数学技术实验教学平台的建设

2017-04-10 12:05杨启贵赖章荣
实验室研究与探索 2017年1期
关键词:建模教学质量实验教学

黄 平, 杨启贵, 赖章荣

(1. 华南理工大学 数学学院, 广州 510640; 2. 暨南大学 华文学院, 广州 510610)

·实验教学与创新·

数学技术实验教学平台的建设

黄 平1, 杨启贵1, 赖章荣2

(1. 华南理工大学 数学学院, 广州 510640; 2. 暨南大学 华文学院, 广州 510610)

从复杂问题解决、创新能力培养和数学教学改革三个方面阐述了数学实验教学平台建设的必要性及其意义。指出并分析了数学技术实验平台建设过程中应注意的三个问题:实验软环境建设、实验教学团队建设与实验教学质量保障体系建设。结合自身数学实验教学工作的体会,介绍了华南理工大学数学技术实验教学平台建设的实践经验与做法:实践课程体系建设、教学理念与模式创新、理论教学与实验融合等。

数学实验; 数学实验教学平台; 数学技术; 实验教学质量保障体系

0 引 言

实践教学是大学创新人才培养的重要途径。近年来,我校为了主动适应新形势对创新人才的迫切需求,着力建设实践教学平台,改革实践教学体系,培养学生的实践创新能力。提出了“知识学习、能力培养和素质养成”的“三位一体”实践教育观,构建起了以实践经验为导向,以能力提升为核心,以培养高素质、高层次、多样化的“三创型”(创新、创造、创业)人才为目标的多层次、全方位、开放的实践教学体系[1],为我校实践教学的扎实推进创造有利条件。数学实验作为一门基础性新兴实践教学课程,其课程定位、实验项目设计、教学模式与实践教学平台建设等目前仍处于实践探索阶段。然而,数学实验对于大学生实践创新能力培养的重要作用已初显端倪,并受到了各高校的密切关注。本文结合自身的实践教学经验,对数学技术实验教学平台建设过程中的一些重要问题进行探讨,提供我们的做法,期望引起高校特别是数学教学工作者的更多反响。

1 数学技术实验教学平台建设的必要性

数学作为一门研究现实世界数量关系和空间形式的科学,在它产生和发展过程中,一直是和人们的实际需要和感兴趣的问题密切相关的。事实上,历史上许多科学技术的重大发明都归结为数学问题的解决;反过来,科学技术和生产活动的进步,又促进了数学与数学问题的发展。特别是计算机技术的飞速发展为数学提供了更加广阔的天地,使数学的研究与应用无论在广度和深度上都达到了前所未有的程度,促进了从数学科学到数学技术的转化,并使数学技术成为当今高科技的一个重要组成部分和显著标志。正是在这种科学与技术高度融合发展的背景下,数学实验及其实验教学平台得以产生并得到迅速发展,其必要性至少可从以下几方面得到体现。

1.1 数学实验是解决复杂问题的必要手段

复杂系统(问题)的研究, 是一个老而新的研究领域。说他老是因为对于复杂系统现象的兴趣与认识,在人类探索自然获取知识之初就已经开始了, 尽管“复杂” 的含义随着时代和技术的进步而不断变化。说他新是由于直到20世纪末人们才开始意识到许多行之有效的科学方法和概念已经无法用来解决复杂系统所面临的许多问题。例如,数学中的大型线性方程组、高阶方程、大量非线性问题、分形问题等;又如,现实世界中的各种复杂工程问题、网络问题、生物系统、经济系统等。 对于这类问题,我们必须寻求新的思路, 引入新的概念和方法, 建立针对复杂系统新的理论体系。随着信息技术特别是计算机技术的发展,这些问题更多地有赖于通过数学与计算机相结合的数学实验(建模实验、计算实验)方法来求解,这一点已在众多领域及近年来数学建模竞赛(全国赛、美国赛)问题中得到充分体现。大数据是又一个复杂问题领域,随着云计算、物联网、移动互联、社交媒体等新兴信息技术和应用模式的快速发展,促使全球数据量激增,推动人类社会迈入大数据时代。一般地,这类问题难以用已有的理论、方法、技术和工具在可接受的时间内完成分析计算、整体形成高价值的数据集合。目前,对大数据的计算,主要采取基于数学实验的批量计算和流式计算[2]。模拟是数学实验的另一重要形式,能对具有高度复杂的内部交互作用的系统进行研究和实验。特别适用于在现实世界中不可能直接进行实验,或者是得不偿失的,如高危、高成本、高破坏性问题,转而根据实际问题建立模型,并利用模型进行模拟试验。

1.2 数学实验是培养大学生创新能力的有效途径

数学实验是信息技术(特别是计算机技术和软件)引入数学教学后出现的新事物。其目的是提高学生学习数学的积极性和主动性,培养学生对数学的应用意识以及运用所学的数学知识和计算机技术去认识问题、解决实际问题的能力。它不同于传统的数学学习方式,强调以学生动手为主的探索性学习方式。在数学实验中,由于计算机的引入和数学软件包的应用,为数学的思想与方法注入了更多、更广泛的内容,促进了数学同其他学科之间的结合。同时,使学生能够摆脱过多繁重乏味的数学演算和数值计算,从而使学生有时间去做更多的创造性工作。正因为如此,数学实验在发达国家得到了广泛应用。近20多年来,数学实验在我国受到更多重视并取得了迅速发展,已呈现出方兴未艾之势。多数高校相继开设了数学实验课程,对于培养大学生实践创新能力发挥了不可替代的重要作用,主要体现在如下几个方面:

(1) 数学实验借助信息技术使静态的数学结构动态化、抽象的内容形象化,为各种数学对象提供可感知的表现形式, 帮助学生更好地理解数学问题, 使学生乐于并有更多的精力投入到现实的探索性的数学活动中, 把更多的时间花在实质性的数学思考上, 便于学生理解和掌握数学的概念和方法。

(2) 数学实验通过实验机制引导学生进入自己“做数学” 、体验数学的境界, 亲身体验数学创造与发现的过程。通过对概念的形成过程和对问题的观察、发现、建模、论证与计算等过程的模拟和实验, 在自主探索实践中培养数学思维方式。同时,在数学实验环境下可以探索研究更广泛的现实与工程中的“真问题”,而不限于传统教材中简化的“标准问题”,大大提升学生的创新能力和问题解决能力。

(3) 实验过程本身是一个科学研究、探索问题的过程,是学生经历观察、实验、猜测、推理、交流和反思的过程, 能让学生真正成为问题研究的参与者, 有助于发挥学生的主动性和学习潜能、激发学生的好奇心和学习兴趣。

1.3 数学实验是数学教学改革的必然选择

长期以来, 人们对数学教学的认识局限于概念、定理、公式和解题, 认为数学学科是一种具有严谨系统的演绎科学, 数学活动只是高度的抽象思维活动。基于这种认识,数学教学主要采用单一的理论教学模式,毋庸置疑,这种传统教学模式在我国高等教育发展过程中发挥过重要作用。然而,随着现代数学和技术的发展,数学所研究的问题日益广泛和复杂化,单一的理论教学模式越来越不适应时代的要求,暴露出如下问题及短板:

(1) 单一的理论教学模式容易造成理论与实践脱节、缺少数学创新实践及数学人文素养培养等关键环节,导致一些学生不同程度出现“学而无趣”“学而无用”的现象。而数学实验强调“学用结合”“在做中学”“在用中学”,能够弥补理论教学的不足、补齐短板,有望成为破解目前数学教学困局的利器。

(2) 教学内容更新缓慢、教材与实际脱离。当今时代数学已渗透到各个领域,它的技术和人文价值越来越受到人们的重视。然而,许多数学教材(包括所谓精品教材)不仅缺少现代数学知识与应用背景的内容,更缺少具体应用实例以及与其他专业的联系通道。导致一些学生感觉数学就像“空中楼阁”一般抽象无用、纸上谈兵而已,难以激发学生的学习兴趣。而数学实验通过先进的数学软件引入最新应用案例及丰富的资源,采用动态展示方式,可以为学生提供最先进的实验技术手段和更广阔的探索空间。

(3) 数学发展的历史告诉我们,数学不只是逻辑推理,还有实验。正如著名数学家 G· 波利亚曾指出: “ 数学有两个侧面, 一方面它是欧几里得式的严谨科学, 从这个方面看, 数学像是一门系统的演绎科学; 但另一方面, 创造过程中的数学,看起来却像是一门试验性的归纳科学。”数学家和数学教育家 H· 弗赖登塔尔也曾指出,要实现真正的数学教育,必须从根本上以不同的方式组织教学, 否则是不可能的。在传统的课堂里, 再创造方法不可能得到自由的发展。它要求有个实验室, 学生可以在那儿个别活动或是小组活动[3]。因此,引入数学实验,可以从根本上改变数学教学只依靠理论教学单条腿走路的局面,做到理论教学与实验教学同步,理论与实践相结合两条腿走路,实现数学教育的健康发展。

2 数学实验教学平台建设应注意的问题

数学实验如同其他实验一样,需要一个实验环境,数学实验室与实验平台建设对于数学实验的开展具有非常重要的作用。尽管数学实验所使用的主要设备是计算机,但数学实验室与普通机房不同,不能只是计算机系统,更为重要的是要有开展数学实验的软环境和软技术,其实验平台建设应特别注意以下方面。

2.1 重视数学实验软环境建设

数学实验室不同于其他的计算机实验室,其主要功能是开展各种数学实验,自然要体现数学特色。一方面要具备先进的数学软件为基础,如 Matlab、Maple、Lingo、Gap、R软件等;另一方面,更为重要的是要营造一种数学实验文化氛围,构建具有数学实验技术特色的实验环境,让学生进入实验室后,就能感受到数学文化的魅力与数学技术的强大作用,能够吸引学生全身心投入到数学实验中来。例如,通过建立数学文化专栏介绍数学史话、数学家及其重大贡献、著名数学问题,帮助了解数学的发展及其意义,激发他们的学习兴趣;通过开辟数学应用专栏介绍数学在各个领域里的重大应用问题、案例及相关模型等,使学生切身感受到数学的实际应用价值,增强学生的学习动力;通过数学技术专栏介绍重要数学模型、算法及大数据技术等,使学生从内心产生一种对数学技术力量的折服;通过制作成果专栏介绍数学实验的最新成果、学生的优秀作品及对数学实验的感语等,使学生产生一种对数学实验的亲切感,并乐意成为数学实验的朋友。还可增设电子视频动态展示数学文化、数学技术最精彩的内容,进一步增强学生的学习动力与实验兴趣。

2.2 重视实验教学团队建设

高水平的大学教育离不开高水平的师资队伍,实验教学同样需要高水平的实验教学团队做根本,否则就不能落到实处。然而,多年来,由于受“重理论、轻实践”思想的影响,许多学校片面强调理论教学,而忽视实验教学团队的建设,使实践教学边缘化、流于形式,影响到教学质量,导致学生实践创新能力不强。这一问题反映到数学学科尤为突出,由于数学实验是随信息技术高度发展而产生的新型实验,部分教师对其功用还没有充分认识,对数学软件也不太熟悉,不习惯于借助数学软件采用实验的方式来做数学,错误地认为数学实验可有可无,一定程度上增加了组建数学实验教学团队的困难,无形中阻碍了数学实验的开展。考虑到以上种种原因,在组建数学实验教学团队时,应根据具体情况采取有效措施,并重视以下方面:

(1) 真正树立实践教学与理论教学同样重要、同步开设、两条腿走路的教学理念,采取切实有效的政策措施(如考核机制、职称晋升等激励政策),鼓励教师(特别是中青年骨干教师)积极加入实验教学团队,以多种形式开展实验教学。

(2) 引入交叉组队机制,打破理论教学、科研与实验教学团队界限,实行一人多队制,鼓励教师同时参加多个团队,在不同团队中发挥作用,打通理论与实验的联系,把数学实验真正融入到理论教学中;将数学实验、课程设计、毕业设计与数学建模竞赛等实践教学环节整体纳入实验教学团队,作为该团队教研、教学的重要内容,进行统一、系统管理,使实验教学常态化、制度化,防止实验团队有名无实,实验教学“空心化”现象。

(3) 加强实验教学团队师资队伍的制度化建设,让更多教学名师、学科带头人、教学骨干能够主动加入实验教学团队,承担实验教学任务,发挥他们的“传、帮、带”作用;优化队伍结构,形成合理梯队,确保实验教学团队的长期健康发展;发挥团队合力,积极开展教学研究,开发新的实验项目,更新实验内容,提高实验教学水平,使实验教学真正落到实处。

2.3 重视实验教学质量保障体系建设

随着高等教育在我国的快速发展,学生规模不断扩大,教育质量越来越受到社会各界的重视,如何提高教学质量成为各高校的首要任务。良好的教学质量保障体系是确保教学效果和人才培养质量的重要举措,正如企业的产品质量离不开完善的质量监控体系来保障。然而,值得思考的是,尽管每个学校都有相应的教学质量监控管理体系,但其对人才培养质量的保障作用却不能令人满意。原因当然有很多,但目前的教学质量监控体系大多侧重于理论教学监控而忽视实践教学质量监控以及教学质量保障体系不够完善无疑是主要原因之一。因此,重视实验教学质量保障体系建设对于提高人才培养质量有着十分重要的意义。以下结合数学学科特点,谈几点实验教学质量监控体系建设中值得注意的问题:

(1) 强化质量立教共识,明确人才培养目标,合理制定质量指标,构建教学质量监控体系。教学质量保障体系是一项综合性的系统工程,既包括教学质量的组织管理、教学质量的监控、教学质量评估和标准的设定,还包括一系列的制度、计划以及教学资源的保障。因此,质量监控体系的构建,需要认真分析现状,找出存在的质量问题、主要原因以及出现问题的具体环节。针对每个问题进行深入解剖,制定合理的质量监控指标子集、监控要求及具体环节。对各指标子集进行综合梳理、广泛讨论、达成共识,形成理论与实践教学相结合的全面质量监控体系。

(2) 建立多层次教学质量闭环控制管理机制,把全校的教、学、评整个运行过程作为一个闭环系统,使系统和子系统内的管理构成连续封闭和回路,使系统活动维持在一个健康的平衡点上,进而使矛盾和问题得到及时解决,实现决策、控制、反馈的良性循环,.从而在循环积累中不断提高,促进学校超越自我不断发展(如图1所示)。

(3) 重视实验教学质量保障体系的执行效果,狠抓教学质量闭环控制管理机制的执行力,实现教学质量监控的常态化运行。教学管理的目的是教学质量,而不仅仅是制定政策和下达指令。因此,必须使各级部门具备执行力,做到令行禁止并能自觉实行,否则,一切政策、制度和机制都将形同虚设,不能发挥它应有的作用。

图1 教学质量闭环控制管理机制

3 实践与体会

作为首批国家工科数学课程教学基地之一,我校数学教学一直秉承“宽基础、重实践、强能力”的教育理念,重视学生实践能力培养。自1992年全国大学生数学建模竞赛创办以来,我们即开始组队参赛并取得好成绩,同时,成立数学软件实验室,先后开设数学建模、数学软件课程;2007年成立数学实验中心,开设数学实验课程,编写出版《数学软件》《数学建模》《数学实验》等系列教材,2013年成为广东省数学技术实验教学示范中心建设单位。通过20多年的数学实验教学平台建设,积累了一些实践经验,现将我们的几点体会进行总结,期待有更多的关注和讨论。

3.1 构建多层次实践课程体系

课程是学校一切教学活动的载体和基本依据,课程体系建设对于教育、教学目标的实现及人才培养质量起着十分重要的作用。数学实验是一种新兴的实践课程,根据我们的理解,其基本思想是在教师指导下以学生在计算机上动手、动眼、动脑的实践活动为主,通过用数学软件做实验,学习解决各种问题的数学方法,并在此基础上分析、解决实际问题,提高学数学与用数学的兴趣、意识和能力;其主要目的是通过引入数学实践环节,提高学生的数学创新实践能力;关键任务是把学数学、做数学与用数学统一起来,避免理论与实践脱节,解决传统数学课程的“学而无用”问题,变“学而无用”为“学而知用”和“学而会用”。基于这一设想,我们建立了三层次数学实践课程体系:基础层、应用层和创新层。其中基础层包括数学软件、数学实验两门基础性课程,前者主要解决数学软件的使用问题,包括Matlab、Maple、Lingo、R和Gap等软件的使用以及各种软件案例的学习;后者侧重于选用不同数学软件对各种数学或工程问题进行实验探索,培养学生用数学软件解决基本问题的能力。这两门课程面向全校各专业开设,所不同的是电力及通信相关专业为必修课,数学及其他专业为选修课。应用层包括微分方程、概率统计、运筹学、线性代数、抽象代数课程设计实验,面向数学专业开设,要求学生应用数学软件探索解决相关课程中较为复杂的困难问题,培养学生综合运用数学方法,结合计算机解决实际问题的能力。创新层包括数学建模及竞赛、金融建模竞赛、科技创新实验、大数据实验、毕业设计实验等,课程设置较为灵活、形式多样,面向全校各专业以选修课、竞赛、科技创新活动或毕业设计等形式开设,注重提升学生的实践创新能力。课程体系结构如图2所示。

图2 数学技术实践课程体系结构

3.2 以问题驱动理念为导向创新实验教学模式

问题是数学发展的原动力之一,是贯穿一切数学活动的主题。因此,数学学习应回溯数学问题的研究过程。然而,现在的数学教材和教学,多数只片面追求完美的数学形式和理论体系,很少呈现对原问题的观察、思考和探索,往往导致学生知其然而不知其所以然。正如荷兰数学家弗赖登塔尔所言:“没有一种数学思想,以它被发现时的那个样子发表出来。一个问题被解决以后,相应地发展成一种形式化的技巧,结果使得火热的思考变成了冰冷的美丽”[4]。问题驱动教学则是一种以学生为主体、以专业领域内的各种问题为学习起点,以问题为核心规划学习内容,让学生围绕问题探索解决方案的一种教学模式。问题驱动的教学过程通过不断地创设问题情境,力求把隐藏在数学形式后面的数学思想、问题思考过程重新展现出来,有助于激发学生的学习兴趣,促使学生积极思考。问题设计是问题驱动教学的基础,爱因斯坦曾经说过,提出一个问题往往比解决一个问题更重要,因为解决一个问题也许仅仅是一个教学上的或试验上的技巧而已,而提出新的问题、新的可能性,从新的角度看旧的问题,却需要创造[5-14]。因此,如何设计实验问题成为问题驱动教学的一个关键环节。我们的做法是从以下三个层面进行提炼设计:① 推动专业、学科发展的一些经典问题;② 与其他学科领域的交叉应用问题;③ 新近发展与热点应用问题。如线性代数实验,设计了线性方程组、矩阵分解、特征值与特征向量、酉变换、稀疏矩阵、投入产出、Hill密码、网络流、Google搜索排名、数字图像压缩、视频推荐等问题;概率统计实验,设计有点数计算、轮盘赌、蒙特卡洛方法、贝叶斯方法、布朗运动、马氏链、主成分分析、聚类分析、决策树问题等。此外,在实验过程中注意引导学生如何观察、思考,提出合理猜想,形成问题链,培养学生数学思维方式。问题驱动的实验教学主要环节如图3所示。

图3 问题驱动实验教学的主要环节

3.3 理论教学与实验相互融合

大学教育应该做到“顶天立地”,即“既要仰望星空,又要脚踏实地”。如果说理论教学的主要目标是实现“顶天”的高度,那么“立地”的任务则更需要实践教学来完成。然而,现在的大学生普遍存在实践能力不足、创新能力不强的问题[15]。究其原因,一方面固然与中学阶段的“应试教育”有关;但另一个重要原因是我们的大学教育长期存在“重理论、轻实践”的现象。特定到数学教学,这一现象则有过之而无不及,尽管也有许多实践教学环节,如课程设计、毕业设计、SRP等,但因重视程度不够,大多疏于管理,流于形式,收效不大。针对这一现象,我们提出理论教学与实验教学融合、同步协调发展理念,在教学过程中实行三个结合[16]:即习题课与实验结合、课程设计与实验结合、毕业设计与实验结合。严格要求习题、课程设计、毕业设计要有一半的实验内容,做到理论分析与实验探索相结合,同步进行、同等对待、齐抓共管、平衡发展,以理论教学与实验融合为抓手,全面深化数学教学改革,切实提升教学质量。

4 建设成效

我校围绕本科教学体系,结合学校办学特色和学科专业特点,依托数学学院、校和国家工科数学教学基地建设数学技术实验教学中心,有效统筹各种实验教学资源,开展多层次数学实验课程,培养学生实践创新能力[16]。

数学技术实验教学中心每年面向校内14个学院64个专业开设3个层次的实验课程,其中基础层的数学实验课程是电信学院和电力学院二年级学生的必修课,也是其他各专业的公共选修课程,基础层的其他课程均为全校公共选修课。应用层的多门实验课程分别针对电信学院、自动化学院、电力学院、材料学院、物理学院、机械学院、土木与交通学院、数学学院各专业,通过引入不同专业领域的主要问题,创新实验内容、提炼实验项目。

2014年以来,我校围绕应用层面的数学技术实验课已举办了两届校级大学生数学技术创新竞赛活动,有数百名学生参赛。在竞赛中,学生通过将专业课中复杂的实体实验借助数学模型与数学软件在计算机上仿真实现,不仅提高了实验效率,而且开启了一种全新的实验模式。在竞赛答辩中不少学生感言:数学实验挖掘了他们的潜能,让他们对自己的能力有了新的认识,更让他们看到了数学知识是怎样渗透到专业问题领域的。 对于数学实验课程,学生在实验报告中是这样评价:“数学实验不仅是学习知识,更是在培养思维和能力,这种潜移默化的能量润物细无声,可等到真正用时才会感激,感激老师严格的要求,感激学校用心的课程安排。”

结合创新层数学实验课程,数学技术实验教学中心每年定期举办数学建模文化周,邀请海内外建模专家作数学模型讲座、传播数学文化,与企业界合作,共同举办金融建模、大数据建模、SAS建模等竞赛活动,使全校各专业学生普遍受益。学校每年约有500名学生参加全国大学生数学建模竞赛和美国大学生数学建模竞赛,并在历年数学建模竞赛中屡创佳绩。近5年来,获美国大学生数学建模竞赛特等奖1项,特等提名奖2项,一等奖32项,全国大学生数学建模竞赛一等奖4项。很多获奖学生感言:“数学建模很奇妙,以前我一直认为数学是纯理论的学科,也不会运用数学解决实际问题,不经意的一次数学建模,却完全颠覆了我对数学的看法,一次参赛、终身受益。”

5 结 语

数学实验是一门新兴的实践教学课程,其课程设置与实验教学平台建设仍然处于探索阶段。数学实验的定位、教学模式、考核方式以及与理论课的关系等许多问题需要进一步研究、认识与实践;数学实验对于培养大学生实践创新能力与科学思维方式有着难以替代的作用,对于推动数学教学改革、与时俱进,全面实现素质教育有重要的积极作用,值得肯定和关注。数学实验教学平台是数学实验教学的基础条件,平台建设应体现数学技术特色,注重数学实验的软环境、软资源与数学文化建设,构建良好的具有吸引力的数学实践、探索与学习空间。

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·名人名言·

人生的磨难是很多的,所以我们不可对于每一件轻微的伤害过于敏感。在生活磨难面前,精神上的坚强和无动于衷是我们抵抗罪恶和人生意外的最好武器。

——洛克

Construction of Mathematical Techniques Experiment Teaching Platform

HUANGPing1,YANGQi-gui1,LAIZhang-rong2

(1. School of Science, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. College of Chinese Language and Literature, Jinan University, Guangzhou 510610, China)

This paper expounds the necessity and significance of the construction of mathematics experimental teaching platform from three aspects: the complex problem solving, the cultivation of creative ability and the reform of mathematics teaching. Three problems that should be noticed in the construction of the mathematical technology experiment platform are pointed out. They are the construction of the experimental soft environment, the construction of experimental teaching team, and construction of quality assurance system for experimental teaching. Combined with the experience of the teaching of mathematics experiment, the paper introduces the practice and experience of the construction of the teaching platform of mathematics experiment in South China University of Technology that include practice course system construction, teaching concept and mode innovation, theoretical teaching and experimental fusion.

mathematical experiment; mathematics experiment teaching platform; mathematical techniques; experimental teaching quality assurance system

2016-02-24

国家自然科学基金(11271139);广东省实验教学研究重点项目(粤教高函[2013]113号)

黄 平(1963-),男,江西宁都人,博士,高级工程师,主要从事大数据相关算法研究、数学建模与数学实验教学工作。

Tel.:020-87110440; E-mail:gzhp18@163.com

G 420

A

1006-7167(2017)01-0160-06

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