牛瀟　秦健

摘要：隨著國(guó)家基礎(chǔ)教育新課標(biāo)改革的不斷深入研究，我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育迅速發(fā)展，在與機(jī)器人教育息息相關(guān)的程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域，配對(duì)學(xué)習(xí)編程（即配對(duì)編程、結(jié)對(duì)編程，Pair Programming）在國(guó)際上有比較廣泛和成熟的應(yīng)用[1]。將配對(duì)編程模式融入中小學(xué)機(jī)器人教育教學(xué)，不僅改變了傳統(tǒng)的機(jī)器人課堂，而且能夠顯著提高學(xué)生的編程技能與計(jì)算思維。文章通過(guò)在小學(xué)機(jī)器人課程教學(xué)實(shí)踐中運(yùn)用配對(duì)編程模式，設(shè)計(jì)小學(xué)機(jī)器人教學(xué)課程，在M小學(xué)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，并結(jié)合親身教學(xué)實(shí)踐為機(jī)器人教學(xué)提供建議，并為一線教師提供教學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人教學(xué);配對(duì)編程;配對(duì)學(xué)習(xí);教學(xué)實(shí)踐;太空挑戰(zhàn)賽

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）01-0159-03

Abstract：With the continuous and in-depth study of the reform of the new curriculum standards for basic education in the country， robot education in primary and secondary schools in China has developed rapidly. In the field of programming that is closely related to robot education， paired learning programming （that is， paired programming， pair programming， Pair Programming） has internationally More extensive and mature application[1]. Incorporating paired programming models into robot education and teaching in primary and middle schools not only changes the traditional robot classroom， but also significantly improves students' programming skills and computational thinking. The article uses paired programming mode in the teaching practice of elementary school robot courses， designs the elementary school robot teaching course， carries out the teaching practice in the M elementary school， and provides suggestions for robot teaching in combination with the personal teaching practice， and provides teaching reference for the first-line teachers.

Keywords： robot teaching; paired programming; paired learning; teaching practice; space challenge

1引言

在人工智能背景下，中小學(xué)機(jī)器人教育愈發(fā)受到重視，越來(lái)越多的中小學(xué)開(kāi)展機(jī)器人教育。機(jī)器人教育成為21世紀(jì)人工智能方面的核心部分， 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展， 人工智能進(jìn)入課堂已成為趨勢(shì)潮流，教育者應(yīng)繼續(xù)對(duì)此進(jìn)行深入探索和研究。機(jī)器人教育進(jìn)入課堂有利于激發(fā)學(xué)生對(duì)于人工智能的興趣，培養(yǎng)其綜合能力[2]。

2003年，教育部頒布《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》，首次在高中“信息技術(shù)”“通用技術(shù)”課程中設(shè)立了“人工智能初步”“簡(jiǎn)易機(jī)器人制作”選修模塊[3]。2018年1月，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了《人工智能標(biāo)準(zhǔn)化白皮書（2018版）》，指出中國(guó)即將進(jìn)入智能社會(huì)。2018年4月，教育部發(fā)布了《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，提出實(shí)施“智慧教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)”，強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)智能教學(xué)助手、教育機(jī)器人、智能學(xué)伴等關(guān)鍵技術(shù)的研究、應(yīng)用[4]。

國(guó)家政策的大力支持，讓機(jī)器人教育領(lǐng)域再次爆發(fā)熱潮。目前，越來(lái)越多的研究者關(guān)注在機(jī)器人教育中開(kāi)展合作學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)，但是如何高效開(kāi)展合作成為一大難題，將學(xué)生分組進(jìn)行教學(xué)，組內(nèi)容易出現(xiàn)“搭便車”現(xiàn)象，不利于學(xué)生知識(shí)的獲取，使得課堂發(fā)生“變質(zhì)”效應(yīng)。鐘柏昌教授于2018年發(fā)文探索配對(duì)學(xué)習(xí)模式在機(jī)器人教育中的有效性，研究發(fā)現(xiàn)軟-硬件配對(duì)模式在中小學(xué)機(jī)器人教育教學(xué)中發(fā)揮著較為重要的價(jià)值，值得在今后的中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中進(jìn)行更深一步的探索與研究。

2相關(guān)概念

2.1配對(duì)編程

配對(duì)編程（Pair programming）又稱作結(jié)對(duì)編程，最早用于程序開(kāi)發(fā)工作，兩個(gè)程序員共同在計(jì)算機(jī)上完成工作。其中一人負(fù)責(zé)輸入程序，而另一個(gè)人負(fù)責(zé)檢查輸入的程序并及時(shí)指出錯(cuò)誤。輸入程序的人稱作駕駛員，檢查程序的人稱作導(dǎo)航員。在配對(duì)編程中，駕駛員和導(dǎo)航員有較為明顯的角色分工，也可進(jìn)行角色交換。這樣，不僅能夠設(shè)計(jì)出高效率程序代碼，還能避免出現(xiàn)傳統(tǒng)合作學(xué)習(xí)模式的角色固化問(wèn)題。

2.2西覓亞太空挑戰(zhàn)場(chǎng)地賽

西覓亞“太空挑戰(zhàn)”場(chǎng)地賽要求參賽者搭建屬于自己小組的機(jī)器人，自己編寫程序并運(yùn)行，完成賽事任務(wù)。比賽以小組形式開(kāi)展，每只參賽隊(duì)伍人數(shù)為2人（不包含指導(dǎo)教師）。賽事規(guī)定小組搭建的機(jī)器人主控制器必須為“EV3主控制器”，其他器材必須是LEGO MINDSTORMS（NXT或EV3）系列套件。場(chǎng)地賽共有七項(xiàng)任務(wù)，分別為：激活通信、集合隊(duì)員、解救MSL機(jī)器人、將衛(wèi)星發(fā)射到軌道中、取回巖石樣本、保證能源供應(yīng)、啟動(dòng)發(fā)射。在比賽過(guò)程中，參賽者嚴(yán)格遵守賽事要求并操控自己小組的機(jī)器人從基地出發(fā)，完成七項(xiàng)任務(wù)后使機(jī)器人安全返回初始基地，則視為比賽結(jié)束。

3基于配對(duì)編程的小學(xué)LEGO機(jī)器人教學(xué)設(shè)計(jì)方案

3.1教學(xué)實(shí)施背景

筆者有幸于2019年秋季進(jìn)入M小學(xué)擔(dān)任機(jī)器人社團(tuán)專業(yè)老師，并開(kāi)展了一學(xué)期的機(jī)器人教學(xué)，使用器材主要是樂(lè)高EV3-9898套件。在設(shè)計(jì)課程之前，了解學(xué)習(xí)對(duì)象的基本情況，因?yàn)槭腔A(chǔ)班，大家都沒(méi)有基礎(chǔ)，所以一開(kāi)始不會(huì)直接進(jìn)入機(jī)器人的編程軟件，先從簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)搭建入手，利用主控自帶的一些編程進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，如添加一個(gè)電機(jī)讓機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)，添加一個(gè)觸碰傳感器，讓小車按照指令前進(jìn)或者停止。在后期會(huì)慢慢接觸EV3編程軟件，將前面在主控里所學(xué)的編程移到主控里面，讓小車完成同樣的動(dòng)作，如拖一個(gè)電機(jī)模塊，將程序編好，下載到主控上，實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然在講這些操作前，會(huì)先講解EV3的操作界面，如何打開(kāi)，如何保存，如何命名，如何下載，下載后在哪里去找到下載好后的程序。在這一學(xué)期的教學(xué)過(guò)程中，筆者嘗試使用配對(duì)編程教學(xué)模式，經(jīng)過(guò)一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，形成了對(duì)基于配對(duì)編程的小學(xué)LEGO機(jī)器人教學(xué)的深刻認(rèn)識(shí)。在此分享給中小學(xué)一線教師，以期為他們提供幫助[5]。

3.2教學(xué)對(duì)象分析

M小學(xué)機(jī)器人教學(xué)以社團(tuán)課形式展開(kāi)，教學(xué)對(duì)象是機(jī)器人社團(tuán)基礎(chǔ)班3-5年級(jí)學(xué)生，基礎(chǔ)班中新老學(xué)生都有，且學(xué)生接觸機(jī)器人情況參差不齊。經(jīng)過(guò)與基礎(chǔ)班學(xué)生深度交流，了解到班上的學(xué)生是因?yàn)閭€(gè)人興趣自愿加入機(jī)器人社團(tuán)，且也有部分學(xué)生之前學(xué)習(xí)過(guò)相關(guān)樂(lè)高課程。經(jīng)過(guò)一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，選擇適合學(xué)生們的教學(xué)模式至關(guān)重要。在教學(xué)過(guò)程中，每節(jié)課前對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，遵循組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)，保證學(xué)生盡可能地和班內(nèi)每位同學(xué)都合作過(guò)，逐漸加強(qiáng)學(xué)生的合作意識(shí)。社團(tuán)中，難免會(huì)存在學(xué)生年齡、年級(jí)、性別、性格等多方面的差異，應(yīng)多鼓勵(lì)學(xué)生之間協(xié)作互助，注重培養(yǎng)學(xué)生合作意識(shí)、協(xié)作能力。

3.3教學(xué)環(huán)境

M小學(xué)針對(duì)機(jī)器人社團(tuán)課有專門設(shè)立的校園科技館，校園科技館位于學(xué)校教學(xué)樓五層，使用面積約600平方米，具體包括：3D打印區(qū)、電磁奧秘展廳、樂(lè)高機(jī)器人創(chuàng)客空間、天地探索區(qū)、航天模型區(qū)[6]。其中本文的教學(xué)實(shí)踐在樂(lè)高機(jī)器人創(chuàng)客空間開(kāi)展，該創(chuàng)客空間擁有EV3-9898套件共計(jì)十二套、筆記本電腦10余臺(tái)、西覓亞太空挑戰(zhàn)場(chǎng)地賽賽臺(tái)，可供社團(tuán)學(xué)生進(jìn)行樂(lè)高機(jī)器人搭建、編程、測(cè)試。

3.4教學(xué)內(nèi)容

“激活通信”這個(gè)任務(wù)主要是讓學(xué)生學(xué)會(huì)LEGO機(jī)器人基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)搭建與編程知識(shí)，掌握大型電機(jī)的操作。2-3人一組分工完成搭建、編程、測(cè)試?！凹せ钔ㄐ拧比蝿?wù)是學(xué)生通過(guò)機(jī)器人推送衛(wèi)星天線下方的紅色橫桿，使衛(wèi)星天線保持豎直。

3.5學(xué)習(xí)工具

LEGO EV3-9898套件、筆記本電腦。

3.6教學(xué)方法

在太空挑戰(zhàn)賽教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，采用講授式、協(xié)作式、配對(duì)學(xué)習(xí)教學(xué)方法并交叉進(jìn)行，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的濃厚興趣、提高課堂教學(xué)效率。

3.7教學(xué)過(guò)程

通過(guò)前一個(gè)月的教學(xué)，主要為學(xué)生講解LEGO主控制器的使用方法、LEGO機(jī)器人的通信框架、傳感器的工作原理、電機(jī)以及機(jī)器人渦輪結(jié)構(gòu)、抬升結(jié)構(gòu)、行走結(jié)構(gòu)、煽動(dòng)結(jié)構(gòu)等知識(shí)點(diǎn)。在前期掌握了LEGO基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)后，開(kāi)始引入“太空挑戰(zhàn)賽”七項(xiàng)任務(wù)，這更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣?！凹せ钔ㄐ拧笔翘仗魬?zhàn)賽的一個(gè)子任務(wù)，采用配對(duì)編程模式，學(xué)生通過(guò)動(dòng)手搭建機(jī)器人，使得機(jī)器人從基地出發(fā)到達(dá)衛(wèi)星站，推送衛(wèi)星天線下方的紅色橫桿，使衛(wèi)星天線保持豎直，最終機(jī)器人返回基地。學(xué)生在此過(guò)程中需要不斷進(jìn)行測(cè)試、修改，保證機(jī)器人剛好到達(dá)通信站，并推送衛(wèi)星。教學(xué)過(guò)程中，教師扮演引導(dǎo)者，將時(shí)間、場(chǎng)地還給學(xué)生，教師主要進(jìn)行答疑解惑。

Step1：通過(guò)與學(xué)生一個(gè)月的教學(xué)相處，對(duì)學(xué)生有了大致了解。將班上12名同學(xué)分為四組，其中11名男生，1名女生。再通過(guò)與每一組同學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步的溝通，其中選擇較有責(zé)任心且年級(jí)高者學(xué)生為組長(zhǎng)。采取軟-硬件配對(duì)學(xué)習(xí)模式，由于前期搭建機(jī)器人較為復(fù)雜，則選擇兩位同學(xué)合作搭建機(jī)器人，另一人負(fù)責(zé)編程，構(gòu)成軟-硬件配對(duì)編程。

Step2：因?yàn)楸局v主要內(nèi)容為“太空挑戰(zhàn)賽”第一個(gè)任務(wù)：激活通信，所以在講課之前要向?qū)W生詳細(xì)介紹“太空挑戰(zhàn)賽”賽事規(guī)則。每次出發(fā)時(shí)，機(jī)器人須完全在基地內(nèi)，機(jī)器人完全出基地后才能進(jìn)行任務(wù)動(dòng)作，再完成任務(wù)后機(jī)器人須返回初始營(yíng)地。語(yǔ)言不足以生動(dòng)地讓學(xué)生體會(huì)到競(jìng)賽場(chǎng)景，也難以提高學(xué)生編程興趣，在此為學(xué)生播放嗶哩嗶哩平臺(tái)某位up主錄制的“太空挑戰(zhàn)賽”七項(xiàng)任務(wù)視頻，更加生動(dòng)形象地為學(xué)生展示每一項(xiàng)任務(wù)的完成視頻。

Step3：在觀看了具體的賽事視頻后，學(xué)生對(duì)本節(jié)課任務(wù)有了大致的了解。四個(gè)小組開(kāi)始了機(jī)器人的搭建與編程，每個(gè)小組中，兩位同學(xué)負(fù)責(zé)搭建，開(kāi)始尋找LEGO零件并組裝;另一位負(fù)責(zé)編程的同學(xué)則仔細(xì)觀察賽臺(tái)，測(cè)量基地到衛(wèi)星站大致距離，開(kāi)始進(jìn)行編程。教師則在教室走動(dòng)，照顧到每一組的學(xué)生，及時(shí)發(fā)現(xiàn)每一組的問(wèn)題并告知糾正，在這個(gè)過(guò)程中，不斷鼓勵(lì)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，盡管過(guò)程復(fù)雜，也要告訴學(xué)生不要放棄。

Step4：調(diào)試環(huán)節(jié)。在組間實(shí)施軟-硬件配對(duì)編程后，將組內(nèi)三位同學(xué)勞動(dòng)成果合成，程序下載至機(jī)器人主控制器中，并在賽臺(tái)進(jìn)行操作。小組成員進(jìn)行不斷地測(cè)試、調(diào)整程序參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從基地出發(fā)，前往通信站激活通信。在操作過(guò)程中，組內(nèi)三位成員要協(xié)作，共同思考如何調(diào)整程序，才能順利實(shí)現(xiàn)“激活通信”任務(wù)。實(shí)現(xiàn)該任務(wù)后，教師提醒學(xué)生要保存程序，并檢查是否成功保存、命名是否正確。

在完成“激活通信”任務(wù)中，小組成員需要共同商討如何完成此任務(wù)，保證組內(nèi)分工明確，一人負(fù)責(zé)編程，兩人負(fù)責(zé)搭建，構(gòu)成軟-硬件配對(duì)編程模式。整個(gè)過(guò)程中，教師要不斷地鼓勵(lì)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)試的時(shí)候，要給學(xué)生足夠的耐心，要讓學(xué)生真正體會(huì)編程的過(guò)程，只有通過(guò)組內(nèi)的合作順利完成此任務(wù)，學(xué)生收獲才是最大的。圖1為學(xué)生搭建、編程照片。

3.8教學(xué)評(píng)價(jià)

最后檢驗(yàn)學(xué)生成果時(shí)，采用教師評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)和學(xué)生自評(píng)[7]。教師在確保四個(gè)小組均完成“激活通信”任務(wù)后，再次向?qū)W生講解賽事規(guī)則，機(jī)器人從基地出發(fā)，完成任務(wù)后，返回基地。每組派一名操控手，負(fù)責(zé)演示激活通信任務(wù)、并講解制作大致流程，教師負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)并評(píng)價(jià)，學(xué)生還需對(duì)其他小組進(jìn)行評(píng)分，從搭建、演示、講解三方面給予分?jǐn)?shù)。組內(nèi)還需進(jìn)行自評(píng)，分析組間存在哪些問(wèn)題、任務(wù)完成情況、還有哪些提升空間。教師將來(lái)自教師評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)、學(xué)生自評(píng)三方面分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)每位學(xué)生給予相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)，最終評(píng)選出這節(jié)課的最佳配對(duì)編程組，頒發(fā)獎(jiǎng)狀予以表?yè)P(yáng)。

3.9教學(xué)反思

在學(xué)生完成該項(xiàng)目的過(guò)程中，比起前期的基礎(chǔ)知識(shí)講解，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)太空挑戰(zhàn)賽學(xué)習(xí)興趣很濃厚，更愿意參與活動(dòng)中，通過(guò)和同學(xué)的合作完成任務(wù)。在軟-硬件配對(duì)編程中，分工足夠明確，但部分學(xué)生不好好完成自己的任務(wù)，在課堂中擾亂秩序，使得配對(duì)編程未能取得良好的成效。但也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)慢、機(jī)器人行走時(shí)間短、主控制器中找不到源程序、搭建過(guò)程中電機(jī)安裝錯(cuò)誤等問(wèn)題，通過(guò)一步步地調(diào)試，教師引導(dǎo)學(xué)生將上述問(wèn)題解決。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，教師的引導(dǎo)是必不可少的，但應(yīng)從啟發(fā)學(xué)習(xí)的層面去引導(dǎo)，才能讓學(xué)生真正的受益匪淺。

4 基于配對(duì)編程的小學(xué)LEGO機(jī)器人教學(xué)建議

4.1轉(zhuǎn)變“以賽敦教”觀念

目前，國(guó)內(nèi)外比較有影響力的機(jī)器人比賽包括RoboCup Junior、機(jī)器人奧林匹克競(jìng)賽、中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽、中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐活動(dòng)等，除此之外，還包括各地級(jí)市教育主管部門、電教館和科協(xié)組織的各種比賽，以及各大企業(yè)組織的比賽， 這些種類繁多的機(jī)器人競(jìng)賽受到了廣大家長(zhǎng)以及教育工作者的高度重視[8]。然而，很多校方乃至學(xué)生家長(zhǎng)，都認(rèn)為學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人就為了參加機(jī)器人比賽，這給機(jī)器人教學(xué)帶來(lái)了極大的功利化色彩。教師應(yīng)關(guān)注從學(xué)生生活實(shí)際和興趣出發(fā)，選擇合適的教學(xué)內(nèi)容，注重培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維、編程思維、合作能力。

4.2制定區(qū)域化機(jī)器人教育標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前，不同地區(qū)、不同學(xué)校使用機(jī)器人品種繁多，也沒(méi)有統(tǒng)一的機(jī)器人教育標(biāo)準(zhǔn)，使得機(jī)器人教育教學(xué)的開(kāi)展雜亂無(wú)章。每個(gè)學(xué)校應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w要求以及學(xué)生特點(diǎn)，選擇合適的品牌機(jī)器人，如LEGO機(jī)器人、WeDo機(jī)器人、VEX IQ機(jī)器人、鐘鳴機(jī)器人等。也應(yīng)制定完善的課程體系，可將已有的校本課程進(jìn)行規(guī)范化和科學(xué)化的論證，將資源整合并應(yīng)用。

4.3加強(qiáng)機(jī)器人教師專業(yè)化培訓(xùn)

隨著機(jī)器人教育的不斷興起，很多學(xué)校嘗試開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)，但學(xué)校真正懂機(jī)器人的教師少之又少，也有部分學(xué)校通過(guò)聘請(qǐng)校外專業(yè)老師給學(xué)生進(jìn)行授課。應(yīng)加強(qiáng)機(jī)器人教師專業(yè)化培訓(xùn)，鼓勵(lì)中小學(xué)一線教師參與高校教師機(jī)器人教育培訓(xùn)會(huì)、企業(yè)機(jī)器人培訓(xùn)會(huì)中，多與機(jī)器人教育行業(yè)內(nèi)專家溝通交流，不斷增加中小學(xué)一線教師專業(yè)化發(fā)展。

4.4正確融入“配對(duì)編程”模式

在開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)中，融入“配對(duì)編程”模式，將組內(nèi)學(xué)生進(jìn)行軟件、硬件合理分工，應(yīng)避免學(xué)生出現(xiàn)“搭便車”現(xiàn)象。在進(jìn)行小組劃分、任務(wù)分工中都會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，如：想和自己關(guān)系好的同學(xué)分到一組、組內(nèi)軟-硬件分工都想編程或搭建等，教師要進(jìn)行溝通并引導(dǎo)學(xué)生做出正確的選擇，培養(yǎng)學(xué)生與他人協(xié)作，遇到分歧及時(shí)解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

教育部部長(zhǎng)陳寶生曾說(shuō)：“新一代信息技術(shù)的發(fā)展為中國(guó)教育帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)[9]。機(jī)器人教育的引入不僅能夠滿足中小學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)教育建設(shè)和發(fā)展，還能夠提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。基于配對(duì)編程的小學(xué)LEGO機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐一定要講究受教育者群體的實(shí)際情況，要根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)化的安排教學(xué)實(shí)踐，更要注重引導(dǎo)者和主導(dǎo)者的基本定位，通過(guò)將配對(duì)編程融入機(jī)器人教學(xué)，培養(yǎng)出更具創(chuàng)新能力，更具探究能力的優(yōu)秀人才。 （下轉(zhuǎn)第164頁(yè)）

（上接第161頁(yè)）

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