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中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的新趨勢

2020-10-26 06:47:07徐睿
化學(xué)教學(xué) 2020年9期

徐睿

摘要:從數(shù)字化實(shí)驗(yàn)接口設(shè)備單向到雙向、傳感器專業(yè)化到大眾化、數(shù)據(jù)傳輸有線到無線、實(shí)驗(yàn)控制網(wǎng)絡(luò)化與智能化的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā),分析中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)多元化使用外圍設(shè)備、自動化、遠(yuǎn)程化的發(fā)展趨勢,進(jìn)而指出中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)值得深入探索的若干發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:數(shù)字化實(shí)驗(yàn); 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn); 中學(xué)化學(xué)

文章編號:1005-6629(2020)09-0031-06

中圖分類號:G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

上世紀(jì)90年代末,隨著帶編程和繪圖功能的圖形計(jì)算器(Graphing Calculator)開始在我國中學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)科得到應(yīng)用,作為圖形計(jì)算器“外圍設(shè)備”的接口設(shè)備及系列傳感器也開始進(jìn)入到自然科學(xué)學(xué)習(xí)領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)科中,中學(xué)化學(xué)學(xué)科也是其中之一。傳感器的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集和處理,使中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)邁進(jìn)了數(shù)字化時代,在促進(jìn)認(rèn)知、豐富探究手段、拓寬認(rèn)知領(lǐng)域等方面,都發(fā)揮了獨(dú)特的教學(xué)功能。

經(jīng)過20多年的探索,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用都在不斷發(fā)展。傳感器的種類越來越豐富;數(shù)據(jù)處理器也逐步多元化,除了圖形計(jì)算器,還有計(jì)算機(jī)、Pad和手機(jī)等,使用戶可以綜合考慮功能、便攜和成本等各方面因素進(jìn)行靈活選擇。教學(xué)應(yīng)用的普及程度也不斷提升,越來越多的學(xué)生有機(jī)會應(yīng)用數(shù)字化設(shè)備來探究和創(chuàng)新。近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展以及STEM、 STEAM教育理念的普及,中學(xué)化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)又迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

1?數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟硬件的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1?接口設(shè)備從單向到雙向

接口設(shè)備(Interface)是連接數(shù)據(jù)處理器和傳感器的“中介”,有的接口設(shè)備還帶有觸摸式的屏幕,兼具一定的數(shù)據(jù)處理功能。在傳統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中,接口設(shè)備負(fù)責(zé)將傳感器采集到的信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)或手持設(shè)備上的軟件能夠識別和處理的數(shù)據(jù),這是一個“傳感器→接口設(shè)備→數(shù)據(jù)處理器”的單向傳遞過程。在實(shí)驗(yàn)過程中,我們通過pH、電導(dǎo)率、色度、濁度、電流、電壓、溫度、二氧化碳濃度、溶解氧等各種類型的傳感器收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并將其通過接口設(shè)備傳送到數(shù)據(jù)處理器中,通過相關(guān)的配套軟件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理以及圖形的繪制等功能。

近幾年,部分廠商推出了新的接口設(shè)備或其擴(kuò)展設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳遞的雙向化,即還可以實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)處理器→接口設(shè)備→外圍設(shè)備”的信息傳送。例如德州儀器公司的創(chuàng)新者系統(tǒng)(TiInnovator Hub)(如圖1所示)和威尼爾公司的數(shù)字化控制單元(Digital Control Unit)(如圖2所示)。于是,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不再僅僅停留在獲取數(shù)據(jù),而可以輸出一定的信號,來控制馬達(dá)、揚(yáng)聲器、LED、數(shù)位顯示管等外圍設(shè)備。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)從“輸入”發(fā)展為一個“輸入”和“輸出”結(jié)合互動的過程,豐富了其教學(xué)應(yīng)用的場景。

“雙向”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)往往可以通過編程實(shí)現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)的判斷、分析、呈現(xiàn),并進(jìn)一步根據(jù)條件自動輸出控制的指令,用來驅(qū)動外圍設(shè)備,從而豐富實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)形式或?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件的自動控制。

1.2?傳感器從專業(yè)化到大眾化

傳統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)接口設(shè)備,往往只能兼容廠商自家或者有合作關(guān)系的廠商的傳感器,例如Pasco的接口設(shè)備只能使用Pasco的傳感器,TI的接口設(shè)備只可以接駁TI的傳感器和Vernier的傳感器。新涌現(xiàn)的一些“雙向”的接口設(shè)備除了支持自己品牌的傳感器,還可以兼容很多符合一定通用技術(shù)規(guī)范的第三方傳感器。這些兼容的第三方設(shè)備,盡管精度可能不及品牌的專業(yè)化傳感器,但是對于滿足中學(xué)階段的教學(xué)需求還是綽綽有余的。而且這些大眾化的傳感器還具有如下的特點(diǎn):

(1) 小型。這些設(shè)備與傳統(tǒng)的定量實(shí)驗(yàn)儀器或傳統(tǒng)的傳感器相比,體積顯然小很多(如圖3所示)。一般都是模塊化設(shè)計(jì),具有統(tǒng)一規(guī)范的接口,在連接時只要進(jìn)行簡單的插拔即可。

(2) 集成。有些傳感器能夠集成多種功能,通過一個傳感器同時采集多個物理量。例如圖4中的空氣質(zhì)量傳感器,盡管體積不大,但卻可以同時測量PM2.5、甲醛、溫度、濕度四個量。

(3) 兼容。這些傳感器的兼容性往往比較好,可以匹配不同品牌的接口設(shè)備,有的還可用于接駁機(jī)器人教學(xué)的相關(guān)硬件。硬件兼容性的提高,有利于其跨學(xué)科的使用,不僅為學(xué)生創(chuàng)造了更廣闊的技術(shù)應(yīng)用場景,也降低了技術(shù)學(xué)習(xí)時間的占比,提高了教學(xué)效率。

(4) 價廉。第三方傳感器的價格一般只有專業(yè)品牌傳感器的十分之一左右,有利于在各類學(xué)校普及配備。由于成本低,即使在使用中有損耗,學(xué)校也可以承受,更加適合學(xué)生使用。

1.3?數(shù)據(jù)傳輸從有線到無線

傳統(tǒng)的傳感器一般都是通過線纜將數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)浇涌谠O(shè)備,這往往會給數(shù)字化實(shí)驗(yàn)帶來一些問題:

●會造成實(shí)驗(yàn)裝置和電腦、接口設(shè)備等離得比較近,不利于干濕分離,容易造成電子設(shè)備的損壞;

●如果裝置中有加熱設(shè)備,線纜的存在會有一定的安全隱患;

●在使用多傳感器同時測量的時候,線纜的存在會嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)操作的便利性;●由于線纜的存在,造成實(shí)驗(yàn)體系并不獨(dú)立,有些量就無法準(zhǔn)確測量。

隨著無線傳感器的出現(xiàn),這些問題都能得到很好的解決。目前市場上的無線傳感器主要通過藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線連接,在傳感器和接口設(shè)備上都有無線模塊的存在(如圖5所示),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳送。在移動端app的支持下,傳感器獲取的數(shù)據(jù)也可以通過藍(lán)牙直接傳送給手機(jī)等移動設(shè)備,并在移動設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。

圖6是一套自動滴定的裝置,與以往常見的采用滴數(shù)計(jì)獲取標(biāo)準(zhǔn)液用量的方法不同,這套裝置采用了重量法。其中無線pH傳感器的應(yīng)用,擺脫了線纜對稱量的影響,使燒杯的體系成為獨(dú)立的可準(zhǔn)確稱量的對象,也使自動滴定又增添了一種可行的方案。

1.4?實(shí)驗(yàn)控制的網(wǎng)絡(luò)化與智能化

隨著近年來智能化物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展,很多智能設(shè)備走進(jìn)了日常生活,常見的有溫度傳感器、濕度傳感器、光強(qiáng)度傳感器、天然氣報(bào)警器、煙霧報(bào)警器、人體感應(yīng)器、智能插座、智能攝像機(jī)、智能燈泡等。盡管精度可能不如專業(yè)的傳感器或控制設(shè)備,但能接入互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)使這些硬件的使用、控制和管理更加便捷,在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有廣泛的應(yīng)用場景,例如:測量實(shí)驗(yàn)變量、控制實(shí)驗(yàn)條件、保障實(shí)驗(yàn)安全、開展遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和長周期實(shí)驗(yàn)觀察與記錄等。通過配套的app,還可以設(shè)置各種邏輯條件,使實(shí)驗(yàn)的開展更加自動化和智能化。

2?數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢

2.1?傳感器等外圍設(shè)備使用的多元化

隨著數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的普及和發(fā)展,所使用的傳感器種類也越來越多,例如經(jīng)??梢钥吹接薪處熢趯?shí)驗(yàn)中使用氧氣、二氧化碳、溶解氧等傳感器,有的教師還使用了離子選擇性電極。傳感器使用的多元化,有利于在教學(xué)中打開學(xué)生的設(shè)計(jì)思路,鼓勵多元方案的形成,例如中和滴定實(shí)驗(yàn),除了可以使用pH傳感器,還可以使用電導(dǎo)率、溫度、顏色識別等傳感器來對滴定終點(diǎn)進(jìn)行研究。

“雙向”化是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)發(fā)展的一個重要趨勢,除了使用傳感器來獲取、輸入信息,實(shí)驗(yàn)中還會涉及數(shù)字化信息的輸出,輸出的信息常以電、光、聲等形式表現(xiàn)出來。電的輸出可以用來驅(qū)動馬達(dá),形成機(jī)械運(yùn)動,例如用馬達(dá)來旋轉(zhuǎn)滴定管的活塞;電的輸出還可以用來加熱、產(chǎn)生磁場等,從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)操作等的主動控制。光的輸出不僅表現(xiàn)為是否發(fā)光,還可以在強(qiáng)度、顏色等方面有所變化。同樣,聲的輸出也可以在是否發(fā)聲、音量高低、聲音頻率等方面有所變化。

輸入、輸出設(shè)備的聯(lián)用使數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用場景得到進(jìn)一步拓寬。例如,有教師在研究弱電解質(zhì)的電離平衡移動的實(shí)驗(yàn)中,利用“雙向”的外圍設(shè)備將pH、電導(dǎo)率等傳感器獲取的信息轉(zhuǎn)換為音樂的音調(diào)高低,使學(xué)生可以通過聽覺來獲取實(shí)驗(yàn)信息,拓展了實(shí)驗(yàn)觀察的感官,也使教學(xué)更加趣味化,促進(jìn)了科學(xué)與人文藝術(shù)的融合。

2.2?化學(xué)實(shí)驗(yàn)的自動化

在只有輸入的單向數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,盡管數(shù)據(jù)處理器具有自動記錄、處理從傳感器獲取的數(shù)據(jù)的功能,但是其只能以數(shù)字、表格、圖像等形式呈現(xiàn)結(jié)果,而無法輸出動作,實(shí)驗(yàn)條件的控制還得實(shí)驗(yàn)者手動才能完成,例如關(guān)閉活塞、升高加熱溫度等。在使用了“雙向”的接口設(shè)備以后,這些輸出的動作就可以在程序的控制下通過相應(yīng)的外圍設(shè)備來完成,如馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)、電加熱的啟動等。在程序中可以自由設(shè)定各種邏輯條件,只有滿足特定的條件,才執(zhí)行相應(yīng)的動作,并且可調(diào)整的動作參數(shù)不僅僅是“開”和“關(guān)”,還可以是強(qiáng)度、速度等。

在配制一定pH醋酸溶液的實(shí)驗(yàn)中,實(shí)現(xiàn)自動化的原理如圖7所示。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)的自動化與培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能并不矛盾,信息化支持下的實(shí)驗(yàn)技能也是實(shí)驗(yàn)技能的重要組成部分,在學(xué)生掌握必要的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技能后,實(shí)驗(yàn)的信息化和自動化可以讓實(shí)驗(yàn)更加精確、迅捷、高效,也可以挖掘出更多的育人價值。我們在教學(xué)中可以把學(xué)生從簡單、機(jī)械重復(fù)的實(shí)驗(yàn)操作中解放出來,把節(jié)省下來的時間用于引導(dǎo)學(xué)生查找資料、深入思考、全面設(shè)計(jì),并應(yīng)用各種實(shí)驗(yàn)手段解決復(fù)雜、真實(shí)的問題。

2.3?化學(xué)實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程化

在智能化物聯(lián)網(wǎng)等軟硬件環(huán)境的支持下,化學(xué)實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程化成為可能,一般可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)物料的添加或移除;(2)實(shí)驗(yàn)條件的控制,如反應(yīng)溫度的控制;(3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察與實(shí)錄;(4)數(shù)據(jù)傳送和分析處理等。遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)并不等同于虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn),它借助的還是真實(shí)的儀器、試劑、設(shè)備,和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)一樣具有不確定性,在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取方面能帶給學(xué)生真實(shí)的實(shí)驗(yàn)感受,只不過操作上要借助有關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)。因此,遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)仍然是真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)打破了時間和空間的限制,無論何時何地,學(xué)生都可以通過網(wǎng)絡(luò)開展實(shí)驗(yàn)活動。由此,遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)使實(shí)驗(yàn)室資源得到更加充分的利用[1]。遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境更加安全、環(huán)保,還能方便地實(shí)現(xiàn)24小時全天候的實(shí)驗(yàn)觀察和記錄。例如,制備硫酸銅晶體的實(shí)驗(yàn)需要較長的實(shí)驗(yàn)周期,期間也需要學(xué)生不斷進(jìn)行觀察和記錄,利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭,學(xué)生可以隨時觀察晶體的生長情況,學(xué)生也可以利用系統(tǒng)的延時攝影等功能,自動記錄整個晶體形成的過程并進(jìn)行在線展示。

在網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,學(xué)生還可以方便地開展合作與交流,實(shí)驗(yàn)過程和成果也容易實(shí)現(xiàn)及時共享,這些都有效提高了學(xué)習(xí)效率。

在2020年新冠疫情背景下的在線教學(xué)中,學(xué)生缺少動手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會是一個普遍存在的問題,研究和開發(fā)系列遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)是彌補(bǔ)這一短板的有效手段。

3?數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向

3.1?解決生活實(shí)踐中的真實(shí)問題

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段的日益豐富,拓展了學(xué)生開展探究和解決問題的手段,有利于教師在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的真實(shí)問題,建立問題解決的模型,并借助相關(guān)的技術(shù)通過實(shí)踐活動加以解決。一個好的能夠借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)解決的問題一般具有以下的特點(diǎn):(1)問題來源于現(xiàn)實(shí)生活,真實(shí)存在,最好學(xué)生有相關(guān)經(jīng)歷或感受;(2)問題的解決需要數(shù)據(jù)的實(shí)證支持;(3)對學(xué)生來說問題的解決具有一定的開放性和不確定性,對教師來說可以提供大量的資源;(4)問題的解決需要遵循一定的流程和規(guī)范;(5)問題解決的方案能在實(shí)際生活中應(yīng)用,為社會服務(wù)。

例如:為解決溫室中植物生長環(huán)境的智能化調(diào)節(jié),有學(xué)生利用“雙向”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備,設(shè)計(jì)了如圖8所示的方案,以大號透明塑料儲物盒為材料,搭建了“智能溫室”模型。

3.2?實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)

有機(jī)整合“科學(xué)與工程實(shí)踐”“跨學(xué)科概念”“學(xué)科核心知識”這三個維度[2]已經(jīng)成為科學(xué)教育的重要發(fā)展趨勢,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用,有助于將數(shù)學(xué)、物理、生物、信息、勞技、藝術(shù)等學(xué)科的知識緊密結(jié)合,有效促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科知識的綜合應(yīng)用,是STEM或STEAM教學(xué)的重要抓手。

“培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用軟件技術(shù)學(xué)習(xí)化學(xué)及處理數(shù)據(jù)的能力”[3]是信息化時代化學(xué)教學(xué)必須關(guān)注的問題,教師要引導(dǎo)學(xué)生充分認(rèn)識技術(shù)應(yīng)用在問題解決中的重要作用,能找準(zhǔn)技術(shù)的特點(diǎn)和問題解決的需求之間的結(jié)合點(diǎn),充分發(fā)揮技術(shù)的長處來解決問題。能在問題解決的過程中,根據(jù)問題解決的需要,學(xué)習(xí)和應(yīng)用一定的新技術(shù)。有些國家將“10分鐘編程”整合在科學(xué)課程的教學(xué)中,就是技術(shù)服務(wù)于學(xué)科問題解決的典型案例。

3.3?提供更多實(shí)踐與體驗(yàn)的機(jī)會

在技術(shù)的支持下,學(xué)生探究的時間和空間得到拓展,探究的角度更加多樣,探究的內(nèi)容更加豐富,這是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中獲取直接經(jīng)驗(yàn)的寶貴機(jī)會。教師在教學(xué)中應(yīng)讓學(xué)生能在一定的目標(biāo)引導(dǎo)下開展有針對性的實(shí)踐活動,通過操作、觀察等行為獲得直觀體驗(yàn),在實(shí)踐和體驗(yàn)的過程中將動手和動腦緊密結(jié)合、互相促進(jìn)。教師要引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)思考,減少動手實(shí)踐的盲目性;教師也要讓學(xué)生能夠充分基于實(shí)踐過程中獲得的證據(jù)開展思考,使實(shí)踐活動成為進(jìn)一步深入思考和解決真實(shí)問題的前提條件。

3.4?促進(jìn)學(xué)生綜合學(xué)習(xí)能力的提升

數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境對學(xué)生自學(xué)能力和科學(xué)探究能力等提出了更高的要求,具體表現(xiàn)在學(xué)習(xí)新技術(shù)、資料查找、方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、交流合作等各個方面。學(xué)生要能嘗試用多種方案解決真實(shí)問題,能比較不同方案的優(yōu)缺點(diǎn),提出自己獨(dú)特的問題解決方案。能在問題解決過程中大膽質(zhì)疑,正確面對挫折和失敗。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的學(xué)習(xí)環(huán)境,可以使學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力得到鍛煉和提升,也有利于促進(jìn)科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

3.5?建設(shè)更加靈活多樣的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課程

在常規(guī)的必修課程中開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn),數(shù)字化實(shí)驗(yàn)常以“點(diǎn)狀”分布在整個教學(xué)過程中,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能的整體發(fā)揮往往受到一定的限制,建設(shè)更加靈活的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課程是解決此問題的有效途徑。

教師可以以主題活動為基本單位,開發(fā)短周期(一般為4~6課時)的課程。這些課程一般以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為主線,或幫助學(xué)生形成新的知識,或解決一個實(shí)際問題。有的課程可作為必修課程的一部分,有的則作為選修課程。

課程的呈現(xiàn)方式可以打破傳統(tǒng)的紙質(zhì)教材形式,采用網(wǎng)絡(luò)平臺或者app作為課程的載體,提供豐富的課程內(nèi)容、媒體資源和交流渠道,學(xué)生主要通過信息化環(huán)境下的自主學(xué)習(xí)為實(shí)踐活動做好充分的準(zhǔn)備。

教師在課程的實(shí)施過程中,在信息化平臺上為學(xué)生準(zhǔn)備學(xué)習(xí)資源、提出學(xué)習(xí)任務(wù)、參與學(xué)習(xí)交流。教師還需要在環(huán)境、儀器、藥品等各方面為學(xué)生的實(shí)踐活動做好線下的保障工作,在學(xué)生的探索過程中及時進(jìn)行針對性的指導(dǎo),并保證學(xué)生整個實(shí)踐和體驗(yàn)過程的安全。短周期、網(wǎng)絡(luò)化、自助式的特點(diǎn)使此類課程的實(shí)施更加靈活和方便,也會使其更具生命力。

參考文獻(xiàn):

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