劉琦
摘要:分析DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀,其應(yīng)用問(wèn)題包括:應(yīng)用頻率有待增加,應(yīng)用時(shí)機(jī)適切性有待提升以及應(yīng)用重心有待明確。針對(duì)應(yīng)用問(wèn)題,提出教師需把握DIS應(yīng)用時(shí)機(jī)的適切性以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足,合理利用DIS圖像功能以增強(qiáng)學(xué)生圖像分析能力,明確DIS應(yīng)用重心以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究思維,從而提升DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用效果。
關(guān)鍵詞:DIS;化學(xué)實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué);現(xiàn)狀研究
文章編號(hào):1005–6629(2015)4–0020–05 中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
數(shù)字化信息系統(tǒng)(Digital Information System,以下簡(jiǎn)稱“DIS”)是在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上,集合傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件四類組件構(gòu)成的一種新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。DIS通過(guò)教育部2006年7月頒布的《中小學(xué)理科實(shí)驗(yàn)室裝備規(guī)范》首次被列入儀器裝備標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹了DIS的構(gòu)成與工作原理,分析了DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中存在的問(wèn)題,在此基礎(chǔ)上提出了提升DIS應(yīng)用效果的建議。
1 DIS的構(gòu)成和工作原理
DIS是集合了傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息技術(shù)彌補(bǔ)了現(xiàn)有化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足,成功地克服了現(xiàn)有化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端,全面整合了信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
1.1 DIS的構(gòu)成
DIS的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個(gè)部分,如圖1所示。其中硬件部分包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和傳感器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)分析和處理;數(shù)據(jù)采集器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置將傳感器采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)傳感器和計(jì)算機(jī)的對(duì)接;傳感器是將各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求不同可選用不同的傳感器,例如溫度、壓強(qiáng)、酸度等傳感器以及用于測(cè)定化學(xué)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣態(tài)二氧化碳濃度的二氧化碳傳感器等。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)儀器相比,傳感器品種多、技術(shù)新、功能強(qiáng)、性能可靠[1],在保障實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性、穩(wěn)定性和可靠性等方面都有不可替代的優(yōu)勢(shì)。
DIS的軟件分為教材專用軟件和教材通用軟件兩種,主要用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,輸出實(shí)驗(yàn)所需的各種數(shù)據(jù)和圖表。教材專用軟件根據(jù)化學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)量身制定,幾乎涵蓋了中學(xué)教材中的大部分實(shí)驗(yàn),更貼近課堂教學(xué);而通用的教材軟件,則能夠自定義更多的拓展功能,如分析、對(duì)比和擬合曲線等,更適用于進(jìn)行探究性的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2]。
1.2 DIS的工作原理
DIS利用各種傳感器收集實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的模擬信號(hào),再通過(guò)數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào),并反饋到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,利用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),需要把傳感器和數(shù)據(jù)采集器連接在一起,然后通過(guò)計(jì)算機(jī)上相應(yīng)的接口將數(shù)據(jù)采集器連接到計(jì)算機(jī),同時(shí)啟動(dòng)配套的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)置后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和傳感器的介入,可以更加準(zhǔn)確快速地獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理,根據(jù)需要輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖表,便于師生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,從而節(jié)省了時(shí)間,降低了化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)性,有利于師生將更多精力用于結(jié)果分析和探索性的學(xué)習(xí)[3]。
通過(guò)以上分析可以看出,DIS技術(shù)具備多類型的傳感器和多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、強(qiáng)大的函數(shù)圖像功能和數(shù)據(jù)處理功能,以及先進(jìn)的現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用,使得學(xué)生能夠更好地理解化學(xué)原理,分析化學(xué)過(guò)程,同時(shí)DIS技術(shù)的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的條件限制,有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索的思維。
2 DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用問(wèn)題
在DIS受到越來(lái)越多教育者認(rèn)可的趨勢(shì)下,其應(yīng)用的一些問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。通過(guò)分析DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀,其應(yīng)用問(wèn)題主要表現(xiàn)為應(yīng)用頻率有待增加,應(yīng)用時(shí)機(jī)的適切性有待提升以及應(yīng)用重心有待明確三個(gè)方面。
2.1 應(yīng)用頻率有待增加
DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用使得化學(xué)原理的推導(dǎo)更為生動(dòng),有利于學(xué)生加深對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解,但從整體上看,DIS的應(yīng)用頻率仍有待增加。DIS將抽象概念具體化,化學(xué)現(xiàn)象可視化,以及不易實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)操作化,達(dá)到了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。例如,氫氧化亞鐵的制備與保存這個(gè)知識(shí)點(diǎn),主要是讓學(xué)生了解氫氧化亞鐵被氧化的實(shí)質(zhì)以及如何去除氧化性物質(zhì)的影響。然而,為了使學(xué)生更為直觀地認(rèn)識(shí)溶解氧的影響,實(shí)際測(cè)量溶液中的溶解氧就顯得十分有必要。在常規(guī)教學(xué)中,教師往往僅停留在直接將結(jié)論以說(shuō)教的方式灌輸給學(xué)生,但是DIS的引入則使得學(xué)生可以通過(guò)溶解氧傳感器簡(jiǎn)單方便地檢測(cè)水中溶解氧的變化,從而加深對(duì)該原理的理解與記憶,并實(shí)現(xiàn)對(duì)相似原理推導(dǎo)的舉一反三。
目前,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用DIS的頻率較高,而經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)DIS的應(yīng)用頻率還有待增加。一些學(xué)校僅將DIS實(shí)驗(yàn)用于少量的教學(xué)展示中,并沒(méi)有充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì),未能較好地服務(wù)于實(shí)際教學(xué)。造成DIS在中國(guó)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用頻率不高這一現(xiàn)狀主要有三方面的原因:從客觀上來(lái)講,一套完整的DIS裝備費(fèi)用昂貴;而主觀方面,受到中國(guó)教育考試機(jī)制的制約,高中生面臨的最為迫切的學(xué)習(xí)任務(wù)是應(yīng)對(duì)考試,從而在“高考”中取得理想的成績(jī)。在這種急功近利的觀念影響下,化學(xué)教學(xué)中更為強(qiáng)調(diào)學(xué)生的理論學(xué)習(xí)而忽視實(shí)驗(yàn)教學(xué)給學(xué)生帶來(lái)的實(shí)踐能力與探究思維的培養(yǎng),在這類高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)尚且流于形式,DIS技術(shù)的應(yīng)用更是可見(jiàn)一斑了;此外,DIS對(duì)于多數(shù)化學(xué)教師來(lái)說(shuō)仍是一個(gè)新事物,教師能否完全消化DIS的工作原理,掌握操作DIS的技術(shù)以及創(chuàng)造性地應(yīng)用DIS的能力,對(duì)是否能充分發(fā)揮DIS優(yōu)勢(shì)起著至關(guān)重要的作用。
2.2 應(yīng)用時(shí)機(jī)的適切性有待提升
數(shù)字化學(xué)習(xí)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)代信息技術(shù)成為了時(shí)下炙手可熱的香餑餑,有些省、市重點(diǎn)學(xué)校認(rèn)識(shí)到DIS的優(yōu)勢(shì)后斥巨資將其應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中,但對(duì)DIS應(yīng)用時(shí)機(jī)適切性的把握還有待提升。
有些教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn),尤其是開(kāi)公開(kāi)課時(shí),喜歡用DIS完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)因其自身經(jīng)典價(jià)值在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中長(zhǎng)久以來(lái)占據(jù)重要地位,其側(cè)重于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的具體操作、常用儀器的使用規(guī)范以及對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的細(xì)致觀察。即使是在數(shù)字化的今天,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仍能夠很好地完成化學(xué)知識(shí)點(diǎn)教學(xué),使用DIS方法反而會(huì)使學(xué)生陷入繁縟的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中,將簡(jiǎn)單的操作步驟復(fù)雜化。例如,為了增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí),培養(yǎng)學(xué)生近似處理問(wèn)題的科學(xué)思維,利用pH試紙、pH計(jì)或酸堿指示劑都能快速判定不同溶液的酸堿性,并能觀察到顏色的變化,使學(xué)生產(chǎn)生感性的認(rèn)識(shí),因此沒(méi)有必要使用DIS技術(shù)。
而在真正應(yīng)用DIS時(shí),有時(shí)又沒(méi)有較好地發(fā)揮其能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足的優(yōu)勢(shì)。雖然高中化學(xué)教材中大多數(shù)物質(zhì)性質(zhì)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)仍然離不開(kāi)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式,而定性實(shí)驗(yàn)是否能進(jìn)一步深化,則受到實(shí)驗(yàn)方法與儀器的限制。DIS中傳感器能夠?qū)⑻綔y(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),例如,它可以實(shí)現(xiàn) 0.1微安的電流檢測(cè),對(duì)CO2的濃度測(cè)量可以細(xì)微到0.lppm[4],因此,這些精確的度量突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的定性局限。以原電池工作原理探究實(shí)驗(yàn)為例,采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法如借助電流表或電流計(jì)來(lái)觀察是否有電流產(chǎn)生,因水果電池的電流較小,儀器指針偏轉(zhuǎn)基本觀察不出來(lái),還可能因讀數(shù)角度存在偏差導(dǎo)致讀數(shù)的不準(zhǔn)確,強(qiáng)制使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法反而適得其反。此時(shí)則可以運(yùn)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),讓學(xué)生通過(guò)圖像分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論,即水果pH越大,電流越??;pH越小,電流越大。
2.3 應(yīng)用重心有待明確
DIS的應(yīng)用重心在于促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究思維,使得受到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法限制而不能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)得以完成。然而,由于DIS仍是一個(gè)新生事物,不同的教師在應(yīng)用DIS時(shí)的重心也有所不同,有時(shí)就出現(xiàn)重心不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。
例如,在化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量變化的實(shí)驗(yàn)中,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的做法是將鎂片與鹽酸進(jìn)行混合并置于實(shí)驗(yàn)容器中,通過(guò)學(xué)生觸摸容器外壁感受其產(chǎn)生的熱量。引入DIS則可以通過(guò)溫度傳感器測(cè)量其溫度,并獲得溫度變化的曲線圖。事實(shí)上在該實(shí)驗(yàn)中,DIS的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)并不明顯,因?yàn)槠渫瓿闪艘豁?xiàng)用手即可以感覺(jué)的工作。
在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,大部分時(shí)間用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,因而限制了學(xué)生思考并提出問(wèn)題的時(shí)間。而在應(yīng)用DIS的過(guò)程中,30%的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備,20%的時(shí)間用于數(shù)據(jù)處理,50%的時(shí)間可實(shí)施探索研究[5]。此外,DIS的精確度和靈敏度較高,同時(shí)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量與數(shù)據(jù)錄入的同步,因此為學(xué)生再認(rèn)識(shí)生活中不易測(cè)量的化學(xué)現(xiàn)象提供了可能,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出預(yù)測(cè)、判斷、質(zhì)疑、反思和驗(yàn)證,從而科學(xué)地概括、推理、類比研究結(jié)論和化學(xué)原理,換言之,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生的探究思維一直處于活躍狀態(tài),這無(wú)疑是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神的良好途徑。而就目前來(lái)看,DIS在發(fā)展學(xué)生思維方面的功能并沒(méi)有得到充分體現(xiàn)。
3 提升DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用效果的建議
雖然DIS在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用中存在一些問(wèn)題,但總體而言,DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。分析DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用問(wèn)題并提出有效的建議,有助于將DIS更好地應(yīng)用到高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,提高教學(xué)效果。
3.1 把握DIS應(yīng)用時(shí)機(jī)的適切性,彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足
當(dāng)涉及到“有什么現(xiàn)象”、“是否有某一現(xiàn)象”的定性實(shí)驗(yàn)時(shí),多采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法。而涉及到具體的數(shù)據(jù)分析以探究“有多少”的定量實(shí)驗(yàn)時(shí),則可以利用DIS進(jìn)行進(jìn)一步的探究。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生觀察能力和基本實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)方面的功能,并不能被DIS在數(shù)據(jù)采集和分析上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)所替代。例如,在探究酒精燈火焰三部分溫度的實(shí)驗(yàn)中,更多的需要現(xiàn)象觀察,只需要將火柴梗分別放在火焰的不同位置就能夠明顯地得出答案[6],并不需要利用DIS進(jìn)行定量的探索。
然而,在中學(xué)階段利用氫氧化鈉與硫酸探究酸堿中和反應(yīng)的定量實(shí)驗(yàn)中,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法主要是利用酸堿指示劑來(lái)確定滴定的終點(diǎn),由于學(xué)生難以把握對(duì)終點(diǎn)的估計(jì),易造成較大的誤差。此時(shí)采用DIS就能很好地解決這一問(wèn)題,通過(guò)數(shù)據(jù)采集器收集光電門、pH、電導(dǎo)率等傳感器的信號(hào),轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析得到硫酸滴定氫氧化鈉的pH變化曲線圖,不僅直觀展示了pH在中和滴定過(guò)程中的變化,還能夠避免指示劑判斷難點(diǎn),減少實(shí)驗(yàn)誤差。此外,通過(guò)稀硫酸與氫氧化鈉溶液反應(yīng)過(guò)程中的電導(dǎo)率隨時(shí)間變化的曲線,實(shí)時(shí)展現(xiàn)溶液中離子的導(dǎo)電情況,直接反映溶液離子濃度變化的情況,使學(xué)生能夠更加直觀地體會(huì)出溶液中離子“量”變化的問(wèn)題[7]。因而在DIS應(yīng)用的過(guò)程中需要教師靈活把握DIS應(yīng)用時(shí)機(jī)的適切性,在需要定量探索的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用DIS,并與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合,提升DIS在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用效果。
3.2 充分利用DIS圖像功能,促進(jìn)學(xué)生理解知識(shí)
DIS強(qiáng)大的函數(shù)圖像處理功能,能夠?qū)?shí)驗(yàn)過(guò)程中各種指標(biāo)在各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的變化通過(guò)圖像反映出來(lái),有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的把握,增強(qiáng)學(xué)生圖像分析能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般只能記錄下實(shí)驗(yàn)的結(jié)果值,DIS則以微分思想將實(shí)驗(yàn)過(guò)程劃分為若干節(jié)點(diǎn),采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),利用計(jì)算機(jī)和軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集和處理,并以各種函數(shù)圖像的形式呈現(xiàn)。
利用DIS特有的函數(shù)圖像功能,教師能夠引導(dǎo)學(xué)生更好地分析定量化與可視化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如在原電池工作原理探究實(shí)驗(yàn)中的電流曲線,學(xué)生可以通過(guò)DIS直觀的函數(shù)圖像,清晰地觀察到不同電極材料和電解液下原電池電流曲線的變化如圖2和圖3,從而得出原電池能夠產(chǎn)生電流的條件之一,是要有金屬活動(dòng)性順序不同的兩個(gè)電極材料。
3.3 明確DIS應(yīng)用重心,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究思維
在DIS的應(yīng)用過(guò)程中,教師需要明確DIS的應(yīng)用重心,致力于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的思維。DIS通過(guò)各種傳感器和數(shù)據(jù)采集器收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析,大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間,教師在應(yīng)用DIS的過(guò)程中可以將更多的精力放在探索研究上,引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測(cè)、判斷、質(zhì)疑、反思和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果,激發(fā)學(xué)生的探究思維。在上述探究原電池工作原理和組成條件的實(shí)驗(yàn)中,教師還能夠進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生探究在相同條件下,所用電極的面積、兩電極之間的距離等因素對(duì)電流大小的影響等一系列問(wèn)題[8]。針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題,鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,親自利用DIS開(kāi)展實(shí)驗(yàn),對(duì)自己的假設(shè)和猜想進(jìn)行驗(yàn)證,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究思維。
除此之外,教師還可以利用DIS在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中收集的不同實(shí)驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù),將重心放在引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度分析同一化學(xué)問(wèn)題上,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究思維。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),可以利用DIS測(cè)得色度、溫度、pH、電流強(qiáng)度、電導(dǎo)率、壓強(qiáng)等更多的實(shí)驗(yàn)指標(biāo),這些指標(biāo)能夠引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度探究同一個(gè)化學(xué)問(wèn)題,不僅能夠拓寬處理問(wèn)題的角度,同時(shí)也為學(xué)生科學(xué)探究思維的培養(yǎng)提供實(shí)踐機(jī)會(huì)。
參考文獻(xiàn):
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