周長(zhǎng)春

摘 要：根據(jù)《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要》，物理課程應(yīng)為學(xué)生今后生活和工作作準(zhǔn)備。從“科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法、科學(xué)精神與態(tài)度、科學(xué)應(yīng)用”4個(gè)方面，使學(xué)生養(yǎng)成終身發(fā)展所需的品格與關(guān)鍵能力，形成核心素養(yǎng)。筆者以“超重和失重”為例，分析了課標(biāo)的要求、不同版本對(duì)課標(biāo)的處理和學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的典型錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上，著重論述如何基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向處理教材，最后分析超重和失重的本質(zhì)。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng)；導(dǎo)向；教學(xué)案例

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）5-0028-4

高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》，以提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展作為主要目標(biāo)，《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要（2006—2010—2020年）》將科學(xué)素養(yǎng)概括為“了解必要的科學(xué)技術(shù)知識(shí)，掌握基本的科學(xué)方法，樹(shù)立科學(xué)思想，崇尚科學(xué)精神，并具有一定的應(yīng)用它們處理實(shí)際問(wèn)題、參與公共事務(wù)的能力?！蔽锢碚n程作為一門(mén)自然科學(xué)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生方面的價(jià)值體現(xiàn)在從科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法、科學(xué)精神與態(tài)度、科學(xué)應(yīng)用4個(gè)方面為學(xué)生今后的生活和工作作準(zhǔn)備，使學(xué)生養(yǎng)成終身發(fā)展所需的必備品格與關(guān)鍵能力，形成學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 課程標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)

高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中“相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律”的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)：“……理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律，能用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋生活中的有關(guān)問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象?！薄跋嗷プ饔门c運(yùn)動(dòng)規(guī)律”的課堂活動(dòng)建議：“通過(guò)各種活動(dòng)，例如乘坐電梯、到游樂(lè)場(chǎng)乘坐過(guò)山車(chē)等，了解和體驗(yàn)失重與超重?！?/p>

“通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象”中的“認(rèn)識(shí)”介于“了解”與“理解”之間?！傲私狻钡暮x包括“再認(rèn)或回憶知識(shí)，識(shí)別、辨認(rèn)事實(shí)或證據(jù)，舉出例子，描述對(duì)象的基本特征”；“理解”的含義包括“把握內(nèi)在邏輯聯(lián)系，與已有知識(shí)建立聯(lián)系，進(jìn)行解釋、推斷、區(qū)分、擴(kuò)展，提供證據(jù)，收集、整理信息等?！倍J(rèn)識(shí)超重和失重，是通過(guò)“實(shí)驗(yàn)”或“活動(dòng)”來(lái)感受、體驗(yàn)超重是物體對(duì)支持面的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w所受重力的現(xiàn)象，失重是物體對(duì)支持面的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w所受重力的現(xiàn)象，超重現(xiàn)象和失重現(xiàn)象是視重相對(duì)真重而言，認(rèn)識(shí)到物體處于超重和失重狀態(tài)時(shí)，物體受到的重力并沒(méi)有發(fā)生變化。

2 學(xué)生學(xué)習(xí)中的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)

學(xué)生學(xué)習(xí)超重和失重時(shí)，存在兩個(gè)最常見(jiàn)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，一是認(rèn)為超重是重力增加、失重是重力減少；二是認(rèn)為加速度方向向下，一定失重。因此，超重和失重概念始終是物理課堂學(xué)習(xí)中的一大難點(diǎn)。造成這一困難的原因有3個(gè)方面：一是受“超”和“失”兩個(gè)字的前概念誤導(dǎo)，使學(xué)生認(rèn)為超重和失重就是物理重量的增加和減少；二是課本中安排的實(shí)驗(yàn)太少，學(xué)生缺少對(duì)超重和失重現(xiàn)象，特別是對(duì)完全失重現(xiàn)象的體驗(yàn)和感性認(rèn)識(shí)，學(xué)生從形象思維過(guò)渡到抽象思維的坡度太大；三是課本編排的內(nèi)容有誤導(dǎo)學(xué)生之嫌疑和教師對(duì)教材教學(xué)研究的力度不夠。

3 不同版本對(duì)課標(biāo)的處理

粵教版將“超重和失重”作為一級(jí)主題，下設(shè)“超重和失重、超重和失重的解釋、完全失重現(xiàn)象”。素材有：用“人站在體重計(jì)上蹲下或站起的過(guò)程中，體重計(jì)的讀數(shù)有何變化”編制的“觀察與思考”欄目和“電梯靜止或做勻速運(yùn)動(dòng)、電梯向上做勻加速運(yùn)動(dòng)、電梯向下做加速運(yùn)動(dòng)”配合解釋超重和失重的3幅插圖。課本在編排新課內(nèi)容時(shí)，采用先后對(duì)比和對(duì)稱(chēng)編排超重和失重，沒(méi)有編排超重和失重實(shí)驗(yàn)。體驗(yàn)掛在彈簧秤下的被測(cè)物體完全失重的“實(shí)驗(yàn)與探究”欄目編排在新課的后面。課本雖揭示了教學(xué)內(nèi)容所隱含的社會(huì)文化價(jià)值，但所描述的情景與實(shí)際并不完全相符，如：電梯可能超重，應(yīng)在啟動(dòng)前發(fā)出報(bào)警，若啟動(dòng)后再發(fā)出報(bào)警，已起不到安全的作用了。

人教版將“超重和失重”作為“用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問(wèn)題（二）”中的一個(gè)二級(jí)主題，在用例題來(lái)描述超重情境的基礎(chǔ)上，定義什么是超重現(xiàn)象；素材有“人隨電梯加速上升時(shí)，電梯啟動(dòng)”“制動(dòng)時(shí)，體重計(jì)的讀數(shù)怎樣變化？”和“人站在體重計(jì)上下蹲、起立，也能看到超重和失重現(xiàn)象”兩幅插圖，課本重點(diǎn)是編排超重現(xiàn)象。這樣編排形式類(lèi)似于習(xí)題課后的拓展課，與課標(biāo)“通過(guò)實(shí)驗(yàn)”的要求不適切，沒(méi)有凸顯“通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象”的要求。

滬科教版將“超重與失重”作為一級(jí)主題，下設(shè)“與航天員的對(duì)話(huà)”“什么是超重和失重”兩個(gè)二級(jí)主題。編排了用手掌托一疊較重的書(shū)突然豎直上升或下降體驗(yàn)超重和失重實(shí)驗(yàn)和觀察測(cè)力計(jì)示數(shù)變化的實(shí)驗(yàn)探究。對(duì)超重和失重采用并列、對(duì)稱(chēng)方式編排，從加速度的方向切入，同步對(duì)比，若加速度方向向上，分析超重現(xiàn)象；若加速度方向向下，分析失重現(xiàn)象。這樣編排雖便于課后閱讀，但不利于學(xué)生的核心素養(yǎng)培養(yǎng)，特別是不利于培養(yǎng)學(xué)生自主探究失重現(xiàn)象。

筆者認(rèn)為，粵教版和滬科教版較好地凸顯了通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象的要求，在處理超重與失重內(nèi)容上，人教版較好地凸顯了教師引導(dǎo)與學(xué)生自主學(xué)習(xí)的要求。但3個(gè)版本在處理超重和失重產(chǎn)生的條件上，均將加速度方向向下作為失重的原因、加速度方向向上作為超重的原因，這違背了力是產(chǎn)生加速度的原因，這與牛頓運(yùn)動(dòng)定律的相關(guān)內(nèi)容不適切，容易引起學(xué)生誤解。

4 基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向來(lái)處理教材

實(shí)施物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)要求教師深入研究物理學(xué)發(fā)展的過(guò)程，清楚其中所蘊(yùn)含的科學(xué)思想和方法，創(chuàng)設(shè)鮮活、真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，帶領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)略物理學(xué)的價(jià)值，體驗(yàn)物理學(xué)研究過(guò)程的科學(xué)精神，促進(jìn)他們科學(xué)素養(yǎng)的提升。

（1）指導(dǎo)學(xué)生合作完成“電梯里的超重和失重現(xiàn)象”微視頻素材的拍攝，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境。很多老師用網(wǎng)上下載的電梯中彈簧秤示數(shù)變化的視頻來(lái)導(dǎo)入新課，而筆者是提前布置學(xué)生去錄制視頻?？此埔粋€(gè)小活動(dòng)，但包含了拍攝的前期準(zhǔn)備工作，如：構(gòu)思怎樣凸顯實(shí)驗(yàn)效果？后期制作也讓學(xué)生合成一個(gè)連貫的視頻。通過(guò)該活動(dòng)，培養(yǎng)了學(xué)生精益求精、存誠(chéng)務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)、合作的科學(xué)精神。

（2）精心設(shè)計(jì)效果明顯且能讓學(xué)生深刻感受或體驗(yàn)超重和失重的小實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)并感悟物理過(guò)程。由于超重和失重系統(tǒng)相對(duì)地面在豎直方向是加速運(yùn)動(dòng)或減速運(yùn)動(dòng)，這樣給實(shí)驗(yàn)觀察造成很多不便，因此解決問(wèn)題的關(guān)鍵是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。有以下幾種方案可供參考：第一種是定量觀測(cè)，將“動(dòng)”轉(zhuǎn)換為“靜”，觀察工具的“眼睛”相對(duì)系統(tǒng)靜止（如：在電梯里做實(shí)驗(yàn)）；第二種是定量觀測(cè)，將“動(dòng)”轉(zhuǎn)換為“靜”，讓系統(tǒng)在豎直方向做勻變速運(yùn)動(dòng)，而將顯示“讀數(shù)”的裝置固定不動(dòng)（如：借用定滑輪、動(dòng)滑輪與測(cè)力計(jì)組合轉(zhuǎn)換），方便觀察超重和失重現(xiàn)象；第三種是定性觀測(cè)，設(shè)計(jì)一些能很好地定性觀察“示數(shù)”的工具（如：通過(guò)比較觀察測(cè)量工具形變、液壓計(jì)壓強(qiáng)變化、杠桿平衡情況等），凸顯超重和失重現(xiàn)象；第四種方案是設(shè)計(jì)效果明顯且便于學(xué)生直接體驗(yàn)超重和失重的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)利用學(xué)生身邊的器材及日常生活中的物理現(xiàn)象，建構(gòu)教學(xué)素材，這樣可拉近物理與生活的距離，讓學(xué)生深切地感受到科學(xué)的真實(shí)性及增加對(duì)科學(xué)的親切感，增加學(xué)生對(duì)科學(xué)的感悟和體驗(yàn)機(jī)會(huì)，激發(fā)探究興趣，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)、積極地探索知識(shí)。

①引入新課的微型小實(shí)驗(yàn)力求做到短、平、快，現(xiàn)象新、奇、特，直接指向新課。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是取材易、時(shí)間短、效果好，創(chuàng)設(shè)超重和失重情景體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生興趣。

【案例1——手托一疊捆綁的書(shū)】手托一疊捆綁的書(shū)，突然向下運(yùn)動(dòng)，先后感受剛開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)瞬間書(shū)對(duì)手的壓力，再感受突然停止向下運(yùn)動(dòng)瞬間書(shū)對(duì)手的壓力。

【案例2——天平還會(huì)平衡嗎？】用較大的螺帽在量筒里的水中下降來(lái)演示失重現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)前首先依次提出問(wèn)題串：a.燒斷懸線(xiàn)時(shí)，天平還會(huì)不會(huì)平衡？b.若不平衡，哪側(cè)會(huì)往上翹？

②課中學(xué)生實(shí)驗(yàn)力求操作簡(jiǎn)便、效果明顯，凸顯物理問(wèn)題的本質(zhì)。

【案例3——觀察彈簧秤示數(shù)變化】在彈簧秤下端掛一鉤碼，仔細(xì)觀察彈簧秤靜止時(shí)、緩緩上升時(shí)、緩緩下降時(shí)、突然上升時(shí)、突然下降時(shí)彈簧秤示數(shù)的變化。在學(xué)生體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再用超重和失重現(xiàn)象演示器分別演示超重、失重和完全失重現(xiàn)象。為了便于觀察，要此在系統(tǒng)上，正對(duì)盤(pán)式彈簧秤，加裝QQ攝像頭，這樣有利于學(xué)生觀察盤(pán)式彈簧秤指針的偏轉(zhuǎn)情況。

（3）引入真重和視重概念，并參照真重解讀超重和失重的涵義，領(lǐng)會(huì)超重和失重現(xiàn)象。以物理核心概念統(tǒng)領(lǐng)物理教學(xué)，可以幫助學(xué)生從紛雜的事實(shí)、概念、規(guī)律、定理、公式中跳出來(lái)，站在一個(gè)更高的位置上培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)要求課程內(nèi)容應(yīng)該圍繞物理學(xué)核心概念進(jìn)行，教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該從講授事實(shí)轉(zhuǎn)移到使用事實(shí)，學(xué)習(xí)重點(diǎn)也應(yīng)該從記憶事實(shí)轉(zhuǎn)移到理解可遷移的核心概念和對(duì)更為根本的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深層理解，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的思維能力。

有經(jīng)驗(yàn)的教師總是能根據(jù)不同的概念，采用不同的教學(xué)模式組織教學(xué)，物理概念教學(xué)有“子概念—概念、理論—生成、實(shí)驗(yàn)—探究、類(lèi)比—遷移、甄別—?dú)w納、目標(biāo)—診斷”6種模式。生成是在學(xué)生已有的基礎(chǔ)上的生成，課本中沒(méi)有引入真重（實(shí)重）和視重的概念。由于超重和失重是建立在真重和視重等“子概念”的基礎(chǔ)上，因此，學(xué)生對(duì)超重和失重概念，一直有“難于接受、理解、把握”的評(píng)價(jià)。物理概念之間是相互關(guān)聯(lián)的，它們組成了一定的概念體系。從概念體系的建構(gòu)特點(diǎn)看，一個(gè)概念往往會(huì)成為另一個(gè)概念建構(gòu)的基礎(chǔ)，抓住概念之間的這種建構(gòu)關(guān)系，可以有效地組織教學(xué)。教學(xué)中應(yīng)牢牢抓住真重和視重等“子概念”，然后在真重和視重“子概念”的基礎(chǔ)上生成超重和失重“新概念”，才能達(dá)到掌握概念的目的。超重和失重是本節(jié)內(nèi)容的核心概念，超重和失重是針對(duì)真重而言的，超重和失重現(xiàn)象與真重存在因果關(guān)系。因此，補(bǔ)充真重和視重兩個(gè)“子概念”，尋找超重和失重的參照，完善課本中的知識(shí)結(jié)構(gòu)，才能更好地消除學(xué)生對(duì)超重和失重的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

（4）注意實(shí)現(xiàn)從教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)超重到學(xué)生自主學(xué)失重的轉(zhuǎn)變。教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)過(guò)程除了要凸顯超重和失重與真重的因果關(guān)系外，還要凸顯超重與失重知識(shí)信息的生成關(guān)系和發(fā)展關(guān)系。由于失重后面涉及到完全失重，因此，超重和失重是教與學(xué)的重點(diǎn)，按“真重和視重、超重現(xiàn)象、失重現(xiàn)象和完全失重現(xiàn)象”3個(gè)主題來(lái)設(shè)計(jì)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，既符合學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)，又符合學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律。

①關(guān)于超重的教學(xué)。研究超重既涉及到隔離法、分析法等科學(xué)方法，還涉及到牛頓第二定律和牛頓第三定律等科學(xué)知識(shí)，既是牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用的范例，也是學(xué)習(xí)失重的范例。學(xué)習(xí)、分析物理問(wèn)題，離不開(kāi)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，因此，在分析論證階段，務(wù)必給出學(xué)生兩幅電梯中超重情境圖，使學(xué)生對(duì)要解決的問(wèn)題獲得更直觀的認(rèn)識(shí)。學(xué)生為了解決問(wèn)題會(huì)很自然地運(yùn)用隔離法、確定研究對(duì)象，畫(huà)研究對(duì)象的受力分析圖，再依據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律列方程、求解。

②關(guān)于失重的教學(xué)。科學(xué)方法方面的核心素養(yǎng)表現(xiàn)為了解并掌握研究世界的基本思想和方法。科學(xué)應(yīng)用方面的核心素養(yǎng)表現(xiàn)為有應(yīng)用所學(xué)知識(shí)、方法解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的意識(shí)和能力。超重和失重現(xiàn)象在知識(shí)結(jié)構(gòu)上是并列的，教學(xué)中應(yīng)借助“失重”這個(gè)知識(shí)載體，引導(dǎo)學(xué)生將研究“超重”所應(yīng)用的方法遷移到“失重”上來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)從教師“教”超重到學(xué)生自己“學(xué)”失重的轉(zhuǎn)變，既達(dá)到了“教是為了不教”的目的，又培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)方法、科學(xué)應(yīng)用方面的素養(yǎng)。

③培養(yǎng)不迷信課本的意識(shí)。結(jié)合如圖2所示的裝置，提出問(wèn)題：系統(tǒng)的加速度方向向下，小球一定處于失重狀態(tài)嗎？引發(fā)學(xué)生根據(jù)T=mg-ma思考，逐漸弄清02g

5種情況下視重與真重的關(guān)系，從而不僅真正從意義上弄清了超重和失重現(xiàn)象的內(nèi)涵，還培養(yǎng)了學(xué)生勇于懷疑的科學(xué)精神和理性分析的科學(xué)態(tài)度。

（5）引導(dǎo)學(xué)生在超重和失重的學(xué)習(xí)中學(xué)會(huì)對(duì)比思維和對(duì)稱(chēng)思維。通過(guò)教師的引導(dǎo)把學(xué)生自我探究、自我發(fā)展、自我完善的潛在力量轉(zhuǎn)化為自我生成的現(xiàn)實(shí)力量，教學(xué)是否成功主要看教師是否有效地實(shí)現(xiàn)了這種轉(zhuǎn)化。超重教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生以實(shí)驗(yàn)探究、比較法、隔離法、分析法為主線(xiàn)，將超重與真重、牛頓第二定律與牛頓第三定律串聯(lián)起來(lái)，將陌生的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為熟知的問(wèn)題，使學(xué)生逐步體會(huì)其中嚴(yán)密的邏輯關(guān)系，從而使學(xué)生的思維得到訓(xùn)練和發(fā)展。超重和失重相對(duì)真重具有一定的對(duì)稱(chēng)性，研究失重現(xiàn)象的方法和依據(jù)與研究超重現(xiàn)象是完全一樣的，因此，對(duì)于失重務(wù)必讓學(xué)生帶著問(wèn)題自主學(xué)習(xí)，在自主學(xué)習(xí)失重的基礎(chǔ)上，再感受、體驗(yàn)、生成、同化、內(nèi)化，發(fā)展學(xué)生的思維，提高學(xué)生的能力，實(shí)現(xiàn)生成的教學(xué)目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

5 關(guān)于超重和失重的本質(zhì)的思考

超重和失重現(xiàn)象是牛頓第二定律的重要內(nèi)容，也是電視等傳媒上出現(xiàn)頻率比較高的科技術(shù)語(yǔ)，但在1983年版高中物理（上冊(cè)）和1990年版的高級(jí)中學(xué)高一物理（必修）課本中均未出現(xiàn)超重和失重的概念。上世紀(jì)90年代，供高中重點(diǎn)學(xué)校使用的《高級(jí)中學(xué)試驗(yàn)課本·物理第一冊(cè)》才將“超重和失重”作為動(dòng)力學(xué)的基本問(wèn)題，首次編入了高中物理課本中。1982年出版的漆安慎教授主編的大學(xué)物理專(zhuān)業(yè)課本《力學(xué)基礎(chǔ)》也沒(méi)有編排超重和失重的內(nèi)容。之前超重和失重為什么沒(méi)編入課本，筆者認(rèn)為可能是由以下原因造成的：一是當(dāng)時(shí)我國(guó)航天發(fā)射數(shù)次較少，超重與失重出現(xiàn)在新聞傳媒上的次數(shù)并不多；二是引起超重和失重的原因或條件，還沒(méi)有找到更好的方法來(lái)表述。

比較5個(gè)版本，只有山東科技版編排了“只要加速度方向豎直向上，就必然產(chǎn)生超重現(xiàn)象”和“產(chǎn)生失重現(xiàn)象的條件是物體加速度的方向必定是向下的”的判據(jù)。但其他4個(gè)版本總有讓人誤解為加速度方向向上是超重的條件，加速度方向向下是失重的條件，這樣的誤解源自于課本的編排——“加速度方向向上超重，加速度方向向下失重”。究其致錯(cuò)原因：第一、其本身就存在錯(cuò)誤，如：加速度豎直向下，也可能超重；第二、這個(gè)判據(jù)會(huì)讓人誤解加速度是產(chǎn)生力的原因。首都師范大學(xué)胡揚(yáng)洋博士認(rèn)為“該判據(jù)沒(méi)有體現(xiàn)物理本質(zhì)，只反映了物理過(guò)程中表面的、暫時(shí)的、偶然的、不穩(wěn)定的聯(lián)系，缺少物理內(nèi)涵，超重和失重的本質(zhì)是源于慣性力場(chǎng)與引力場(chǎng)的等效性。”

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