北方工業(yè)大學(xué)胡福文：3D打印創(chuàng)新教育的關(guān)鍵是內(nèi)容創(chuàng)新

南極熊備注：本文是由北方工業(yè)大學(xué) 副教授 碩士研究生導(dǎo)師 胡福文 投稿，深刻思考了3D打印的創(chuàng)新教育，值得讀者細(xì)細(xì)閱讀。


3D打印作為一種數(shù)字化的直接制造技術(shù)，破除了傳統(tǒng)物質(zhì)條件、制造條件和設(shè)計空間對人們創(chuàng)造獲得約束，讓“創(chuàng)物、創(chuàng)材、創(chuàng)意”變得無限制、無邊界。學(xué)習(xí)和掌握3D打印技術(shù)，對于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造潛力，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，營造全新的學(xué)習(xí)體驗，均具有重要意義。以內(nèi)容創(chuàng)新為核心，依托創(chuàng)客空間、創(chuàng)新工坊、STEAM課程、創(chuàng)新創(chuàng)意競賽等多形態(tài)平臺，開發(fā)并構(gòu)建知識驅(qū)動型、動手實踐型、創(chuàng)新驅(qū)動型和綜合創(chuàng)造型3D打印創(chuàng)新教育課程矩陣，是推進(jìn)3D打印創(chuàng)新教育內(nèi)涵發(fā)展的有效途徑。

3D打印被譽(yù)為一項改變世界的顛覆性技術(shù)，正在快速應(yīng)用到人們生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。作為一種數(shù)字化的直接制造技術(shù)，3D打印最大程度解除了 “減材”加工、“等材”加工等傳統(tǒng)制造條件對人們創(chuàng)新創(chuàng)造能力的束縛，大大降低了創(chuàng)新創(chuàng)造的門檻，從而成為驅(qū)動創(chuàng)新大眾化的重要技術(shù)平臺。學(xué)習(xí)和掌握3D打印技術(shù)，對于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造潛力，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，營造全新的學(xué)習(xí)體驗，均具有重要意義。美國、英國及我國的政府、學(xué)校及相關(guān)企業(yè)在推動3D打印技術(shù)“進(jìn)校園、進(jìn)課堂、進(jìn)實驗室”從資金、政策及技術(shù)方面提供了有力支撐，從而對推動3D打印創(chuàng)新教育的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。然而正如很多先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用一樣，3D打印在從“技術(shù)優(yōu)勢或工具優(yōu)勢”向“內(nèi)容優(yōu)勢或創(chuàng)新優(yōu)勢”的發(fā)展進(jìn)化過程中卻不如預(yù)期的那樣理想。原因自然是多方面的，但最大的瓶頸在于缺乏內(nèi)容創(chuàng)新。本文擬從內(nèi)容創(chuàng)新的角度，探討推進(jìn)3D打印創(chuàng)新內(nèi)涵發(fā)展的相關(guān)策略。

一、3D打印的技術(shù)優(yōu)勢
3D打印技術(shù)之所以被譽(yù)為改變世界的顛覆性技術(shù)，是和其與生俱來的“數(shù)字化、直接化、自由化”制造優(yōu)勢密切相關(guān)。與傳統(tǒng)的“減材”切削制造、“等材”成形制造等技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有“所想即所得”、“設(shè)計即制造”的技術(shù)優(yōu)勢。

（1）生長性制造原理驅(qū)動3D打印破除了傳統(tǒng)制造條件的約束，讓“造物”無邊界。
傳統(tǒng)的“減材”切削制造（車削、銑削、刨削等）和“等材”成形制造（鑄造、沖壓、拉深、焊接等），操作實施過程和物體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度嚴(yán)格相關(guān)，物件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，實施過程也越復(fù)雜，對操作人員的技術(shù)要求也越高，制造成本也越高。傳統(tǒng)制造工藝受限于刀具、模具形狀，無法制造出復(fù)雜曲面、異形深孔結(jié)構(gòu)、封閉鏤空結(jié)構(gòu)、微孔晶陣結(jié)構(gòu)等。但是對于3D打印或增材制造來說，其打印一個簡單圓柱體，和打印一個體積相同的鏤空花瓶，所消耗的材料、時間等成本相差無幾，對操作人員的技術(shù)要求也沒有差別，即3D打印的復(fù)雜性邊際成本幾乎為零，如圖1所示。3D打印的這種數(shù)字化直接制造、自由制造的優(yōu)勢，3D打印破除了傳統(tǒng)制造條件對人們創(chuàng)造活動的約束，在制作復(fù)雜的、個性化的物件方面具有明顯的比較優(yōu)勢，越來越多的傳統(tǒng)加工手段無法實現(xiàn)的物體通過3D打印技術(shù)制造出來。

圖1 3D打印和傳統(tǒng)制造的對比

（2）數(shù)字化材料復(fù)合原理驅(qū)動3D打印破除了傳統(tǒng)物質(zhì)條件的約束，讓“創(chuàng)材”無邊界。
傳統(tǒng)的“減材”切削制造（切削、銑削等）加工過程中，往往會產(chǎn)生大量的切屑，有些航空航天結(jié)構(gòu)件材料的切削去除率甚至高達(dá)95%，這無疑是原材料的巨大浪費。比較來說，3D打印幾乎能將98%以上的原材料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，因此3D打印屬于節(jié)約材料的加工技術(shù)。此外，3D打印技術(shù)也可以實現(xiàn)多種材料的任意復(fù)合或組合，從而制造出具有獨特屬性和功能的全新材料，例如，負(fù)膨脹超材料、負(fù)泊松比超材料、電磁學(xué)超材料等人工超材料，多尺度復(fù)合材料、多材料功能材料等。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印更是開辟前所有未有的“創(chuàng)材”空間，越來越多的具有生物活性、生物相容性、生理功能性或生物熱力學(xué)特性的“新材料”通過3D打印技術(shù)被創(chuàng)造出來，從而驅(qū)動3D打印從“創(chuàng)材”邁向“創(chuàng)生”。

圖2 3D打印的創(chuàng)材空間

（3）自由化建造模型原理驅(qū)動3D打印破除了傳統(tǒng)設(shè)計空間的約束，讓“創(chuàng)意”無邊界。
3D打印可以將任意形狀的三維數(shù)字模型加工成實物，其三維數(shù)據(jù)源首先來自設(shè)計師的三維數(shù)字化設(shè)計，其次可以通過三維掃描儀逆向?qū)嵨锝�模獲取，還可以通過數(shù)學(xué)建模軟件、大數(shù)據(jù)以及虛擬現(xiàn)實交互生成超出人類正常思維空間的“超模型”，總之3D打印破除了傳統(tǒng)設(shè)計空間的約束，讓“創(chuàng)意”無邊界，讓普通人、跨專業(yè)人員和專業(yè)人員一樣均能開展創(chuàng)意設(shè)計活動。其次，基于3D打印的技術(shù)優(yōu)勢，人們廣泛參與設(shè)計的過程中孕育了很多新穎的設(shè)計理念和設(shè)計理論，比如少/免裝配設(shè)計、基于現(xiàn)有實物擴(kuò)展的增強(qiáng)設(shè)計、基于數(shù)學(xué)模型/大數(shù)據(jù)/虛擬現(xiàn)實驅(qū)動的超模型設(shè)計、基于微晶結(jié)構(gòu)的多尺度設(shè)計、基于材料復(fù)合的功能集成設(shè)計等等。圖3是基于現(xiàn)有實物擴(kuò)展的增強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計的案例，其中（a）是給膠槍擴(kuò)展設(shè)計了一個支腿，（b）是在現(xiàn)有魔方的表面貼上3D打印的形狀，從而讓魔方可以“盲玩”，（c）是給咖啡杯設(shè)計的一個杯套，（d）是意大利設(shè)計師libero rutilo利用廢塑料瓶增強(qiáng)設(shè)計的3D打印創(chuàng)意花瓶，這些設(shè)計通過3D打印不僅易于實現(xiàn)，無疑會給人們的生活帶來了便利、樂趣、綠色、溫暖和個性化。
經(jīng)過30多年的發(fā)展，截止到目前，根據(jù)不同的材料復(fù)合原理，已有分層實體制造（LOM）、光固化快速成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS) 等十多種3D打印技術(shù)方法被發(fā)明出來，構(gòu)成了百花齊放的3D 打印技術(shù)體系。3D打印進(jìn)一步和醫(yī)學(xué)、服裝、建筑、家電、工業(yè)制造、工業(yè)設(shè)計、食物加工等行業(yè)的特殊需求相結(jié)合，讓“創(chuàng)物、創(chuàng)材、創(chuàng)意”的邊界無限擴(kuò)展，日益爆發(fā)出人類歷史上前所未有的創(chuàng)新創(chuàng)造力量。

圖3 基于已有實物的3D打印增強(qiáng)設(shè)計

二、3D打印創(chuàng)新教育的實施樣態(tài)
充分挖掘和發(fā)揮3D打印“所想即所得”的數(shù)字化直接制造優(yōu)勢，融合做中學(xué)、創(chuàng)客教育、STEAM教育（Science， Technology，Engineering，Art &Mathematics，簡稱STEAM）、成果導(dǎo)向教育（Outcome Based Education，簡稱OBE）等教育理念，通過科技實踐課、課外興趣班、社團(tuán)活動、創(chuàng)客實驗室、科技競賽活動等多途徑，推進(jìn)3D打印進(jìn)校園、進(jìn)課堂，讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握3D打印技術(shù)，對于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造潛力，營造全新的學(xué)習(xí)體驗，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，具有重要意義。

（1）基于“做中學(xué)”的理念，開發(fā)基于知識驅(qū)動的3D打印創(chuàng)新課程。
“做中學(xué)”的提出者、美國著名教育家約翰˙杜威明確提出“從做中學(xué)比從聽中學(xué)是更好的學(xué)習(xí)方法”。我國著名教育家陶行知主張“教學(xué)做合一”，“教學(xué)做是一件事，不是三件事。我們要在做上教，在做上學(xué)”。相對于以教師為中心、“聽中學(xué)”、“學(xué)以致考”的演繹式教學(xué)模式，“做中學(xué)”模式則屬于歸納法教學(xué)模式等�！白鲋袑W(xué)”以學(xué)生為中心，學(xué)生由學(xué)習(xí)過程的被動接受者轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極參與者，成為學(xué)習(xí)的主角；教師則起著引導(dǎo)和幫助學(xué)生發(fā)揮潛能進(jìn)行主動學(xué)習(xí)和有效學(xué)習(xí)的作用，也比傳統(tǒng)的演繹式教學(xué)擔(dān)負(fù)更多的責(zé)任、需要更多的投入。

基于“做中學(xué)”的理念，將3D打印技術(shù)作為輔助教學(xué)平臺，挖掘語文、數(shù)學(xué)、生物、藝術(shù)、物理、化學(xué)等學(xué)科課程的學(xué)習(xí)重點和難點，構(gòu)建可視化、可觸摸、可拆解的3D模型，輔助主干課程學(xué)習(xí)。如圖4所示，在小學(xué)語文《趙州橋》的教學(xué)中，大部分小學(xué)生就只能通過圖片或視頻來了解趙州橋的結(jié)構(gòu)，而利用3D 打印技術(shù)打印出趙州橋的模型，學(xué)生就可以很直觀地觀察、欣賞趙州橋的整體及各個部分的構(gòu)成。在生物課上，學(xué)習(xí)人體骨骼結(jié)構(gòu)時，可以將復(fù)雜的脊椎等人體結(jié)構(gòu)打印出來，從而將復(fù)雜的、難以觸摸到、難以見到真實面目的人體骨骼或內(nèi)臟器官變得可視化、可觸摸、可拆解。在數(shù)學(xué)課上，打印出一個幾何體的模型，便可以更直觀地幫助學(xué)生了解幾何內(nèi)部各元素之間的聯(lián)系，解析幾何的學(xué)習(xí)將更輕松。3D打印可以讓知識可視化、可觸摸，讓分散的知識集成起來形成有意義、有意思的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以快速縮小“抽象”和“具體”、“理論和實踐”之間的差距，有利于構(gòu)建全新的學(xué)習(xí)體驗，輔助主干課程學(xué)習(xí)。

圖4 應(yīng)用3D打印輔助構(gòu)建全新的教學(xué)環(huán)境

（2）基于STEAM教育理念，開發(fā)基于創(chuàng)造學(xué)習(xí)的創(chuàng)新實踐課程。
STEAM是五個單詞的縮寫：Science（科學(xué)）, Technology（技術(shù)）, Engineering（工程）, Arts（藝術(shù)）, Math（數(shù)學(xué)）。STEAM是美國政府提出的教育倡議，即加強(qiáng)美國K12關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)以及數(shù)學(xué)的教育。STEAM教育理念的本質(zhì)是讓學(xué)生們自己動手完成他們感興趣的、并且和他們生活相關(guān)的項目，從過程中學(xué)習(xí)各種學(xué)科以及跨學(xué)科的知識。

圖5 STEAM學(xué)習(xí)案例

圖5是STEAM學(xué)習(xí)案例，(a)-(f)分別是機(jī)械式計算機(jī)、中國古代指南車、風(fēng)能-重力勢能轉(zhuǎn)化裝置、磁懸浮裝置、韋氏靜電發(fā)電機(jī)、超材料結(jié)構(gòu)扳手。以類似的STEAM學(xué)習(xí)案例作為牽引，引導(dǎo)學(xué)生用3D打印機(jī)制作并裝配起來，無疑會使整個教學(xué)過程充滿了趣味性、吸引力和創(chuàng)造性，有利于學(xué)科間知識的整合，開展綜合性學(xué)習(xí)活動，發(fā)展學(xué)習(xí)者的跨學(xué)科思維，實現(xiàn)學(xué)科知識的綜合運(yùn)用，全方位的培養(yǎng)學(xué)生知識綜合應(yīng)用能力、動手能力、三維數(shù)字建模能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

（3）基于創(chuàng)客文化，建立基于動手實踐的創(chuàng)客實驗室。
創(chuàng)客是互聯(lián)網(wǎng)向制造業(yè)深化、互聯(lián)網(wǎng)向傳統(tǒng)教育模式滲透、數(shù)字化直接制造技術(shù)發(fā)展、開源軟硬件平臺興起等綜合效應(yīng)的產(chǎn)物，是傳統(tǒng) “DIYer”的升級版。創(chuàng)客文化是從創(chuàng)客活動的群體所共同認(rèn)同、共同遵守的基本理念和準(zhǔn)則，其基本內(nèi)涵包括：鼓勵技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用和傳統(tǒng)劃分下不同領(lǐng)域技術(shù)的交叉創(chuàng)新；特別強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)（Learning Through Doing）”，鼓勵做的過程中大膽試錯和嘗試創(chuàng)新，而不是按部就班、墨守成規(guī)；認(rèn)同網(wǎng)絡(luò)社區(qū)學(xué)習(xí)交流（線上）和面對面（線下）同伴學(xué)習(xí)分享的重要作用。創(chuàng)客文化應(yīng)當(dāng)說是成長于“正規(guī)學(xué)習(xí)系統(tǒng)”的高墻之外，它不僅僅是涉及到具體對象的創(chuàng)新創(chuàng)造，也涉及到基于此而構(gòu)建的社會化學(xué)習(xí)和分享的文化。

基于創(chuàng)客文化建立創(chuàng)客實驗室需要的支撐平臺包括活動場所、制造平臺、開源技術(shù)平臺、創(chuàng)意交流平臺等。制造平臺指的是相對完備的自制造環(huán)境，一般應(yīng)包括鉗工臺、鉆銑床、激光切割機(jī)、小型數(shù)控中心、3D打印機(jī)等基本制造設(shè)備，從而可以確保學(xué)生自主化的快速實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)造。技術(shù)平臺包括各類開源的、低成本的軟硬件平臺，一般配置Arduino、Raspberry Pi、Intel Edison等控制器，還要有機(jī)械電子元器件、型材結(jié)構(gòu)件、各類傳感器等基礎(chǔ)材料。創(chuàng)意平臺包括創(chuàng)意交流會、經(jīng)驗分享會、項目交流會等經(jīng)常性的創(chuàng)意活動以及熏陶出來的創(chuàng)意氛圍。圖6是網(wǎng)絡(luò)社區(qū)上的一些開源創(chuàng)客項目，(a)-(f)分別是仿人機(jī)器人、多足機(jī)器人、機(jī)械臂、四旋翼、兩輪平衡車、智能小車。

圖6 創(chuàng)客開源項目案例

（4）基于競賽活動，培育基于競賽牽引的創(chuàng)新實踐社團(tuán)。
學(xué)科競賽或科技創(chuàng)新競賽活動從參與范圍來說可分為校級、省部級、國家級和國際級競賽，從競賽命題形式上來說分為命題式任務(wù)積分賽、主題對抗賽、無主題式創(chuàng)新賽、交流式友好賽等多種類型�；�于競賽活動牽引，以賽促學(xué)、以賽促創(chuàng)，全面提高學(xué)生的綜合能力，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件是教育屆的共識。通過組織學(xué)生參加3D作品創(chuàng)新設(shè)計大賽、3D打印創(chuàng)新設(shè)計親子馬拉松等競賽實踐活動，開展具有競爭環(huán)節(jié)、親子環(huán)節(jié)和團(tuán)隊精神的科技實踐競賽活動，實現(xiàn)創(chuàng)新能力、團(tuán)隊精神、表達(dá)能力、溝通能力等能力的全方位訓(xùn)練和培訓(xùn)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

三、3D打印創(chuàng)新教育的發(fā)展趨勢
從全世界范圍來看，發(fā)達(dá)國家的3D打印技術(shù)早已進(jìn)入教育領(lǐng)域。如美國幾乎所有的大學(xué)、中學(xué)、小學(xué)都開設(shè)了3D打印創(chuàng)客課堂，通過3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)，對青少年進(jìn)行創(chuàng)新意識、技術(shù)手段的培養(yǎng)，讓3D打印成為促進(jìn)“美國智造”的有力手段。2012 年，英國教育部將 3D 打印列入中小學(xué)國家課程表，并向 21 所國立中學(xué)的STEM和設(shè)計課程提供資金資源。2013 年 10月起，英國的上千名中小學(xué)教師將接受 3D 打印相關(guān)的教學(xué)培訓(xùn)課程，為學(xué)生們能夠獲得這一在工程領(lǐng)域中的新的實用技術(shù)做教學(xué)準(zhǔn)備。2014年韓國政府宣布成立3D打印工業(yè)發(fā)展委員會，該委員會擬針對各個層次的民眾制訂相應(yīng)的3D打印培訓(xùn)課程，包括從小學(xué)到成人。他們將在全國范圍內(nèi)提供3D打印教育資源，包括課程開發(fā)，以及為貧困人口提供相應(yīng)的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施。2016年在印度，由世界知名的3D打印機(jī)制造商MakerBot公司和Veltech大學(xué)合作，在當(dāng)?shù)卣�府的幫助下，將�?00名教師提供各種3D打印相關(guān)流程的實踐培訓(xùn)，包括CAD軟件培訓(xùn)，3D建模、打印機(jī)操作，以及有關(guān)如何將3D打印技術(shù)更好地整合到課堂以優(yōu)化STEAM教育的指導(dǎo)。

中國政府近兩年開始大力推動3D打印教育的普及，教育部于2015年發(fā)布關(guān)于"十三五"期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見，其中提到了未來五年對教育信息化的規(guī)劃，鼓勵探索3D打印融入STEAM教育等新教育模式。但是總體看，質(zhì)量不高、流于形式，很多中小學(xué)限于教育評價、升學(xué)考核、師資力量和經(jīng)費投入等原因，并沒有將3D打印創(chuàng)新教育持續(xù)性的開展下去。

突出的問題主要包括：
①課程內(nèi)容開發(fā)總體質(zhì)量不高。大部分停留在對3D打印原理認(rèn)知層面，停留在對3D打印模型的興趣體驗階段，缺乏創(chuàng)新型、創(chuàng)造型驅(qū)動課程。
②課程內(nèi)容開發(fā)和主干課程學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)性不高。大部分課程將3D打印視為課外科技實踐課，沒有注意將課程內(nèi)容開發(fā)和數(shù)學(xué)、語文、生物等主干課程學(xué)習(xí)有機(jī)融合起來，缺乏知識驅(qū)動型課程。
③課程內(nèi)容開發(fā)的積極性不高。高質(zhì)量課程內(nèi)容開發(fā)需要投入龐大的人力、財力，很多學(xué)校限于師資力量和經(jīng)費，缺乏內(nèi)容開發(fā)的積極性。

為了更加深入推進(jìn)3D打印創(chuàng)新教育的普及化、規(guī)范化，需要堅持問題導(dǎo)向和產(chǎn)學(xué)研一體協(xié)同，以共建共享為基礎(chǔ)，重點開展以下工作：

①以內(nèi)容創(chuàng)新為核心，依托創(chuàng)客空間、創(chuàng)新工坊、STEAM課程、創(chuàng)新創(chuàng)意競賽等多形態(tài)平臺，加大投入開發(fā)高水平的知識驅(qū)動型、動手實踐型、創(chuàng)新驅(qū)動型等多層次的3D打印課程，增強(qiáng)課程內(nèi)容的魅力和吸引力，增強(qiáng)課程的價值內(nèi)涵。
②以共建共享為基礎(chǔ)，區(qū)域參與、校企協(xié)同，逐步構(gòu)建以3D打印技術(shù)為核心的創(chuàng)新創(chuàng)造平臺體系，包括學(xué)期創(chuàng)意馬拉松、3D打印創(chuàng)新創(chuàng)造競賽、線上創(chuàng)新創(chuàng)造分享平臺、線下創(chuàng)新創(chuàng)造分享平臺等。

四、結(jié)束語
3D打印作為一種個性化、數(shù)字化的直接制造技術(shù)，既是創(chuàng)新教育不可或缺的技術(shù)平臺，也是教育創(chuàng)新提質(zhì)增效的技術(shù)手段。作為教育教學(xué)供給側(cè)改革的重要抓手，政府、學(xué)校和企業(yè)合力推進(jìn)3D打印進(jìn)課堂、進(jìn)校園，推進(jìn)以學(xué)生創(chuàng)新能力培育為核心的內(nèi)容建設(shè)和內(nèi)涵創(chuàng)新顯得尤為重要。創(chuàng)客教育、STEAM教育、成果導(dǎo)向教育等先進(jìn)人才培養(yǎng)理念，需要在全社會教育理念開放進(jìn)化的基礎(chǔ)上，充分尊重學(xué)生發(fā)展成才的多元化需求，以3D打印等新興技術(shù)作為技術(shù)條件作為支撐，以具有吸引力和創(chuàng)新性的內(nèi)容作為引領(lǐng)，才會落地生根、開花結(jié)果，惠及學(xué)生的全面發(fā)展成才。

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刊載于：《中國教育信息化》2017年 第18期 總第405期
作者簡介：
胡福文（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院），1980年生，男，工學(xué)博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：3D打印及智能機(jī)器人技術(shù)、高等工程創(chuàng)新教育。
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