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從我國生物醫(yī)學工程與醫(yī)療器械產業(yè)的發(fā)展現狀來看,由于我國在該領域的發(fā)展較國外晚,使其在實際的發(fā)展中還是存在許多需要完善與改進的地方。基于這種現狀考慮,我們必須要提高對生物醫(yī)學工程與醫(yī)療器械產業(yè)的完善、優(yōu)化與創(chuàng)新意識,并通過各種有效性措施的大力落實,促進生物醫(yī)學工程與醫(yī)療器械產業(yè)的健康、穩(wěn)定、長效發(fā)展。
關鍵詞:生物醫(yī)學工程;醫(yī)療器械產業(yè);發(fā)展
【中圖分類號】
R195 【文獻標識碼】B 【文章編號】1002-3763(2014)08-0294-01
1 前言
生物醫(yī)學工程(Biomedical Engineering,BME)主要是指結合了化學、物理、數學、計算機與工程學原理,從事醫(yī)學、生物學、衛(wèi)生學以及行為學等方面的一種研究。生物醫(yī)學工程作為一門新興的邊緣學科,其應用工程技術手段,可以有效的解決目前醫(yī)學中的一些問題,從而為各類疾病的診斷、治療與預防,保障人們的健康起到積極的作用。而醫(yī)療器械產業(yè)主要是指在疾病預防、診斷與治療中所應用的電子醫(yī)療設備、內外科器械、離體診斷設備、牙科器械、整形設備以及醫(yī)院供應品等等。生物醫(yī)學工程與醫(yī)療器械屬于醫(yī)院診治疾病中不可或缺的一部分內容,也是現代醫(yī)藥產業(yè)發(fā)展的兩大支柱。基于生物醫(yī)學工程與醫(yī)療器械產業(yè)的重要性,本文就以我國的生物醫(yī)學工程與醫(yī)療器械產業(yè)作為研究方向,論述其發(fā)展現狀,并對生物醫(yī)學工程與醫(yī)療器械產業(yè)的發(fā)展前景展開探討。
2 生物醫(yī)學工程與醫(yī)療器械產業(yè)的發(fā)展現狀
2.1 生物醫(yī)學工程的發(fā)展現狀:
生物醫(yī)學工程專業(yè)作為一項研究方向諸多、內容復雜、要求極高的專業(yè),其在我國的發(fā)展已經經歷了36年,但是,我國生物醫(yī)學工程較國外相比,其起步還是較晚,綜合來看,其與國外的發(fā)展還是具有一定的距離。而從我國生物醫(yī)學工程的發(fā)展現狀來看,其對于人才的培養(yǎng)目標及研究成果,主要體現在以下幾個方面:
⑴人才的培養(yǎng)。其一,培養(yǎng)能從事醫(yī)療設備管理、醫(yī)療器械質量控制與管理、醫(yī)藥市場營銷、醫(yī)學技術服務等方面的人才;其二,將生物醫(yī)學工程專業(yè)將醫(yī)學技術與工程技術相結合,并以此為目標來培養(yǎng)高級臨床醫(yī)學工程技術型人才;其三,培養(yǎng)出綜合能力較強,能夠從事生物醫(yī)學工程研究、開發(fā)與生產的高級人才。⑵研究成果。我國生物醫(yī)學工程目前的研究成果主要有:人工關節(jié)、人工晶體等功能性假體;人工心臟瓣膜、人工心臟起搏器等人工器官;不同規(guī)格、不同種類的電磁與激光治療設備;超聲成像、磁共振成像、X射線計算機斷層掃描、生化分析儀等新型臨床診斷與監(jiān)護技術、監(jiān)護設備等。
2.2 醫(yī)療器械產業(yè)的發(fā)展現狀:
生物醫(yī)學工程在我國的發(fā)展,不僅促進了臨床疾病的診治效果,還推動了醫(yī)療器械產業(yè)的發(fā)展,而當前我國醫(yī)療器械產業(yè)的發(fā)展情況,主要體現在如下幾方面:⑴醫(yī)療器械工業(yè)現狀。由于國外醫(yī)療器械對國內醫(yī)療器械市場造成的沖擊,近年來,我國已開始重視對醫(yī)療器械的自主研制與創(chuàng)新。例如,在“十二五”規(guī)劃中,特別強調了我國自產醫(yī)療器械的應用與普及、產品創(chuàng)新。并在著力突破高端裝備大多引進國外的問題。力求實現高端主流裝備、醫(yī)用高值材料、核心部件等醫(yī)療器械的自主制造,以實現降低醫(yī)療費用、打破進口壟斷的問題。⑵醫(yī)療器械營銷現狀。我國的醫(yī)療器械生產銷售企業(yè)諸多,尤其是近年來,在科技的快速發(fā)展下,使得我國醫(yī)療器械的營銷勢態(tài)良好,例如嬰兒培養(yǎng)箱、心電圖機、高壓氧艙、磁共振成像系統(tǒng)、體外診斷試劑、各種敷料及衛(wèi)生材料等數千種大小不一,規(guī)格不一的醫(yī)療器械在全國各醫(yī)院的應用是非常廣泛的。⑶醫(yī)療器械技術現狀。在科技的快速發(fā)展下,醫(yī)療器械的性能與質量也得到了不斷升級。而我國各大小型醫(yī)院,在先進性醫(yī)療技術的驅動下,所應用的醫(yī)療器械也在不斷升級和完善,例如,基層醫(yī)療衛(wèi)生機械對采色超聲成像儀、生化分析儀、免疫分析儀、多參數監(jiān)護儀、心電圖設備、耗材等醫(yī)療器械的配置與升級。一些大型、綜合性醫(yī)院對實時三維彩色超聲成像儀、全自動生化分析儀、64排螺旋CT等先進性醫(yī)療器械的應用。
3 生物醫(yī)學工程與醫(yī)療器械產業(yè)的發(fā)展前景
3.1 生物醫(yī)學工程的發(fā)展前景:
雖然生物醫(yī)學工程在我國的發(fā)展比較迅速,但其與國外的發(fā)展相比,還是存在一定的差距,基于這種現象,我國對于生物醫(yī)學工程的持續(xù)發(fā)展也十分重視。而在分析目前我國生物醫(yī)學工程的發(fā)展情況與研究成果之后,筆者認為,我國今后生物醫(yī)學工程的發(fā)展前景,將會體現在以下幾方面:⑴納米技術、介入性微創(chuàng)技術、激光技術以及植入型超微機器人,將是未來生物醫(yī)學工程的研究重點。⑵生物型人工器官、生物機械結合型將會有新的突破,各種高質量的人工器官將會廣泛應用于臨床。⑶藥物與材料相結合的新型給藥裝置或技術將得到有效發(fā)展。⑷所應用的各種診療儀器與裝置,將會逐漸朝著遠程醫(yī)療信息網絡化、智能化的方向轉變,其診療所用機器人會在臨床上得到廣泛的應用。
3.2 醫(yī)療器械產業(yè)的發(fā)展前景:
我國目前的醫(yī)療器械市場規(guī)模占醫(yī)藥總市場規(guī)模的14%,這也表現出我國的醫(yī)療器械產業(yè)雖然發(fā)展迅速,但與全球水平比還相差甚遠,不過,這種現象也給投資者們看到了該領域更大的發(fā)展空間。在技術的不斷升級下,國產高端醫(yī)療器械將會逐漸替代國外進口器械,隨著機械器智能與生物智能技術的發(fā)展,我國在未來必將不斷研發(fā)高科技醫(yī)療器械。此外,由于國民生活水平的不斷提高,之后的醫(yī)療器械產業(yè)還會以家庭會對象,研發(fā)生產出一系列適用于家庭自我監(jiān)護、診斷的高科技醫(yī)療器械產品。
4 總結
通過以上分析可見,生物醫(yī)學工程與醫(yī)療器械產業(yè)在醫(yī)學領域占據著舉足輕重的位置,而近年來在科技的快速發(fā)展下,我國對生物醫(yī)學工程也越來越重視,且醫(yī)療器械產業(yè)也得到了長足的發(fā)展。相信在未來醫(yī)學技術的不斷完善下,我國生物醫(yī)學工程與醫(yī)療器械產業(yè)也會有更加良好的發(fā)展前景。
參考文獻
[1] 王衛(wèi)東,曹德森,醫(yī)學工程保障中的質量控制的研究[J],醫(yī)療設備信息,2007年03期.
生物醫(yī)學工程學是一個新興的、發(fā)展迅速的專業(yè),除了具有很好的社會效益外,還有很好的經濟效益,前景非常廣闊,是目前各國爭相發(fā)展的高新技術之一。以1984年為例,美國生物醫(yī)學工程和系統(tǒng)的市場規(guī)模約為110億美元,到2000年其產值已達400~1000億美元。然而我們對這個專業(yè)的了解卻少之又少,似乎提到它我們就只想到推銷醫(yī)療器械的人,我們的思維和潛意識中已經把這個專業(yè)和推銷醫(yī)療器械畫上了等號。其實不然,本期我們將把這個專業(yè)簡單介紹給大家,供考生參考。
名詞解釋?生物醫(yī)學工程
生物醫(yī)學工程興起于20世紀50年代,它與醫(yī)學工程和生物技術有著十分密切的關系,而且發(fā)展非常迅速,已經成為世界各國競爭的主要領域之一。生物醫(yī)學工程學與其他學科一樣,其發(fā)展也是由科技、社會、經濟諸多因素所決定的。這個名詞最早出現在美國。1958年在美國成立了國際醫(yī)學電子學聯合會,1965年該組織改稱國際醫(yī)學和生物工程聯合會,后來成為國際生物醫(yī)學工程學會。
生物醫(yī)學工程是一門理、工、醫(yī)相結合的邊緣學科,是多種工程學科向生物醫(yī)學滲透的產物。它是運用現代自然科學和工程技術的原理和方法,從工程學的角度,在多層次上研究人體的結構、功能及其相互關系,揭示其生命現象,為防病、治病提供新的技術手段的一門綜合性、高技術的學科。其目的是為了解決醫(yī)學中的有關問題,保障人類健康,為疾病的預防、診斷、治療和康復服務。
有識之士認為,在新世紀,隨著自然科學的不斷發(fā)展,生物醫(yī)學工程的發(fā)展前景不可估量。生物醫(yī)學工程學科是一門高度綜合的交叉學科,這是它最大的特點。
生物醫(yī)學工程的主要課程:現代生物學導論、生理學、定量生理學、生物學專題、生物醫(yī)學工程概論、電路原理、數字電子技術基礎、模擬電子技術基礎、電磁測量、計算機文化基礎、高級語言程序設計、微機原理與應用、計算機圖形學、信號與系統(tǒng)、數字信號處理、自動控制原理、人體運動信息檢測與處理、生物醫(yī)學電子學、醫(yī)用電子儀器、醫(yī)學儀器設計、醫(yī)學圖像處理、醫(yī)學模式識別等。
畢業(yè)生具備以下基本能力:
1.掌握電子技術的基本原理及設計方法;
2.掌握信號檢測和信號處理及分析的基本理論;
3.具有生物醫(yī)學的基礎知識;
4.具有微處理器和計算機應用能力;
5.具有生物醫(yī)學工程研究與開發(fā)的初步能力;
6.具有一定的人文社會科學基礎知識;
7.了解生物醫(yī)學工程的發(fā)展動態(tài);
8.掌握文獻檢索、資料查詢的基本方法。
名校盤點?國內外排名靠前的學校
國內生物醫(yī)學工程一級學科排名靠前的學校是:
東南大學、清華大學、北京大學、復旦大學、上海交通大學、華中科技大學、四川大學、北京航空航天大學、浙江大學、重慶大學、西安交通大學、天津大學。其中東南大學在多次評估中蟬聯第一。
美國生物醫(yī)學工程排名前十位的學校是:
約翰?霍普金斯大學、佐治亞理工學院、杜克大學、麻省理工學院、加利福尼亞大學圣地亞哥分校、萊斯大學、斯坦福大學、賓夕法尼亞大學、華盛頓大學、加州大學伯克利分校。
重點推薦?天津大學生物科學與醫(yī)學工程學院
天津大學環(huán)境科學與工程學院是環(huán)境、能源、市政等方面的人才培養(yǎng)基地和科學研究中心。學院定位和建設目標為“國內一流,世界知名”,按照“高起點、新機制、辦特色、創(chuàng)一流、持續(xù)發(fā)展”的建院方針,不斷招攬國內外高級優(yōu)秀人才,在學科建設、人才培養(yǎng)、科研開發(fā)和應用推廣等方面協(xié)調發(fā)展,快速實現重點突破。
學院下設環(huán)境科學與生態(tài)系、環(huán)境工程系、建筑環(huán)境與設備工程系三個教學單位和中澳能源合作中心、建筑節(jié)能研究中心、座艙空氣革新性環(huán)境研究中心、建造環(huán)境研究室、中心實驗室、環(huán)評中心、遺傳工程研究所及植物生物技術研究所。擁有環(huán)境科學與工程一級學科,環(huán)境工程、環(huán)境科學、市政工程、熱能工程和供熱供燃氣、通風與空調工程5個二級學科。擁有覆蓋全部二級學科的博士點和碩士點,并與建筑學院聯合培養(yǎng)建筑技術專業(yè)博士研究生,建有環(huán)境科學與工程博士后流動站。
學院科研實力雄厚,先后承擔或參加“863”
“973”、國家“十五”“十一五”重大攻關項目、國家自然科學基金項目、博士點基金項目、天津市重點攻關和基層研究項目。
學院積極開展對外交流,與國際上著名大學、研究機構和企業(yè)開展合作,建立定期和不定期的互訪交流。通過國外企業(yè)資助,為學生建立了科技創(chuàng)新基金和創(chuàng)新獎,鼓勵學生積極創(chuàng)新,提高學習積極性。學院40%左右的本科畢業(yè)生繼續(xù)研究生的學習,其中有近一半的學生是經考核合格免試進入碩士研究生學習,一部分學生還能進入碩博連讀學習。學院還有一部分優(yōu)秀學生可以選擇攻讀院內或校內其他專業(yè)第二學位,獲得雙學士學位證書。50多年來,學院已經為國家輸送了大量本科生、碩士生和博士生等高層次專業(yè)人才,為中國環(huán)境保護、能源利用和市政工程領域的發(fā)展作出了重要貢獻。
有問必答?關于報考
問題1:生物醫(yī)學工程有哪些著名企業(yè)?
通用公司、飛利浦、東芝、西門子、強生、日立、 中國邁瑞。
問題2:生物醫(yī)學工程相關產業(yè)發(fā)展前景?
生物醫(yī)學工程發(fā)展非常迅速,除了具有很好的社會效益外,還有很好的經濟效益,前景非常廣闊,是目前各國爭相發(fā)展的高新技術之一,已經成為世界各國競爭的主要領域之一。以醫(yī)療器械為例:
2005年開始,中國已成為僅次于美國和日本的世界第三大醫(yī)療器械市場。
2006年,中國醫(yī)療器械進出口額首次突破百億美元大關,進出口總值為105.52億美元,同比增長17.57%。
2010年,中國醫(yī)療器械總產值達1000億美元,在世界醫(yī)療器械市場上的份額達到5%,到2050年這一份額將達到25%。
問題3:我國生物醫(yī)學工程的創(chuàng)始人是誰?
我國生物醫(yī)學工程的創(chuàng)始人是韋鈺院士。她1940年出生,1965年南京工學院電子工程學研究生畢業(yè),1981年獲西德亞琛工業(yè)大學工學博士學位,是第一位獲得博歇爾獎章的中國人,1994年當選為中國工程院首批院士。
問題4:生物醫(yī)學工程專業(yè)有何特點?
生物醫(yī)學工程是一門交叉學科,以理工科為基礎,學習各種相關技術在醫(yī)學診斷與治療中的運用。如影像技術,CT、B超的原理與應用;各種醫(yī)用傳感器;典型儀器的原理等。它最突出的特點是:交叉復合、知識融合。比如它融合了工程科學(信息、電子、材料)、醫(yī)學(生理、解剖)、生命科學(生物學、分子生物學)、理學(數學、化學、物理)、人文社科(文史哲)等學科知識。
問題5:畢業(yè)生有怎樣的出路?
【摘要】
目的: 探討900 MHz電磁波對淋巴細胞的影響. 方法: 利用顯微激光共焦拉曼光譜技術獲得功率密度為5 mW/cm2的900 MHz電磁波照射不同時間的淋巴細胞的拉曼光譜. 結果: 照射20 min后,部分淋巴細胞拉曼光譜出現了微小變化;照射40 min后,包含類胡蘿卜素信息的細胞核拉曼光譜出現明顯變化,細胞核的拉曼光譜的一些譜帶也發(fā)生了變化;照射60 min后,淋巴細胞拉曼光譜位于787 cm-1的譜線移動了8 cm-1,顯示細胞核受到電磁輻射后產生明顯的損傷. 結論: 長時間處于5 mW/cm2電磁波作用下(≥40 min),淋巴細胞出現損傷,損傷主要表現在蛋白構象變化和DNA的堿基受到損傷,從而影響其功能.
【關鍵詞】 900 MHz電磁波輻射;淋巴細胞;光譜分析,拉曼
【Abstract】 AIM: To study the effect of 900 MHz electromagnetic fields on the lymphocytes at molecular level. METHODS: The lymphocytes exposed to 900 MHz electromagnetic fields with power density of 5 mW/cm2 were measured by confocal Raman microspectroscopy technique. RESULTS: After 20 min exposure, Raman spectra of some lymphocytes changed a little. After 40 min, obvious difference appeared in the Raman spectra of the nucleolus either with the information of carotenoids or without. After 60 min exposure, the Raman band at 787 cm-1 shifted 8 cm-1, indicating that there was obvious damage in the lymphocytes. CONCLUSION: The exposure of lymphocytes to 900 MHz electromagnetic fields of 5 mW/cm2 for a period of time (≥40 min) would induce damage in lymphocytes, including the change of protein structure and the damage of DNA base conformation, which suggests that the function of lymphocytes would be affected by the electromagnetic fields.
【Keywords】 900 MHz electromagnetic radiation; lymphocytes; spectrum analysis, raman
0引言
電子技術的飛速發(fā)展和通訊技術的普及使得電磁輻射越來越為人們關注. 一定強度的電磁輻射可影響細胞膜、細胞內蛋白及DNA的結構和功能. 淋巴細胞是人體具有特異免疫功能的白細胞. 淋巴細胞可能在大功率電磁輻射作用下出現損傷,從而影響免疫應答等功能及致使染色體畸變率增加[1-3]. 本文利用功率密度為5 mW/cm2(相當于中繼站的功率密度水平)的900 MHz電磁輻射作用淋巴細胞,測定不同作用時間下單個淋巴細胞的拉曼光譜,以求在分子水平對其作用情況進行研究分析.
1材料和方法
1.1材料
使用Horiba JY公司生產的倒置顯微激光共焦拉曼散射儀LabRam INV,配備514 nm Ar+離子激光器和奧林巴斯倒置顯微鏡(60倍物鏡). 激光焦點為1~2 μm,狹縫尺寸100 μm,波譜范圍600~1800 cm-1,譜分辨率1 cm-1左右,曝光積分時間10 s. 電磁輻射源為深圳市威特信科技有限公司生產的VTXJ0408A信號屏蔽器,樣品輻照功率為5 mW/cm2.
1.2方法
1.2.1淋巴細胞制備
健康志愿者提供靜脈血1 mL,利用9 mL/L生理鹽水稀釋至2 mL. 取1 mL稀釋血液移入等量淋巴分離液上層,1000 r/min離心20 min. 分離出中間部分的淋巴細胞,并用等滲PBS洗滌2次(2000 r/min,5 min). 將分離后的淋巴細胞放置在溫度為37℃的CO2培養(yǎng)箱內備用.
1.2.2樣品測量
在37℃的CO2培養(yǎng)箱內放置30 min后取出部分淋巴細胞進行拉曼測試(對照組),同時將部分淋巴細胞放置在5 mW/cm2的連續(xù)電磁輻射環(huán)境下進行輻射,作用時間分別為20, 40和60 min.每組樣品選取10~12個淋巴細胞進行測試.對準細胞中央進行掃描,獲取淋巴細胞的拉曼光譜,并對獲取的拉曼光譜進行歸類分析.正常情況下,淋巴細胞的細胞核占據了細胞的大部分區(qū)域,因此對準細胞中央掃描獲得的應是淋巴細胞細胞核拉曼光譜.
2結果
輻射功率為5 mW/cm2的900 MHz電磁輻射輻照淋巴細胞20 min后,多數淋巴細胞的拉曼光譜與未照射的淋巴細胞的拉曼光譜沒有顯著性差別,譜線位置與譜線強度基本一致. 但部分淋巴細胞開始出現一些變化(圖1A). 位于1620 cm-1附近的譜線有輕微下降,位于1520 cm-1位置的譜線強度輕微下降. 位于850 cm-1附近的譜線(隸屬于酪氨酸)在照射20 min后強度相對增加,但是I850/I830仍小于1.
電磁輻射作用淋巴細胞40 min后,淋巴細胞的拉曼光譜與未經電磁輻射照射的淋巴細胞的拉曼光譜在一些譜帶上可見差異(圖1B,D). 圖1B對應細胞核的拉曼光譜;圖1D對應包含類胡蘿卜素信息的細胞核拉曼光譜. 輻照20 min的淋巴細胞也有包含類胡蘿卜素信息的拉曼光譜,其與對照組的拉曼光譜基本一致,文中未列出. 圖1B顯示電磁輻射作用40 min后,屬于酰胺I區(qū)域的譜線強度出現下降且展寬,其中屬于無規(guī)卷曲的譜線突出. 磷酸二酯PO2對稱伸縮在787 cm-1的譜線移動到782 cm-1,移動了5 cm-1. 圖1D顯示淋巴細胞拉曼光譜的變化,差異主要體現在: ① 1620 cm-1附近的譜線有輕微下降;② 1361 cm-1由尖銳變平滑;③ 位于850 cm-1附近的譜線強度增強,I850/I830仍小于1;④ 位于725 cm-1,745 cm-1的譜線在RF照射40 min后變得銳利且增強;⑤ 隸屬于酪氨酸的640 cm-1位置的譜線變得銳利.
電磁輻射作用淋巴細胞60 min后,淋巴細胞的拉曼光譜與對照組拉曼光譜在一些譜線上有較明顯的差異(圖1C). 電磁輻射作用60min后,淋巴細胞的拉曼光譜與正常對照組拉曼光譜的差異大部分與照射40 min的結果一樣. 磷酸二酯PO2對稱伸縮在787 cm-1的譜線移動到779 cm-1,移動了8 cm-1.
3討論
電磁輻射對生物體的作用有致熱效應和非致熱效應. 致熱效應使生物組織溫升,生物分子發(fā)生取向作用,熱作用到一定程度可引起嚴重損傷、變性. 非致熱效應可影響細胞膜的活動能力,從而影響細胞的功能. 移動電話頻率范圍的電磁輻射對淋巴細胞的作用效應主要是非致熱效應[1].
從實驗結果來看,功率密度為5 mW/cm2的900 MHz電磁輻射作用離體的淋巴細胞20 min后,拉曼光譜顯示部分細胞在電磁輻射的作用下開始發(fā)生了一些微弱的變化. 位于1620 cm-1和1520 cm-1附近的譜線有輕微下降,這些變化提示脫氧核糖和堿基受到RF電磁輻射的作用,但作用不明顯. 850 cm-1譜線強度相對增加,但是I850/I830仍小于1. 這顯示酪氨酸仍處于埋藏狀態(tài)[4],但是出現由埋藏向暴露過渡的跡象. 隸屬于CS鍵位于744 cm-1附近的譜線在電磁輻射20 min的淋巴細胞中沒有出現,這與正常對照組的拉曼光譜一致,顯示20 min的電磁輻射對淋巴細胞影響微弱,淋巴細胞仍保持其功能.
電磁輻射作用淋巴細胞40 min后,淋巴細胞的拉曼光譜出現了較多變化. 得到的拉曼光譜主要有兩類,一種是沒有明顯的1520 cm-1和1157 cm-1譜線的拉曼光譜(圖1B),譜線信息主要來源于細胞核;一種有明顯的1520 cm-1和1157 cm-1譜線的拉曼光譜(圖1D),1520 cm-1和1157 cm-1譜線是典型的類胡蘿卜素的拉曼光譜. 對于淋巴細胞, 類胡蘿卜素主要來源于細胞質的高爾基體[5-6]. 圖1D的拉曼光譜反應了類胡蘿卜素進入核區(qū)并聚集. 圖1B顯示電磁輻射作用40 min后,屬于酰胺I區(qū)域的譜線強度出現下降且展寬,其中屬于無規(guī)卷曲的譜線突出. 屬于酰胺III區(qū)域,位于1250 cm-1附近譜線的變化也顯示無規(guī)卷曲增加. 上述兩個區(qū)域的變化顯示蛋白有序結構減少、無序結構增加. 位于850 cm-1附近的譜線變化與電磁輻射20 min的結果類似,顯示酪氨酸仍處于埋藏狀態(tài). 磷酸二酯PO2對稱伸縮在787 cm-1的譜線移動到782 cm-1,移動了5 cm-1,提示DNA出現了無序狀態(tài). 圖1D中1361 cm-1由尖銳變平滑,說明色氨酸由埋藏變暴露,提示蛋白側鏈構象發(fā)生變化. 位于722, 745 cm-1的譜線在RF照射40 min后變得銳利且增強,提示蛋白變性出現了結合位點.
電磁輻射作用60 min后,淋巴細胞的拉曼光譜與正常對照組拉曼光譜的差異大部分與照射40 min的結果一樣. 只是蛋白的無規(guī)則卷曲更加明顯. 磷酸二酯PO2對稱伸縮在787 cm-1的譜線移動到779 cm-1,移動了8 cm-1,提示DNA無序狀態(tài)加劇. 即電磁輻射作用60 min后,淋巴細胞受電磁輻射的傷害加劇. 淋巴細胞在功率密度為5 mW/cm2的900 MHz電磁波作用20 min后,細胞受其影響不顯著,細胞基本可以保持其形態(tài)和功能. 作用40 min后,細胞出現的變化顯示細胞質高爾基體釋放的類胡蘿卜素進入到細胞和對細胞核進行保護. 但是隨著電磁輻射的持續(xù),很少能觀察到包含類胡蘿卜素信息的拉曼光譜,說明淋巴細胞的細胞核受到的傷害明顯,細胞開始凋亡. 電磁輻射對淋巴細胞的作用可能是細胞膜和細胞質最先受到損傷,并在一定程度上保護、延緩了細胞核的損傷. 作用60 min的結果顯示淋巴細胞出現了明顯的損傷,顯微鏡下可觀察到許多淋巴細胞的凋亡、解體.
5 mW/cm2功率密度相當于基站發(fā)射點附近的電磁輻射水平,本實驗顯示長期處于該種環(huán)境下,對人體血液可能造成損傷或功能的降低[3,7],可引起染色體畸變、損傷與淋巴細胞免疫功能降低等現象[2,8]. 900 MHz電磁波作用于淋巴細胞的膜及膜內細胞質與細胞核,能量累積到一定程度可引起細胞膜、細胞質以至細胞核的損傷. 短時間處于該種環(huán)境,不致產生明顯影響.
參考文獻
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穿過居民區(qū)的高壓線會帶來致病的電磁輻射嗎?電磁輻射與健康的關系仍是疑云,當信息部分缺失時,公眾只能憑“疑罪從有”解讀。
看上去,沈琪手里握的“HI-3604低頻電磁場綜合測量儀”就像某種球類運動的拍子,實際上,它是一臺專為工程師、職業(yè)衛(wèi)生學者設計的高級儀器。
每次北京電力公司的“公眾開放日”,科技信息部工程師沈琪都要舉著它。從一座變電設施走向另一座,沈琪身后跟了一票住戶和記者,他高聲念著電場、磁場讀數。
但圍觀者望向他的目光卻不友好。在他們眼里,沈琪是代表電力部門來給電磁輻射“洗白”的。
家園保衛(wèi)戰(zhàn)
可以理解,沒人愿意呆在高壓線下當白鼠。直到2009年7月,云南大理州賓川縣尾村的86名村民都還在極力想要擺脫這種不舒服的感覺。
尾村農田之上的第一條高壓電線,在1997年架起來。村里人抬頭看看挺開心,“感覺被重視了”。2006年,當大理供電局的高壓塔和高壓線再一次準備通過尾村時,村民們卻手握農具,將鋒利的一端對準施工人員。
2006年以前,“電磁輻射”的說法已被一個外出打工的村民從城市帶回,在這個閉塞的小村落快速傳播。人們回想起近些年出現的怪病:楊財胡的大腦神經系統(tǒng)癡呆癥、董先角的心腦血管硬化⋯⋯
一紙訴狀,云南省環(huán)保廳被推上被告席,要求撤銷《220KV大理―劍川送電線路工程環(huán)境影響報告表》的行政許可。
質疑點在人與高壓線的間距上:只有22米,夠安全嗎?法律的回答是―在2008、2009年將兩次上訴駁回。云南省環(huán)保廳一份監(jiān)測數據顯示,高壓線距尾村20米處,工頻磁場為0.120μT~0.131μT(1μT=10-6T),相當于手機的磁場強度;工頻電場為0.179~0.017kV/m,相當于普通家用電熱水器的電場強度。其中工頻指工業(yè)上用的交流電頻率。
2004年8月,在中國首例電磁輻射環(huán)保聽證會上,沈琪也作為電力部門的代表在場。記憶里,小區(qū)拉著標語橫幅―“高壓線不入地,休想進入百旺施工”、“抵制電磁污染,還我美好家園”。沈琪心有余悸,“那是場控訴會”、“人們眼睛狠狠瞪著,像要把你吃了”。
但最后,北京市環(huán)保局還是允許高壓線架在了百旺家苑小區(qū)上空。因為工程符合《500KV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術規(guī)范》,輻射小于工頻限值100μT。
當時有媒體報道:“北京電力公司所架設的是220KV高壓輸電線路,根據電學常識,高壓輸電線導線周圍的工頻電場會產生強大的電磁輻射,并會對人體造成嚴重危害?!钡缎轮汀酚浾甙l(fā)現,這個所謂的“電學常識”在相關專業(yè)書籍中找不出支持的證據。
“電子霧”恐慌
稍微查閱一下初、高中物理課本,就能幫著找回關于電磁輻射的一些記憶。
作為物理概念,電磁輻射是指能量以電磁波形式由輻射源發(fā)射到空間的現象,它還有一個略帶美學意味的別稱“電子煙霧”。要是一切電磁波可見,而且太陽、雷電、通訊基站、高壓線、手機、微波爐以及人體自身這些場源統(tǒng)統(tǒng)釋放能量,一時間,這個世界可能變成霧氣氤氳的桑拿房。
這間桑拿房里頻率錯雜:X射線―1017Hz到1020Hz,雷達―108Hz到1011Hz,手機―上千Hz。而高壓線使用的工頻只有50Hz或60Hz,這意味著,一個晴朗夜晚滿月的地面輻射能量都比它大2000倍!
在20世紀70年代,一張嚇人的照片發(fā)表在美國一家雜志上,照片里,一支沒有電源的熒光燈在高壓輸電線下閃爍青白色的光。住在高壓線邊上的人看了照片,直覺反應是“完了,有輻射!”
其實這幅暗示電磁輻射的畫面沒有任何意義。充氣氖管在高壓場作用下發(fā)光是一種簡單的物理現象,電氣工人都十分熟悉,它能反映出的事實不過是:這里存在電場。
“工頻電磁輻射被過度炒作了!”沈琪抱怨。他推崇華東電力試驗研究院工程師楊新村的一種觀點,認為“工頻場不形成有效的電磁輻射,應該與高頻輻射區(qū)別考慮。應拒絕采用諸如‘電磁輻射’、‘電磁波’一類不適宜的籠統(tǒng)術語。”
祛除了神秘感,高壓電磁輻射還有多可怕?致癌只是傳說嗎?世界衛(wèi)生組織(WHO)已經基本認可了國際癌癥研究機構(IARC)對工頻磁場致癌性的分類:2B(該物劑懷疑對人類是致癌性的),排在“對人類致癌的”、“可能對人類致癌的”兩類之后,證據最弱。
在2B這一類物質和現象里,還并列有汽車尾氣、鹽漬蔬菜和咖啡。
現在市面上能買到的以WHO為名頭講解電磁輻射的書,多半是由楊新村牽頭譯介的,如《WHO推薦的電磁場防護法律范本》等。
標準VS標準
“符合標準但不一定安全!”在公共場合,曹兆進憑這一句話就足以亮明身份了。
他是中國疾病預防控制中心的研究員,由于意見相左,同電力部門多有齟齬。又因為力推“電磁輻射有害論”,在有些人眼里像個不可知論者。
在中國,能用在工頻場上的電磁輻射防護國家標準一直空缺。如果按現行的行業(yè)標準評判,《500KV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術規(guī)范》所要求的限值是100μT,與WHO認可的國際非電離防護委員會(ICNIRP)的標準一致。
但曹兆進認為標準還不夠嚴,理由是:瑞士政府規(guī)定的這個限值是1μT,澳大利亞昆士蘭地區(qū)的規(guī)定是0.4μT,意大利三個地區(qū)甚至規(guī)定小于0.2μT?!半m然歐美有些比我國要寬松,但因為人口較多、居住集中等原因,我國公眾實際接受的電磁輻射暴露水平比歐美高。”
他援引了多個驚悚的流行病學案例,比如,IARC發(fā)現,居所50Hz/60Hz電力頻率超過0.4μT的兒童白血病研究中,風險增加了一倍。但流行病學上的個案不能作為確定“因果關系”的證據,WHO曾根據收集到的數據表示,不支持這種關系。
“科學具有不確定性。”沈琪說,他的工作也因無解而無奈,但北京人口和發(fā)展的速度明白擺著,“厭惡工程”不能停。
“電力部門、科研單位、老百姓⋯⋯爭執(zhí)背后代表的是各自的利益?!睆埵烙寻l(fā)現這里水很深。他是北京一家民間機構的負責人,這家機構會應市民之邀,對高壓電磁輻射入戶測試,可能是國內小區(qū)電磁輻射社會調查最早的行動者。
是電磁學的問題嗎?
國內發(fā)達的互聯網似乎沒給電磁輻射的科普幫上什么忙。公眾發(fā)現自己步入了一個怪圈:疑慮逼著人上網找路,結果真假信息魚龍混雜,反被誤導,加重了“電磁焦慮癥”。
一個典型的例子是,在網絡上,所謂“電磁輻射對人體五大影響”的一段話被大肆報道,并胡亂摘引。原文如下:
“1.電磁輻射是心血管疾病、糖尿病、癌突變的主要誘因;2.電磁輻射對人體生殖系統(tǒng)、神經系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)造成直接傷害;3.電磁輻射是造成流產、不育、畸胎等病變的誘發(fā)因素;4.過量的電磁輻射直接影響大腦組織發(fā)育、骨髓發(fā)育、視力下降、肝病、造血功能下降,嚴重者可導致視網膜脫落;5.電磁輻射可使男性下降,女性內分泌紊亂,月經失調?!?/p>
沒有任何前提,這段文字孤立地出現。事實上,從幾Hz到幾百GHz,不同頻率的磁場,對人體作用機制和影響大相徑庭,但這一關鍵事實被模糊掉了。以第3條為例,要真正對胎兒發(fā)育、男性生育能力產生影響,只有在1MHz~10GHz的波段中,人體感應產熱達到2~3℃時才會發(fā)生。
當信息部分缺失,公眾只能憑“疑罪從有” 解讀, 因此, 這段文字被許多人等同于“高壓電磁輻射對人體五大影響”。
關鍵詞:光電子技術;理論教學;實驗教學
Study on the teaching method in the optoelectronic technology course of electronic information engineering major
Luo Binbin, Zhao Mingfu, She Li, Zhou Dengyi, Cao Yang, Quan Xiaoli
Chongqing university of technology, Chongqing, 400054, China
Abstract: The importance of the optoelectronic technology course in electronic information engineering major is elaborated in this paper, and then according to author’s teaching experience of many years, the content, method and means of theoretical and experimental teaching of optoelectronic technology course in electronic information engineering major are discussed in details.
Key words: optoelectronic technology; theoretical teaching; experimental teaching
電子信息工程專業(yè)是一個包含電子科學技術、信息與通信工程、計算機科學與技術設計、研究、應用與開發(fā),電子設備和信息系統(tǒng)的工程專業(yè)。當代信息技術的高速發(fā)展離不開電子信息科學技術,但是當今很多高端的信息技術成果融合了微電子學、光電子學、計算機工程及通信工程等多門學科的交叉知識。而且,目前很多具有良好基礎的電子信息工程專業(yè)的學生在他們的碩士和博士階段,通常會選擇光電子技術的相關研究方向,而具備了良好電子學知識的學生更容易將電子學中的概念移植到光頻段中,如果在本科階段也修習了光電子技術這門基礎課程,那么在他們的深造階段將會更容易進入光電子相關領域的課題研究。因此,電子信息工程專業(yè)的學生除了需要掌握本專業(yè)的課程知識以外,也應該熟悉現代信息技術的其他相關知識,如光電子技術。然而根據筆者的調研,雖然目前很多重點大學及二本院校的電子信息工程專業(yè)都意識到光電子技術的重要性,但很少開設光電子技術這門課程。本文從光電子技術的研究內容、應用及發(fā)展等方面說明其在電子信息工程專業(yè)教育中的重要性,并研討電子信息工程專業(yè)中的光電子課程的理論和實驗教學方法。
1 光電子技術簡介
早在19世紀,人們就已經用麥克斯韋(Maxwell)的經典電磁理論對光的本質進行了研究,認為光是波動的電磁場,關于光的吸收和輻射,1917年愛因斯坦(Einstein)建立了系統(tǒng)的光電子學理論,使人們認識了光的波粒二相性。但是直到20世紀60年代之前,光學和電子學仍然是兩門獨立的學科。1960年世界上第一臺激光器研制成功,這標志著光學的發(fā)展進入了一個新階段。隨后在對激光器和激光應用的廣泛研究中,電子學發(fā)揮了重要的作用,光學和電子學的研究有了廣泛的交叉領域,形成了激光物理、非線性光學、波導光學等新學科。20世紀70年代以來, 由于半導體激光器和光纖技術的重要突破,推動了以光纖傳感、光纖傳輸、光盤信息存儲與顯示、光計算以及光信息處理等技術的蓬勃發(fā)展,從深度和廣度上促進了光學和電子學及其他相應學科(數學、物理、材料等)之間的相互滲透,形成了一個邊緣的研究領域。光電子學一經出現就引起了人們的廣泛關注,反過來又進一步促進了光電子學及光電子技術的發(fā)展。光電子技術包括光的產生、傳輸、調制、放大、頻率轉換和檢測以及光信息存儲和處理等。
因此,可以這么說,現代信息技術的支撐學科是微電子學和光學,光電子學則是由電子學和光學交叉形成的新興學科,對信息技術的發(fā)展起著至關重要的作用。光電子技術是光頻段的電子技術,是電子技術與光學技術相結合的產物,光電子技術是光電信息產業(yè)的支柱與基礎,涉及光電子學、光學、電子學、計算機技術等前沿學科理論,是多學科相互滲透、相互交叉而形成的高新技術學科,其技術廣泛應用于光電探測、光通信、光存儲、光顯示、光處理等高新技術光電信息產業(yè)。同時,隨著生物醫(yī)學、生命科學等新興學科的發(fā)展,其中的信息獲取手段對光電子技術的依賴程度越來越高,加快了這些學科之間的交叉融合,從而誕生了很多邊緣學科,比如生物光子學、光醫(yī)學等。
綜上所述,可見光電子技術在現代信息產業(yè)技術中的重要地位,因此,光電子技術這門課程不僅是光學工程專業(yè)的基礎必修課程,也應該作為電子信息工程專業(yè)的專業(yè)選修課程來開設。
2 光電子技術課程教學研究
2.1 光電子技術課程的理論教學
在中國古代,有人在文學著作中描述了飛行的理想,而且還有人設計了一些大型的風箏飛行器,試圖實現這種脫離大地束縛的理想。明朝的萬戶,就設計了一種將幾十支火藥火箭綁在椅子上,手拿風箏進行飛行的試驗。世界上最早的飛行器是中國發(fā)明的風箏。15世紀,意大利的列奧納多·達·芬奇也曾設計過飛行器。
自從1992年1月中國啟動了載人航天飛船的研發(fā)以來,我國便從此高度重視航天事業(yè)的發(fā)展。接下來也陸續(xù)發(fā)明了神舟一號至天宮一號的航天器并最終發(fā)射成功。國際航線油化商船輪機長楊勇生一直從事國際商船上各種動力機械設備的安全管理、維修保養(yǎng)工作,積累了豐富的實踐經驗。在實際工作中充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢,抓住工作重點,攻克工作難點,在本職領域內得到了理論與實踐相結合的鍛煉。工作之余,他熱心科技事業(yè),自學各種當今先進科技理論。特別是在思維創(chuàng)新上,能夠與時俱進,開拓進取,見解獨到。
由UFO引發(fā)的靈感
楊勇生通過閱讀大量各類與飛碟接觸者的內、外目擊報告和搜集有價值的照片,從外觀特征、現象來推斷其內部的構造原理,其間運用了一些個人經驗并交叉了當今科技前沿技術,終于發(fā)明了電磁無軸陀螺次星際空天載具,提出了人類目前尚未實現的且完全不同于以往基于空氣動力學原理的任何飛行器的全新航天動力學解決方案和理論成果。
目前,航空、航天領域中的飛行器大都存在動力問題、平衡問題以及能源的可持續(xù)發(fā)展難題,這無不制約著飛行器的開發(fā)與利用。楊勇生在破解這一難題的過程中也獲得了意外的發(fā)現。具體而言,電磁無軸陀螺次星際空天載具與以往現有技術的區(qū)別表現在起升方式和推進方式上:現有技術主要靠空氣動力學的機翼升力和靠劇烈氧化大量礦物燃料產生熱氣來反向噴射產生推進動力以達到起升和推進的目的;此項目則采用來自自身的無反作用力的電磁感應安培力來達到起升載具的目的;并同時噴射高能等離子體產生推進力;自由電子激光器在所有激光器里是功率最強的,現有的基于直線感應加速器的自由電子激光器占地有一個足球場大,且耗能巨大;此項目中激光器的諧振腔不是靠反射鏡來相干電子束,而是靠磁極掠過時提供有感動力,即每一拍頻,諧振腔就震蕩一次,因此也省去了額外的加速器;由于圓錐面結構的特殊性,上定子諧振腔內感應電流與感生電動勢方向相反;下定子的諧振腔能量會更強一些,是來自加速管的電子束與諧振管內產生的感生電動勢驅使的電流束相干,也是一個拍頻,諧振腔內震蕩一次。直流電流過導體線圈會產生穩(wěn)恒磁場。那么反過來,一個穩(wěn)恒的磁場(永磁體)其繞組內流過的不會是交流電,而必然是直流電,這是加速管內發(fā)生的情況;而高頻交變的直流電就是激光,這就是諧振管內所發(fā)生的事情。
現有的搖擺器是單排直列的巷道式,此項目發(fā)明的FEL結構不同于以往的單元式基于直線感應加速器傳輸的方式,而是采用的是由轉子旋轉的搖擺器共享,具有多單元組網并聯,自由電子流組間相互補償的特點。這樣一個載具就集成了旋轉式自由電子激光器、微波波導、電子顯微鏡的磁透鏡以及高能物理中的磁瓶等先進原理,不可不謂高端裝備。
動力源和軸承為引進通用技術的改進型。動力源采用四組動力電池組輪換驅動永磁直流無刷電動機,并帶動轉子搖擺器高速旋轉,同時轉子內側帶動永磁無刷直流發(fā)電機向電池組充電。軸承采用三對永磁同極性磁環(huán)分別裝在定、轉子上,將轉子懸浮限制定位,因此該軸承無摩擦阻力。而且體積根據用途需要,設計可大可小,還能自主移動。
軍民兩用 利國利民
如果中國掌握了高端的航天技術,在未來的世界便能獲得更多的維護世界和平的話語權。電磁無軸陀螺次星際空天載具在軍事、航天、民用上都具有重要意義,其在軍事上的戰(zhàn)略意義主要表現在:在較遠的島嶼飛機不能直接到達,而輪船又無法??康牡胤?,本產品擁有極大的應用價值,使用方便,經濟適用,尤其在軍事通信中繼時,該產品可對地面、海面、低空對象提供寬帶高速抗干擾及超視距通信能力,可有效擴大作戰(zhàn)空間。該設備還可以在高空平臺配置微波合成孔徑雷達后,對地面、海面、低空飛行目標進行全天候不間斷的跟蹤、監(jiān)視、定位。該設備可提供情報收集、偵察和戰(zhàn)場監(jiān)控等多項服務,使飛行員執(zhí)行飛行任務時具備自我掩護的能力。
中國作為航天大國,不僅可以進行空天巡查,開展探索性發(fā)現,而且可在載具上進行科學試驗、地質科學考察以及無夜宿的野外科學考察。在交通應急方面,該設備不受飛行速度、氣流、天氣條件的限制,可在防災減災中起到空中指揮平臺的作用,使用者可在第一時間到達搶險救災現場上空察看災情,提供空中照明,引導救援。
在農業(yè)和生物方面,電磁無軸陀螺次星際空天載具可以在改良品種的基因工程中充當科研的工具;在自由電子激光器小型化方面大做文章,可以根據訂制需要設計不同的規(guī)格,滿足各方面對自由電子激光器小型化的需要。該設備還可應用于新聞紀錄現場空中錄像采集、電影航拍等,提供高清數字式全景、俯視鳥瞰畫面,具有直接錄制、無背景噪音、續(xù)航能力長等優(yōu)點,創(chuàng)造不菲的商業(yè)價值。
低碳環(huán)保 前景遠大
【關鍵詞】通信工程 傳輸技術 未來應用
在信息化時代不斷發(fā)展的背景下,人們獲取信息和資源的途徑越來越多,對通信行業(yè)的服務質量提出了更高的要求。我們需要有更多的通信方式來滿足我們更高的要求。
1 通信工程傳輸技術
通信工程是一門理科工程學科,主要應用于快速、有效地傳遞信息,更加方便、快捷地實現網絡化、現代化生活。通信工程將聲、光、電等技術相融合,為硬件設施奠定基礎,確保通信工程信息收集與傳輸工作順利進行。現階段我國社會經濟水平與科學技術處速發(fā)展中,傳輸技術作為通信工程主要發(fā)展技術,運用不同功能、不同方面的通訊渠道及模塊,確保信息傳輸的安全性和可靠性的一種技術手段。安全性、高效性及可靠性是通信工程傳輸技術必須具備的硬性指標。
根據實踐中通信工程信道不同,將通信工程傳輸技術分為有線傳輸和無線傳輸,有線包括電纜和光纖傳輸 ,為人類提供更加智能化、規(guī)范化的傳輸需求,最大程度確保信息傳輸的安全性和可靠性。無線傳輸技術以電磁波為介質傳遞信息,具有性能穩(wěn)定、靈活性強、可拓展性能顯著等特點,更加便捷于社會大眾的現代生活與工作。
未來我們勢必會發(fā)展出更多的傳輸方法和介質,是不是可以這樣理解,任何有規(guī)律變化的事物都可以是信息的載體。
2 未來可能出現的應用
在科學技術日新月異的背景下,通信工程將更加廣泛地應用于各個行業(yè)和領域,為人們生活、工作、學習帶來更多的便利,更好地服務于我國社會經濟建設與發(fā)展。
2.1 在電力上的應用
如果兩個城市之間有高壓電線,我們可以通過高壓電線的電壓變化或者相位變化來傳輸信息,當然變化不需要很大,這樣既不影響用電,還可以傳輸信息。
甚至可以通過電線來傳輸寬帶信號,只要將信息調制在電壓上,通過電壓的微弱變化來傳輸互聯網,實現一根電線就可以完成全部任務,電話,寬帶,電視,高壓電,也許將來不久就能實現。
2.2 在鐵路運輸中的運用
為了避免兩車相撞,現在有各種通信手段,我們可以試想將火車輪對在鐵軌上產生的噪聲中加入信息擾動,當這種噪聲變化被前端或者后端列車收到的時候就可以判斷對方是在接近我還是在遠離我,是否對我有危險,這都是可以值得研究的。
2.3 在中繼傳輸中的應用
中繼傳輸目前依靠電磁波來傳輸,如果通過激光或者聲音來傳輸是否也能達到同樣的目的,只要改變他的頻率或者幅度或者相位都能傳輸信息,唯一需要擔心的是帶寬是否能滿足需要。
2.4 在建筑施工中的應用
建筑行業(yè)作為我國國民經濟重要組成部分,對改善城市形象、提高人民生活水平、促進我國經濟增長具有十分重要的作用。為確保建筑工程施工質量安全與施工進度,將通信傳輸技術應用于建筑工程施工中,通過信號傳輸到計算機中,對信息進行整合與分析,幫助設計人員設計出經濟環(huán)保、安全舒適的建筑。未來,建筑智能化理念將深入人心,將通信技術應用于住宅小區(qū)、辦公大樓中,在現有電子鎖、自動報警等基礎上,實現建筑整體功能遠程操作,如通過通信信號及傳輸技術遠程開燈、關門等,從而更好地實現操作的智能化和科學化。
2.5 在生物醫(yī)學方面的應用
我們都是生病了才去醫(yī)院,新型的醫(yī)療診斷系統(tǒng)可以安在人的身體上,通過測試你的體溫,監(jiān)測你的呼吸,心跳就可以知道你是不是有感冒的風險,提醒你多穿些衣服,將這些信息統(tǒng)統(tǒng)匯總起來就可以為預防流感提供相關的資料和參考,這就涉及到醫(yī)學,大數據,無線通信等學科的綜合領域;通信在未來的生活中不僅僅是傳遞消息,他也是社會生活、組織結構、管理決策的重要組成部分,對管理智能化、人性化都有重要的作用。
2.6 在日常生活的應用
你身邊的任何東西只要能產生變化,都可以賦予信息的元素,把這種變化用一定的規(guī)律表現出來就可以把信息傳輸出去,在間諜電影中,有規(guī)律的敲三下門表示安全就是一種典型的應用,我們可以將這種方式推而廣之,然后再加以利用。尤其在近距離的信息傳播中,任何聲音,光線,震動甚至氣味或者其他物質的狀態(tài)變化都可以拿來作為載體傳輸信息,只要雙方都可以互相接收到就可以組成整個完整的信道。
現在的電磁污染已經非常嚴重,我們處在一個巨大的電磁場中,如果能夠開辟新的方法來組成環(huán)保無電磁污染的WIFI網絡或者電話網絡,對我們也是一種進步。
我們舉一個例子來解釋這種應用:如圖1所示。
家庭中的通信設備是多種形式的,這些設備必須是對人的生活環(huán)境沒有影響,又能做信號源,這些發(fā)射源可以是獨立的設備,也可以和家里的其他家電設備融合,可以接收互聯網絡,也可以接入電話網絡,即便你的家里沒有路由器,沒有電話線,沒有網線都不妨礙你的娛樂和日常生活。
3 結束語
隨著我國信息化時代的發(fā)展,社會大眾對互聯網技術和通信工程傳輸技術提出了更高的要求和標準。為了滿足人們的需要,我們一定會開發(fā)出更多環(huán)保、高效、對人友好的通信技術,不但要考慮技術的科學性,也要關注人的生活質量的需要。
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[關鍵詞]電子技術課程;教學模式;實驗教學
0引言
《模擬電子技術》課程是第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程專業(yè)一門非常重要的骨干專業(yè)基礎課程,主要是培養(yǎng)學員對模擬電路的分析、設計、調試等能力,為其畢業(yè)后能夠勝任軍隊醫(yī)療衛(wèi)生裝備的維修與研發(fā)崗位需求打下堅實的理論基礎?!赌M電子技術》課程的授課內容涵蓋器件、電路及電路應用3個部分,要求學員完成課程學習后,應具備會計算電路參數、會選擇器件、會設計電路、會測試電路參數“四會”基本技能[1]。實驗是《模擬電子技術》課程非常重要的教學環(huán)節(jié),通過實驗既可以檢驗學員的理論學習效果,又能提高學員的實際動手能力。但是,傳統(tǒng)的實驗教學模式主要以驗證性實驗為主,即教員指定實驗內容、提供實驗元器件和實驗儀表,學員按照教材中的電路圖完成實驗、測試電路參數后完成實驗報告,整個過程學員始終處于被動,不能形成實驗過程教與學動態(tài)交互的平臺,無法激發(fā)學員對電子技術的興趣,距離培養(yǎng)創(chuàng)新性思維方式甚遠[2-5]。在這種實驗教學模式下,學員只是能夠計算電路參數、測試電路參數,并不知道如何選擇器件、如何設計電路,無法滿足實用、高素質軍隊醫(yī)療衛(wèi)生裝備研發(fā)人才的培養(yǎng)目標和要求。針對以上問題教學組融合課程特點,在實驗教學設計中大膽創(chuàng)新與改革。在完成模擬電子技術經典實驗項目的前提下,整合驗證性實驗內容,將實踐教學拓展由課堂延伸到課外[6-7],增加以問題和需求牽引為導向的綜合設計性實驗,開放性地提出了“五自”實驗教學模式;引導學員主動參與實際科研活動,靈活地選取探索的方法,為學員提供發(fā)展創(chuàng)造性思維和實踐的機會,激發(fā)了學員對電子技術類課程學習的熱情,同時加強了團隊的協(xié)作,鍛煉了對科研活動的總結和表達能力。
1“五自”實驗教學模式
調動學員在《模擬電子技術》課程實驗過程的主觀能動性和學習積極性,教學組在基本要求“會分析計算、會使用常用的儀器儀表、會測量基本的參數”的指標基礎上增加了“會設計電路”和“會選元器”件2個環(huán)節(jié);開放性地提出學員自由選題與分組、自行管理與實現、自主設計與實施、自行調試與安裝以及自主答辯與論文完成的“五自”實驗教學模式。現將具體實施步驟介紹如下。
1.1自由選題與分組
為了培養(yǎng)學員之間的團結協(xié)作精神,在其即將完成模擬電子技術課程學習的前2個月,由授課教員針對軍隊衛(wèi)生裝備中研究的熱點問題以及附屬醫(yī)院臨床科室的實際需求,發(fā)現問題,并聯系所學理論知識提出問題;重點列出5~10個綜合設計實驗題目(如便攜式心電圖機、自動輸液器、電加熱手套、太陽能電源等),提出電路設計要求和預期達到的主要性能指標,要求學員自主設計實現電路。學員針對教員指定的實驗題目,根據每名同學自身的興趣和專業(yè)特長,自由選題與分組。一般每組不超過3人,組內學員自行分配任務,包括文獻查閱、電路設計、電路仿真、印刷電路板(printedcircuitboard,PCB)可在共享上查到制作、元器件購買、電路調試、幻燈制作及答辯等環(huán)節(jié)。
1.2自行管理與實現
整個教學的實施過程中,教學組采用開放式的管理模式,即教學實驗室時間和空間對學員全部開放,所有的測量儀器儀表設備全部開放。模擬電子技術的網絡教學交互平臺全時段開放,學員選題之后,每個小組的時間和進度節(jié)點都自行管理、自行實現,完全發(fā)揮學員的主動性。教員只需做好的監(jiān)督安全、答疑引導工作[8]。
1.3自行設計與實施
在學員完成自由選題與分組之后,可根據實驗項目的要求查閱文獻資料、提出技術方案和實施路線、設計電路并進行電路仿真,通過仿真測試電路的功能及主要性能指標,不斷優(yōu)化電路結構。當學員在電路設計時遇到問題和困難,由教員針對學員的設計進行專題輔導和引導,突出以學員自行設計為主、教員引導為輔。自行設計重在培養(yǎng)學員靈活運用理論知識、信息檢索工具、電路設計與仿真軟件的綜合能力,是“五自”實驗教學模式中最為重要的一個環(huán)節(jié)。在學員完成電路設計與仿真之后,教員對學員的設計審核后由學員列出所需元器件型號、數量和主要參數等。學員自行購買,選擇性價比高的元器件,自行購買元器件重在培養(yǎng)學員選擇器件的能力。元器件參數的合理設置是電路設計的基本內容,而器件的性能優(yōu)劣直接影響到電路實現的功能正常與否,因此綜合性實驗項目增加該環(huán)節(jié)強化鍛煉學員基本的器件選型能力。
1.4自行調試與安裝
學員將購買的元器件進行分類,按照電路原理圖在PCB上完成焊接,并進行調試、排除電路中可能存在的故障,發(fā)現問題,小組內部探討,網上教學平臺發(fā)動教學資源共同解決問題,很好地培養(yǎng)了學員解決問題的基本技能,以問題為導向培養(yǎng)了團隊協(xié)作能力。設計實驗過程的測試方案,選用合適的儀器儀表測量不同的參數指標,并記錄描繪特征曲線。規(guī)范實驗測試流程,熟悉常用儀器儀表的特性、使用條件和使用注意事項。完成電路板調試后,學員自行將電路板安裝到實驗箱內,提供電源輸入接口、信號輸入輸出接口等。自行調試安裝重在培養(yǎng)學員的電路故障排除、儀表使用、電路焊接和安裝等綜合能力。
1.5自行答辯與論文完成
學員完成綜合實驗項目后,要完整地記錄項目的設計和實現過程,準確地記錄實驗結果,提交規(guī)范的設計論文,并自行制作PPT,內容包括課題背景、設計思路、方案、電路及主要參數、改進方法及措施等,匯報時間10min。學員答辯時,教員可以針對學員的電路設計、實驗方案或實驗結果隨時提出質疑,其他組的學員也可以提出質疑。自行答辯與論文完成重在培養(yǎng)學員系統(tǒng)化的科研思維和實踐規(guī)范,邏輯性的總結能力,精煉客觀的表述能力[9-10]。
2教改效果
從2007屆生物醫(yī)學工程專業(yè)本科學員開始,我們將“五自”實驗教學模式應用到模擬電子技術課程教學中,通過發(fā)放調查問卷和對考試成績分析反饋等方式,對教改效果進行分析和總結。圖1為2007—2011屆學員對“五自”實驗教學模式的問卷調查分析結果,問卷調查采用百分制打分,內容設計“五自”實驗環(huán)節(jié)的執(zhí)行效果評價(每項20分)。從結果分析中可以看出,學員對“五自”實驗教學模式的評價分數逐屆提高。2007年級學員評價分數較低,這是因為我們首次改革實驗教學模式,在實驗項目的設立、學員答辯組織等環(huán)節(jié)存在不足,學員的建議大多是增加實驗項目、不要限制答辯形式;2011年級學員評價分數最高,這是因為我們不斷積累經驗和教訓,靈活設置實驗設計題目、靈活學員答辯形式,使“五自”實驗教學模式日趨完善。對2007—2011屆學員《模擬電子技術》課程考試平均成績(如圖2所示)分析,結果顯示平均成績的提升與“五自”實驗教學模式的配套使用有緊密的關系。2007年級學員模擬電子技術的考試分數較低,這是因為我們首次采用“五自”實驗教學模式,學員準備時間過短,沒有將理論緊密聯系實際,直接影響了理論考試時間;2011年級學員評價分數最高,綜合實驗設計題目選擇來源于實際生活或科研需求,且緊密和理論知識相連接,激發(fā)了學員對《模擬電子技術》的極大興趣,鞏固了學員的理論知識,提高了學員的理論考試成績。
3結語
“五自”實驗教學模式在2007—2011級生物醫(yī)學工程專業(yè)的《模擬電子技術》課程教學實踐中取得了很好的效果。與傳統(tǒng)的實驗教學模式相比“,五自”教學模式將學員的學習模式從被動變?yōu)橹鲃?,充分發(fā)揮和調動了學員的主觀能動性。同時,用問題導向和需求牽引來提高學員的創(chuàng)新意識,用大科學的理念來培養(yǎng)學員的團結協(xié)作精神,為學員畢業(yè)后的第一崗位任職需求奠定了基礎。為了更好地發(fā)揮“五自”實驗模式在軍內生物醫(yī)學工程人才方面的培養(yǎng)作用,我們將在今后《模擬電子技術》課程的實驗教學中令實驗項目選題更貼近部隊實際需求,即實驗調試環(huán)節(jié)增加機電一體化、電磁兼容、特殊環(huán)境設計的內容,使新的實驗教學模式更加實用、有效。
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關鍵詞:物聯網 精準農業(yè) 無限傳感器網絡
中圖分類號:TN711 文獻標識碼:A 文章編號:
正文: 近年來,隨著物聯網技術在農業(yè)領域的使用,精準農業(yè)、智能農業(yè)、智能感知芯片、移動嵌入式系統(tǒng)應用等技術在現代農業(yè)逐步發(fā)展。物聯網技術可以改變粗放的農業(yè)管理方式,通過無線傳感器網絡可以有效地降低人力消耗,獲得準確的農作物生態(tài)環(huán)境和農作物信息,實現科學種植,科學監(jiān)測,對促進現代農業(yè)發(fā)展方式的轉變具有十分重要的意義。
1、農業(yè)物聯網的概述
農業(yè)物聯網是建立農產品的動態(tài)實時監(jiān)控、事后溯源的體系,主要由智能灌溉系統(tǒng)、綜合控制中心、視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成。它確定了對象的屬性,屬性包括靜態(tài)和動態(tài)的屬性, 動態(tài)屬性需要先由傳感器實時探測, 靜態(tài)屬性可以直接存儲在標簽中。
農業(yè)物聯網需要識別設備完成閱讀對象的屬性,并將信息轉換為適合網絡傳輸的數據格式;該對象通過網絡傳輸到信息處理中心的信息,由處理中心完成物體通信的相關計算。
2、物聯網的關鍵技術
2.1射頻識別(RFID)
RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據,識別工作無須人工干預,可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,操作快捷方便。最基本的RFID系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器和天線3部分組成。
RFID系統(tǒng)基本工作原理是讀寫器發(fā)出含有信息的一定頻率的調制信號,這個過程是通過天線來完成的;當讀寫器接收到電子標簽發(fā)送過來的信號,經過解調和解碼之后,將標簽內部的數據識別出來,送至電腦主機進行有關處理。
當電子標簽進入到讀寫器的工作區(qū)時,其天線通過耦合產生感應電流,從而為電子標簽提供相應的能量,此時標簽根據讀寫器發(fā)來的信息決定是否響應,是否發(fā)送數據。
目前,在農畜產品安全生產監(jiān)控、動物識別與跟蹤、畜產品精細養(yǎng)殖數字化系統(tǒng)、農畜精細生產系統(tǒng)、農產品物流與包裝等方面已正式應用RFID技術。
2.2無線傳感器網絡(WSN)
無線傳感器網絡是以自組織和多跳的方式構成的無線網絡, 包括大量的靜止或移動的傳感器。其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區(qū)域內感知對象的監(jiān)測信息,并報告給用戶。大量的傳感器節(jié)點將探測數據,通過匯聚節(jié)點經其他網絡發(fā)送給了用戶。傳感器網絡實現了數據采集、處理和傳輸的3種功能,而這正對應著現代信息技術的三大基礎技術,即傳感器技術、計算機技術和通信技術。
在傳感器網絡中,傳感器節(jié)點具有端節(jié)點和路由的功能:一方面實現數據的處理和采集,對本身采集的數據和收到的其他節(jié)點發(fā)送的數據進行綜合,另一方面實現數據的路由和融合, 轉發(fā)路由到網關節(jié)點。
傳感器節(jié)點數目非常龐大,通常采用不能補充的電池提供能量,傳感器節(jié)點的能量一旦耗盡,那么該節(jié)點就不能進行。網關節(jié)點往往個數有限,能量能夠得到補充。
路由功能和數據收集功能,對傳感器網絡的整個生命周期的直接影響。因此,傳感器網絡研究的是傳感器網絡節(jié)點。具體的應用不一樣,傳感器網絡節(jié)點的設計是不一樣的,但是基本結構是一致的。傳感器網絡中的節(jié)點一般是由處理器單元、傳感器模塊、無線傳輸模塊和單元模塊四部分組成,近年來,在農業(yè)領域特別是在精準農業(yè)中越來越多地應用。
3、物聯網技術在現代農業(yè)的初期應用
3.1中國的精準農業(yè)
精準農業(yè)(Precision Agriculture)是按照田間各個操作區(qū)域的具體情況, 準確精細地調整各項土壤和作物管理結構,最大程度地優(yōu)化和運用各項農業(yè)投資,以獲取最高的效益和最多的產量,同時保護土地、保護農業(yè)生態(tài)環(huán)境等自然資源。
隨著GPS系統(tǒng)(全球定位)、RS (遙感)、GIS系統(tǒng)(地理信息)、DSS (決策支持系統(tǒng))、VRT (變量處理設備)等技術的發(fā)展, 作為基于信息高科技的集約化農業(yè),精準農業(yè)應運而生,并成為可持續(xù)農業(yè)發(fā)展的熱門產業(yè),其應用實踐和理論的研究將極大地促進我國現代化農業(yè)的發(fā)展。
精準農業(yè)的目標在于資源的高效利用、農業(yè)生產過程的改善及科學管理,實施精準農業(yè)不僅具有重要的經濟效益,而且具有顯著的社會效益、生態(tài)效益和環(huán)境保護效益。
3.1.1智能化溫室大棚
數字化溫室大棚配有硬件設施和軟件系統(tǒng)組成。硬件設備自動實時獲取溫室各種信息后,通過無線傳輸到控制中心,由控制系統(tǒng)做控制決策,從而自動控制風機、濕簾、卷模機和電磁閥,且控制器還控制整個溫室水管管路的水壓。安裝的物聯網信息采集與智能溫室大棚系統(tǒng)共包括6個無線信息采集節(jié)點,分別安裝在溫室大棚的典型位置,每個節(jié)點均可以自動采集土壤溫度、濕度、空氣溫度、濕度、光照強度、植物養(yǎng)分等信息。各節(jié)點采集的信息通過智能自組網方式向監(jiān)控中心傳遞采集數據,監(jiān)控中心對各個節(jié)點所采集的實時數據進行處理,并結合專家系統(tǒng)知識產生相應控制量,通過無線發(fā)送控制命令到智能溫室控制柜。實現溫室內的自動灌溉、自動卷膜、自動通風、自動開關濕簾等全智能化自動控制。同時,該系統(tǒng)采樣智能變頻技術控制抽水泵自動工作,并保持管道內水壓恒定。確保花卉和種苗生產便利和生產安全,節(jié)省電能。
信息采集
農業(yè)物聯網應用所需的相關感器設備,主要包括:溫度、水分、光照、土壤水分傳感器、植物養(yǎng)分傳感器、植物冠層信息傳感器等,經過多年的實際應用,傳感器設備性能穩(wěn)定、對農業(yè)環(huán)境適應能力強、使用壽命長、維修維護工作量小。
信息傳輸
農業(yè)物聯網無線傳感節(jié)點
可監(jiān)測土壤水分、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、植物養(yǎng)分含量等參數,其它參數也可以選配,如土壤中的PH值、電導率等等。匯聚并存儲傳感設備采集的數據信息,通過無線方式傳送給無線傳輸路由器或者智能控制中心。 農業(yè)物聯網無線傳輸路由器接收和匯集無線傳感節(jié)點發(fā)來的數據,做臨時存儲,然后再轉發(fā)給智能控制中心。
智能控制
農業(yè)物聯網智能控制柜,包括開關量控制、模擬量輸出控制、變頻控制等,負責接收無線傳感節(jié)點和無線傳輸路由器發(fā)來的數據,然后存儲并顯示實時數據,最后對所有節(jié)點的數據進行管理、動態(tài)顯示和分析處理,以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶,并根據現場的需求提供各種聲光報警信息和短信報警信息等。
數字化溫室大棚安裝后,智能溫室信息采集與控制系統(tǒng)一直正常運行。在行自動控制模式下,自動信息的感知、無線傳輸和智能控制。如傳感器感知土壤水分不夠時,將自動開啟電磁閥進行灌溉;當感知水分滿足要求時自動停止灌溉,實現高智能化程度的自動灌溉。同樣,當溫室大棚內溫度高于36度時風機將自動開啟,直至溫度低于35度風機自動停止。當大棚溫度達到40度以上時,控制系統(tǒng)將自動開啟濕簾和風機,進行對流降溫。軟件界面如圖所示。同樣,該系統(tǒng)也可以根據光照強度實行卷膜自動控制。真正實現了智能溫室控制。
動態(tài)實時監(jiān)測溫度、濕度、CO2含量、風速、風向、雨量等變化,通過智能控制系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)及加熱系統(tǒng),自動實現保濕、通風、光照的調節(jié),以達到調節(jié)產期,促進生長發(fā)育,提高質量和產量的目的。
3.1.2遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)
遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)
遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個融合傳統(tǒng)監(jiān)控和傳統(tǒng)會議功能,無線接入和有線接入,寬帶技術與窄帶技術,視頻業(yè)務、語音業(yè)務、數據業(yè)務和指揮調度業(yè)務于一體的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng),可以監(jiān)控現場情況,可以與監(jiān)控點之間實現語音雙向對講,可以通過車載設備遠程實現對突發(fā)事件現場的監(jiān)控和處理;可以通過手機查看監(jiān) 控現場的情況,也可以點播歷史監(jiān)控錄像。
3.1.2生物傳感器
生物傳感器具有接受器與轉換器的功能,是一種對生物物質非常敏感并將其濃度轉化為電子信號進行檢測的儀器,是用固定化的生物敏感材料作識別元件(包括抗原、抗體、微生物、細胞、酶、組織、核酸等生物活性物質)與適當的理化換能器(如氧電極、場效應管、光敏管、壓電晶體等)及放大信號裝置構成的分析系統(tǒng)或工具。
生物傳感器是一門由化學、物理、生物、醫(yī)學、電子技術等多個學科相互滲透而成長起來的高新技術。因其具有靈敏度高、分析速度快、選擇性好、成本低、在復雜的體系中進行在線連續(xù)監(jiān)測,特別是它的高度微型化、自動化與集成化的特點,使其在近幾年獲得非常迅速的發(fā)展。在國民經濟的各個部門如制藥、化工、食品、臨床檢驗、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學等方面有廣泛的應用領域。特別是光電子學、分子生物學與微電子學、納米技術及微細加工技術等新學科、新技術結合,正改變著環(huán)境科學動植物學、傳統(tǒng)醫(yī)學的面貌。
生物傳感器的開發(fā)與研究,已成為世界科技發(fā)展的熱門產業(yè),成為新世紀新興的高技術產業(yè)的重要組成部分,具有十分重要的意義。
3.2農產品質量安全監(jiān)督檢測
目前,我國食品安全事故頻發(fā),其中很重要的一個原因就是缺乏對食品的監(jiān)管,物聯網給食品監(jiān)管提供了一個有效的工具。國內已出現“食品安全追溯系統(tǒng)”,將RFID技術應用于畜牧業(yè)食品生產的全過程,包括飼養(yǎng)、防疫滅菌、產品加工、食品流通等各個環(huán)節(jié)。
如給生豬帶上RFID的芯片,監(jiān)控生豬的整個生命過程,從出生、生長到屠宰、銷售。尤其是在生豬的生長過程中,可以檢測其生長環(huán)境和體溫等數據,而在生豬屠宰后,在農貿市場的豬肉經營店配備電子溯源秤,消費者在購買豬肉時可索取含有食品安全追溯碼的收銀條,憑借收銀條上的追溯碼查詢生豬來源、屠宰場、質量檢疫等多方面信息。
4、農業(yè)物聯網發(fā)展展望
農業(yè)物聯網應用的發(fā)展項目有很多,智能控制溫室、自動室外氣象監(jiān)測、液肥精準投用、靜電精準噴藥等精準農業(yè)技術,實時定量監(jiān)控在不同生長周期農作物所需的二氧化碳濃度、溫度、濕度、光照等,調節(jié)肥料、農藥的投入,幫助農民實現更精細的耕作。
通過在農業(yè)園區(qū)安裝生態(tài)信息無線傳感器和其他智能控制系統(tǒng),可對整個園區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行檢測,從而及時掌握影響園區(qū)環(huán)境的一些參數,并根據參數變化適時調控諸如灌溉系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)等基礎設施,確保農作物有最好的生長環(huán)境,以提高產量保證質量。
5、結語:從不同階段農產品生產來看,無論是從種植的培育階段,還是從收獲階段,都可以用物聯網的技術來提高精細管理水平和工作的效率。農業(yè)物聯網技術的應用推廣,也是農業(yè)現代化水平的一個十分重要標志。農業(yè)物聯網的迅速發(fā)展,將為中國現代農業(yè)發(fā)展與世界同步提供一個國際領先的嶄新平臺,也必將為傳統(tǒng)農業(yè)改造升級起到巨大的推動作用。
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