基于新工科六問構(gòu)建研究型大學(xué)工科實踐教學(xué)體系

韋磊 張宏 楊睿 王殿龍 孫晶

摘 ?要：實踐教學(xué)體系在研究型大學(xué)人才培養(yǎng)過程中起著非常重要的作用。結(jié)合“天大行動”提出的新工科六問，給出新工科理念指導(dǎo)下的實踐教學(xué)六問，并指出目前工科實踐教學(xué)體系存在的主要問題;在深度分析新工科人才的共性能力特征及關(guān)鍵素質(zhì)的基礎(chǔ)上，探索性建設(shè)了校企協(xié)同實踐平臺、工業(yè)級實驗平臺、科教融合實踐平臺和自主創(chuàng)新實踐平臺等四類實踐平臺，旨在提升新工科建設(shè)背景下的人才工程創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：新工科;實踐平臺;實踐教學(xué)體系

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）33-0098-04

Abstract： The practical teaching system plays an important role in the process of cultivating talents for research universities. This paper presents Practice Teaching Six Items according to Emerging Engineering Education Six Items raised in the Tianjin University Meeting of April 8th， 2017. After pointing out main problems for practice teaching system， based on deeply analysis about common competencies and key competencies of the engineering talents， this paper constructs four practice platforms comprised of industry-university collaboration platform， industrial grade experimental platform， research-teaching integration platform and independent innovation platform in order to improve the engineering innovation ability.

Keywords： emerging engineering education; practice platform; practice teaching system

一、研究背景

新工科建設(shè)是我國高等教育面對新一輪科技革命和經(jīng)濟發(fā)展新態(tài)勢做出的主動應(yīng)對，也是我國為推動科技、產(chǎn)業(yè)變革所做出的積極承諾[1-3]。從2017年4月8日，教育部在天津大學(xué)召開新工科建設(shè)研討會，即“天大行動”，提出著名的新工科六問[4]，到如今新工科已經(jīng)發(fā)展為“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”2.0的核心內(nèi)容和主要抓手，新工科在高等教育改革實踐層面的探索和發(fā)展取得了一定的成效。新工科建設(shè)明確指出，實踐能力是新工科人才必須具備的基本能力之一。實踐教學(xué)體系對于研究型大學(xué)人才培養(yǎng)來說，意義重大[5-7]。結(jié)合“天大行動”新工科六問，我們思考新工科背景下的實踐教學(xué)體系建設(shè)，得出新工科理念指導(dǎo)下實踐教學(xué)六問，如圖1所示。近年來，我們嘗試按照其中“幾問”做了探索性工作，重在構(gòu)建有效提升人才創(chuàng)新能力的實踐教學(xué)體系，以符合以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟發(fā)展需求。

二、實踐教學(xué)中普遍存在的問題

新產(chǎn)業(yè)革命發(fā)展與深化對機械類精英人才培養(yǎng)提出了新的要求，工程創(chuàng)新能力是機械類精英人才的核心素質(zhì)，如何培養(yǎng)人才的工程創(chuàng)新能力成為近年來工科高校教學(xué)改革的主旋律。然而現(xiàn)有實驗內(nèi)容與行業(yè)企業(yè)實際和新經(jīng)濟發(fā)展脫節(jié)，未能將復(fù)雜工程案例、前沿科學(xué)技術(shù)有機融入實驗教學(xué)體系，重理論，輕實踐，尤其是創(chuàng)新訓(xùn)練嚴(yán)重不足，難以滿足“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“人工智能”等國家級戰(zhàn)略對機械類人才知識體系的要求。

（一）實踐平臺的建設(shè)由課程決定，偏離產(chǎn)業(yè)需求

現(xiàn)代科技快速發(fā)展，如大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、人工智能、虛擬現(xiàn)實、基因工程、核技術(shù)等新技術(shù)和智能制造、集成電路、空天海洋、生物醫(yī)藥、新材料等新產(chǎn)業(yè)相關(guān)的新興工科專業(yè)和特色專業(yè)集群被大力發(fā)展，在工科類教學(xué)體系中的比重逐漸增大。在此情況下，本科實踐教學(xué)往往呈現(xiàn)出“變量小”“滯后強”的特點。傳統(tǒng)的實踐平臺建設(shè)往往取決于課程設(shè)置，即有什么樣的課，就設(shè)置什么樣的實踐平臺，而目前大部分的工科課程體系設(shè)置都過于陳舊，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了產(chǎn)業(yè)需求。只有問產(chǎn)業(yè)需求建立實踐平臺，才能配合更新改造傳統(tǒng)工科專業(yè)，服務(wù)于新工科專業(yè)建設(shè)。

（二）實踐內(nèi)容由實踐平臺決定，跟不上技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

工科專業(yè)往往根據(jù)已有的實踐平臺設(shè)置實踐內(nèi)容。而當(dāng)今技術(shù)飛速發(fā)展，與理論課程相對應(yīng)的工科實踐平臺的設(shè)計、生產(chǎn)、運行周期較長，無法與時俱進，平臺陳舊則實踐內(nèi)容陳舊，很難跟上科學(xué)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入實踐教學(xué)過程，即問技術(shù)發(fā)展改革實踐教學(xué)內(nèi)容，更新實踐教學(xué)內(nèi)容及實踐知識體系。

（三）實踐方法由實踐內(nèi)容決定，不考慮學(xué)生理解與掌握程度

由于目前大部分工科專業(yè)的實踐內(nèi)容都偏于對理論教學(xué)的支撐，多為驗證性實驗，而面對全新的知識體系和能力培養(yǎng)要求，以驗證為主要目標(biāo)的傳統(tǒng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)難以勝任新興專業(yè)的需求。實踐環(huán)節(jié)的本意是配合理論教學(xué)，結(jié)果驗證性實驗枯燥無味，對學(xué)生理解理論知識點幫助不大，很難令學(xué)生對實踐內(nèi)容深度掌握。因此，針對上述問題，應(yīng)積極推進信息技術(shù)與實踐教學(xué)的深度融合，充分利用諸如虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實踐教學(xué)方式方法，將以學(xué)生為中心的理念貫穿到實踐教學(xué)方法改革過程中。

（四）實踐系統(tǒng)管理機制陳舊，學(xué)校推進但不跟進

盡管目前各高校都積極推薦國家級教學(xué)實驗示范中心和虛擬仿真中心的建設(shè)，但重點都放在了中心的硬件建設(shè)上，相比而言，實踐系統(tǒng)的管理機制建設(shè)卻較為緩慢，學(xué)校層面盡管制定了相關(guān)政策，但執(zhí)行不暢，導(dǎo)致實踐管理系統(tǒng)陳舊，招聘機制、考核機制、晉級機制等多年未變，難以調(diào)動實踐系列教師的工作積極性和創(chuàng)新性。因此，學(xué)校層面要積極跟進管理機制改革，同時實驗中心也要主動作為，發(fā)揮中心職能作用，積極開展機制改革探索工作。

（五）實踐體系自娛自樂，產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人形式化

多年來，實踐教學(xué)體系的建設(shè)都僅限于校內(nèi)，不走出去，也不請進來，自娛自樂。近幾年，產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人的思想被引入人才培養(yǎng)模式，作為產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人的最佳載體，實踐教學(xué)體系應(yīng)在此方面進行深度思考，拿出可行方案。首先，將實踐環(huán)節(jié)的地點設(shè)置到校外，不應(yīng)僅限于實習(xí)實踐環(huán)節(jié)，對于理論課程的實驗環(huán)節(jié)也應(yīng)該走出去;其次，應(yīng)充分利用教師的科研優(yōu)勢和企業(yè)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，依托師資力量和已有的實驗教學(xué)中心，由行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)冠名，在高校內(nèi)建設(shè)工業(yè)級實驗實踐平臺。最后，該平臺除硬件建設(shè)上與企業(yè)內(nèi)工況保持一致外，還應(yīng)該聘請企業(yè)工程技術(shù)人員以線上或線下的方式走入實踐課堂，構(gòu)建有實際內(nèi)涵的校企協(xié)同育人模式。

（六）實踐體系難以契合國際標(biāo)準(zhǔn)

目前，很多課程的建設(shè)過程已經(jīng)能做到對標(biāo)國際，包括教材選用、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式，甚至師資。但實踐體系一直以來都難以契合國際標(biāo)準(zhǔn)，實踐平臺、實踐內(nèi)容、實踐方法以及實踐管理體系等都很難跟進國際上高等教育的最新發(fā)展動態(tài)。實踐教學(xué)體系也應(yīng)同步理論課程體系建設(shè)，著眼國際前沿，以面向未來和新工科建設(shè)為追求目標(biāo)，努力構(gòu)建具有一定國際化水平的實踐教學(xué)體系質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)。而依托虛擬仿真等信息化技術(shù)，實踐教學(xué)可實現(xiàn)向全球高校開放，一方面通過與國際同行交流加強實驗實踐平臺與內(nèi)容的國際化建設(shè)水平，另一方面推動教育資源全球共享化，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量上的引領(lǐng)、示范、輻射作用。

三、面向新工科的實踐教學(xué)體系

從2017年2月的“復(fù)旦共識”[8]開始，至2017年4月的“天大行動”，到2017年6月的“北京指南”[9]，伴隨著一系列的指導(dǎo)及建設(shè)性政策發(fā)布，新工科建設(shè)有雨后破竹般在各高校相繼展開。作為工科優(yōu)勢高校，大連理工大學(xué)也同期推進了新工科建設(shè)工作，尤其是機械工程學(xué)院，更是以“機械工程國家級實驗教學(xué)示范中心”和“工程訓(xùn)練國家級實驗教學(xué)示范中心”為建設(shè)載體，歷經(jīng)三年多的時間，在實踐體系建設(shè)方面，做了部分探索性的工作。

（一）面向新工科的工程新素質(zhì)

通過深入分析適應(yīng)社會和行業(yè)發(fā)展、面向未來的新工科人才培養(yǎng)需求現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，新工科人才要具有三種共性能力特征，即以端正的世界觀、人生觀、價值觀以及科技倫理觀為代表的人文素養(yǎng)，以擁有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識和寬泛的交叉技術(shù)領(lǐng)域為主的知識與技術(shù)能力，以無限的創(chuàng)新潛質(zhì)、終生具有的科研興趣與好奇心為代表的創(chuàng)新精神?；谛鹿た迫瞬诺纳鲜鋈齻€共性能力特征可知新工科人才應(yīng)具備的關(guān)鍵素質(zhì)，主要包括：社會素質(zhì)（歷史使命、責(zé)任擔(dān)當(dāng)）、專業(yè)素質(zhì)（專業(yè)知識、工程實踐）、創(chuàng)新素質(zhì)（工程研究、求知探索）等。

（二）新工科實踐平臺建設(shè)

大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院在深度分析新工科人才的共性能力特征及關(guān)鍵素質(zhì)的基礎(chǔ)上，按培養(yǎng)新工科人才關(guān)鍵素質(zhì)的類型，空間上校內(nèi)外協(xié)同，時間上貫穿本科四年，探索性建設(shè)了四類實驗實踐平臺。

1. 校企協(xié)同實踐平臺

探索企業(yè)參與開發(fā)和建設(shè)的專業(yè)實踐平臺的可行途徑，打造一批智能制造、綠色制造、“互聯(lián)網(wǎng)+制造”等領(lǐng)域由校企聯(lián)合開發(fā)的教學(xué)資源，針對新工科專業(yè)的多學(xué)科交叉融合的特征和對新工科專業(yè)工程人才在知識、能力素質(zhì)上的新要求，推動教學(xué)實驗環(huán)節(jié)的再造和升級。充分依托校內(nèi)國家級教學(xué)科研平臺，并與國際知名企業(yè)聯(lián)合建立實踐教學(xué)基地，從而實現(xiàn)學(xué)生實踐能力的多層次逐步提升，多學(xué)科融會貫通，使學(xué)生不僅具有實踐能力，更具有大工程觀念。該平臺主要建設(shè)了以下內(nèi)容：

（1）面向理論課程的企業(yè)實踐平臺。針對理論課程教學(xué)，以實際工程問題為切入點，建設(shè)圍繞理論課程的企業(yè)實踐平臺，把理論內(nèi)容移至企業(yè)現(xiàn)場，由校內(nèi)教師和企業(yè)工程師聯(lián)手為學(xué)生打造走進企業(yè)的理論課程。該平臺的建設(shè)將被動式知識灌輸模式改變?yōu)橐哉n程創(chuàng)新任務(wù)為主的引導(dǎo)模式，將以理論講解為主的課堂教學(xué)方式改變?yōu)橐詫嵺`應(yīng)用為目的從課堂到企業(yè)的實踐教學(xué)方式，使得學(xué)生對理論知識的理解事半功倍。

（2）集中授課與分散指導(dǎo)相結(jié)合校企雙導(dǎo)師畢業(yè)設(shè)計模式。實施貫穿選題、指導(dǎo)、答辯全過程的校企協(xié)同畢業(yè)設(shè)計管理與指導(dǎo)模式。在選題階段，校內(nèi)導(dǎo)師與企業(yè)專家聯(lián)合提出具有企業(yè)實際背景，即來自于真實世界的畢設(shè)題目。在畢設(shè)進行過程中，聘請企業(yè)專家針對常用的現(xiàn)代工程軟件進行集中培訓(xùn)，并在隨后的使用過程中給予分散指導(dǎo)。最后，由專家對常用科技文獻(xiàn)撰寫軟件再次進行集中培訓(xùn)，并參與最終畢設(shè)答辯環(huán)節(jié)。這種集中-分散-集中的畢業(yè)設(shè)計模式綜合鍛煉與提升了學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力。

（3）以解決實習(xí)企業(yè)現(xiàn)場工程問題為導(dǎo)向的生產(chǎn)實習(xí)模式。提出以促進學(xué)生知識運用為目的、以解決企業(yè)現(xiàn)場工程問題為導(dǎo)向的生產(chǎn)實習(xí)模式。實習(xí)前校企指導(dǎo)教師之間充分溝通，提煉工程一線實際問題。通過企業(yè)現(xiàn)場授課使學(xué)生了解企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)、工藝流程、生產(chǎn)水平、工藝原理等基本背景知識，并分組提出問題供學(xué)生思考。實習(xí)過程中，企業(yè)導(dǎo)師參與實習(xí)準(zhǔn)備、指導(dǎo)、討論、答辯全過程。這種校企深入合作的生產(chǎn)實習(xí)模式能有效提高學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生實踐學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

2. 工業(yè)級實驗平臺

為培養(yǎng)社會素質(zhì)和專業(yè)素質(zhì)，聘用企業(yè)工程師參與平臺建設(shè)規(guī)劃，在校內(nèi)實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的真實復(fù)現(xiàn)和工程訓(xùn)練的立體化全方位教學(xué)，在工程實踐中強化學(xué)生對專業(yè)知識的理解。學(xué)生在實踐中可針對這些具有工程背景的技術(shù)問題提出自己的解決思路，并進行實踐驗證，一方面培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，另一方面通過與企業(yè)實際解決方案的對比，分析各自方案的優(yōu)缺點獲得進一步提升。該平臺主要建設(shè)了以下內(nèi)容：

（1）以力士樂DS4液壓系統(tǒng)為代表的裝備設(shè)計與

控制類實驗平臺。以工程實踐典型案例為依托，抽取出適用于理論教學(xué)的內(nèi)容，從工程角度出發(fā)，教師提出技術(shù)要求，并指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗步驟。按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)實驗室，搭建工業(yè)級實驗平臺，學(xué)生根據(jù)自行設(shè)計的實驗步驟論證可行性后在工業(yè)級實驗平臺上獨立完成實驗，以此引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性，激發(fā)學(xué)生自身的創(chuàng)造性和實踐動手能力。這種選取工程真實案例作為實驗教學(xué)內(nèi)容的裝備設(shè)計與控制類工業(yè)級實驗平臺，能有效實現(xiàn)對學(xué)生的工業(yè)級訓(xùn)練，提升學(xué)生的工程意識和專業(yè)素養(yǎng)。該平臺還將虛擬仿真與工程實驗深度融合，以企業(yè)實際工程項目為牽引，以學(xué)以致用為目標(biāo)驅(qū)動，將虛擬仿真技術(shù)引入液壓教學(xué)環(huán)節(jié)，用線下工程實驗來驗證線上虛擬仿真結(jié)果，有效解決了無法高效利用先進實驗設(shè)備開展創(chuàng)新性實驗的問題，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手實踐能力。該平臺為國內(nèi)首次將線上虛擬仿真技術(shù)與線下工程實用平臺融合為一體，可實現(xiàn)遠(yuǎn)近程交互式專業(yè)知識學(xué)習(xí)的實驗教學(xué)成果。

（2）以全開放制造島式FMS為代表的先進制造實

驗平臺。以企業(yè)為依托，建設(shè)了能體現(xiàn)現(xiàn)代重大裝備制造企業(yè)現(xiàn)狀的“全開放制造島式FMS實踐教學(xué)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)是目前國內(nèi)首個基于先進實驗教學(xué)理念而建立的大型工業(yè)級的柔性制造系統(tǒng)，為學(xué)生提供了一個具有開放性、創(chuàng)新性和可參與性的實驗平臺，培養(yǎng)學(xué)生“工業(yè)4.0”的智能制造理念，豐富了實踐教學(xué)內(nèi)容，強化了基本技能，增加了實踐動手訓(xùn)練機會，最終達(dá)到提升學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力的目的。

（3）以虛擬焊接和交互式學(xué)習(xí)系統(tǒng)為代表的虛實結(jié)合工程訓(xùn)練平臺。在工程訓(xùn)練的焊接環(huán)節(jié)引入虛擬仿真技術(shù)，將焊接操作過程虛擬化、仿真化，學(xué)生可以通過虛擬焊接設(shè)備調(diào)節(jié)電流/電壓參數(shù)、焊接距離、焊條角度等，模擬出真實焊接的效果?；谠鰪姮F(xiàn)實AR技術(shù)的實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)將傳統(tǒng)意義上的二維圖轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R別的三維模型，即將加工圖紙與加工實體直接對接起來，學(xué)生可通過手機端應(yīng)用程序APP，對相關(guān)圖紙進行掃描和手指操控，在屏幕上查看加工零件的三維圖、加工工藝流程圖和設(shè)備操作安全須知。

3. 科教融合實踐平臺

為培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)，將學(xué)科內(nèi)若干優(yōu)秀科研成果轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新的實驗內(nèi)容和創(chuàng)新型實驗裝置，促進學(xué)生了解和掌握機械制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)，建設(shè)了科教融合實踐平臺。該平臺主要建設(shè)了以下內(nèi)容：

（1）以開放式機械工程測試、機械振動測試、起重機械高速動態(tài)應(yīng)力測試等系統(tǒng)為代表的機械測試類平臺。以學(xué)科優(yōu)勢促進實踐教學(xué)改革，構(gòu)建了獨具特色的基于科研成果轉(zhuǎn)化的實驗項目及其平臺，自主研發(fā)了“面向重大裝備關(guān)鍵部件重載作用下的應(yīng)力應(yīng)變測試實驗裝置”“機械振動測試試驗臺”“起重機械高速動態(tài)應(yīng)力測試系統(tǒng)”等科教融合的實驗平臺，內(nèi)容先進，訓(xùn)練綜合，有利于本科生了解和掌握機械制造領(lǐng)域前沿技術(shù)。

（2）以裝配緊固技術(shù)實驗系統(tǒng)為代表的機械設(shè)計類平臺。該平臺主要包括緊固件幾何參數(shù)及形貌檢測、緊固件摩擦系數(shù)及軸向力檢測、緊固件防松脫特性檢測、緊固裝配工藝試驗、緊固系統(tǒng)動力學(xué)等部分，采用理論為基礎(chǔ)、試驗為支撐、任務(wù)為導(dǎo)向的實驗教學(xué)模式，以提升學(xué)生的測試、分析和設(shè)計能力。

4. 自主創(chuàng)新實踐平臺

為培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)，提供固定場地和實驗設(shè)備，形成學(xué)生自主創(chuàng)新實踐平臺。面向國內(nèi)外科創(chuàng)競賽，建立團隊式管理模式，以機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、起重設(shè)計大賽等國賽為牽引，強化對學(xué)生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。該平臺主要建設(shè)了以下內(nèi)容：

（1）以工業(yè)機器人和機電一體化實現(xiàn)為主的控制實驗系統(tǒng)?！爸悄苤圃臁笔恰吨袊圃?025》明確的主攻方向和突破口，工業(yè)機器人是智能制造中實現(xiàn)柔性自動化的基礎(chǔ)設(shè)施。針對部分理論課程及綜合性實驗項目，搭建了機器人作業(yè)、恒力維持及視覺跟隨系統(tǒng)及其配套模塊。除理論課程及綜合性實驗外，該類控制實驗系統(tǒng)也為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)及畢業(yè)設(shè)計提供平臺支撐。

（2）以服務(wù)學(xué)生自主創(chuàng)新、面向科技競賽為主的機械創(chuàng)新平臺。學(xué)生競賽是檢驗本科人才培養(yǎng)的有效手段之一，通過競賽，學(xué)生能將理論所學(xué)與實踐應(yīng)用緊密結(jié)合，以競賽和獲獎為目的，培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。將創(chuàng)新大賽與大學(xué)生創(chuàng)新項目結(jié)合，搭建以服務(wù)學(xué)生自主創(chuàng)新和面向科技競賽為主的機械創(chuàng)新平臺，探索出一種創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新模式，對培養(yǎng)學(xué)生在重大裝備的創(chuàng)新設(shè)計能力與實踐動手能力方面具有十分重要的意義。

四、結(jié)束語

結(jié)合新工科六問，提出了實踐教學(xué)六問，旨在建設(shè)培養(yǎng)人才工程創(chuàng)新能力的實踐教學(xué)體系。經(jīng)過一年的探索與實踐，大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院嘗試著回答了六問之一二，建設(shè)了四類實踐教學(xué)平臺，包括校企協(xié)同實踐平臺、工業(yè)級實驗平臺、科教融合實踐平臺和自主創(chuàng)新實踐平臺，致力于人才工程創(chuàng)新能力的提升。在前期建設(shè)基礎(chǔ)之上，我們將會秉承新工科理念，繼續(xù)建設(shè)符合高等教育發(fā)展趨勢的實踐教學(xué)體系，為新工科建設(shè)提供支撐。

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