普通高校測繪工程專業(yè)程序設(shè)計類課程的教學改革探討

王永波 陳國良 高井祥 張書畢

摘?要：伴隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，以三維激光掃描為代表的新型批量數(shù)據(jù)采集裝備的出現(xiàn)極大地提高了空間定位數(shù)據(jù)采集的效率，正確、高效地從采集的各類數(shù)據(jù)中提取感興趣的信息成為新時代背景下測繪人員的必備技能。作為培養(yǎng)高級專門人才的搖籃，緊跟行業(yè)需求，在課程設(shè)置、教學內(nèi)容與教學方法方面不斷進行優(yōu)化和調(diào)整是高等院校教學人員的使命。以“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與測繪程序設(shè)計”課程為例，探討了新時代背景下課程教學改革的具體措施，重點討論了教學內(nèi)容的調(diào)整與教學方法的變革等兩個方面，在此基礎(chǔ)上，對多媒體課件研制過程中所面臨的問題及解決措施進行了分析；最后，立足于課程教學改革的現(xiàn)有成果，對課程建設(shè)與改革的下一步工作進行了展望。

關(guān)鍵詞：教學改革??教學方法??教學設(shè)計??程序設(shè)計??測繪工程

中圖分類號：G642.0

Discussion?on?the?Teaching?Reform?of?Programming?Courses?in?Surveying?and?Mapping?Engineering?Majors?in?Colleges?and?Universities

WANG?Yongbo1，2*??CHEN?Guoliang1，2???GAO?Jingxiang1，2???ZHANG?Shubi1，2

1.Key?Laboratory?of?Land?Environment?and?Disaster?Monitoring，?Ministry?of?Natural?Resources，??China?University?of?Mining?and?Technology;?2.?Jiangsu?Key?Laboratory?of?Resources?and?Environmental?Information?Engineering，?China?University?of?Mining?and?Technology，?Xuzhou，?Jiangsu?Province，?221116?China

Abstract：?With?the?rapid?development?of?sensor?technology，?the?emergence?of?new?equipment?for?batch?data?acquisition?represented?by?3D?laser?scanning?has?greatly?improved?the?efficiency?of?spatial?positioning?data?acquisition，?and?correctly?and?efficiently?extracting?interested?information?from?various?types?of?collected?data?has?become?an?essential?skill?for?surveyors?in?the?new?era.?As?cradles?for?cultivating?high-level?specialized?talents，?colleges?and?universities?need?to?keep?up?with?industrial?demands，?and?it?is?the?mission?of?the?teaching?staff?in?colleges?and?universities?to?continuously?optimize?and?adjust?their?curriculum，?teaching?content?and?teaching?methods.?Taking?the?"Data?Structure?&?Surveying?and?Mapping?Program?Design"?course?as?an?example，?this?paper?explores?specific?measures?for?course?teaching?reform?in?the?new?era，?and?focuses?on?two?aspects：?the?adjustment?of?teaching?content?and?the?transformation?of?teaching?methods，?analyzes?problems?and?solutions?in?the?development?of?multimedia?courseware，?and?finally，?based?on?the?existing?achievements?of?course?teaching?reform，?looks?forward?to?next?work?in?course?construction?and?reform.

Key?Words：Teaching?reform;?Teaching?method;?Teaching?design;?Programming;?Surveying?and?mapping?engineering

伴隨著傳感器技術(shù)及其搭載平臺的飛速發(fā)展，三維激光掃描、傾斜攝影測量以及測量機器人等新型批量數(shù)據(jù)采集裝備相繼出現(xiàn)，極大地提高了空間定位數(shù)據(jù)采集的效率，測繪人員的工作重心逐步從室外向室內(nèi)過渡，如何實現(xiàn)外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的高效與自動化處理，正確、高效地從采集的各類數(shù)據(jù)中提取人們感興趣的信息成為了測繪人員的工作重心。正因為如此，利用編程的方式實現(xiàn)空間定位信息的自動化處理已經(jīng)成為了測繪工程本科畢業(yè)生的必備技能，程序設(shè)計類課程也因此成為了高校測繪工程專業(yè)的必修課程。

有關(guān)程序設(shè)計類課程的教學改革一直在進行，自高校測繪工程專業(yè)開設(shè)該類課程以來，結(jié)合測繪工程專業(yè)的特點，高校教師從教學內(nèi)容的設(shè)置和教學方法的設(shè)計等方面亦進行了深入研究，取得了一系列的成果，其中，代表性的工作主要有：李艷紅等人[1]面向新工科的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法實踐教學探索，提出了面向個體差異的教學內(nèi)容設(shè)計、基于案例驅(qū)動的啟發(fā)式教學、學生為中心的分享研討式教學和注重多元融合的教學評價體系的教學改革思路，介紹了具體教學實施過程，為培養(yǎng)新工科背景下具備實踐能力和創(chuàng)新能力的程序設(shè)計人才提供借鑒；張恒璟等人[2]以適應(yīng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系建設(shè)的需要作為出發(fā)點，從程序設(shè)計類課程建設(shè)的總體目標、教學改革的方法手段、課程重難點問題的處理等方面探討了課程的改革方向，以提高學生的應(yīng)用創(chuàng)新能力；丁海勇等人[3]針對測繪程序設(shè)計類課程教學中存在重理論輕實踐、編程語言內(nèi)容學時較多的問題，介紹了案例導(dǎo)向型測量程序設(shè)計教學方法；湯俊和李長春[4]立足于“卓越計劃”的背景，從優(yōu)化教學內(nèi)容、豐富教學手段、提高實踐能力、完善考核體系等幾個方面對測量程序設(shè)計課程的教學改革進行了探討，并對其進行了集“專業(yè)導(dǎo)向、課堂講授、自主學習、課程實驗”于一體化的全方位、多層次改革與實踐；王永波等人[5-6]分別對面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法在程序設(shè)計類課程中的實施，以及程序設(shè)計類課程的教學設(shè)計進行了探討；曾喆等人[7]通過問卷調(diào)查的方式分析了測繪工程專業(yè)程序設(shè)計類課程教學過程中存在的問題，并從課程的整體教學策略、學時配置、課堂及實踐教學內(nèi)容設(shè)計、考試方法這幾個方面給出了相應(yīng)的教學方案，對課程的教學方式與方法進行了探討；王建強等人[8]結(jié)合測繪程序設(shè)計的教學實踐，對當前教學過程中存在的問題進行了分析，以課程教學目標作為基本的出發(fā)點，對課程內(nèi)容、教學模式和考核方式進行了優(yōu)化設(shè)計；張杰和湯征[9]結(jié)合指導(dǎo)測繪程序設(shè)計競賽的經(jīng)驗和心得體會，分析了影響測繪程序設(shè)計課程教學效果的因素，并提出了賽課結(jié)合的改革措施和方法；孫姝娟等人[10]以培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才為導(dǎo)向?qū)y繪程序設(shè)計課程的教學改革進行了研究，深入剖析了當前課程教學中所存在的問題，從課程設(shè)置、教學內(nèi)容設(shè)計、教學手段等方面提出了相應(yīng)的改革措施；閆凱等人[11]以“新工科”人才需求為導(dǎo)向，以“測量程序設(shè)計”課程為實踐，探索了以“互聯(lián)網(wǎng)海量知識+引導(dǎo)式教學方法”為核心的教學模式，取得了“魚漁并授”的良好效果，為探索高校創(chuàng)新復(fù)合型人才的培養(yǎng)模式提供了借鑒；朱進等人[12]根據(jù)測繪地理信息類專業(yè)學生的培養(yǎng)要求，采用面向計算思維的案例式教學，引導(dǎo)學生分析問題并設(shè)計相應(yīng)的解決方案，顯著提高了學生的學習興趣和計算思維能力。

從現(xiàn)有的研究來看，當前，高校測繪工程專業(yè)程序設(shè)計類開發(fā)課程的教學中尚存在如下問題：（1）教學內(nèi)容的焦點集中在程序設(shè)計的知識點傳授方面，如何應(yīng)用科學的方法來指導(dǎo)整個程序（軟件）的開發(fā)過程，此部分內(nèi)容相對缺乏；（2）教學過程中對數(shù)據(jù)的組織與管理方面的教學內(nèi)容相對較少，特別是控制網(wǎng)的自動化識別，目前的研究相對較少，需要加強；（3）有關(guān)數(shù)值計算的內(nèi)容相對不足，給程序?qū)崿F(xiàn)帶來了一定在困難。

中國礦業(yè)大學測繪工程專業(yè)早在30年前便為測繪工程專業(yè)在校全日制本科生開設(shè)了程序設(shè)計類課程，在課程的教學內(nèi)容制定、教學模式與教學方法探索方面積累了豐富的經(jīng)驗，并在2020版課程質(zhì)量標準制定中正式以“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與測繪程序設(shè)計”命名。筆者于2009年開始成為課程的負責人，從教學內(nèi)容的制定、教學方法的研討以及教學實踐的探索等各方面對課程進行了一系列改革，取得了較好的成效。本文以“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與測繪程序設(shè)計”課程近十余年來課程教學改革中所取得的成果作為出發(fā)點，詳細介紹了課程內(nèi)容的設(shè)置、教學方法的改革、多媒體課件的研究等方面的情況，并結(jié)合教學改革成果的應(yīng)用情況，對今后的課程改革方向進行了展望。

1?教學內(nèi)容的改革

對于測繪工程專業(yè)而言，程序設(shè)計類課程的教學總體目標是培養(yǎng)學生應(yīng)用計算機技術(shù)解決測繪專業(yè)問題的能力，讓學生掌握不同類型的典型測繪軟件設(shè)計方法，使得學生初步具備編寫測繪軟件常用算法的能力以及開發(fā)中小規(guī)模測繪專業(yè)軟件的能力。在具體教學目標的設(shè)定上，主要有如下幾個方面：（1）通過該類課程的學習，使學生了解測繪行業(yè)軟件發(fā)展的最新動態(tài)，認識軟件危機產(chǎn)生的基本原因及其克服軟件危機的基本思路與方法；（2）掌握測繪數(shù)據(jù)處理過程中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；（3）初步了解并熟練掌握測繪程序設(shè)計過程中所涉及的基本數(shù)值方法；（4）了解軟件工程的基本思想，熟悉生命周期法在測繪軟件設(shè)計與開發(fā)過程中各個階段的基本職能?；诮虒W目標的考慮，在教學內(nèi)容的設(shè)置上，主要包括軟件工程的基本知識、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)值分析這3個方面的內(nèi)容。

1.1?軟件工程

當前，對于每一位從事軟件開發(fā)的工作人員而言，有必要了解并正確認識軟件危機，并利用科學的方法來緩解軟件危機的影響，以達到延長軟件生命周期的目的。在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與測繪程序設(shè)計”這一課程內(nèi)容的制定上，增加了“軟件工程學”的相關(guān)知識點，具體包括軟件危機的定義與產(chǎn)生原因和克服軟件危機的方法與途徑兩個內(nèi)容，其中，作為克服軟件危機的方法與途徑的主要手段，軟件生命周期的基本定義及其在各生命周期內(nèi)軟件開發(fā)人員的職責（如圖1所示）是這一部分的重點講解內(nèi)容，通過此部分內(nèi)容的講解，讓學生了解并掌握大型軟件開發(fā)過程中的基本方法與思路。

1.2?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2008年之前，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”和“測繪軟件設(shè)計與實現(xiàn)”作為兩門獨立的課程為筆者學校測繪工程專業(yè)本科生開設(shè)，其中，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的教學內(nèi)容大部分延續(xù)了計算機專業(yè)的教學內(nèi)容，在教學過程中主要講解線性表、樹、圖等基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其與之相關(guān)的算法；而“測繪軟件設(shè)計與實現(xiàn)”課程則注重講解一些常用算法的編寫，如坐標正算與坐標反算、前方交會等。上述兩門課程的內(nèi)容之間重合度較低，學生通常難以理解開設(shè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程對于測繪專業(yè)的意義。

為了打通兩門課程之間的壁壘，盡快建立起兩門課程之間的橋梁，在筆者接手“測繪軟件設(shè)計與實現(xiàn)”課程后，對教學內(nèi)容進行了較大的調(diào)整，將課程的目標從原先的常用算法的編寫調(diào)整為控制網(wǎng)平差程序的設(shè)計與實現(xiàn)。如此，在編程實現(xiàn)過程中，學生將需要利用“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的所學的圖結(jié)構(gòu)對控制網(wǎng)進行表達與描述，并基于圖實現(xiàn)對控制網(wǎng)中相關(guān)信息（如誤差方程的列立、附/閉合路線的查找與條件方程的確定等）的提取，進而實現(xiàn)兩門課程內(nèi)容之間的融會貫通?！皵?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與測繪程序設(shè)計”課程中有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)部分的學習內(nèi)容安排如圖2所示。

1.3?數(shù)值分析

在經(jīng)典的控制網(wǎng)平差中，方陣求逆是每一個程序開發(fā)人員必須解決的問題。作為“測繪軟件設(shè)計與實現(xiàn)”的先修課程之一，將“線性代數(shù)”的課堂所學知識直接應(yīng)用于控制網(wǎng)平差，很多同學根本無從下手?；诖?，在筆者接手“測繪軟件設(shè)計與實現(xiàn)”課程后，加入了“數(shù)值分析”中的部分教學內(nèi)容，具體包括線性方程組求解、曲線曲面擬合兩個部分的內(nèi)容（如圖3所示）。通過學習，并配備了4個相應(yīng)的上機學時，如此，學生可以輕松地解決在測繪內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中所涉及的數(shù)值計算問題。

2?教學方法改革

作為一門以培養(yǎng)學生實際動手能力和創(chuàng)新能力為目標的專業(yè)主干課程，教師在日常教學過程中應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)灌輸式教學、理論脫離實際等問題，針對不同的教學內(nèi)容，靈活應(yīng)用項目引導(dǎo)式教學法、翻轉(zhuǎn)課堂教學法、專題研討式教學法和案例式教學法這4種不同的教學方法（如圖4所示）。

2.1?項目引導(dǎo)式教學法

項目引導(dǎo)式教學法即以工程應(yīng)用的現(xiàn)實需求為導(dǎo)向，結(jié)合課堂教學內(nèi)容，對照相應(yīng)的工作情景和條件，指定學生本人為具體實務(wù)的承擔者，促其思考如何具體開展相應(yīng)的項目研究，從而使抽象的知識具體化、形象化。具體教學中，利用圖對控制網(wǎng)進行表達與描述、基于圖的誤差方程的列立，以及基于圖的附合/閉合路線的提取等，均被列舉為現(xiàn)實的需求，要求學生結(jié)合課堂所學知識來編程實現(xiàn)相應(yīng)的算法。

該方法可以將學生引入實際情景中，調(diào)動學生的主觀能動性，在工作情景中較為輕松地掌握課堂所學知識，進而鍛煉其實際動手能力。

2.2?翻轉(zhuǎn)課堂教學法

翻轉(zhuǎn)課堂的本質(zhì)是轉(zhuǎn)變師生的角色。課前，任課老師就某一特定問題對學生提出教學目標與要求，針對具體的問題，學生在課堂完成相應(yīng)資料的收集、問題的思考以及課堂上相關(guān)的提問。課堂上，通過教師合理的引導(dǎo)，由指定學生扮演教師的角色，面向全體同學給出問題的解決方案，在此過程中，教師扮演的角色是一名“學生”。除此之外，通過引導(dǎo)，臺下學生可以就臺上學生講解的內(nèi)容發(fā)表自己的觀點和見解，進而激發(fā)大家的思考。

通過翻轉(zhuǎn)課堂教學法，鼓勵學生通過平等交流的方式完成相應(yīng)知識體系的構(gòu)建。

2.3?專題研討式教學法

專題研討式教學法可以啟發(fā)學生從多角度思考問題，集思廣益，訓練學生的創(chuàng)造性思維。具體而言，課堂上，學生就教師指定的某一特定問題進行討論，以尋求問題的解決方案。作為教師，組織專題研討時需要精心設(shè)計研討主題，研討主題應(yīng)具有典型性、爭議性，最重要的是要具備討論的空間。選定主題后，可按如下操作進行：（1）將研討主題提前下達給學生，學生分組進行（以6～8人為宜）；（2）各小組成員利用課余時間，根據(jù)下達的主題查閱相關(guān)資料、討論，并將討論結(jié)果利用PPT的形式展現(xiàn)出來，并推薦1人作為小組代表進行課堂發(fā)言；（3）課堂討論時，各組代表輪流上臺發(fā)言，闡述本組成員的觀點和討論結(jié)果，對闡述不夠全面和完善的地方，小組其他成員可加以補充，每組發(fā)言時間控制在6～8?min；（4）其他小組成員對其匯報內(nèi)容進行提問，并開展討論；（5）討論完畢后，以組為單位進行評定等級，記入學生平時成績。

2.4?案例式教學法

案例式教學法的主旨是“理論聯(lián)系實際”，結(jié)合課堂所學知識對某一具體案例進行分析，并通過提問、小組討論等方式使學生積極參與到教學過程中來，促進學生主動思考，獨立分析，可能的情況下并將學生的角色反轉(zhuǎn)為教學過程的主體，強化學生對知識的深刻理解和把握，提高學生分析問題和解決問題的能力。“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與測繪軟件開發(fā)”課程的案例教學法既包括在授課時結(jié)合授課內(nèi)容的及時舉例，也包括針對重點教學內(nèi)容而設(shè)計的具體案例講解，同學們一方面需要結(jié)合課堂所學知識對案例進行分析、思考和作答，另一方面也可結(jié)合授課內(nèi)容對他人的觀點進行點評。

3?多媒體課件的研制

經(jīng)過多年的建設(shè)，對于課程的內(nèi)容已經(jīng)基本完善，制作成相應(yīng)的課程并應(yīng)用于實際教學中。然而，在教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生在學習過程中，狀態(tài)通常由剛開始的積極到最后的被動接受，教學過程中師生互動存在明顯不足。究其原因，除了課程內(nèi)容相對枯燥外，多媒體課件形式較為固化、靈活元素不足是導(dǎo)致學生狀態(tài)發(fā)生明顯改變的主要原因?；诖?，對多媒體課件進行了設(shè)計與研發(fā)，具體措施如下：（1）在內(nèi)容上將理論太深、與專業(yè)課程相關(guān)性較弱的部分內(nèi)容進行了刪減；（2）對多媒體課件的配色、頁面等多方面進行調(diào)整，使得課件在顏色配色方面更賞心悅目，讓學生更容易接受；（3）在課件中加入了較多的動畫，用于演示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中插入、刪除等相關(guān)操作，使得學生對課堂教學內(nèi)容的理解更為深刻。

當前，新研制課件已經(jīng)投入使用，并取得了較好的教學效果。

4?教學改革成果的應(yīng)用情況

當前，《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與測繪程序設(shè)計》教學改革項目的研究成果已經(jīng)在我校測繪工程專業(yè)2020級、2021級和2022級本科生的課堂教學與實踐環(huán)節(jié)之中，取得了較好的教學效果，總結(jié)如下。

4.1?對課堂教學效果的提升

教學內(nèi)容的改革，從軟件開發(fā)的整體層面上來講，讓學生對于軟件危機有了正確的認識，對克服軟件危機的方法有了較好的把握，從而可以更好地利用軟件生命周期法來指導(dǎo)整個軟件開發(fā)過程；從程序編寫的層面來看，教學內(nèi)容的改革有效地將線性表、樹與二叉樹、圖等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于測繪數(shù)據(jù)處理的具體過程之中，學生的學習觀念從“為學習而學習”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盀閼?yīng)用而學習”，大大地提升了教學的效果，激發(fā)了學生的編程興趣。

教學方法的改革，改變了傳統(tǒng)的“填鴨式”教育，每一位同學都可以變成教學的主體，可以成為別人的“教師”，教學過程中角色的轉(zhuǎn)變，使得課堂的氣氛變得異?；钴S，學生的學習積極性得到了增強；更為重要的是，為了在課堂上扮演好“教師”的角色，他們會充分利用課余時間進行相應(yīng)的準備，大大地提高了時間的利用率。

總體而言，通過新的課程體系的學習，同學們對編程表現(xiàn)出了濃厚興趣，部分同學在課外時間積極與任課老師聯(lián)系，要求動手編制作為課外思考題的程序，并希望得到任課老師的指導(dǎo)。

4.2?對創(chuàng)新型專業(yè)人才培養(yǎng)的貢獻

通過“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與測繪軟件開發(fā)”課程的學習，增強了學生從事程序設(shè)計與開發(fā)的自信心，激發(fā)了學生動手編程的興趣，得益于課堂所學知識與積累的程序開發(fā)經(jīng)驗，學生在教學實踐環(huán)節(jié)表現(xiàn)出了充分的主動性和積極性，一大批學生對軟件開發(fā)表現(xiàn)出了強烈的興趣。

值得一提的是，理論教學與實踐教學的有機結(jié)合，學生的動手能力得到了大幅提升，大大地增強了學生的自信心，拓展了學生的就業(yè)面。尤其是通過軟件危機與軟件生命周期的學習，使得學生對軟件開發(fā)的全過程不再陌生，一部分學生已經(jīng)與測繪、GIS相關(guān)的軟件開發(fā)公司建立了聯(lián)系，參與到具體的軟件開發(fā)項目的組織、管理與實施工作中。

5?結(jié)語

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與測繪程序設(shè)計”課程教學改革的經(jīng)驗告訴我們，學以致用是專業(yè)類課程教學的基本出發(fā)點。在科學技術(shù)得到迅猛發(fā)展的今天，以測繪工程為代表的部分專業(yè)其工作內(nèi)容和性質(zhì)均發(fā)生了翻天覆地的變化，為了能夠培養(yǎng)出符合行業(yè)需求的高級專門人才，高校專業(yè)課程的設(shè)置及其教學內(nèi)容的更新均應(yīng)時刻保持與行業(yè)需求相掛鉤。

與此同時，在課堂教學中教師通過綜合運用案例教學法和項目引導(dǎo)式教學法可在一定程度上實現(xiàn)以用促學；更為重要的是，以切實地解決工程問題作為理論知識講解的切入點，可在很大程度上激發(fā)學生的學習興趣，提高學生學習的積極性和主觀能動性。

立足于“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與測繪程序設(shè)計”課程建設(shè)的成果，在今后的教學中將繼續(xù)做好如下工作。

（1）在能力培養(yǎng)方面，將培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力作為考核的重要指標，進一步擴大課程與現(xiàn)有其他課程之間的銜接，建立以培養(yǎng)創(chuàng)造能力為目標的開放式實踐教學模式，整合構(gòu)建創(chuàng)新型實踐教學環(huán)節(jié)。

（2）以做好課堂理論知識與實踐環(huán)節(jié)之間的無縫對接為目標，進一步優(yōu)選部分核心課程為試點，實施全程開放、師生互動的實踐教學模式，展開“師生討論、聯(lián)合攻關(guān)、互動教學、鼓勵創(chuàng)新”的新型教學活動。

（3）繼續(xù)深入地對現(xiàn)有的多媒體教學模式進行改革，在多門課程中繼續(xù)嘗試研制專門化、功能化、網(wǎng)絡(luò)化、開放式、互動型的多媒體教學課件，探索新型的多媒體教學方法。

參考文獻

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