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摘要：培养学生的化学学科核心素养，是当前化学教学的重心。高中化学学科核心素养中的科学探究，既能体现学习化学的过程与方法，也能增进学习化学的情感与兴趣。由此，作者立足发展学生化学学科核心素养，以“氮的固定”教学为例，尝试构建“科学探究”引领下的教学模型，培养学生的“科学探究”能力，落实培养学科核心素养的教育理念。
关键词：核心素养;科学探究;氮的固定
文章编号：1008-0546（2021）09-0017-05
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.09.005
一、研究背景
培养学科核心素养的教育理念，越来越受到重视，许多国家都意识到核心素养教育理念的育人价值，将其作为高中教育教学的核心内容与重要环节。我国2017年颁布的普通高中化学课程标准将化学学科核心素養细分为“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”五个维度[1]。“科学探究”是指学生在高中化学知识学习的过程中，能够以科学认真的精神与严谨的态度，发现和提出问题、设计实验方案，参与体验、应用知识，投入到课堂活动之中，实现创新意识的自主生成[2]。
然而，当前高中化学实验教学中，还存在一些与新课程理念不吻合的现象，如：学生不能切实进行化学实验操作与探索，教师只针对实验涉及的考点、重点进行讲解等。学生自身对化学实验的意见与疑惑往往不能得到教师的重视，他们的主体性并未在化学课堂中得到发挥，这样的教学课堂容易让学生失去科学探究的动力，也难以在高中化学课堂落实化学学科核心素养的培养。基于此，本文立足于化学学科核心素养，在“科学探究”引领下构建课堂模型，并以“氮的固定”为例，设计三个核心探究实验，培养学生的科学探究能力。
二、“科学探究”引领下的课堂模型构建
培养学生科学探究能力的课堂模型，是以了解学情为基石、创设情境为方法、问题解决为目标、操作体验为过程的教学组织活动。在教师的引导与帮助下，让学生设计实验步骤、完成实验过程、内化课堂知识，这样的课堂模式，对于学生而言，不仅激发学习兴趣、调动学习欲望、认真思考、深度探索，更是在小组合作的探究之中学习知识，感受真实过程，形成科学探究能力。与此同时，教师根据教材中的知识，适当进行拓展延伸，让学生探究的内容不再局限于书本，而是联系自身的生活，这也更有助于落实核心素养教育理念。课堂模型如图1所示。
三、“科学探究”引领下的课堂教学分析，以“氮的固定”为例
1.课标与教材分析
“氮的固定”是苏教版高一化学必修2专题7氮与社会可持续发展部分的内容，是非金属元素氮开篇知识，具有承上启下作用：一方面深化必修1元素化合物知识的学习，运用对比、类比的学习方法，体会研究元素化合物的一般方法，帮助学生巩固氧化还原反应、离子反应等基本概念、原理的认识;另一方面通过对氮及其化合物转化的学习，让学生在已有学科观念的基础上，对物质的分类观、转化观以及化学价值观等形成辩证认识。就本课内容而言，主要包括：氮及氮的固定、一氧化氮和二氧化氮性质。根据教材内容，首先根据氮气微观结构，预测氮的化学性质，引出氮的固定对人类生存的重要意义，再根据物质类别研究氮的化合物，包括一氧化氮和二氧化氮的性质，通过模拟雷雨发庄稼的实验，应用氧化还原反应原理，探究含氮物质之间转化，认识物质及其转化在自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。
2.学情分析
学生在学习本节课之前，了解物质的组成和分类，又较为系统地学习了典型金属及非金属元素化合物知识，掌握了研究物质的基本方法，能运用氧化还原反应和离子反应来分析化学反应，这些为本课氮的固定、自然界中氮的循环以及氮的两种氧化物NO和NO2的性质探究奠定了一定的理论基础。此外，高一学生具备一定的观察和分析能力，但在实验设计和操作方面缺乏训练，可能会在灵活运用所学知识解决实际问题时产生困难。
3.教学目标
通过了解“氮的固定”和自然界“氮循环”，构建氮的“价一类”二维图，建立物质之间的转化观。通过实验探究，模拟“雷雨发庄稼”过程，培养学生尊重事实、独立思考，能基于证据推理形成结论，养成严谨求实的科学态度。通过了解人类活动对氮循环的影响，知道酸雨和光化学烟雾的危害，增强环保意识，培养社会责任感。
4.“氮的固定”教学设计思路
“氮的固定”教学设计思路如下（见图2）：
四、“科学探究”引领下的教学实践，以“氮的固定”为例
【视频引入】植物的生长离不开氮，茅膏菜如饥似渴地吸收含氮的物质。
【教师】这里含氮的物质包括氮气吗，为什么？
【学生】不包含，氮气在空气中很稳定，以单质形式存在。
【教师】空气中含量最多的气体就是氮气，但植物需要的是化合态的氮，将游离态的氮转化为化合态的氮是氮的固定。氮的固定有两种：自然固氮和人工固氮（见如图3氮循环）。
设计意图：在课前导入环节，要根据学生的生活经验与认知，把学生所熟悉的生活情景引入到课堂之中，使他们的注意力转移到课堂之上，学习状态由“静止”变为“动态”，使他们在化学课堂上更积极。在“氮的固定”课前导入环节，基于学生的学情掌握，为学生播放“茅膏菜如饥似渴吸收含氮物质”的视频片段，将现实生活中的场景在课堂之中呈现。这样的趣味性课堂，激发了学生的兴趣。
环节一 了解氮循环
【教师】结合图3转化，在“价一类”图中标注相关含氮物质。
【学生】展示标注结果（见图4）。
【教师】探究含氮物质转化具有十分重要的意义，请谈谈你的看法。 【学生】空气中有大量N2，若能将其转化为适合植物吸收的氮的化合物（氮肥），就会增加粮食产量，满足人类生存需求。
【教师】有句谚语：“雷雨发庄稼”，即雷雨天气后，草木长得更加茂盛，验证了你的看法。下面一起来探究这个过程涉及哪些物质转化。
设计意图：创设“氮循环”情境可以激发学生的学习兴趣，体验“氮循环”就在自己身边，利用“价一类”引导学生建立无机物学习的思路和方法，从N2到HNO3（NO3-盐）的转化分析，引导学生从化合价和物质类别两个维度对含氮物质进行分类，运用氧化还原反应可以实现不同价态之间的转化[3]。
环节二模拟氮循环
【探究实验1】数字化模拟放电条件下N2和O2反应[4]。
【学生】观察三颈烧瓶中的现象，结合NO和NO2资料卡判断红棕色气体是NO2。
【教师】N2和O2在放电条件下反应产物是NO2吗？分析数字化实验数据（见图5），放电瞬间，产生大量微粒，O2浓度和气体压强都呈增加趋势，断电瞬间微粒相互作用生成新的物质，O2浓度和气体压强瞬间减小，仔细观察断电后O2浓度进一步减小，说明什么？
【学生】N2和O2放电条件下生成NO。
【教师】N2和O2放电条件下先生成NO再被O2氧化成NO2。
【学生】书写相关化学方程式。
【教师】雷电天常伴随降雨，NO2与水是否反应？
【学生】交流讨论设计实验方案。
【探究实验2】]NO2与水是否反应（见表1）。
【学生表现】能运用所给实验仪器开展探究活动并做好实验记录和结果反馈工作，装有NO2的输液袋注入水后，颜色褪去，学生能判断出发生了化学反应，再注入紫色石蕊试液后，能根据紫色石蕊试液变红推测出反应产物有硝酸，再注入空气又变为浅红棕色NO2说明有气体NO生成（见图6）。学生能够从宏微结合的角度上收集证据，分析问题得出结论。
【探究实验3】探究氮氧化物充分转化为硝酸（见表2）。
【学生表现】能从2NO+O2=2NO2和3NO2+H2O=2HNO3+NO两个方程式推导出4NO2+O2+2H2O=4HNO3和4NO+3O2+2H2O=4HNO3，结论是NOx和O2按一定的比例通入水中，能充分转化成硝酸。
【教师】HNO3遇土壤中矿物质转化为硝酸盐被植物根系吸收。刚才我们模拟了自然固氮，也就是“雷雨发庄稼”。但自然固氮，受到条件的限制，远远不能满足粮食对氮的需求。科学家们投入了大量的精力进行研究，以哈伯和博施为代表的科学家经过不懈努力终于将合成氨应用于工业生产。他们分别获得了1918年和1931年的诺贝尔化学奖。
【教师】请大家完善“价一类”二维图。
【学生】展示结果（见图7）。
设计意图：从氮气到含氮物质，从认识物质到实现物质之间的转化，充分运用实验探究的教学策略，设计三个探究实验，实施实验、分析现象并收集证据。探究实验一演示数字化实验，解决常规实验解决不了的问题。探究实验二和三，创新性地借助输液袋和注射器在密封体系内完成氮氧化物转化为HNO3的绿色化学设计，既提高转化率又避免了可能的污染。整个过程完整模拟“雷雨发庄稼”，激发学生兴趣，训练学生操作技能，培养学生探究精神。
【教师】自然界产生少量的氮氧化物最终能够转化为硝酸盐，参与自然界氮循环。如果任由氮氧化物大量排放会造成什么后果呢？
【学生】交流讨论：硝酸型酸雨和光化学烟雾的危害。
【教师】酸雨会危害人类健康，腐蚀建筑物。机动车排放的尾气中含有氮氧化物和烃类化合物等多种物质，它们在一定条件下会产生有毒的光化学烟雾。直观感受一下，疫情防控期间我国NO2浓度变化（见图8），封城限制出行后，空气质量得以净化。
【学生】那也不能一直限制出行并停工停产。
环节三修补氮循环
【教师】排放大量氮氧化物会破坏生态环境并危害人类健康，你们有哪些合理方案来解决这一问题呢？
【学生】乘坐公交车，少开私家车，绿色出行;使用清洁的能源;将工业生产中的大量氮氧化物从源头上进行处理从而达到减排目的。
【教师】请你借助“价一类”二维图提出合理的转化途径，将氮氧化物转化为哪些物质来减少污染。
【学生】转化途径有多种，譬如转化为氮气参与氮循环;转化为硝酸盐用作氮肥或化工产品;转化为硝酸用作重要的化工产品或试剂。
【小结】本节课我们学习了自然固氮，通过“价一类”二维图学习了含氮物质之间的转化，其中氮的固定具有十分重要的意义，课后同学们可以继续搜集固氮方面的技术和研究，进行交流讨论，丰富对本节课的认识，加深对本节课所学内容的体会。
设计意图：人类过量活动会干预“氮循环”，引导学生利用化学知识对氮氧化物的治理提出合理建议，以主人翁的意识参与决策，有助于让学生体会建立低碳、绿色生活方式的重要性，体会化学源于生活又要服务好生活，培养学生社会责任感，提升学科素养。
五、教学反思
科学探究既能体现学生学习化学的过程与方法，也能呈现学生学习化学的情感与态度，可以说是高中化学学科核心素养中极为重要的内容。教师要注重对学生科学探究能力的培养，以生活为兴趣燃点，以问题为探究源头，以实践为探究行径，以拓展为探究重心，以此增强学生的探究能力。本节课以“氮循环”为主题开展氮氧化物相关知识的学习，通过实验探究模拟雷雨发庄稼过程，整个教学实施中，學生积极地参与实验探究、问题讨论等活动，并在实验中提出了疑问，在小组讨论和教师指导下得以解决，进一步提高了学生科学探究能力。同时，借助固氮与修补氮，帮助学生体会物质性质及其变化在促进社会可持续发展方面的应用。
参考文献
[1]吴星.高中化学核心素养的建构视角[J].化学教学，2017（2）：3-7
[2]黄恭福，邹海龙.中学化学实验教学中发展科学探究与创新意识核心素养的初步思考[J].化学教与学，2020（7）：2-6
[3]华丽芬.培养学生模型认知能力的教学研究——以“氮氧化物的产生及转化”深度学习为例[J].化学教与学，2020（6）：14-17
[4] 王保强，刘方云，李增坤.模拟雷雨条件下氮气和氧气反应的数字化实验探究[J].化学教育，2019（5）：68-70
*本文系江苏省教育科学“十三五”规划重点资助课题“基于观念建构的单元整体教学设计的实践研究”（课题编号：JS/201 81ZX0211-00383）阶段性研究成果;宿迁市教育学会“十三五”规划2020年度课题“信息化教学视角下高中化学智慧课堂构建与应用研究”（课题编号：XHLX2020-071）阶段性研究成果。
关键词：核心素养;科学探究;氮的固定
文章编号：1008-0546（2021）09-0017-05
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.09.005
一、研究背景
培养学科核心素养的教育理念，越来越受到重视，许多国家都意识到核心素养教育理念的育人价值，将其作为高中教育教学的核心内容与重要环节。我国2017年颁布的普通高中化学课程标准将化学学科核心素養细分为“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”五个维度[1]。“科学探究”是指学生在高中化学知识学习的过程中，能够以科学认真的精神与严谨的态度，发现和提出问题、设计实验方案，参与体验、应用知识，投入到课堂活动之中，实现创新意识的自主生成[2]。
然而，当前高中化学实验教学中，还存在一些与新课程理念不吻合的现象，如：学生不能切实进行化学实验操作与探索，教师只针对实验涉及的考点、重点进行讲解等。学生自身对化学实验的意见与疑惑往往不能得到教师的重视，他们的主体性并未在化学课堂中得到发挥，这样的教学课堂容易让学生失去科学探究的动力，也难以在高中化学课堂落实化学学科核心素养的培养。基于此，本文立足于化学学科核心素养，在“科学探究”引领下构建课堂模型，并以“氮的固定”为例，设计三个核心探究实验，培养学生的科学探究能力。
二、“科学探究”引领下的课堂模型构建
培养学生科学探究能力的课堂模型，是以了解学情为基石、创设情境为方法、问题解决为目标、操作体验为过程的教学组织活动。在教师的引导与帮助下，让学生设计实验步骤、完成实验过程、内化课堂知识，这样的课堂模式，对于学生而言，不仅激发学习兴趣、调动学习欲望、认真思考、深度探索，更是在小组合作的探究之中学习知识，感受真实过程，形成科学探究能力。与此同时，教师根据教材中的知识，适当进行拓展延伸，让学生探究的内容不再局限于书本，而是联系自身的生活，这也更有助于落实核心素养教育理念。课堂模型如图1所示。
三、“科学探究”引领下的课堂教学分析，以“氮的固定”为例
1.课标与教材分析
“氮的固定”是苏教版高一化学必修2专题7氮与社会可持续发展部分的内容，是非金属元素氮开篇知识，具有承上启下作用：一方面深化必修1元素化合物知识的学习，运用对比、类比的学习方法，体会研究元素化合物的一般方法，帮助学生巩固氧化还原反应、离子反应等基本概念、原理的认识;另一方面通过对氮及其化合物转化的学习，让学生在已有学科观念的基础上，对物质的分类观、转化观以及化学价值观等形成辩证认识。就本课内容而言，主要包括：氮及氮的固定、一氧化氮和二氧化氮性质。根据教材内容，首先根据氮气微观结构，预测氮的化学性质，引出氮的固定对人类生存的重要意义，再根据物质类别研究氮的化合物，包括一氧化氮和二氧化氮的性质，通过模拟雷雨发庄稼的实验，应用氧化还原反应原理，探究含氮物质之间转化，认识物质及其转化在自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。
2.学情分析
学生在学习本节课之前，了解物质的组成和分类，又较为系统地学习了典型金属及非金属元素化合物知识，掌握了研究物质的基本方法，能运用氧化还原反应和离子反应来分析化学反应，这些为本课氮的固定、自然界中氮的循环以及氮的两种氧化物NO和NO2的性质探究奠定了一定的理论基础。此外，高一学生具备一定的观察和分析能力，但在实验设计和操作方面缺乏训练，可能会在灵活运用所学知识解决实际问题时产生困难。
3.教学目标
通过了解“氮的固定”和自然界“氮循环”，构建氮的“价一类”二维图，建立物质之间的转化观。通过实验探究，模拟“雷雨发庄稼”过程，培养学生尊重事实、独立思考，能基于证据推理形成结论，养成严谨求实的科学态度。通过了解人类活动对氮循环的影响，知道酸雨和光化学烟雾的危害，增强环保意识，培养社会责任感。
4.“氮的固定”教学设计思路
“氮的固定”教学设计思路如下（见图2）：
四、“科学探究”引领下的教学实践，以“氮的固定”为例
【视频引入】植物的生长离不开氮，茅膏菜如饥似渴地吸收含氮的物质。
【教师】这里含氮的物质包括氮气吗，为什么？
【学生】不包含，氮气在空气中很稳定，以单质形式存在。
【教师】空气中含量最多的气体就是氮气，但植物需要的是化合态的氮，将游离态的氮转化为化合态的氮是氮的固定。氮的固定有两种：自然固氮和人工固氮（见如图3氮循环）。
设计意图：在课前导入环节，要根据学生的生活经验与认知，把学生所熟悉的生活情景引入到课堂之中，使他们的注意力转移到课堂之上，学习状态由“静止”变为“动态”，使他们在化学课堂上更积极。在“氮的固定”课前导入环节，基于学生的学情掌握，为学生播放“茅膏菜如饥似渴吸收含氮物质”的视频片段，将现实生活中的场景在课堂之中呈现。这样的趣味性课堂，激发了学生的兴趣。
环节一 了解氮循环
【教师】结合图3转化，在“价一类”图中标注相关含氮物质。
【学生】展示标注结果（见图4）。
【教师】探究含氮物质转化具有十分重要的意义，请谈谈你的看法。 【学生】空气中有大量N2，若能将其转化为适合植物吸收的氮的化合物（氮肥），就会增加粮食产量，满足人类生存需求。
【教师】有句谚语：“雷雨发庄稼”，即雷雨天气后，草木长得更加茂盛，验证了你的看法。下面一起来探究这个过程涉及哪些物质转化。
设计意图：创设“氮循环”情境可以激发学生的学习兴趣，体验“氮循环”就在自己身边，利用“价一类”引导学生建立无机物学习的思路和方法，从N2到HNO3（NO3-盐）的转化分析，引导学生从化合价和物质类别两个维度对含氮物质进行分类，运用氧化还原反应可以实现不同价态之间的转化[3]。
环节二模拟氮循环
【探究实验1】数字化模拟放电条件下N2和O2反应[4]。
【学生】观察三颈烧瓶中的现象，结合NO和NO2资料卡判断红棕色气体是NO2。
【教师】N2和O2在放电条件下反应产物是NO2吗？分析数字化实验数据（见图5），放电瞬间，产生大量微粒，O2浓度和气体压强都呈增加趋势，断电瞬间微粒相互作用生成新的物质，O2浓度和气体压强瞬间减小，仔细观察断电后O2浓度进一步减小，说明什么？
【学生】N2和O2放电条件下生成NO。
【教师】N2和O2放电条件下先生成NO再被O2氧化成NO2。
【学生】书写相关化学方程式。
【教师】雷电天常伴随降雨，NO2与水是否反应？
【学生】交流讨论设计实验方案。
【探究实验2】]NO2与水是否反应（见表1）。
【学生表现】能运用所给实验仪器开展探究活动并做好实验记录和结果反馈工作，装有NO2的输液袋注入水后，颜色褪去，学生能判断出发生了化学反应，再注入紫色石蕊试液后，能根据紫色石蕊试液变红推测出反应产物有硝酸，再注入空气又变为浅红棕色NO2说明有气体NO生成（见图6）。学生能够从宏微结合的角度上收集证据，分析问题得出结论。
【探究实验3】探究氮氧化物充分转化为硝酸（见表2）。
【学生表现】能从2NO+O2=2NO2和3NO2+H2O=2HNO3+NO两个方程式推导出4NO2+O2+2H2O=4HNO3和4NO+3O2+2H2O=4HNO3，结论是NOx和O2按一定的比例通入水中，能充分转化成硝酸。
【教师】HNO3遇土壤中矿物质转化为硝酸盐被植物根系吸收。刚才我们模拟了自然固氮，也就是“雷雨发庄稼”。但自然固氮，受到条件的限制，远远不能满足粮食对氮的需求。科学家们投入了大量的精力进行研究，以哈伯和博施为代表的科学家经过不懈努力终于将合成氨应用于工业生产。他们分别获得了1918年和1931年的诺贝尔化学奖。
【教师】请大家完善“价一类”二维图。
【学生】展示结果（见图7）。
设计意图：从氮气到含氮物质，从认识物质到实现物质之间的转化，充分运用实验探究的教学策略，设计三个探究实验，实施实验、分析现象并收集证据。探究实验一演示数字化实验，解决常规实验解决不了的问题。探究实验二和三，创新性地借助输液袋和注射器在密封体系内完成氮氧化物转化为HNO3的绿色化学设计，既提高转化率又避免了可能的污染。整个过程完整模拟“雷雨发庄稼”，激发学生兴趣，训练学生操作技能，培养学生探究精神。
【教师】自然界产生少量的氮氧化物最终能够转化为硝酸盐，参与自然界氮循环。如果任由氮氧化物大量排放会造成什么后果呢？
【学生】交流讨论：硝酸型酸雨和光化学烟雾的危害。
【教师】酸雨会危害人类健康，腐蚀建筑物。机动车排放的尾气中含有氮氧化物和烃类化合物等多种物质，它们在一定条件下会产生有毒的光化学烟雾。直观感受一下，疫情防控期间我国NO2浓度变化（见图8），封城限制出行后，空气质量得以净化。
【学生】那也不能一直限制出行并停工停产。
环节三修补氮循环
【教师】排放大量氮氧化物会破坏生态环境并危害人类健康，你们有哪些合理方案来解决这一问题呢？
【学生】乘坐公交车，少开私家车，绿色出行;使用清洁的能源;将工业生产中的大量氮氧化物从源头上进行处理从而达到减排目的。
【教师】请你借助“价一类”二维图提出合理的转化途径，将氮氧化物转化为哪些物质来减少污染。
【学生】转化途径有多种，譬如转化为氮气参与氮循环;转化为硝酸盐用作氮肥或化工产品;转化为硝酸用作重要的化工产品或试剂。
【小结】本节课我们学习了自然固氮，通过“价一类”二维图学习了含氮物质之间的转化，其中氮的固定具有十分重要的意义，课后同学们可以继续搜集固氮方面的技术和研究，进行交流讨论，丰富对本节课的认识，加深对本节课所学内容的体会。
设计意图：人类过量活动会干预“氮循环”，引导学生利用化学知识对氮氧化物的治理提出合理建议，以主人翁的意识参与决策，有助于让学生体会建立低碳、绿色生活方式的重要性，体会化学源于生活又要服务好生活，培养学生社会责任感，提升学科素养。
五、教学反思
科学探究既能体现学生学习化学的过程与方法，也能呈现学生学习化学的情感与态度，可以说是高中化学学科核心素养中极为重要的内容。教师要注重对学生科学探究能力的培养，以生活为兴趣燃点，以问题为探究源头，以实践为探究行径，以拓展为探究重心，以此增强学生的探究能力。本节课以“氮循环”为主题开展氮氧化物相关知识的学习，通过实验探究模拟雷雨发庄稼过程，整个教学实施中，學生积极地参与实验探究、问题讨论等活动，并在实验中提出了疑问，在小组讨论和教师指导下得以解决，进一步提高了学生科学探究能力。同时，借助固氮与修补氮，帮助学生体会物质性质及其变化在促进社会可持续发展方面的应用。
参考文献
[1]吴星.高中化学核心素养的建构视角[J].化学教学，2017（2）：3-7
[2]黄恭福，邹海龙.中学化学实验教学中发展科学探究与创新意识核心素养的初步思考[J].化学教与学，2020（7）：2-6
[3]华丽芬.培养学生模型认知能力的教学研究——以“氮氧化物的产生及转化”深度学习为例[J].化学教与学，2020（6）：14-17
[4] 王保强，刘方云，李增坤.模拟雷雨条件下氮气和氧气反应的数字化实验探究[J].化学教育，2019（5）：68-70
*本文系江苏省教育科学“十三五”规划重点资助课题“基于观念建构的单元整体教学设计的实践研究”（课题编号：JS/201 81ZX0211-00383）阶段性研究成果;宿迁市教育学会“十三五”规划2020年度课题“信息化教学视角下高中化学智慧课堂构建与应用研究”（课题编号：XHLX2020-071）阶段性研究成果。