学 Zhejiang University技术与科学的联系与区别
技术以科学为基础
根据科学原理“开发”出来的技术
例：根据电磁场理论开发的无线电报技术
例：根据气体放电理论开发的等离子显示技术
例：根据光电效应理论开发的数字照相技术
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浙江大学 Zhejiang University
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1887年德国科学家赫兹证明了无线电波的存在，1895年意大利大学生马可尼据此发明了无线电报机。
1906年英国科学家汤姆逊创建气体放电理论，1964年美国伊利诺斯大学研制出等离子显示装置。
1905年德国物理学家爱因斯坦创建光电效应理论，1981年日本索尼公司推出第一台数码照相机。
浙江大学 Zhejiang University技术与科学的联系与区别
什么是“Knowhow”
隐含科学原理而“摸索”出来的技术
例：越王剑的冶炼技术
例：汽车钢板的生产技术
例：航空发动机的制造技术
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浙江大学 Zhejiang University
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大推力航空发动机的关键技术是高强度、高韧性的耐高温合金。
德国大众汽车采用了高强度、高韧性的汽车复合钢板。
1965年湖北荆州出土越王勾践剑，历经两千多年仍锋利无比，毫无锈蚀。
浙江大学 Zhejiang University技术与科学的联系与区别
科学的使命是“发现”，而技术的使命是“发明”
“科学无国界”：发现客观规律
例：科学家霍金（S.W. Hawking）：大爆炸宇宙学，弦论
技术有“价值”：知识产权保护
例：基因药物，3G手机，……
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University技术的善与恶
技术是有“目的”的
“善的”技术
例：器官移植
“恶的”技术
例：毒品加工
“善恶交加”的技术：技术的两面性
例：“大规模杀伤性武器”
难以回答的道德追问
例：人体克隆，转基因农业，美容手术，……
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University“技术的专利性”：要不要专利？
技术的“专利性”≠ 技术的“专利”
例：可口可乐的秘密。
专利：法律武器
一把双刃剑：通过公开秘密来保护秘密
专利什么时候起作用？
何时我们需要专利？
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University技术与自然的关系
技术为人服务，因此技术与自然的关系仍然是技术与人的关系。
“人定胜天”：人如何与自然相处？
技术与自然——一个微妙的关系
例：三峡大坝的建造与环境保护
极端环境保护主义（美国：地球解放阵线 ELF）
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University*
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浙江大学 Zhejiang University
关于设计
浙江大学 Zhejiang University什么是设计
形形色色的“设计”
以设计对象命名
例：产品设计、工艺设计、广告设计、形象设计、……
以设计领域命名
例：技术设计、艺术设计、工程设计、工业设计、……
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University设计是创造性的技术应用
设计是构思和计划的技术（德国鲍豪斯Bauhaus设计学派，1919）
以构思和计划的科学为基础（创造学 + 运筹学）
具有技术的一切属性
目的性、创新性、综合性、两面性、专利性、……
“技术设计”
以技术产品及其制造过程为对象的构思和计划技术
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浙江大学 Zhejiang University
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Bauhaus设计学院外景（德国魏玛）。
该学派的设计原则：艺术与技术的统一；设计的目的是人，而不是产品；设计必须遵循自然和客观的原则来进行。
浙江大学 Zhejiang University设计 vs 研究
技术领域的设计与研究都是创造性的活动。
例：设计一种新的打印机
例：研究一种新的打印方法
不同点：
设计以大批量实施为目的。因此，强调结果的可实现性和规范性。
研究以特定性发现为目的。因此，强调结果的新颖性和改善性。
研究的结果通过设计变成产品。
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University创新是设计的生命
设计的本质就是创新
仿制：无创新的“设计”
创新性设计方法：模仿与联想
模仿：对已有事物原理、功能的某种“拷贝”
例：潜水艇和鱼眼镜头
联想：对已有事物原理、功能的扩充、集成、推理、甚至逆向思维
例：逆向思维设计——水床与卢佛宫的金字塔
创新性设计方法：“奇特性构思”
奇特性构思是“无中生有”的设计创意
例：自行车与电视机
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University新的设计理念——人机关系设计
人机工程学（Ergonomics）（英国人默雷尔 K. Murrell, 1947）
一门研究人与其所处工作和生活环境之间相互关系，以适应人体解剖学、生理学、心理学要求， 从而达到提高工作效率和安全、健康、舒适为目的的学科。
“人机关系设计”：一个友好的物质世界
例：AK-47冲锋枪的扳机护套设计
例：Microsoft Windows
什么“不是”人机关系设计？
例：形形色色的沙发
例：形形色色的铅笔刨
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University“可持续发展”— 另一个新的设计理念
可持续发展：既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要构成危害的发展
世界环境与发展委员会报告，《我们共同的未来》，1987
设计与自然的关系：一个易被忽视的设计原则
“设计与自然的关系”是“技术与自然的关系”的自然延续
正例和反例
正例：易拉罐开启方式的设计
反例：过度包装
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University技术试验：设计的推进器和评判者
试验：有明确目的和计划的尝试
关键词：目标、手段和程序
两种类型的技术试验：实验和测试
为了“发现”的试验：实验
为了“证实”的试验：测试
谁来推进和评判设计？
实验：技术设计的推进器
测试：技术设计的评判者
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University设计评价：量化还是非量化？
设计评价是设计的指挥棒
各有优劣的评价指标
量化指标（客观的）：经济、实用、规范、……
非量化指标（主观的）：道德、美观、友好、……
我们极力寻找可量化的评价指标，以保证设计评价的“科学性”
非量化评价指标体现设计的魅力和创意
例：“鸟巢”和“水立方”的设计
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University*
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浙江大学 Zhejiang University
关于结构
浙江大学 Zhejiang University什么是结构
一个有趣的问题
鸡蛋和蛋壳：谁是壳体结构？
看不见摸不着的“结构”
结构：事物内部各组成部分确定的组织形式。
结构是一个抽象而普适的概念
例：建筑结构、人体结构、社会结构、系统结构、……
有结构的和无结构的
有无确定的组织形式，是判断有无结构的关键
例：无结构的水和有结构的冰
例：无结构的沙滩和有结构的沙雕
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University结构决定事物整体的性质
结构反映了事物各组成部分之间的相互关系
由许多成分组成的事物中，结构往往起决定性作用
例：石墨和钻石
结构主义（structuralism）
“世界是由许多“状态”构成的总体，每一个“状态”是一条众多事物组成的锁链，它们处于确定的关系之中，这种关系就是这个“状态”的结构，决定了这个世界。”（路德维希·维特根斯坦（奥），《逻辑哲学论》，1922）
例：社会结构
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University结构分析
为什么拱桥是壳体结构？
结构分析步骤
第1步：确定分析对象
第2步：分解该对象的组成成分
第3步：寻找各成分之间的相互关系
第4步：提取相互关系的特征
第5步：解释特征与对象性质之间的关系
结构的嵌套和混合
回到鸡蛋和蛋壳的结构问题
回到拱桥问题
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University力学结构：强度和稳定性
结构的强度和稳定性
强度：在外力作用下结构保持完整的能力。
注：结构的完整 ≠ 结构体的完整
例：被炮火轰击的建筑
稳定性：在外力作用下结构保持平衡的能力。
注：结构的完整 ≠ 结构的平衡
例：被风吹跑的帐篷
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University力学结构：强度和稳定性
结构的强度和稳定性与外力的大小及方向有关
因此强度和稳定性要与外力一起分析才能得出结论。
例：简支梁的强度和稳定性
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University*
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浙江大学 Zhejiang University
关于流程
浙江大学 Zhejiang University什么是流程
流程是一系列具有时序的活动（环节）
一个活动不是流程
多个没有时序的活动不是流程
例：“流程是有组织的活动”？有奖竞猜
流程与结构
流程是事物动态变化的时间表达形式
“流程是事物的时间结构”
形形色色的流程
从生产流程、程序流程到控制流程
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浙江大学 Zhejiang University
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控制器
执行器
被控对象
检测装置
浙江大学 Zhejiang University流程的基本要素
流程两要素
活动和时序
此“活动”非彼活动
活动是在一定时间、使用一定资源进行的一个操作
形形色色的时序
标准时序和逻辑时序
例：做馒头和修电灯
同步时序和异步时序
例：交响乐的“同步和异步”演奏
并行时序和串行时序
例：编辑和打印
问题：Microsoft Windows 执行什么时序？
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University流程的类型
三种基本类型
流水流程（Flow shop）
流程中所有活动按单一的时序排列
作业流程（Job shop）
流程中不同的活动有确定的不同时序
开放流程（Open shop）
流程中所有活动可以有任意的时序
例：自助餐
嵌套流程和循环流程
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University流程分析
流程分析要回答什么问题？
流程分析即流程的时序结构分析
流程分析的粒度
流程的粒度即活动和时序的粒度
在不同粒度下，流程可能呈现不同的时序结构
例：钢铁是怎样炼成的
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浙江大学 Zhejiang University
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原料
炼铁
炼钢
轧钢
炼焦
烧结
高炉
浙江大学 Zhejiang University流程优化：流程设计的终极目标
流程的可行性、满意性和最优性
在给定资源的情况下，对流程的优化即改变流程的时序结构（流程调度，Scheduling）
怎样优化流程？
基本的流程优化方法：枚举法和随机试验法
经典的流程优化方法：运筹学方法
现代的流程优化方法：计算智能方法（拟生态方法）
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University*
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浙江大学 Zhejiang University
关于系统
浙江大学 Zhejiang University无处不在的系统
系统在哪里？
1945年奥地利理论生物学家贝塔朗菲（L. Bertalanffy）发表《一般系统论》，描述了系统的各种性质，却没有回答这个问题 。
“我思故我在”（笛卡尔，法国哲学家）
系统就是你所关注的对象
系统是“客观存在”还是“主观想象”？
对于同样的事物，当你的关注点不同时，代表不同的系统
例：射击运动
例：自动取款机
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University系统是有结构的
怎样定义一个系统？
定义1：“系统之外”——系统所处的环境
定义2：系统的组成成分
定义3：组成成分之间的相互关系
研究“系统”的理由：系统结构决定其性质
系统的层次性（嵌套结构）
系统的组成成分可以是另一个系统（子系统）。
不同层次的系统可以有不同的结构。
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University系统是有结构的
同构系统和模型仿真
结构相同的系统（同构系统）具有同样的性质。
因此，可用廉价的（同构）模型来研究真实系统。
例：水塔放水和电容放电
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浙江大学 Zhejiang University
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C
R
V
V
t
浙江大学 Zhejiang University一般系统的分类
系统和环境的关系
开放系统（Open system ）
封闭系统（Closed system）
系统和时间的关系
稳态系统（Stable system）
动态系统（Dynamic system）
系统走向何方：稳定系统和不稳定系统
系统在干什么：规则系统和混沌系统
例：混沌——从蝴蝶扑翅到热带风暴
时间隧道：可逆系统和耗散系统
例：耗散——从蛋汤到蛋糕
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University一般系统的分类
系统成分之间的关系
单调系统（Monotonic system）
递归系统（Recursive system）
递归：学习学习再学习
复杂系统
自组织系统（Self-organizing system）
例：从糖浆到冰糖
自适应系统（Adaptive system）
例：生物的进化
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University1＋1＞2 还是 2＞1＋1 ？
多个事物的集合何时被称为“系统”？
这些事物之间存在相互作用（相关性）；
由于这种关联相互作用，从整体来看出现这些事物原先不具备的新性质（整体性）。
例：“人群”和“组织”
事物之间的相关性是系统存在的必要条件
单向关联和双向关联
因果关系：相关性是整体性的来源
相关作用的改变将导致整体功能的变化
“1＋1”与“2”谁更大？
“整体性”并不意味着“功能增强”
例：“害群之马”
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University“系统分析”要分析什么
系统分析即“结构分析”
结构（相关性）决定系统的性质（整体性）
系统分析的 “4W”
Where：“划清界限”——系统和环境的边界在哪里？
What：系统成分之间有什么相互作用？
Why：这些相互作用为什么会影响到系统的整体功能？
When：系统什么时候发生变化？
例：控制系统的分析
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University系统优化：在系统分析的基础上进行
“结构优化”的重要性
再次重申：结构（相关性）决定系统的性质（整体性）
通过改变系统结构来改变系统性能
以系统结构分析为基础
怎样优化系统结构？
改变系统的组成成分
改变系统成分之间的相互关系
例：怎样设计一个食堂供应系统？
每一种系统结构的可行改变，称为一个“方案”。
系统优化即选择最适当的方案，使系统整体性能最好。
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University*
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浙江大学 Zhejiang University
关于控制
浙江大学 Zhejiang University控制即干预
控制论（Cybernetics）：关于驾驭的理论
《控制论，即关于动物和机器的控制与通讯》，维纳（N. Wiener,美国数学家），1948
两个基本概念：负反馈和信息传输
控制科学：普适性的系统科学
人类独特的能力：改造世界
关于控制的规律是普遍性的规律
形形色色的控制系统
生产控制、交通控制、气候控制、人口控制、金融控制、疾病控制
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浙江大学 Zhejiang University
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Norbert Wiener
浙江大学 Zhejiang University用控制的独特视角看问题
系统的视角
控制系统的结构决定其性能
动态的视角
“趋势比状态更重要”
反馈的视角
了解控制效果：“没有反馈就没有控制”
调节的视角
调节就是修正 —— 有误差才有调节
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University用系统的观点看控制：控制系统分析
控制系统结构分析
系统的组成成分
系统分析的粒度：什么是被控对象
例：自动感应门和射击问题
系统成分之间的相互作用
例：“开环控制”还是“闭环控制”？
系统的性能评价
抑制干扰的能力：稳定性
例：汽车消振系统
追踪目标的能力：跟踪性
例：地—空导弹
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University用系统的观点看控制：控制系统分析
“人工控制”还是“自动控制”？
人在控制系统中的地位和作用
例：火星探险
例：远程手术
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University如何设计控制系统
系统划分
谁是被控对象？
系统建模
从现实世界到虚拟世界
系统分析
寻找系统的缺陷
系统设计
如何补偿系统的缺陷？
系统优化
使系统变得更好
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University控制器设计：控制的艺术
是谁把控制变成了艺术？
被控对象的古怪脾气：动态性和不确定性
形形色色的控制艺术
“适者生存”的艺术：自适应控制（Adaptive control ）
“以不变应万变”的艺术：鲁棒控制（Robust control ）
“走一步，看一步”的艺术：预测控制（Predictive control）
“狡兔三窟”的艺术：容错控制（Fault-tolerant control）
“失败是成功之母”：学习控制（Learning control）
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浙江大学 Zhejiang University
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浙江大学 Zhejiang University*
浙江大学 Zhejiang University
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谢谢大家
浙江大学 Zhejiang University

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