吳 東,張立敏,張 強(qiáng),孔藝權(quán),彭增焰,曾紹庚
(嶺南師范學(xué)院 信息工程學(xué)院,廣東 湛江 524048)
近年來,國內(nèi)中小學(xué)把智能機(jī)器人作為中小學(xué)學(xué)生綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育開展的重要載體,機(jī)器人教育、機(jī)器人比賽及其相關(guān)的各類活動(dòng)開展得如火如荼。這項(xiàng)新興教育事業(yè)的迅猛發(fā)展給高等師范院校辦學(xué)提出了新的挑戰(zhàn),向中小學(xué)輸送能夠完成教學(xué)任務(wù)并指導(dǎo)學(xué)生參加機(jī)器人比賽的高質(zhì)量“應(yīng)用能力型”教師成為高等師范院校面臨的新問題[1-2]。如何深化機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué),強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力,提高機(jī)器人教育人才質(zhì)量,成為高等師范院校教學(xué)改革的一項(xiàng)重要課題。
實(shí)踐教學(xué)既是理論結(jié)合實(shí)際的重要環(huán)節(jié),也是訓(xùn)練學(xué)生基本技能和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑[3]?!岸嗑S漸進(jìn)式機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)體系”是在全面育人理念的指導(dǎo)下,將實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)客教學(xué)、競(jìng)賽教學(xué)和教學(xué)評(píng)價(jià)融于一體,理論與實(shí)際相結(jié)合,培養(yǎng)高質(zhì)量的機(jī)器人教育人才。這種充分體現(xiàn)“以人為本,注重實(shí)踐”的教學(xué)方法,一方面,不但能促進(jìn)機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)的良好發(fā)展,培養(yǎng)符合中小學(xué)機(jī)器人教育需求的人才,而且對(duì)高等師范院校的實(shí)踐教學(xué)體系改革具有重要意義;另一方面,在當(dāng)前國家大力鼓勵(lì)“雙創(chuàng)”教育的形勢(shì)下,打造多維漸進(jìn)式機(jī)器人教學(xué)體系,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與機(jī)器人專業(yè)知識(shí)的有機(jī)融合,可以提升學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的品質(zhì)和內(nèi)涵。
目前,許多高等師范院校開設(shè)了機(jī)器人相關(guān)課程,目的在于讓即將到中小學(xué)工作的“準(zhǔn)教師”接受系統(tǒng)的機(jī)器人知識(shí)教育,讓他們工作后能給中小學(xué)機(jī)器人教育注入新的動(dòng)力。為培養(yǎng)能完成中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)任務(wù)并指導(dǎo)學(xué)生參加機(jī)器人比賽的高質(zhì)量教師,各高等師范院校在機(jī)器人課程內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法、評(píng)價(jià)體系等方面展開了探討與實(shí)踐。文獻(xiàn)[4]探討了教育技術(shù)免費(fèi)師范生機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)方式及理念,整合課程、注重競(jìng)賽,并融入英特爾未來教育核心課程來促進(jìn)學(xué)生的教師技能培養(yǎng)。文獻(xiàn)[5]強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人課程中實(shí)踐教學(xué)的重要性,要求教師圍繞熱門的比賽項(xiàng)目開展教學(xué),鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手、多調(diào)試,積極申請(qǐng)機(jī)器人課題和參加機(jī)器人比賽。文獻(xiàn)[6]則從在校師范生的角度分析了機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀,倡議機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)盡可能使用Arduino一類的開源硬件,讓學(xué)生能不受限制的按照自己的想法去完成創(chuàng)意作品。文獻(xiàn)[7]還指出師范院校與中小學(xué)合作進(jìn)行機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的可行性,論證了這種合作模式對(duì)于促進(jìn)中小學(xué)機(jī)器人教育的發(fā)展和師范院校學(xué)生的能力培養(yǎng)具有重要作用[7]。
縱觀機(jī)器人課程教學(xué)改革研究與應(yīng)用現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于機(jī)器人這樣一門應(yīng)用性極強(qiáng)的課程而言,基于“應(yīng)用能力”的人才培養(yǎng)共識(shí)已然形成,問題只在于如何確保學(xué)生“應(yīng)用能力”的形成和提升。我們立足于機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)體系的創(chuàng)新,協(xié)同相關(guān)機(jī)器人廠商、機(jī)器人比賽組織機(jī)構(gòu)、中小學(xué)的“技術(shù)、資訊、創(chuàng)意、人力”等要素,更多的為學(xué)生開設(shè)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)客、競(jìng)賽相關(guān)的多維度漸進(jìn)式訓(xùn)練,全面提高高等師范院校機(jī)器人課程教學(xué)質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)學(xué)生“應(yīng)用能力”的沉淀及可持續(xù)發(fā)展。
多維漸進(jìn)式機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)體系包含實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)客教學(xué)、競(jìng)賽教學(xué)和教學(xué)評(píng)價(jià)等4個(gè)維度,它們之間的關(guān)系及漸進(jìn)順序如圖1所示。
圖1 多維漸進(jìn)式機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)體系
實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)教學(xué)體系中占很大比例,其目的在于通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握機(jī)器人的基本知識(shí)和操作技能。根據(jù)當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人比賽的發(fā)展趨勢(shì),需要不斷精煉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,使其與理論知識(shí)同步,并分類規(guī)劃為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三大類。
1)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。
按照實(shí)驗(yàn)教材的要求,學(xué)生自己動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生通過這種方式來驗(yàn)證所學(xué)的理論知識(shí),加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解,掌握機(jī)器人的基本知識(shí)、各部件的功能、機(jī)器人的控制方式等?;A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)通常只涉及機(jī)器人的某一個(gè)知識(shí)點(diǎn),比如機(jī)器人紅外傳感器的使用。
2)綜合性實(shí)驗(yàn)。
這類實(shí)驗(yàn)涉及機(jī)器人的多個(gè)知識(shí)點(diǎn),甚至是算法分析等其他課程的知識(shí),例如實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的巡線動(dòng)作。這類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生能靈活運(yùn)用多個(gè)知識(shí)來完成指定任務(wù),主要培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能的能力。
3)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。
給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求和?shí)驗(yàn)條件,學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)。學(xué)生獨(dú)立完成資料查閱,擬定實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)方法和步驟,選擇儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn),形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。例如機(jī)器人滅火、機(jī)器人踢足球、機(jī)器人垃圾分類等都屬于這類實(shí)驗(yàn)。
在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,我們采用了漸進(jìn)式教學(xué)方法,先讓學(xué)生從基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)入手,再逐漸過渡到綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),使學(xué)生遵循知識(shí)學(xué)習(xí)規(guī)律、技能形成規(guī)律,從易到難、由簡(jiǎn)到繁,以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。
創(chuàng)客教學(xué)旨在融合機(jī)器人教學(xué)和創(chuàng)客文化,主要基于學(xué)生興趣,倡導(dǎo)創(chuàng)意的生成和實(shí)現(xiàn),鼓勵(lì)分享,以此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、跨學(xué)科解決問題能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力?;跈C(jī)器人已被認(rèn)為是創(chuàng)新教育好載體的現(xiàn)狀,我們將創(chuàng)客教學(xué)環(huán)節(jié)引入到本課程中將能更有針對(duì)性地開展學(xué)生“雙創(chuàng)”素質(zhì)的培養(yǎng)。該環(huán)節(jié)分為3個(gè)階段,并按漸進(jìn)順序進(jìn)行。
1)頭腦風(fēng)暴。
學(xué)生在指定時(shí)間到大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地,在指導(dǎo)老師的安排下,營造一種自由的氛圍,激發(fā)參與者靈感,突破固有思維束縛、最大限度地發(fā)揮創(chuàng)造力思維,最大限度地提出、記錄各種機(jī)器人創(chuàng)意。
2)創(chuàng)意設(shè)計(jì)。
經(jīng)查新確認(rèn)創(chuàng)意的新穎性后,學(xué)生在教師的引導(dǎo)下根據(jù)自身多方面能力特點(diǎn)確定實(shí)現(xiàn)該創(chuàng)意的方案。
3)創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)上一階段制定的可行方案,以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式,結(jié)合每位成員的實(shí)際情況進(jìn)行任務(wù)分工,學(xué)生自主完成創(chuàng)意。
在此過程中,教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生如何學(xué)習(xí)、如何動(dòng)手制作、如何將各學(xué)科的知識(shí)綜合運(yùn)用,切實(shí)做到讓學(xué)生能夠“做中學(xué)”。另外,教師還應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生將該過程產(chǎn)生的作品用來參加機(jī)器人競(jìng)賽或創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽,特別是那些有較大價(jià)值的作品,可進(jìn)一步做好知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù),并鼓勵(lì)、支持學(xué)生用其入駐孵化器或自行創(chuàng)業(yè)等。
在機(jī)器人課程實(shí)踐過程中引導(dǎo)學(xué)生積極參與各類機(jī)器人競(jìng)賽,甚至是帶領(lǐng)協(xié)同合作學(xué)校的中小學(xué)學(xué)生參與競(jìng)賽都將令學(xué)生的能力得到全面的提升。本環(huán)節(jié)分為3個(gè)階段,其中觀摩競(jìng)賽、參與競(jìng)賽是學(xué)生在指導(dǎo)老師的帶領(lǐng)下了解各類競(jìng)賽的基本信息和特點(diǎn),掌握競(jìng)賽要求的技能,準(zhǔn)備競(jìng)賽所需的材料器件,然后報(bào)名參賽并全身心投入直至競(jìng)賽結(jié)束,如參加“廣東省機(jī)器人大賽”“科沃斯公司機(jī)器人比賽”“全國大學(xué)生機(jī)器人大賽”等。帶隊(duì)競(jìng)賽是讓學(xué)生在合作學(xué)校指導(dǎo)老師的輔助下選定參賽項(xiàng)目,精心挑選中小學(xué)學(xué)生作為參賽隊(duì)員,制定帶隊(duì)參賽計(jì)劃、報(bào)名參賽直至競(jìng)賽結(jié)束,如參加“廣東省中小學(xué)電腦機(jī)器人活動(dòng)”等。這種讓在校大學(xué)生帶領(lǐng)中小學(xué)學(xué)生參加競(jìng)賽的實(shí)踐改革,將讓大學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸更多層次的競(jìng)賽機(jī)器人技術(shù),拓寬他們的視野,鍛煉了他們的指導(dǎo)能力。同時(shí),在一定程度上促進(jìn)地方機(jī)器人教育發(fā)展,提升地方機(jī)器人競(jìng)技水平。
“3+1+1”的機(jī)器人課程實(shí)踐效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重考核學(xué)生動(dòng)手操作能力、問題分析解決能力、創(chuàng)新能力、溝通能力、撰寫能力、參賽能力、帶隊(duì)能力等綜合素質(zhì)。
評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的“3”是指在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,通過平時(shí)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核、實(shí)驗(yàn)文檔3方面來確定學(xué)生成績(jī):平時(shí)表現(xiàn)占10%,用于評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的學(xué)習(xí)態(tài)度是否端正、參與是否積極、溝通是否流暢;實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核占40%,用于評(píng)價(jià)學(xué)生能否掌握實(shí)驗(yàn)要求的技能、能否清楚理解實(shí)驗(yàn)問題、能否合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、能否得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果等;實(shí)驗(yàn)文檔考核占10%,用于評(píng)價(jià)學(xué)生的文檔撰寫能力,包括條理是否清晰、用詞是否準(zhǔn)確、排版是否規(guī)范等。
評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的2個(gè)“1”指在創(chuàng)客教學(xué)和競(jìng)賽教學(xué)過程中給學(xué)生的評(píng)價(jià),分別占20%。學(xué)生創(chuàng)客教學(xué)的評(píng)價(jià)由創(chuàng)新實(shí)踐基地的指導(dǎo)老師考核評(píng)定,需要綜合考慮學(xué)生的努力程度、成果表現(xiàn)、學(xué)習(xí)態(tài)度、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、學(xué)習(xí)效果等。在競(jìng)賽教學(xué)中,注重考核學(xué)生在參與競(jìng)賽時(shí)發(fā)揮的作用,有競(jìng)賽獲獎(jiǎng)的可給予更高的評(píng)價(jià)。基于納托爾和克里夫特的發(fā)展性教育評(píng)價(jià)理念[8]構(gòu)建考核“學(xué)生發(fā)展力”的指標(biāo),旨在準(zhǔn)確評(píng)價(jià)學(xué)生在創(chuàng)客教學(xué)和競(jìng)賽教學(xué)中的表現(xiàn),給學(xué)生反饋其優(yōu)勢(shì)與不足,讓學(xué)生明確將來的發(fā)展方向。 “學(xué)生發(fā)展力”評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1。
表1 “學(xué)生發(fā)展力”評(píng)價(jià)指標(biāo)
“工欲善其事,必先利其器”。教材、教案、教學(xué)計(jì)劃等課程材料在人才培養(yǎng)中起著基礎(chǔ)作用。在目前沒有教材適合高等師范院校機(jī)器人教育的情況下,我們應(yīng)認(rèn)真梳理機(jī)器人技術(shù)、競(jìng)賽的基礎(chǔ)知識(shí)和前沿信息,分析歸納中小學(xué)機(jī)器人教育需求,再結(jié)合本校學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)規(guī)劃本校機(jī)器人課程的教學(xué)內(nèi)容。此外,集中優(yōu)秀的師資力量,以該教學(xué)內(nèi)容為藍(lán)本,精心編著、出版相關(guān)教材,還制定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃,編寫了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。這些材料為課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常開展發(fā)揮了重要作用。
早期,機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的主要場(chǎng)所。我們?cè)诒WC基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的基礎(chǔ)上,以綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主建設(shè)開放式實(shí)驗(yàn)室,取得了初步成效[9]。后來,隨著創(chuàng)客教學(xué)的引入,我們開始嘗試基于創(chuàng)客理念的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理機(jī)制[10-11]:①遵從簡(jiǎn)樸實(shí)用的DIY風(fēng)格,完成實(shí)驗(yàn)室的布局改造,將其劃分為學(xué)習(xí)訓(xùn)練區(qū)、競(jìng)賽競(jìng)技區(qū)、設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)和作品展覽區(qū),更有利于各項(xiàng)活動(dòng)的高效開展;②完善項(xiàng)目運(yùn)作模式,在項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)嚴(yán)格把關(guān)、項(xiàng)目實(shí)施過程中精心制作、項(xiàng)目結(jié)束后積極推廣,不僅提高了學(xué)生作品的質(zhì)量,也提高了競(jìng)賽獲獎(jiǎng)及高層次課題立項(xiàng)的成功率;③堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)室?guī)熒步?、共管、共?chuàng)、共享,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)客化建設(shè),為人才培養(yǎng)的創(chuàng)客化創(chuàng)造條件。
為完成實(shí)踐教學(xué)任務(wù),提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量,我們還采用了多方協(xié)同培養(yǎng)機(jī)制:①通過校內(nèi)協(xié)同,利用其他學(xué)院的先進(jìn)制造科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的師資和工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享,為我們的學(xué)生創(chuàng)造更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和條件;②開展校企協(xié)同,借助上海未來伙伴機(jī)器人有限公司、廣州映博智能科技有限公司、中山市大谷電子科技有限公司等企業(yè)的機(jī)器人產(chǎn)品和技術(shù)力量,為學(xué)生舉辦技術(shù)講座,如“機(jī)器人足球比賽”“表情機(jī)器人制作”“機(jī)器人的智能”等,讓學(xué)生增強(qiáng)機(jī)器人編程能力、了解機(jī)器人領(lǐng)域的前沿技術(shù),擴(kuò)大知識(shí)面;③校校協(xié)同,依托跟嶺南師范學(xué)院附屬中學(xué)、湛江市一中培才學(xué)校、湛江市實(shí)驗(yàn)中學(xué)建立的教育實(shí)踐基地,為學(xué)生聘請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的校外指導(dǎo)老師,給學(xué)生提供教育實(shí)踐和帶隊(duì)競(jìng)賽的機(jī)會(huì),實(shí)現(xiàn)高校教育跟中學(xué)教育的互助與進(jìn)步,校校協(xié)同是我們進(jìn)行多維漸進(jìn)式機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)的重要支撐。
多維漸進(jìn)式機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的順利開展,需要科學(xué)合理的規(guī)章條例來規(guī)范實(shí)驗(yàn)室管理、學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)及老師的指導(dǎo)工作。目前,我們主要制定了《競(jìng)賽機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室開放管理辦法》《競(jìng)賽機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)范細(xì)則》《機(jī)器人課程教師工作條例》《機(jī)器人教育實(shí)踐學(xué)生守則》《學(xué)生外出參賽安全條例》《實(shí)踐基地指導(dǎo)老師聘任制度》《實(shí)踐基地指導(dǎo)老師工作條例》等。
自2013年起,我們以學(xué)生能力發(fā)展需求與專業(yè)既有基礎(chǔ)為根據(jù),協(xié)同相關(guān)機(jī)器人廠商、機(jī)器人比賽組織機(jī)構(gòu),從改革機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、形式、方法出發(fā),將培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、競(jìng)賽能力、指導(dǎo)能力等作為重點(diǎn),初步構(gòu)建了多維漸進(jìn)式機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系,并將其應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和教育技術(shù)專業(yè)學(xué)生的機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中,取得了相較以前更好的教學(xué)效果:①學(xué)生整體學(xué)習(xí)興趣提高,學(xué)習(xí)氛圍濃厚,教學(xué)質(zhì)量提升;②學(xué)生樂于創(chuàng)新、敢于創(chuàng)新、積極創(chuàng)新,他們的作品在各類機(jī)器人比賽和項(xiàng)目申請(qǐng)中有諸多收獲:中國大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、廣東省機(jī)器人大賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)和二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、科沃斯機(jī)器人創(chuàng)想秀大賽入圍獎(jiǎng)、廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目立項(xiàng)2項(xiàng)、廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育項(xiàng)目(“攀登計(jì)劃”)立項(xiàng)3項(xiàng)等,還發(fā)表學(xué)術(shù)論文2篇、取得軟件著作權(quán)3項(xiàng);③學(xué)生在教育實(shí)踐基地積極帶隊(duì)參賽,態(tài)度認(rèn)真、指導(dǎo)到位,幫助教育實(shí)踐基地在“智能垃圾分類”比賽中獲得優(yōu)勝獎(jiǎng)。
多維漸進(jìn)式機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)體系,從實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)客教學(xué)和競(jìng)賽教學(xué)3方面由易到難漸進(jìn)的鍛煉學(xué)生,并使用新的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果,其應(yīng)用取得了一定成績(jī)。不過,我們?nèi)孕鑿睦碚摵蛯?shí)踐兩方面開展更多的工作來對(duì)其做進(jìn)一步完善,特別是在創(chuàng)客教學(xué)過程中,要加強(qiáng)大學(xué)生“雙創(chuàng)”素質(zhì)培養(yǎng),達(dá)到大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的目的。
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