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第十二章科学实验的一般原理和方法

第十二章 科学实验的一般原理和方法

第一节 实验课题的选择和实验设计

【知识概要】

一、实验的意义

生命科学是一门以实验为基础的科学。

在探索生命的过程中,揭开生命奥秘的主要方法是通过观察和科学实验。

它不仅是探索和发现的源泉,也是学习生命科学的基本方法,对发展智力、培养获取知识的能力是十分重要的。

二、实验的种类

生命科学的实验很多,从教学的角度来分有演示实验、验证实验、模拟实验、探究实验、定性和定量分析实验;从科学研究的角度来分有观察实验、析因实验、定性实验、定量实验、对照实验和探索性实验等。

三、实验课题的选择

1.选题的范围

(1)发展具有当地特色的课题;

(2)抓住周围出现的奇异的生命现象建立课题;(3)选择与农业、水产、畜牧、环保有关的能产生经济效益的课题;(4)与课堂教学相结合确立课题;(5)选取高科技浅处理的课题。

2.选题的原则

选择的课题应具有一定程度的新颖性、实用性、先进性、可行性和教育性。

确定课题是研究成功的关键,选题一定要注意深刻、创新、集中和可行。

四、实验设计

实验设计就是在选定课题和实验材料的基础上,根据实验目的,确定实验原理,用文字的形式制订合理的实验方案(或叫实验计划)。

1.实验设计的要求

(1)在实验设计之前,应掌握研究问题的性质,具备必要的理论知识和基本的实验技能和技术。

(2)要有明确的实验目的,根据目的确定研究内容。

(3)实验设计要科学合理,注意控制实验条件和实验因子,尽量减少实验误差,确保实验得出明确的结果。

(4)设计实验要注意设置对照,适当增加重复,保证实验的准确

(5)实验取样要注意典型性和代表性。

有些实验对研究对象需要进行系统观察,一般采用选点取样法。

如田间试验,选点的方法是根据田块大小,小面积试验田采取对角线取样,大面积试验田采取棋盘式或蛇形取样(见下图)

       

①对角线取样    ②棋盘式取样     ③蛇形取样

(6)实验设计要考虑运用统计学来分析问题的可能性。

分析的实验样本要有一定数量,使所得数据具有代表性的可靠性。

2.实验方案的内容

(1)实验题目 即实验研究的课题名称。

(2)实验目的 根据课题要求,明确实验要解决什么问题,探索方面的生物学规律,预期要取得何种成果。

(3)实验原理 即实验的依据和思路。

(4)实验内容 根据实验目的确定具体的研究内容。

研究内容确定是课题的关键。

一般方法是把研究问题分解为许多小课题,分进行研究,然后再将实验结果加以综合分析,探明课题要解决的问题

(5)实验材料取材是实验成败的关键因素之一,一定要按科学的要求选好实验对象。

(6)实验方法即实验采用哪些研究方法获得明确的实验结果。

采用的实验方法应尽量减少人为的或偶然的实验误差。

确定实验方法对,应注意:

①根据研究内容确定实验类型和方法。

如野外生物种类考察,主要采用观察实验法;为探明某一生命现象的原因,可采用析因实验法:

为鉴定某种生命物质的性质和含量,可进行定性、定量实验分析法。

②根据实验的类型明确具体的研究方法。

如观察实验是采用解剖观察法还是野外观察法,要明确观察的项目和标准。

③设置对照。

无论采用什么实验方法都要考虑设置对照。

设置对照的方法很多,有的以处理和不处理实验组进行比较,以不处理为对照;有的以常规品种或常规浓度为对照;有的实验是实验间相互比较,采用互比法,彼此互为对照。

此外,做任何实验都要考虑重复的问题,实验结果要经过反复实验加以验证。

④进行田间实验设计,应根据实验性质的不同,分为大区试验和小区试验。

田间试验要做合理的田间规划,根据土地条件、作物种类、试验要求和工作方便,规划小区面积、重复次数和田间排列方式;另外,还要注意设置对照小区和保护行。

⑤设计实验方法应尽量采用先进的实验技术和仪器设备,确保研究结果的准确性。

(7)实验用具和药品 即实验要采用哪些设备和仪器,使用哪些药品,从而实现有计划和有效的观测与分析。

(8)实验程序即实验流程,也就是如何运用仪器设备作用于实验对象的程序或步骤,对全部实验过程作出总体设计。

(9)日程安排根据整个实验的要求,按日程分阶段实施实验方案。

第二节 实验实施的技能和技巧

【知识概要】

一、实验的要求

(l)要有探索求知的科学精神;

(2)要有事实求是、严肃认真的科学态度,应严格按操作规程进行实验;(3)要注意运用科学的研究方法,严格控制实验条件,尽力排除偶然因素的干扰,保证实验成功;(4)积极发挥科学的思维和创新能力,在实验过程中不断有所发现,有所创新,有所前进。

二、观察与描述

1.观察的意义

任何科学都是从有选择的观察自然界开始的,生命科学也不例外。

通过对生命现象和生命过程的观察,描述出观察到的各种不同生物的形态结构、生活习性等特点,逐渐积累起有关生物的知识。

大自然界的生物是神奇的,只有善于观察的人,才能发现它的神奇之处。

2.定性观察和定量观察

观察可分为定性观察和定量观察。

定性观察主要考察研究对象的性质、特征及其基本属性,也叫质的观察。

这种观察在动植物分类,形态学中广泛应用。

定量观察主要考察研究对象的各种量及量的关系,也叫量的观察,如比较生物学常通过测量进行定量观察。

3.直接观察和间接观察

常用的观察方法:

(1)直接观察,即直接通过人的感觉器官进行观察。

这种观察方法简便,但有时不够准确。

(2)间接观察,即间接通过仪器进行观察。

如借助显微镜、望远镜等进行观察。

(3)分析性观察。

如通过生物外部形态特征的观察,逐步深入到内部结构和生理观察,逐渐认识生物的本质,这就是分析性观察。

4.观察和描述

在实验过程中,观察的目的在于了解事物,因此,观察后要把观察到的现象通过描述记录下来。

描述时,首先必须知道它是什么;其次把它的特点描述出来,说清楚所观察的各种特点或过程的各个主要环节;三是重点明确,抓住实质内容或整个过程的主要生物学环节;四是描述时应使用精确的定义和名词述语,使大家容易理解。

5.观察应注意的事项

(1)要有目的地进行,有选择地观察,注意典型性原则。

(2)要避免先入之见的干扰,注意观察的客观性原则。

(3)在观察中应坚持全面性、系统性原则,尽可能从多方面观察生物的现象。

(4)对生物现象的观察,常常需要反复地进行。

对观察的结果,要反复核实,以便真实地记录所观察的现象。

(5)观察记录时最好采用数字化,使描述趋向定量化,使观察更详细、具体。

三、测量与测定

1.测量与测定的含义

测量就是用仪器确定空间、时间、温度、速度、功能等有关数值。

在科学实验中,有时需要知道研究对象所含的化学成分及其具体含量,这就需要通过化学仪器进行分行,不仅进行定性分析,还要进行定量测定。

2.测量的方法

测量物体。

液体和气体的方法很多,测量一些规则形状的物体,测量后要经过数学公式(如计算面积和体积的公式等)的运算,才能得出所需的数值。

测量的内容和方法简介于下表。

          测量方法简表

测量内容

使用仪器、工具

单位(国际制)

应用实例

长度

刻度尺、卡尺、测微尺

米(m)、千米(km)、分米(dm)、厘米(cm)、毫米(mm)、微米(μm)

测量动植物体、器官和细胞的长度

面积

刻度尺、测绳、皮尺

平方米(m2)、平方厘米(cm2)、公顷(km2)

测量土地、种群分布和叶的面积

体积、容积

刻度尺、三角板、量简量杯、容量瓶

升(L)、毫升(mL)、微升(μL)、立方米(m3)、立方厘米(cm3)

测量溶液和生物体器官大小

质量、重量

天平、磅秤、托盘、天平、分析天平、电子秤

千克(公斤kg)、克(g)、毫克(mg)、吨(t)、微克(μg)

测量生物体的干重和湿重

时间

钟、表、秒表

秒(s)、分(min)、时(h)、日(d)

记录生命活动的过程和活动节律

温度

温度计、体温计、地温计

摄氏度(℃)

测量人和动物体温、大气、水体和土壤温度

3.测定的方法

在生物学实验中,常对生物材料进行化学分析,其中应用范围的是比色法和容量法。

(1)比色分析法这是一种利用标准溶液或标准试纸和被测物质溶液进行测定比较,以确定被测物质含量的方法。

例如,测定土壤中的酸碱度(pH),可用精密pH试纸对土壤浸出液进行测定,其显色反应与标准比色卡对比,便可测得溶液的pH值,即土壤的酸碱度。

测定组织中的可溶性糖,可利用某些化学试剂(如斐林试剂)与生物组织中的可溶性糖中的还原糖(如葡萄糖和果糖)发生作用,根据是否生成砖红色沉淀,即可鉴别可溶性糖的存在。

在生物化学实验中常用比色计等仪器进行定量分析。

(2)容量分析法容量分析法中常用的一种方法是容量沉淀法。

它是根据标准溶液在沉淀反应中所需的用量,计算被测物质含量的方法。

例如,测定水果中的维生素C含量、植物的呼吸强度(CO2释放量)等均可采用这种分析方法。

四、现象和数据的记录

良好的记录是确保实验成功和提高工作效率的关键。

记录工作应注意:

(1)要有牢固装订的记录本。

记录本上有固定的记录格式(包括记录内容、日期和记录人)。

(2)每次观察到的现象和数据应及时记入笔记本上,以免记错或遗漏。

(3)应用不退色的笔记录,以备长期保存。

(4)记录必须完整,而且是原始记录,有的实验结果常需绘制草图或拍照等方式记录一些现象和问题。

第三节 实验结果的分析和总结

【知识概要】

一、分析实验结果的意义

在实验过程中,会获得大量数据,观察到许多现象,必须科学地分析这些实验结果才能得出正确结论。

为此,应做好以下两项工作:

1.正确处理实验数据

实验数据处理包括技术处理和理论分析。

技术处理就是正确地掌握和实施处理技术,把各种数据转化为一目了然的实验资料;理论分析就是运用理论思维和数学工具,对实验中所得数据或误差逐个加以研究,作出科学判断。

2.深入分析实验结果

分析实验结果就是以已知的假说和理论为依据,对实验结果进行解释和评价,作出正确的科学发现和实验结论。

二、实验结果的分析方法

1.分析与综合

分析就是把客观研究对象分解成较简单的组成部分,找出这些部分的本质属性和彼此之间关系的一种思维方式。

如细胞是复杂的结构体,可以把一个完整细胞区分为细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞核等,并分别对各部分进行考察和研究,从而认识各部分的特点和功能。

分析方法在生物学研究中起着十分重要的作用。

综合就是把分析得到的各种事物的关系,按其固有的内在联系结合成为一个统一整体,从而认识事物的整体面貌及其发展。

如细胞虽然可分为许多部分,但作为生命活动的基本单位,它是整体发挥作用。

因此,只有分析与综合相结合才能正确地认识实验的结果。

2.比较与分类

在研究生命现象时常用比较法,有比较才能鉴别。

比较就是把两种或两种以上的事物或现象加以对照,找出它们的异同点,如鲸和鲨鱼都生活在海洋里,形态相似,但通过仔细分析比较,两者有本质上的差别,鲸属哺乳纲动物,鲨鱼属鱼纲动物。

根据事物和现象之间异同的比较,就可以把它们归纳成类,这就是分类。

自然界的生物约200多万种,根据它们的形态结构特点,按一定的标准,把每种动植物都可以归到界、门、纲、目、科、属、种的类别下。

这种等级分类不仅说明不同生物之间的差别,同时也反映它们之间的亲缘关系,比较与分类是分析实验数据的重要方法之一。

三、实验数据的计算和整理

在生物学实验中,仅靠定性的分析是不够的,往往要知道量的多少,因此需要将实验中测量所得数据,通过数学方法进行计算和处理,以便作出准确的判断和可靠的结论,使感性认识上升为理性认识。

目前常用的是生物统计学方法。

1.几种常用的统计术语

(1)总体和样本 在实验研究中对某一类研究对象(动植物的个体或群体)进行观察记载,某些研究对象的全体称为总体。

对总体进行研究时,由于总体中个体数目很多,很难甚至不可能对总体进行研究,只能选择其中一部分个体为代表加以观察和研究,所选择的这些个体称为样本。

选择样本的过程称为取样或抽样。

取样是否恰当,是否具有代表性,往往关系到实验的成功或失败。

样本可分为大样本和小样本。

在生物统计学上,样本单位数超过30的,划为大样本,等于或小于30的,划为小样本。

可根据实验要求确定抽样数目。

取样时,要防止主观偏见,应随机取样。

取样方法很多,不论哪种方法都应注意样本(或样点)的代表性。

(2)变数和变量 在测量某种生物的性状时,即使同一种的性状,个体之间也有差异,在遗传学上叫变异,在生物统计学上称为变数,通常用X、Y、Z来表示;每个个体在某一性状上具体表现的数值,称为变数值或变量,可用X1、X2、X3…来表示。

例如,某班男生的身高是一个变数,而调查所得的某一位男生的身高为140cm,这便是一个变数值(变量)。

通过实验测量所观察记载的数量资料,因性状不同,一般分为数量性状资料和质量性状资料。

数量性状一般具有连续变异的特点,而质量性状的变异是不连续的,其分析方法也有所区别。

(3)误差(或机误) 在进行任何一种实验或研究工作时,总是需要利用度量衡来进行衡量的。

但每测量一次,往往不能获得完全相同的数值,这就可能产生一种误差。

这种误差是难免的。

生物统计范围为把误差中有一部分是人们不可避免的称之为统计误差。

在分析或作实验结论时允许这部分误差的存在。

一般认为在某些实验中误差应在0.1%以下。

2.基本常数的计算

生物统计中常用的基本常数有:

平均数()、标准差(Sx)、变异系数(C%)和标准误(S)。

平均数是属于集中性测定,而标准差和变异系数是属于离中性测定。

标准误是来源于平均数的标准差,又称均数标准差,也属于离中性测定范围之内。

(l)平均数 平均数也叫平均值或均数。

它是一种表示群体集中性的测定方法之一,反映研究现象的集中趋势。

平均数常用(即X-bar,读作“X排”)或M表示。

常用的算术平均数,用下式表示:

算术平均数()=

上式也可表示为:

=,式中为总和的运算符号(读Sigmar),表示累加的意思。

(2)标准差在研究分析一个群体的特性和特征时,不仅要注意其集中性;同时还要研究它的离中性,即其变异程度。

标准差(Sx)即是反映一个数列中各个变数与平均数相差大小的一个统计指标。

标准差值越大,说明平均数对这一数列的代表性越差。

标准差的计算公式是:

式中:

又为样本标准差,X为变数值(观察值),为样本的平均数,n为样本变数的次数。

(3)变异系数 变异系数(C%)也是属于离中性程度的一个常数。

它与标准差不同,不是一个绝对值,而是相对值,因而它可以比较两个不同单位的离中程度(或变异程度)。

例如,体长和体重、穗长和穗重直接用标准差比较其变异程度是不相宜的,必须先将两者之标准差折算成为变异系数,方可进行比较。

凡变异系数越大,其变数分布的变异范围越大;反之,变异系数越小,其分布变异范围也越小。

变异系数(C%)计算公式:

 

变异系数还有另一个作用,即可以说明试验材料的代表性和可靠性,一般变异系数(C%)不宜超过20%。

(4)标准误(S)及其应用 标准误又名标准机误,以S符号表示,意思是指平均数的标准差。

从一群体中随机取样n个样本,每一个样本都有一个平均数,如1,2,3,…n,从这许多样本的均数求得的标准差,称为样本均数标准差。

平均数标准差(又名标准误)指的是样本平均数与总体平均数之间的可能误差范围。

一般讲,样本越大,平均数()或标准差(Sx)越接近常规数,即群体的真正平均数(M)或真标准差(Sm)。

平均数标准差(标准误,S)计算公式:

标准误差的公式也可写成为:

3.实验数据的整理

(1)原始资料的检查及核对 经过调查或试验所得的原始资料是对个体进行观察和测量的直接记录,应作必要的整理,使之系统化,以便为进一步计算打下基础。

收集的原始资料在计算前,首先要对数据的完整性和准确性加以检查和核对,以保证计算结果的正确和可靠。

(2)做好资料的分组工作 资料的分组是将全部变数按其数值大小,样本的多少,分成若干组,每组距离相等,分组组数一般是:

n(资料总数)=40~60时,可分成6~8组;

n(资料总数)=60~100时,可分成7~10组;

n(资料总数)=100~200时,可分成9~12组。

分组时,先要确定组距,凡数值在一定范围内的任何变数都划入一个组,这一范围称为组距,用i代表,确定组距方法:

组距=全距/组数=(最大值一最小值)/组数

组距确定后,再根据组距分组。

在一个组中的两个极限数值称为组限,最大值称上限,最小值称下限。

根据组限求出组中值:

组中值=(上限+下限)/2

(3)整理出资料工作表 资料归类画出资料整理工作表。

以表格的形式,第一栏为组距,第二栏为组中值,是代表值,第三栏把资料中各个变数逐个用符号归入相应的组中,常用“划线”法或“正”符号,以五个为一单位,根据符号的数目统计其次数,将数字填入第四栏中,最后再把各组的次数加起来,其总和必等于总次数。

这种资料整理工作表也称之为次数分布表。

(4)绘制次数分布图 根据次数分布表可以作出分布图,一般有三种形式:

(1)柱形图,

(2)多边形图,(3)曲线图。

绘制方法,先画好纵轴和横轴(即y铀和x轴),以组距为横轴(x)以次数为纵轴(y),作出形柱图,见下图

(1)。

以组中值(x)为横轴,次数(f)为纵轴可给出多边形图,如下图

(2)(如去掉组中值的垂直线即为曲线图)。

(1)

(2)

四、实验结果的表达方式

1.数据的表达方法

(1)表格 在整理资料过程中,如果分析的问题具有对比的隶属关系或对比量的准确程度,一般采取表格的形式表达。

绘制表格应规范,设计时一般包括表号、表题、表身(有横向栏目和竖向栏目)。

一般是内容和测试项目由左至右列入横向栏目,数据项目列入竖向栏目。

目前国际上通用的是三线表,典型形式如下:

表X(表号)   XXXXXXX(表题)

     (栏头)XXXXXXXXXXXX(横向栏目)

(竖向栏目)X XXXXXXXXXX

X XXXXXXXXXX(表身)

X XXXXXXXXXX

〔注:

〕XXXXXX(脚注)。

(2)曲线图 在研究资料整理中,往往用函数曲线表述各种变量之间的静态或动态的数量关系。

函数曲线图和次数分布图一样,分级坐标和横坐标,在坐标上给出相当密集的坐标值线,以便查找比较确切的变量数值。

简易函数图的形式,如小麦在不同生长发育时期的需水量增长情况曲线图(见下图)

2.生物图和生物摄影

(1)生物图 图被誉为“形象语言”、“视觉文学”,能与文字一样用作表达信息的有效工具。

图的种类很多,有曲线图、构造图、示意图、图解、流程图、地图、照片等等。

在生物学研究中,常用曲线图、构造图、示意图、照片等。

绘制的生物图应有“自明性”,即看图、图题和图例,不阅读正文,就可以理解图意。

(2)生物摄影 生物摄影,拍摄照片可以从宏观和微观层次反映出动植物的全貌。

照片能最形象、逼真地反映研究对象的各种现象,彩色照片还能反映拍摄对象本色,使其有真实感。

在生物实验中应注意摄影,记录真实情景。

科学照片不同于人物和艺术照片,它要充分显示形态结构的特点,生物与环境的生态特点。

显微照片要黑白分明、反差大、结构清晰。

五、实验总结

一项实验研究经过精心设计、熟练操作、专心实施,将结果进行合理的统计分析,还应把所得结果进行加工,由表及里,发现其内在规律,从而形成某些结论。

这一过程就是实验的总结过程。

1.总结的方法

(1)归纳法 进行实验总结不仅要分析,而且要归纳和综合概括。

归纳的方法是从个别到一般的推理形式和思维方法。

在实验中,从许多个别事物的研究结果,应该归纳出事物现象之间的内在联系,找出因果关系,确定事物的本质。

(2)综合法 在生物学研究中还离不开综合方法的运用。

因为生命是活的有机统一整体,生命的许多功能只能在完整的有机体中才能表现出来,因此只有分析和综合的结合才能真正认识生命运动、变化和发展的规律。

2.总结的内容

一般书写实验总结包括以下内容:

①试验的目的任务;②试验内容;③试验的材料和方法;④试验的过程;⑤试验结果分析;⑥试验结论。

第十二章 科学实验的一般原理和方法

第一节 实验课题的选择和实验设计

【解题指导】

例1 给你洋葱、蔗糖、蒸馏水及必要的工具,请设计一个测定洋葱表皮细胞滚浓度范围的实验方案。

(1)实验原理:

水分的渗透作用。

(2)实验方法:

①配制一系列不同浓度的蔗糖溶液(如5%、10%、15%、20%)。

②制作上述各蔗糖溶液处理的洋葱表皮细胞装片。

③用显微镜按蔗糖溶液的浓度梯度逐个观察装片。

(3)结论:

该洋葱表皮细胞液的浓度介于能引起与不能引起细胞质壁分离的两种相邻浓度溶液的浓度之间。

该实验的设计是按照一般实验法的原理,直接通过实验组而得出结论的。

例2 请你设计一个实验,证明动物生长激素的分泌器官及其生理作用。

(切除动物垂体情况很复杂,本实验仅作为学生设计实验)

析〔设计方案〕

(1)材料:

幼年兔(或其他幼年哺乳动物)。

(2)处理:

实验组A:

切除垂体;实验组B:

切除垂体后每天注射生长激素;对照组C:

正常兔。

(3)根据观察的结果得出结论:

实验组A:

生长停止;实验组B:

先停止后又继续生长;实验组C:

不停止生长。

由此得出生长激素是垂体分泌的,能促进幼小动物生长的结论。

该实验的设计是利用对照实验法的原理,通过实验组和对照组结果差异的比较得出结论的。

例3 有一个生产大队研究小麦增施氮肥(尿素)的增产试验。

实验设计为两个处理:

处理

(一)为每公顷施尿素150kg;处理

(二)为每公顷施尿素300kg;以不施肥为对照(CK)。

施肥试验小区的排列方式有两种:

重复一次和不设重复。

试绘制小麦田间试验小区两种排列方式的规划图。

析 根据试验设计要求,每个试验小区面积应一致,两种田间排列方式如下二图。

施肥试验一(重复一次)           施肥试验二(不设重复)

第二节 实验实施的技能和技巧

【解题指导】

例1 根据提供的动物标本,通过详细观察试比较豺、狼的区别,请填入下表:

体 型体 色尾 部

析 经过观察和测量,豺体型小,狼体型大;豺的体色为红棕色,狼为灰黄色;豺的尾粗长、毛密似狐尾,狼的尾较短尖,尾下垂,很少活动。

例2 取数量相同,大小一致的两种不同处理(喷施生长素浓度不叫的棉花叶片,利用实验桌上的设备,设计一种测量叶片面积的方法。

(1)较详细地叙述你的实验过程。

(2)计算出两种处理叶面积的大小。

析 棉花叶片属不规则形状物体。

测量叶片面积有两种方法:

(1)利用刻度尺测量叶片的长度(叶片基部至叶尖的长度)和叶长度中点处的宽度,按长×宽×0.761公式计算叶面积。

(2)利用方格纸,把叶片平整地放在方格纸上,用削尖的铅笔把叶片的边缘描绘下来。

由于每一方格的面积是已知的,计算叶片占据的格数,即可求出叶片的面积。

例3 取相同数量的国光和红富士不同苹果品种的果实,利用实验桌上提供的卡尺、刻度尺、量杯、量简、台秤等工具,设计一种测量苹离果实大小(体积)的方法,并用所测数据比较两种不同苹果果实的大小。

析苹果的果实属不规则形状物体,可用量筒或量杯测量体积,即在量简内先放入一定量体积的水,然后放入待测的苹果果实,通过测量筒内体积增长情况,即可求出不同品种果实体积的大小。

例4 为测定不同豆类种子发芽时期的含水量,现提供黄豆、绿豆、蚕豆、豌豆4种豆科植物萌发种子,在实验桌上备有称量瓶、天平、坩锅钳、干燥器和室内用烘箱等设备,设计测定含水率的实验流程,并比较4种萌发种子含水率的多少。

析 测定含水率的方法:

样品(一定量)称量瓶烘箱用坩埚钳取出称量瓶干燥器称量瓶烘箱称量瓶再称重称量瓶(恒重)。

计算水分质量

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