李慶華　潘豐　馮偉

摘要：工程教育專業(yè)認(rèn)證工作的開(kāi)展促進(jìn)了我國(guó)的工程教育人才培養(yǎng)國(guó)際化。在此背景下，本文對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的“自動(dòng)控制原理”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了探討，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定方式等方面提出了一系列的持續(xù)改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：工程教育；專業(yè)認(rèn)證；工程問(wèn)題；“自動(dòng)控制原理”；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）38-0276-03

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國(guó)際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。為了適應(yīng)工程領(lǐng)域人才需求、提高工程教育的質(zhì)量和效益、與工程領(lǐng)域職業(yè)資格制度相銜接、促進(jìn)我國(guó)工程教育人才培養(yǎng)國(guó)際化，在2005年我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始構(gòu)建工程教育專業(yè)認(rèn)證體系，并逐步開(kāi)展專業(yè)認(rèn)證工作，把實(shí)現(xiàn)國(guó)際互認(rèn)作為重要目標(biāo)。2016年6月2日，國(guó)際工程聯(lián)盟大會(huì)一致同意我國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》正式成員。這不僅為我國(guó)工程專業(yè)畢業(yè)生獲得進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的通行證提供了可行性，而且將有力地促進(jìn)我國(guó)工程教育面向世界?！度A盛頓協(xié)議》倡導(dǎo)以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)三大教育理念，突出強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程的解決能力。通過(guò)工程教育認(rèn)證的工程專業(yè)不僅要深入理解和把握復(fù)雜工程問(wèn)題，更要按照國(guó)際實(shí)質(zhì)等效原則培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

“自動(dòng)控制原理”課程是大學(xué)工科自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的最重要的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，該課程理論性強(qiáng)、抽象，尤其需要借助實(shí)驗(yàn)加深對(duì)理論的理解并運(yùn)用到工程技術(shù)中去，因此實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本文將以江南大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)開(kāi)設(shè)的“自動(dòng)控制原理”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，探討在工程教育背景下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，以此促進(jìn)、增強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

一、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

我校自動(dòng)化專業(yè)“自動(dòng)控制原理”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由4個(gè)實(shí)驗(yàn)8個(gè)學(xué)時(shí)組成，實(shí)驗(yàn)是在大學(xué)學(xué)習(xí)階段的第四學(xué)期開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容側(cè)重于基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)手段是模擬實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)。上課時(shí)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)要求和步驟，在實(shí)驗(yàn)教師的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)下，在控制實(shí)驗(yàn)箱上接線實(shí)現(xiàn)各個(gè)內(nèi)容，通過(guò)示波器觀察得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并利用已學(xué)過(guò)的自控原理對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，按要求撰寫(xiě)紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告后遞交給實(shí)驗(yàn)教師。

這種實(shí)驗(yàn)形式固定，教師占主導(dǎo)，學(xué)生發(fā)揮的空間不大，不利于激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，同時(shí)理論也沒(méi)有充分聯(lián)系實(shí)際，不能更好地培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解釋問(wèn)題的能力。大學(xué)二年級(jí)的學(xué)生由于之前學(xué)習(xí)的都是公共的理論課程，還沒(méi)有較多地開(kāi)展自動(dòng)化專業(yè)基礎(chǔ)課程和實(shí)驗(yàn)，因此短時(shí)間內(nèi)對(duì)控制實(shí)驗(yàn)箱不熟悉，不能規(guī)范地使用和操作，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生電子器件的損壞，造成部分學(xué)生在2個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)不能完成要求的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，降低了實(shí)驗(yàn)的效率；部分學(xué)生對(duì)高規(guī)格的數(shù)字示波器不熟悉，影響了學(xué)生獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的品質(zhì)，也使得學(xué)生對(duì)自控原理課程實(shí)驗(yàn)越來(lái)越?jīng)]有興趣。“自動(dòng)控制原理”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)急需改革，要改變傳統(tǒng)的教學(xué)課時(shí)有限，教學(xué)內(nèi)容固化，實(shí)驗(yàn)品質(zhì)低，理論聯(lián)系實(shí)際不充分等的實(shí)際問(wèn)題。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與改革。工程教育論證突出強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，這就要求在課程的教學(xué)中要以學(xué)生為中心，重視實(shí)踐教學(xué)，適時(shí)給學(xué)生創(chuàng)造軟硬件支撐條件，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的認(rèn)識(shí)、分析和解決的能力?？紤]到我?！白詣?dòng)控制原理”課程的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在課時(shí)少、內(nèi)容未能涵蓋課程大綱要求的全部重點(diǎn)理論內(nèi)容，且以教師為主導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)形式固化的情況，我們對(duì)原先的部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化并增加設(shè)計(jì)性和綜合性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)在以前8個(gè)學(xué)時(shí)基礎(chǔ)上考慮增加4個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其中2個(gè)學(xué)時(shí)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，另外2個(gè)學(xué)時(shí)為綜合性試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一：典型環(huán)節(jié)的電路模擬。具體內(nèi)容是在了解控制實(shí)驗(yàn)箱的基礎(chǔ)上熟悉各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)特性及其電路模擬，測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，并了解參數(shù)變化對(duì)各典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。由于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒(méi)有變化，但在今后實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的過(guò)程中，要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)分析參數(shù)變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成深入分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的習(xí)慣與解釋問(wèn)題的能力。

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)二的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)二由典型系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)改為二階系統(tǒng)和高階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析，即要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試方法，了解參數(shù)阻尼比和無(wú)阻尼自然頻率的變化對(duì)二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響；研究二階和高階系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在實(shí)驗(yàn)二的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教師需引導(dǎo)學(xué)生在二階系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中分析，由傳遞函數(shù)衍生的阻尼比和阻尼自然頻率的變化，如何與模擬電路中電阻和電容參數(shù)的變化對(duì)應(yīng)，從而來(lái)分析二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變化情況；三階系統(tǒng)中突出分析開(kāi)環(huán)增益與模擬電路中的電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而分析開(kāi)環(huán)增益變化引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性變化，以此開(kāi)發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)三的內(nèi)容。把實(shí)驗(yàn)三改為線性定常系統(tǒng)的幾種常用串聯(lián)校正設(shè)計(jì)方法，由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)形式改為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)形式，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中只提供未加校正裝置的系統(tǒng)，以及需要達(dá)到的系統(tǒng)的性能要求，讓學(xué)生自己根據(jù)系統(tǒng)特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的串聯(lián)校正電路對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)能力。

新增實(shí)驗(yàn)四——控制系統(tǒng)的綜合性設(shè)計(jì)為綜合性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解實(shí)際控制對(duì)象——封閉式熱容器溫度的基本特性，設(shè)計(jì)控制器分析溫度閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，掌握PID參數(shù)對(duì)溫度閉環(huán)系統(tǒng)性能的影響，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的建模和初步設(shè)計(jì)能力，并理解在實(shí)際工程中的局限性。

實(shí)驗(yàn)五由原來(lái)的典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容優(yōu)化和擴(kuò)充為繼電型非線性系統(tǒng)的性能分析。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在掌握典型非線性環(huán)節(jié)的電路實(shí)現(xiàn)方法，了解其輸出—輸入靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，掌握用描述函數(shù)法和相平面法分析非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)生自激震蕩的條件，培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M復(fù)雜工程問(wèn)題，分析和解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。

新增實(shí)驗(yàn)六離散采樣控制系統(tǒng)分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生進(jìn)一步理解香農(nóng)定理和零階保持器的原理和實(shí)現(xiàn)方法，驗(yàn)證離散采樣系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，以此培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)建模的能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式多維度的改革和創(chuàng)新。為適應(yīng)工程教育認(rèn)證的要求，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，針對(duì)“自控原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的品質(zhì)低的現(xiàn)狀，宜采用多種教學(xué)手段相結(jié)合相互補(bǔ)充的模式，從時(shí)間、空間、教學(xué)方式等多維度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)。

多種教學(xué)手段相結(jié)合相互補(bǔ)充的模式主要為實(shí)驗(yàn)手段的虛實(shí)結(jié)合模式?；趦?yōu)化與改革后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重新編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中明確，在完成模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上需通過(guò)MATLAB軟件環(huán)境對(duì)已完成的模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行虛擬仿真，并對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)、分析。通過(guò)這種方式，學(xué)生可以很好地把理論知識(shí)和工程實(shí)際結(jié)合起來(lái)，可以發(fā)現(xiàn)理論在應(yīng)用到工程實(shí)際中可能會(huì)遇到的問(wèn)題和局限性，給學(xué)生認(rèn)識(shí)工程問(wèn)題提供一個(gè)環(huán)境和基礎(chǔ)，而不僅僅是紙上談兵。

以實(shí)驗(yàn)四控制系統(tǒng)的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)箱上提供的一個(gè)加熱容器，要求學(xué)生對(duì)加熱容器的溫度開(kāi)環(huán)系統(tǒng)特性進(jìn)行觀測(cè)分析，在了解的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)單閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)控制器的參數(shù)，分析在該控制系統(tǒng)中加熱容器溫度的動(dòng)態(tài)變化性能。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的模擬部分，學(xué)生不僅可以深刻認(rèn)識(shí)與理解控制系統(tǒng)原理，而且在親手構(gòu)建一個(gè)完整系統(tǒng)的過(guò)程中提高了實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、分析解決問(wèn)題的能力。并且其對(duì)應(yīng)的MATLAB仿真部分內(nèi)容可以鍛煉學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的模擬和分析能力，兩種方式的結(jié)合有效地規(guī)避了單一教學(xué)手段下的缺陷，也提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，理論聯(lián)系實(shí)際更充分，為培養(yǎng)學(xué)生解決更復(fù)雜工程問(wèn)題的能力奠定了基礎(chǔ)。

除了虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)手段的改進(jìn)，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也可以從時(shí)間、空間和教學(xué)方式上進(jìn)行，以改進(jìn)提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的效率和品質(zhì)。時(shí)間上，實(shí)驗(yàn)教師可以充分利用預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，進(jìn)行“視頻化預(yù)習(xí)”。實(shí)驗(yàn)室教師把每次實(shí)驗(yàn)需要用到的儀器的介紹說(shuō)明、使用方法及注意事項(xiàng)、預(yù)習(xí)任務(wù)，做成可視化的“預(yù)習(xí)視頻”通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各個(gè)班級(jí)，供大家提前下載、預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)。空間上，可以向?qū)W生推送“零星開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室”環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有實(shí)驗(yàn)課的情況下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向?qū)W生滾動(dòng)發(fā)布實(shí)驗(yàn)室零星開(kāi)放的時(shí)間，由于實(shí)驗(yàn)室的很多實(shí)驗(yàn)儀器的維護(hù)和整理需要大量的時(shí)間，空下來(lái)的可能只是一些零碎的時(shí)間，但是這個(gè)時(shí)間可以用于學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的“預(yù)熱”。

具體可以是，對(duì)一些工具性的儀器如示波器的熟悉、MATLAB軟件的學(xué)習(xí)等?！耙曨l化預(yù)習(xí)”和“實(shí)驗(yàn)室零星開(kāi)放”不僅節(jié)省了教師講解儀器和任務(wù)的時(shí)間，還可以減少學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中對(duì)儀器和工具軟件不熟練造成的時(shí)間浪費(fèi)。同時(shí)，可以發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，有效地利用課余時(shí)間，帶著具體的任務(wù)和問(wèn)題來(lái)做實(shí)驗(yàn)，對(duì)出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)識(shí)和分析得也會(huì)更清楚。教學(xué)方式上，實(shí)驗(yàn)課堂也可以改變傳統(tǒng)板書(shū)的模式，采用多媒體和傳統(tǒng)板書(shū)相結(jié)合的講解模式，以多媒體圖片、動(dòng)畫(huà)，視頻等把實(shí)際工程問(wèn)題帶到實(shí)驗(yàn)課堂，和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容銜接。這種方式一方面可以把問(wèn)題解釋得更清楚，學(xué)生更容易理解和接收；另一方面可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的認(rèn)識(shí)、分析和解釋能力。

3.實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定方式的改革。由于對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度不夠，且對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的監(jiān)督和質(zhì)量考評(píng)也缺乏規(guī)范而有效的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，造成學(xué)生對(duì)待實(shí)驗(yàn)隨意，學(xué)生之間相互抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，以幾份實(shí)驗(yàn)報(bào)告定學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的傳統(tǒng)評(píng)定方式是不科學(xué)的。雖然在自控原理課程中實(shí)驗(yàn)的成績(jī)只占總成績(jī)的20%或30%，但是實(shí)驗(yàn)卻是提高學(xué)生工程應(yīng)用能力，解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力構(gòu)建中非常重要的一環(huán)，所以實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定要從只關(guān)注結(jié)果轉(zhuǎn)移到過(guò)程和結(jié)果都兼顧的多維度評(píng)價(jià)方式。

首先實(shí)驗(yàn)成績(jī)應(yīng)由三部分組成：預(yù)習(xí)、課上表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而不僅僅是最后提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其中，預(yù)習(xí)在實(shí)驗(yàn)成績(jī)中占比為20%，這個(gè)占比的出現(xiàn)可以督促學(xué)生提前做好實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備，準(zhǔn)備好要解決的問(wèn)題，發(fā)揮出學(xué)生的主觀能動(dòng)性，也激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣。課上表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)成績(jī)中占比40%，它的考核內(nèi)容根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以分為方案設(shè)計(jì)合理性、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范程度、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確度、實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成度等來(lái)進(jìn)行打分。實(shí)驗(yàn)報(bào)告在實(shí)驗(yàn)成績(jī)中占比40%，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)報(bào)告各部分的分?jǐn)?shù)分布是不同的。主要包含文字圖表的規(guī)范、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理正確性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析合理性、模擬實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)分析、實(shí)驗(yàn)的自我評(píng)估與建議等。實(shí)驗(yàn)報(bào)告這部分里的自我評(píng)估與建議是每次實(shí)驗(yàn)必須有的固定內(nèi)容，通過(guò)這部分內(nèi)容一方面可以讓學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中自我激勵(lì)自我提高，同時(shí)，也提供了一個(gè)常規(guī)的反饋通道，可以收集到他們對(duì)自控控制原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有用的建議，以便完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更好地提高教學(xué)質(zhì)量。

三、結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)江南大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)“自動(dòng)控制原理”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與改革、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的多維度改革與創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定方式改革等多方面進(jìn)行了初步探討。在以后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中，將繼續(xù)以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)，從而提高工程教育下的人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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