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《科学本质与进化论的教学》
《科学本质与进化论的教学》
托马斯· 杰佛逊(Thomas Jefferson)在1786年致友人的一封信中呼吁“ 要在人民当中传播知识。
除此而外,没有任何能够维护自由和幸福的稳固基础。
”
一个国家的命运,依赖于它的人民对其周围世界的信息的了解与运用的能力——杰弗逊(Jefferson)清楚地看到了这一点,并且,从他那个时代直到如今,这一点日益明显。
我们即将进入这样一个世纪,在这个世纪中,美国将比以往任何时期都更加依赖于科学与技术。
这样一个未来的时期,要求美国的公民能够运用许多科学家在他们的工作中所采用的同样技能——仔细的观察、审慎的推理、以及在已知世界的基础之上富有创造性的思考。
人们运用科学知识的能力以及思维的方式,在很大程度上取决于他们从幼儿园到高级中学这段时期内受到什么样的教育。
在美国全国的公立学校中,由于严重的忽视,科学知识教授的情况常常相当糟糕。
许多学生在现代生物学中的极其重要的概念——生物进化论(biological evolution),了解所有生物各个方面的基本概念——方面得到的教育少得可怜,甚或根本没有。
那些反对在公立学校教授进化论的人们和形形色色的团体,一直不断地向教师们和学校管理当局施加压力,意图在学校中宣扬与进化论相悖的思想,或者要求将进化论仅仅作为“一种理论,而不是事实”来传授。
对于进化论的错误认识的广泛流播以及笃信应该在科学课上教授创世论(creationism)的情况引起国家科学院(National Academy of Sciences)——一个拥有1800名献身于利用科学造福大众事业的科学家、超党派的私人团体——的密切关注。
国家科学院及其所属机构——国家工程院(National Academy of Engineering)、医学科学院(the Institute of Medicine )、以及国家研究理事会(the National Research Council )——因为拥有大量支持进化论的资料,因为进化论乃是了解我们这个星球的中心概念,一直对关于进化论的谬误信息加以全力批驳。
你们将阅读的文章,乃是在正在进行的关于进化论的辩论的中心向教师、其它教育工作者、以及那些构思和颁布方针并对生物课堂的导向实施监督的人所构成的种种团体所做的报告。
文章总结了大量可以观察到的有关进化论的证据,并提出如何卓有成效的教授这门学科的诸多建议。
文章解释了科学的性质,描述了科学是如何与人类其它活动的不同;对于那些经常被问及有关进化论以及有关科学性质的问题,它做出了回答,并为如何分析和选择教学材料提供了指导原则。
本书并非刻意致力于批驳那些反对在公立学校教授进化论的人们提出的主张。
在另外一份相关文件——科学与创世论——中阐述了国家科学院的观点,详细讨论了进化论和“创世科学论”。
本书则是旨在为教师和学校管理者提供既可以丰富自己,也可以向学生、学生家长、及其他各类人等传授的有关进化论和科学在人类活动中的作用的信息和渠道。
认为进化论与宗教教义相悖,是教授进化论的阻力之源。
然而,接受进化论为地球生命历史的精确描述并非意味着对宗痰牡种啤G∏∠喾矗蠖嗍诮掏盘宀⒉蝗衔鄣母拍钣胨嵌源词浪岛腿死嗥鹪吹拿枋霾灰恢隆?
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尽管如此,宗教信仰与科学知识——二者都是非常有用非常重要——毕竟完全不同。
本出版物之目的就是要确保学生得已受到能够反映出他们之间的差别的科学教育。
本书共分为七章、五个附录、此外还有三段交互式“对话”,其中由数位虚构的教师讨论本书中讨论的思想主张的涵义。
●第一章,“为什么教授进化论”,介绍了进化论的一些基本概念,并对某些在全书中常用的术语,诸如“理论”和“事实”给出科学的定义。
●第一段对话,“教师面对的挑战”,随着三位教师以对话方式讨论在教授进化论和科学的性质经常出现的种种问题。
●第二章,“进化论的重要主题”提供了对进化过程的总体看法,绍介了支持进化论观点的证据,并说明了进化论与生物学的其他领域具有什么样的关系。
●第二段对话,“教授科学的性质”,围绕三位教师旨在演示几个著名的科学特性的教学活动进行。
●第三章,“进化论与科学的性质”,运用几种理论,包括进化论,来重点阐述科学活动的重要特点。
●第三段对话,“通过质疑教授进化论”,介绍一位教师通过种种活动激发她的学生对化石和进化论的机理产生兴趣并对学生展开教育的情况。
●第四章,“进化论和国家科学教育标准”,开始是先介绍最近为明确学生在受到科学教育后,有那些应知应会而做出的诸多努力。
随后,又从国家研究委员会颁布的1996年版国家教育标准中摘录了有关生物进化论及科学性质和科学史部分章节。
●第五章,“关于进化论和科学性质常常问到的问题”,对学生、家长、教育工作者及其他人等最经常问及的某些问题作了简要回答。
●第六章,“教授进化论和科学性质的活动”,提供了八个教师可以用来启发学生对进化论的了解,开展科学质疑的示范活动。
●第七章,“指导材料的选择”,提出了可以用来评价学校的科学教学活动方案与内容以及指导材料设计准则。
●附录总结了有关进化论和创世论问题意义重大的法庭决定,复述了一些组织关于教授进化论的声明,提供了进一步阅读的参考资料 ,并列出了有关评论的目录。
教授进化论与科学的性质 是由国家科学院委员会领导下的进化论教授工作组编写的。
该工作组由一直从事进化论以及其他相关科题研究和教育工作的13位科学家、教育家组成。
工作组与教师、学校管理者、州政府官员和其他各方面人员在为此出版物做准备时密切合作,征求到许多极为有用的建议,听取了对于本书草稿方方面面的意见。
我们欢迎读者就尚需增添些什么样的内容提出自己的看法,也欢迎你们的指导和建议,以便在将来再版此书时,有所改进。
请到www4.nas.edu/opus/evolve.nsf上网了解更多信息。
为什么教授进化论?
为什么教授进化论非常重要?
毕竟,无须提及进化论就能回答生物学上的许多问题:
鸟是如何能够飞翔的?
为什么有些生物能够在沙漠中生长?
为什么孩子长得会像自己的双亲?
对于这些问题中的每一个,人们都能够分别从空气动力学、植物储存和使用水的情况、或者遗传的机理中迅速得到答案。
学生们总是询问诸如此类的问题。
对这些问题的答案有时往往还会引起学生询问一些更深刻的问题:
为什么事情会是那样的呢?
鸟会飞对它有些什么益处?
沙漠植物为什么会与其他植物不同?
一个单独的生物体是怎么样拥有其特殊基因特性的?
而回答这类问题,则需要了解历史的渊源——一个以承认时光推移带来变化的认知事物的基本框架。
认真研究自然的人常常问到这类问题。
很久以来,人们一直为所观察到两种情况所特别捆扰。
其中,使人们困惑最久的乃是与生命的种类有关:
为什么会有如此之多不同的动物和植物?
我们越多探索这个世界,生物体的多样性给我们的印象就越深。
在19世纪中叶,当查尔斯达尔文(CharlesDarwin)尚在写物种的起源一书时,自然学家仅识别几万种不同的动植物。
到20世纪中叶,生物学家更加注意那些不太惹人注目的生命——从昆虫到微生物——而种类估计高达一百万至二百万。
从那以后,在热带雨林——世界生物种类最繁多之地的中心——中的调查结果,令这一估计至少翻了十倍。
是什么样的一个过程造就了如此繁多种类的生命?
第二个问题所涉及的内容恰恰与生物的多样化的情况相反。
生物体的相似性应该如何解释?
人们往往注意到种系关系较为相近的物种之间的相似性,但是,即便是种系关系较远的物种在解剖特性与功能特性上也有许多相似之处的情况也变得越来越明显。
鲸鱼的鳍状肢中的骨骼排列结构就与我们人类的臂骨几乎完全相同。
当生物体从一个受精卵发育成胚胎时,经历许多相似的生长阶段。
此外,古生物学家研究化石记录时发现,无数业已灭绝的物种,在很多方面与现今依然存在的生物明显密切相关。
随着现代实验生物学注重对生物在细胞和分子水平所发生的过程的研究,这样的问题更加接连不断地涌现出来。
无论是细菌还是酵母,无论是老鼠还是人,所有的生命体以同样的生化机理来实现生命的基本过程。
许多构成细胞的蛋白质和加速生命体中化学反应的蛋白质,不管在哪个物种中,都是完全相同的。
某些构成人类蛋白质的基因,与果蝇、老鼠和灵长目动物的相应的基因几乎没有什么差别。
所有的生物都是通过同样的生化体系将基因信息代代相传。
从科学的角度,对生命体存在共性的问题,有一个令人足以信服的答案。
不同种系的生物体在结构与功能上有许多相同之处,是因为各个种系都是相互关联的。
但,那又是怎么形成的呢?
进化论与科学的性质
教授进化论还有另一个重要功能。
由于许多人认为进化论与广泛流传的宗教相抵触,教授进化论为教育工作者提供了很好的机会来阐述科学的性质并将科学与人类其他的活动和认识区别开来。
第三章详细地介绍了科学的性质。
从一开始就明了在科学上某些关键词的意义与这些词在日常生活上的用法全然不同是非常重要的。
例如,想一想人们通常是如何使用
某个人可能将其当作一种意见然后接着说“那仅仅是一个理论”。
或者某个人将其作为他发表言论的开场白,说道“我的理论是……”在通常用法的意义上,理论往往表示“揣测”或“感觉”。
而在科学意义上,“理论”表示完全不同的意思。
它代表一项重要的主张,已有充分的根据加以证实。
在科学范畴内除了进化论而外,还有许多其他重要的理论。
细胞理论主张,所有的生命体都是由细胞构成的。
日心说主张地球围绕着太阳旋转而不是太阳围绕地球旋转。
这些概念都有丰富的科学上无任何疑义的观察与实验证据所支持。
有时候,科学家们也使用“理论”这个词不那末严谨,也用来描述某些尚未有足够确切证据的尝试性的解释。
但是,应把“理论”一词的这种非正式用法与用以描述已经获得大量证据支持的概念——例如进化论——的用法加以区别,这是非常重要的。
科学家可能希望会有什么另外的词,而不是“理论”,用来表述这种对自然界的不朽的解释,然而,这个词在科学界早已根深蒂固,要想将其废弃不用是不可能的。
教授科学性质中使用的术语
事实Fact:
在科学上,业经不断重复证实的所观察到的现象。
定律law:
关于自然界某些方面在特定环境中如何表现的概括描述。
假设Hypothesis:
可以用来建立更复杂的推断和解释关于自然界的试验性的表述。
理论Theory:
在科学上,可将事实、定律、推断和业经验证的假设综合一起自然界的某些方面有充分根据的解释。
正如所有的科学知识一样,一个理论,可以被提高,甚或为另一个具有充分说服力的证据支持的新理论所替代。
例如,第三章中介绍了太阳围绕地球旋转的地心说是如何被地球绕地轴自转并同时围绕太阳旋转的日学说所取代的情况。
然而,在科学上,主张并非就是“理论”,除非这些主张有大量的证据支持,使得最终放弃它们是不可能的。
当某一理论像进化论一样获得大量证据的支持,他就有了相当高的可信度。
科学家检查在Chasmosaurusmariscalensis的头骨,通过对它及世界的观察比较增进他们对大自然的了解。
自左上方起顺时针为:
PaulSereno教授,芝加哥大学,助手CathyForster,芝加哥大学,学生HilaryTindle和TomEvans,他们于1991年三月在得克萨斯BigBend国家公园的田野里发现了这个头骨。
科学上,“假设”这个词表达了“理论”这个词的通常用法的内在涵义。
一个假设,就是一个尚待检验的对自然界的描述。
通过观察和实验,假设可以获得支持而成立,也可以被否定。
作为最初阶段的认识,假设可以用来构筑更为复杂的推理和解释。
就像“理论”一样,“事实”这个词,在科学上,也与它的普通用法在意义上大相径庭。
一个科学事实,乃是业经无数次证实的对事物的观察。
然而,观察是我们的感官所采集到的信息,永远不能完全相信。
,观察到的信息,可因运用更好的技术或更好的观察资料的方式而改变。
例如,直到改进了的显微技术揭示出实际上人类细胞只有23对染色体之前,人类细胞拥有24对染色体的说法,曾经作为一个科学事实被承认多年。
具有讽刺意味的是,科学上的事实往往较理论更为易于受到影响而发生变化——这就是为什么“事实”这个词在科学上不经常使用的缘故之一。
最后,科学上的“定律”乃是物质世界在特定环境下如何表现的典型描述。
例如,运动的定律描述了物体在一定的力的作用下如何运动的情况。
这些定律对于支持各种假设和理论非常有用,但是,如同科学的所有要素一样,它们也可随着新的信息和观察而改变那些反对教授进化论的人常常说进化论应该作为一种“理论”而不是“事实”来教。
这种说法乃是将这些词的普通用法与科学上的用法混淆起来。
在科学上,理论不因证据的累积而变成事实。
理论是科学的结论,是通过大量的观察、实验、以及创造性的思考所发展起来的认识。
理论综合了大量的科学事实、定律、业经验证的假设以及逻辑推理。
从这个意义上说,进化论是我们所拥有的基础最坚实、最有用的科学理论之一。
进化论与日常生活
进化论的概念对于教育来说,有着远远超出其科学解释本身的极为重要的意义。
我们大家所有人,都生活在变化节奏不断加剧的世界。
今日的孩子们,将会有许多新经历去体验,将会有许多不同条件去面对,与他们的父母和教师在生活中的经历相比,简直不可同日而语。
进化论的故事,不过是震荡着过去几乎整整四个世纪的科学革命所写就的史诗中的一个篇章——但可能却是最重要的一章。
这场革命的中心就是一个接一个地彻底摈弃了恒定说:
地球是宇宙恒定中心,世界上所有生命体都是不变的,地球上的陆地永远保持在它所在的位置上一动不动,等等,等等。
万物皆是运动着和变化的观点已成为我们对自己周围世界认识的核心。
接受变化的可能性——并且将变化看作是一种发生影响的机会的力量,而不是一个威胁——乃是进化论课业的无声的信息和挑战。
随后的对话,戏剧化地将教育工作者在教授进化论时所碰到的许多问题展现出来,并演示如何克服这些障碍的方法。
第二章又回到进化论的主题,而第三章则对科学的性质做进一步的探讨。
揭开秘密
生物进化论的概念揭示了生物体这两方面(结构与功能)的共性的秘密所在。
如今依然生存在地球上的千百万种不同的植物、动物以及微生物之所以在生物体的某些特性上有着不可否认的关系,是因为由于他们共同的祖先们——如同远亲之间存在某种血缘关系的缘故。
自然界中的生物体,总是繁殖出比因受到食物、空间以及其他生存环境条件限制而能够存活并繁衍数目多得多的后代。
这些后代,通常其遗传特性往往各不相同——也就是说,他们将其基因上的差异传给各自的后代。
如果这些为了生存而激烈竞争的后代之中有哪些具有使其在这一特定环境中处于优势的某些特性,那么,它们就得以存活下来并将这些特性又遗传给下一代。
随着这种差异的一代又一代不断累积,生物体的种群越来越多,并且与其祖先的差异越来越大。
这一直接的过程,是生物体为了争夺有限的生存必需条件,繁衍后代所发生的自然结果,对此过程的认识,乃是科学史上最重要的事件之一。
地球上最早的生物体经过了数十亿年这样的过程,发生变异,成了现今存在的形形色色的植物、动物和微生物。
尽管人类、鱼和微生物看去全然不同,以至根本无从进行比较,然而,他们都具有共同祖先的某些特点。
进化论也同样解释了现代物种的多样性的原由所在。
在生物体当中,凡是那些因具有某种特性,而使之得以在整个自然生态大环境中,占据尚未被相似的生物体所占据的有利地位的种群,较他者具有更大的生存机会。
经过了很长时间——如同我们在下一章将更加详细讨论——物种越来越多并且占据生态环境中越来越多的有利地位利用新的资源。
活鱼与鱼化石有许多相似之处,但是鱼化石明显属于现已不存在的不同物种。
化石记录中展示的物种演化为进化论提供了有力的证据。
进化论还可解释另外的事情。
在地球上存在生命的几十亿年以来,进化过程对改变这个星球的物理环境一直起着非常重要的作用。
例如,我们的大气层的构成,部分是生命体系运行的结果。
在光合作用——这也是进化的产物——过程中,绿色植物吸收二氧化碳和水,制造出有机化合物并释放氧气。
这一过程,生成氧气,并且不断进行,使大气层中氧气保持丰富的含量。
生命群体还极大地影响天气以及海洋、大气、陆地的水的运动。
西亚马逊盆地森林中的大雨,绝大多数是由最近已经在一棵活的植物中至少“旅行”过一次的水所组成的。
此外,植物和土壤中的微生物通过吸收或排出提高地球保持热量的“温室气体”(诸如二氧化碳、沼气)而对全球的温度起着非常重要的调节作用。
对话 教师的挑战
教授进化论是向教师的挑战。
教师们可以借助多种渠道来应对这种挑战:
高质量的课程安排,充足的备课,从有关记录进化论证据的文件中获取有用的信息,以及与专业协会团体进行接触并获得他们的帮助。
另外一个对教师大有裨益重要的方法就是教师之间相互交流教学当中各自遇到的问题和解决办法。
下面的情景说明了一些教师——本例中是三位在一所很大的公立学校教授生物学的教师——一起工作解决教学中碰到的问题并相互学习的情况。
这是中央高中开学第一周的上课的时候。
当第三节课的钟声响时,系里的新老师卡伦走进了教研室。
她向同事芭巴拉和道格问候致意。
“你最初几天的课上的怎么样?
道格向她问道。
“还不错,”卡伦答道。
“教第二节生物课第一章时,学生们挤的满满腾腾的,不过还好。
芭巴拉,多亏你让我看了你的生物学第一章的教学大纲,顺便问一问,我想请教一下有关教授进化论的问题——在大纲里我怎么没看见这方面的内容?
”
“你没有在大纲里看见这方面的内容,是因为它不是一个独立的论题,”芭巴拉说。
“我把进化论作为一条主线,将所有课程贯穿在一起,所以在每一个单元里都有它出现。
在第二页上你会看到‘生命的历史’一节,还有另外一节称为‘自然选择’。
我之所以不将进化论独立出来,是因为它实际上与生物学的其它每一论题都密切相关的。
”
“喂,等等,巴芭拉,”道格说。
“这是给新教师的好建议吗?
我的意思是说,进化论是个有争议的科目,我们当中很多人没有花费很大精力去教这门课。
我就没有,你却例外,你比我们大多数人都勇敢。
”
“那不是什么勇敢不勇敢的问题,道格。
”巴芭拉回答说,“而是,如果我们想要学生明白生物学,需要教什么的问题。
教生物学而不教进化论就如同教公民法而从不提及美国宪法一样。
”
“但是,你怎么那么肯定进化论就那么重要?
难道不是有很多科学家并不相信进化论吗?
说进化是根本不可能的吗?
”
“科学界中仅仅是对进化过程的某些细节,而不是进化本身是否发生,有所争论。
许多科学组织和科学教育机构都已经发表过声明阐述为什么教授进化论是非常重要的。
。
。
。
。
。
。
”
“当我还是个学生时,曾经见过一份新闻报告,”卡伦插话道,“是关于一个地区学校行政管理当局要求在他们辖区内的所有生物学教科书删去进化论的。
报告说学生无须相信进化论,因为它不是事实,而仅仅是一个理论。
其论点是没有人知道生命是如何开始的或是如何演变的,因为没有人亲眼目睹那是怎么发生的。
”
“如果我要教进化论的话,我也肯定只把它作为一种理论——而不是一种事实来教。
”道格说道。
“就象地球引力,”芭巴拉说。
“喂,芭巴拉,地球有引力乃是事实,不是一种理论。
”“不,不,从科学意义上来说不是这样的。
事实是物体能够降落。
对为什么物体能够降落的解释就是地球引力的理论。
问题所在是如何定义。
你所谓的‘事实’和‘理论’是二者在日常生活中的用法,而我们则需要用象科学家一样的方法来使用它们。
在科学上,一个‘事实’是指重复多次的观察并且所观察到的情况被认为其实如此。
事实如何解释就是理论的事了:
理论就是对我们所观察到的现象的解释。
对于进化论学生们有一个混淆不清之处就是他们认为‘理论’的意义就是‘猜测’或‘主观臆断’。
但是,进化论不是主观臆断。
它是科学的解释,并且是非常优秀的解释。
”
“但是,那是怎么个优秀法?
道格问道,“我们并非对进化论的一切都了解。
”
始祖鸟的化石,始祖鸟生活在一亿五千万年前,具有许多爬行类动物的特征,
该化石于1861年发现,有力地支持了查尔斯·达尔文在两年前在《物种起源》一书中提出的进化论假设。
“完全正确,”卡伦说道,“我在大学里教的一个学生就曾告诉我在化石的记载中就有很大的空白。
你对此事是否知道些什么?
”“啊,有一个始祖鸟(Archaeopteryx.)的化石,道格说,“化石上有像鸟的羽毛和小恐龙的骨骼。
它是过渡性的生物之一。
”
“事实上,在原始鱼类与两栖类生物之间、爬行类生物与哺乳类生物之间的过渡性生物的化石还是很多。
”芭巴拉说道,我们关于中间过渡生物化石的知识事实上还是不少的。
“喂,我说道格,听起来,你对进化论知道的并不少吗,还装什么相。
为什么你不教这门课?
”
“我就不想找麻烦。
每次我教进化论时,总会有学生向我宣告:
进化论与他信奉的宗教相悖。
”
“但是,大多数主要的教派都曾正式表示接受进化论,”芭巴拉说道。
“我的一个在中学任教朋友,在一个学期开始她的生命科学课时,让她的学生们去采访他们的教长、牧师、犹太教士,询问他们各自诮潭越鄣目捶āK担峁蠖嗍乩词倍际且涣尘娴难铀怠跲K’。
这样就消弭了她生命科学课上的论战。
”
“斯坦利不在她班上,”道格说道。
“斯坦利是谁?
”卡伦问到。
“一位学校董事的儿子。
我知道他家对宗教信仰的看法,我赶肯定,要是他,就不会说进化论OK了。
”
“那情况可能会复杂一些,”芭巴拉说,“不过即使斯坦利回来说他的宗教不接受进化论,也有助于教师说明有许多不同的宗教对进化论的不同看法。
这种学生采访的结果的意义在于:
毕竟弄清了许多信奉宗教的人依然接受进化论。
”
“斯坦利永远也不会相信进化论。
”
“我们是谈论‘将要’相信进化论,但是,也不必要扣字眼。
我们接受进化论是将其作为对许多观察现象——对于化石、生物化学以及进化过程所发生我们得以实际看到的情况,例如细菌是如何变得对某些药物具有抗药性——的科学解释。
这也是为什么人们接受围绕太阳转的主张——因为这正是我们所观察到的许多现象的原因。
在科学上,当一种更好的解释出现,它就将以前的解释取而代之。
”
“那是不是说进化论将来有一天也会被一个更好的理论所取带?
”卡伦问到。
“那不会是这样的。
不会是所有的理论都要被新的理论取代。
并且进化论经过长时间的检验,有很多证据支持。
问题的关键是从事科学活动要求我们要有一种乐于不断用新的信息去完善自己的理论的意愿。
”
“我曾经教过斯坦利姐姐一年级的生物学,”芭巴拉回答说,“她曾经对进化论提出异议,我告诉她我不给她对进化论的看法评分,而只给她对事实和概念的知识评分。
她对此似乎很满意并且这们功课的成绩得了A。
”
“我仍然认为,如果你要教进化论,那就两样都教才公平。
”
“你所谓的‘两样’是指什么?
”芭巴拉问到。
“如果你是指进化论和创世论两样都教,那么你又希望教那种创世论?
你要又教进化论又教圣经吗?
那其它一些宗教如佛教或土著美国人的信仰又怎么说?
事实上存在不止‘两种’信仰,强调‘两样’都教就站不住脚了吧。
”
“我不能在我的生物学课上把所有的创世论的各种说法都教的呀,”道格说。
“这就是问题的关键所在,我们总不能因不同人有不同信仰就给科学课增加许多门科目以求公平吧。
教授生态学对污染者也不公平。
生物学是一门科学课,所要教的也应是科学的内容。
”
“但是,不是也有一种什么‘创世科学论’吗?
”卡伦问道。
“创世论能够科学化吗?
”
“这是很有趣的一回事。
‘创世科学论’是一种认为科学证据能够支持创世说解释——整个宇宙在大约一万年前一下子就被创造出来——的主张。
”“这可不象那么回事。
”“是不是那么回事。
科学家研究了创
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