針對創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)研究

張麗平 李 松 郝曉紅 孫冬璞 高 峻

（哈爾濱理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150080）

數(shù)據(jù)庫技術(shù)從誕生起即在數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理和軟件技術(shù)等方面起著重要的作用[1]。近些年，隨著社會應(yīng)用需求和計算機(jī)軟件行業(yè)及大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)出海量性、分布性、空間性、模糊性、無規(guī)格性和多樣性等特點(diǎn)。各類新的數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如，主動數(shù)據(jù)庫技術(shù)、時態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)和時空數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。作為計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，在目前信息化程度日益增高的社會里，學(xué)習(xí)和掌握計算機(jī)數(shù)據(jù)庫的知識和技能是非常有意義的[2]。數(shù)據(jù)庫課程知識技能不是孤立的，而是和其他課程緊密相連的，例如，軟件工程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計、操作系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算等是集理論性、創(chuàng)新性、操作性、實用性于一體的綜合性計算機(jī)課程。

在作者所在單位的2015版培養(yǎng)方案和大綱中，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎(chǔ)課程最顯著的變化是在傳統(tǒng)的講課、實驗和上機(jī)基礎(chǔ)上增添了“實踐，翻轉(zhuǎn)，創(chuàng)新，案例”等內(nèi)容。當(dāng)前，在工程教育認(rèn)證對解決復(fù)雜工程問題提出了較高的要求的背景下，根據(jù)新的培養(yǎng)方案，研究如何更有效的組織數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)，如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力具有較為重要的意義。

一、數(shù)據(jù)庫的基本教學(xué)內(nèi)容和方法

目前，在大學(xué)課堂里，為了培養(yǎng)具有數(shù)據(jù)庫專業(yè)技能的人才，針對計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的數(shù)據(jù)庫教學(xué)內(nèi)容一般主要分為兩大類：

（一）數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基本理論知識。教學(xué)內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)理論知識的課堂講解和學(xué)習(xí)，具體包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展階段、分類、體系結(jié)構(gòu)等；重要的數(shù)據(jù)模型如概念層數(shù)據(jù)模型、組織層數(shù)據(jù)模型等；三級模式和二級映像；關(guān)系代數(shù)和關(guān)系演算；關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論，如主碼、外碼、函數(shù)依賴、范式、模式分解準(zhǔn)則和分解方法、完整性約束等；數(shù)據(jù)底層存儲技術(shù)；數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化等。

（二）數(shù)據(jù)庫的技術(shù)知識。這部分教學(xué)內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計方法，如邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫的實施和維護(hù)等；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安裝和排錯；數(shù)據(jù)庫的保護(hù)和恢復(fù)技術(shù)；數(shù)據(jù)庫的備份；關(guān)系數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)語言SQL；MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；SQL Sever數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；Oracle數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；Sybase數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。

由于數(shù)據(jù)庫的理論和技術(shù)知識較多，許多高校根據(jù)學(xué)生的不同層次和不同的培養(yǎng)目標(biāo)，課堂教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)會有很大的不同。對于研究型的大學(xué)，數(shù)據(jù)庫的課堂教學(xué)往往更著力于理論知識的深度講解；對于以教學(xué)為主的大學(xué)，數(shù)據(jù)庫的課堂教學(xué)往往側(cè)重于具體數(shù)據(jù)庫技術(shù)（如SQL語言；SQL Sever數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等），以學(xué)生能熟練使用某種數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)為目標(biāo)。

無論是側(cè)重于理論基礎(chǔ)的教學(xué)還是側(cè)重于實際應(yīng)用技能的教學(xué)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫課堂教學(xué)主要是以教師課堂教授知識點(diǎn)，學(xué)生課后復(fù)習(xí)和上機(jī)實踐的模式進(jìn)行。近年來，對數(shù)據(jù)庫課程與程序設(shè)計課程教學(xué)和人才培養(yǎng)方法的研究取得了一些重要的研究成果[3-7]，但在數(shù)據(jù)庫的教學(xué)內(nèi)容改革和創(chuàng)新性人才培養(yǎng)方面還有許多不足，無法較好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。

二、數(shù)據(jù)庫傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容和方法的不足

（一）教學(xué)內(nèi)容的局限性。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的教學(xué)內(nèi)容主要是有關(guān)數(shù)據(jù)庫的基本理論和技術(shù)工具等方面。

1.創(chuàng)新思想和創(chuàng)新方法體現(xiàn)較少。當(dāng)前，在高等教育中，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，努力培養(yǎng)創(chuàng)新性人才已經(jīng)成為大家的共識。人才的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)貫穿于整個高等教育的各個環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)庫技術(shù)從誕生之日起就和創(chuàng)新緊緊聯(lián)系起來，數(shù)據(jù)庫眾多的理論和分支時刻閃耀著創(chuàng)新的火花?，F(xiàn)在的數(shù)據(jù)庫教學(xué)用書主要在于突出展示數(shù)據(jù)庫的基本知識點(diǎn)，缺乏對數(shù)據(jù)庫創(chuàng)新內(nèi)容、創(chuàng)新思路和創(chuàng)新方法的闡述和歸納。教師主要是傳授書本基本知識，學(xué)生則機(jī)械的學(xué)習(xí)知識，但缺乏創(chuàng)新思想和創(chuàng)新方法的鍛煉和體悟。

2.數(shù)據(jù)庫新技術(shù)和新知識點(diǎn)的講授較少。近些年，對數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的需求日益呈現(xiàn)多樣化，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)建模需求、實時的系統(tǒng)執(zhí)行需求、高效的數(shù)據(jù)查詢需求、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的檢索需求、海量數(shù)據(jù)存儲與共享需求、智能的數(shù)據(jù)分析需求、觸發(fā)器或主動需求、不確定數(shù)據(jù)的處理和管理需求、分布式數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)處理與存儲需求等方面。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫教學(xué)內(nèi)容很少或完全不包含這些新理論新技術(shù)。以至于培養(yǎng)出來的學(xué)生數(shù)據(jù)庫知識面狹窄、技能單一、創(chuàng)新能力不強(qiáng)，不能很好地勝任具體的工程和科研工作任務(wù)。

（二）教學(xué)方法的局限性。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫教學(xué)中主要是老師在課堂上逐一講解知識點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)記憶，再配以少量課時的實驗訓(xùn)練，即完成了數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)任務(wù)。傳統(tǒng)教學(xué)方法能使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)庫一般的理論知識和技術(shù)，但具有以下缺點(diǎn)：

1.學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足。傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要強(qiáng)調(diào)學(xué)生對數(shù)據(jù)庫知識點(diǎn)和基本技能的記憶與掌握，強(qiáng)調(diào)學(xué)生會用數(shù)據(jù)庫（例如熟悉SQL編程，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫的安全性維護(hù)，熟悉Oracle故障恢復(fù)等），但往往忽略了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，學(xué)生的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)明顯不足。

2.數(shù)據(jù)庫技術(shù)的活學(xué)活用能力不高。數(shù)據(jù)庫技術(shù)是一門實踐性較強(qiáng)的技術(shù)，學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)了一些基本知識和操作技能，但往往學(xué)不深學(xué)不透，留下了許多技術(shù)空白，在接手實際的工程項目時往往不知所措，舉步維艱。

3.學(xué)生的知識面較為狹窄。受教學(xué)內(nèi)容和教材的局限性及教師本人知識面的影響，課堂數(shù)據(jù)庫教學(xué)所教授的知識往往較為基礎(chǔ)和陳舊。學(xué)生在課堂上難以獲得新的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫知識和技能，知識儲備少，知識面狹窄。在工作崗位上遇到各類新的數(shù)據(jù)庫技術(shù)往往一片茫然，無從下手，影響了工作效率。

三、數(shù)據(jù)庫教學(xué)內(nèi)容和方法的改進(jìn)與創(chuàng)新

（一）教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性改進(jìn)。

1.教學(xué)內(nèi)容的拓展。為了培養(yǎng)出知識面開闊，工程技術(shù)能力較強(qiáng)的數(shù)據(jù)庫專業(yè)人才，我們對數(shù)據(jù)庫教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改進(jìn)與拓展。為了使學(xué)生掌握一些重要的先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫理論與技術(shù)，我們以傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫教學(xué)內(nèi)容的知識點(diǎn)為學(xué)習(xí)基點(diǎn)，以基點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行知識點(diǎn)的擴(kuò)展。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫教學(xué)的知識點(diǎn)中，我們共確定了可擴(kuò)展的23個基點(diǎn)。在具體教學(xué)實踐中，利用多樣的教學(xué)方法使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)而了解和掌握擴(kuò)展的新知識點(diǎn)。實踐表明，在總課時基本保持不變的情況下，教師合理的做好教學(xué)計劃和課時分配，擴(kuò)展的新知識點(diǎn)能較為科學(xué)地傳授給學(xué)生。

通過對基點(diǎn)和擴(kuò)展點(diǎn)的講解，學(xué)生們不僅掌握了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫基本的知識點(diǎn)，而且對拓展的新的相關(guān)理論和技術(shù)有了較好的了解和學(xué)習(xí)。例如，在講解數(shù)據(jù)庫索引技術(shù)的同時，進(jìn)一步擴(kuò)展到空間數(shù)據(jù)庫的空間索引技術(shù)、時態(tài)數(shù)據(jù)庫的索引技術(shù)、XML數(shù)據(jù)庫的索引技術(shù)、大數(shù)據(jù)索引技術(shù)和分布式索引技術(shù)等。通過對基點(diǎn)進(jìn)行有效的擴(kuò)展，可較大程度地增大學(xué)生的知識面，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，增強(qiáng)專業(yè)技能。

2.數(shù)據(jù)庫創(chuàng)新思想和創(chuàng)新技術(shù)的融入。為了培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才，我們在數(shù)據(jù)庫教學(xué)過程中結(jié)合具體數(shù)據(jù)庫知識點(diǎn)增加了創(chuàng)新思想、創(chuàng)新技術(shù)和創(chuàng)新方法的講解和引導(dǎo)，取得較好的效果。例如，在講解關(guān)系數(shù)據(jù)庫的誕生和發(fā)展歷史時，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)促使關(guān)系數(shù)據(jù)庫誕生的思想火花，強(qiáng)調(diào)關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論體系取代層次數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)新歷程，和學(xué)生詳細(xì)討論創(chuàng)新在關(guān)系數(shù)據(jù)庫的發(fā)展史上所起的作用。在講解規(guī)范化問題時，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)低級范式的問題，進(jìn)而模擬學(xué)術(shù)先輩們的創(chuàng)新思想和解決問題的辦法，最后得出高一級的范式，深刻理解發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程，體會創(chuàng)新的內(nèi)涵。在講解數(shù)據(jù)庫索引技術(shù)時，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考如何利用先進(jìn)的索引結(jié)構(gòu)（例如R樹、R*樹、TPR樹、空間填充曲線等）索引海量的空間數(shù)據(jù)信息，思考如何進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有的索引結(jié)構(gòu)。學(xué)生知識面由一維的B樹拓展到二維的R樹，學(xué)生能從中更加深刻地理解索引結(jié)構(gòu)的作用和優(yōu)勢，理解技術(shù)思想的創(chuàng)新過程，從而激發(fā)學(xué)生的探索熱情。還可進(jìn)一步引出對大數(shù)據(jù)等復(fù)雜多樣數(shù)據(jù)信息索引查詢的計算機(jī)前沿問題，引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新思維。經(jīng)過老師的合理引導(dǎo)和培養(yǎng)，學(xué)生們通過數(shù)據(jù)庫課程的學(xué)習(xí)，能發(fā)現(xiàn)許多新問題，并探索性地提出新的解決方法，增強(qiáng)了創(chuàng)新能力，對科研和技術(shù)創(chuàng)新有了更多的體會和認(rèn)識。

（二）教學(xué)方法的改進(jìn)。在對數(shù)據(jù)庫教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)和拓展的基礎(chǔ)上，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，為了充分鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力，我們對教學(xué)方法進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)各個知識點(diǎn)的特點(diǎn)，將一些新的教學(xué)方法和傳統(tǒng)的教學(xué)方法相融合，課堂教學(xué)中取得了較好的效果。在教學(xué)中主要采用的方法：

1.類比創(chuàng)新法。主要是用在數(shù)據(jù)庫知識點(diǎn)的拓展講解上。數(shù)據(jù)庫基本的知識點(diǎn)拓展進(jìn)行講解時，類比創(chuàng)新和啟發(fā)引導(dǎo)相結(jié)合可使學(xué)生更多的掌握新知識，同時培養(yǎng)創(chuàng)新意識。例如，在講解數(shù)據(jù)庫對空值信息的處理時，可類比提出相似的問題，即對模糊數(shù)據(jù)的處理，此時教師引導(dǎo)學(xué)生利用概率論和模糊數(shù)學(xué)的知識思考解決相似問題的辦法。在講解數(shù)據(jù)庫查詢問題時，可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考海量空間數(shù)據(jù)的查詢方法，教師可從數(shù)學(xué)建模和數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等方面引導(dǎo)學(xué)生思考相關(guān)問題，使學(xué)生深刻理解降低搜索空間，加強(qiáng)精煉結(jié)果的數(shù)據(jù)查詢思路,從而增強(qiáng)學(xué)生解決新問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新性的人才。

2.任務(wù)驅(qū)動法。對于數(shù)據(jù)庫課程的一些動手操作性較強(qiáng)的知識點(diǎn)，在教學(xué)中引入了任務(wù)驅(qū)動法，充分調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的能力，自主分析問題，自主解決問題。任務(wù)驅(qū)動法適用的教學(xué)范圍較廣。例如，在學(xué)習(xí)SQL語句時，課堂講解后，設(shè)計一些具有一定復(fù)雜性的綜合題目，分組下發(fā)任務(wù)，由學(xué)生自己分析，自己完成。完成任務(wù)的同時，進(jìn)一步加深了知識技能的掌握程度。在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，我們選取學(xué)生較為熟悉的一些信息系統(tǒng)（例如超市管理信息系統(tǒng)等）中數(shù)據(jù)庫設(shè)計課題，分組分配任務(wù)，由學(xué)生根據(jù)課堂引導(dǎo)所學(xué)的知識完成數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計、邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的內(nèi)容。學(xué)生在任務(wù)的驅(qū)動下，自主學(xué)習(xí)的能力得到了較大的提高，對知識的理解程度更深刻了。

3.分組研討法。對于具有一定理論深度的知識點(diǎn)，授課時采取課堂講解和學(xué)生討論相結(jié)合的方式。針對一些較難理解的內(nèi)容，學(xué)生通過分組研討，發(fā)現(xiàn)問題，思考問題，進(jìn)而集體解決問題。例如，對于數(shù)據(jù)庫中三級模式和二級映像的概念及作用，學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)和理解進(jìn)行討論交流。再例如，針對復(fù)雜的二維空間數(shù)據(jù)信息，組織學(xué)生分組討論如何對二維空間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行定位查詢和近鄰查詢，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)有的SQL查詢語言的不足，從而提升學(xué)生探索新知識的興趣。研討中充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，互相學(xué)習(xí)，互相補(bǔ)充，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果。教師作為旁聽者和難點(diǎn)指導(dǎo)者進(jìn)一步增強(qiáng)了對學(xué)生的了解程度，便于因材施教。

4.問題引導(dǎo)法。問題引導(dǎo)法在教學(xué)過程中用的較多。通過問題可較好的引導(dǎo)學(xué)生對知識點(diǎn)進(jìn)行思考。例如，為什么要對關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行規(guī)范化？函數(shù)依賴在實際應(yīng)用中引發(fā)的問題是什么？主碼和外碼的作用？并發(fā)控制的意義？視圖在實現(xiàn)三級模式中的作用？索引的作用和局限性？學(xué)生在思考問題的過程中增強(qiáng)了對知識的求知欲，同時能更加深刻地理解教學(xué)重點(diǎn)。

5.基于移動互聯(lián)網(wǎng)的“碎片化”教學(xué)和“碎片化”學(xué)習(xí)融合法。碎片化教學(xué)就是將各種整體信息分割成信息碎片，利用學(xué)生的碎片時間提供有用的課程知識信息，學(xué)生利用碎片化的時間進(jìn)行點(diǎn)滴學(xué)習(xí)。我們著重將補(bǔ)充的數(shù)據(jù)庫課程內(nèi)容分割成教學(xué)資源碎片，借助先進(jìn)的移動終端設(shè)備和軟件，讓學(xué)生在各種碎片化的時間、地點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)新知識，潛移默化的領(lǐng)悟一些新技術(shù)和新知識的創(chuàng)新思想，滿足學(xué)生在移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行移動學(xué)習(xí)的需要。

6.前沿課題講座法。數(shù)據(jù)庫知識領(lǐng)域的發(fā)展是日新月異的，為了使學(xué)生在知識積累時能快速跟上數(shù)據(jù)庫的最新理論和技術(shù)，我們精選了一些重要的相關(guān)數(shù)據(jù)庫技術(shù)的課題進(jìn)行課外講座學(xué)習(xí)。例如，數(shù)據(jù)庫在云計算技術(shù)中的應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)庫技術(shù)的新要求、數(shù)據(jù)庫的智能性的發(fā)展與阻礙、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、移動數(shù)據(jù)查詢，等等。講座內(nèi)容根據(jù)學(xué)生的興趣和需求而定，這些精心組織的課外講座是數(shù)據(jù)庫課堂教學(xué)的一大補(bǔ)充，具有較強(qiáng)的針對性，能較好地激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探討前沿知識的興趣。

以上的方法不是互相割裂的，在具體的教學(xué)過程中往往互相融合，例如類比創(chuàng)新法可和分組研討法結(jié)合，對于一些具有典型創(chuàng)新特征的問題可進(jìn)一步以分組研討的形式進(jìn)行集體探討，激勵學(xué)生互相交流，創(chuàng)新性地提出自己的觀點(diǎn)和解決辦法。例如，數(shù)據(jù)庫如何存取和查詢復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)信息等；下一代數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展方向預(yù)測，等等，通過各種方法的靈活運(yùn)用，力求較大程度地提升教學(xué)效果。

結(jié)語

為了使學(xué)生較大程度地增強(qiáng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，為了培養(yǎng)出數(shù)據(jù)庫技術(shù)熟練、創(chuàng)新能力較強(qiáng)的“雙料”人才。本文對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了拓展與改進(jìn)。以傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫教學(xué)內(nèi)容的知識點(diǎn)為學(xué)習(xí)基點(diǎn)，以基點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行知識點(diǎn)的合理擴(kuò)展，同時根據(jù)知識點(diǎn)的特征有機(jī)融入創(chuàng)新思想和創(chuàng)新方法的探討，使學(xué)生能較大程度地掌握先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫知識和技能。在教學(xué)方法上進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫各知識點(diǎn)的特征和授課目標(biāo)，靈活運(yùn)用各種有效的教學(xué)方法開展教學(xué)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力得到較大程度的提高，數(shù)據(jù)庫理論和技術(shù)的知識技能掌握得更為扎實。

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