宋蕊
摘要:學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng),需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)的探究情境,讓學(xué)生從各種途徑收集大量的信息、數(shù)據(jù)、圖表等,進(jìn)行證據(jù)的推理與模型的構(gòu)建。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)定性實(shí)驗(yàn)的某些不足,提供豐富的信息與數(shù)據(jù)。本文以“氫氧化鋁的兩性”教學(xué)為例,進(jìn)行了基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知的教學(xué)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞:證據(jù)推理與模型認(rèn)知;數(shù)字化實(shí)驗(yàn);氫氧化鋁的兩性
文章編號(hào):1008-0546( 2022)12x-0029-05
中圖分類號(hào):C632.41
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
doi: 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.007
一、設(shè)計(jì)思想
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求,化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是一種高級(jí)思維活動(dòng),證據(jù)推理要求學(xué)生具有證據(jù)意識(shí),能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè),通過分析推理加以證實(shí)或證偽;建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。模型認(rèn)知是證據(jù)推理基礎(chǔ)上的進(jìn)階模式,學(xué)生通過建立認(rèn)知模型,運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象,揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。[1]
發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知需要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的探究情境,通過讓學(xué)生從各種途徑收集大量的信息、數(shù)據(jù)、圖表等,將信息和學(xué)科知識(shí)有效整合在一起,并運(yùn)用已有的知識(shí)進(jìn)行基于證據(jù)的推理。在證據(jù)推理的基礎(chǔ)上,學(xué)生構(gòu)建認(rèn)知模型,或優(yōu)化已有的認(rèn)知模型,最后運(yùn)用模型解決實(shí)際問題、或利用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象。故發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知的教學(xué)模式有五個(gè)重要模塊:提出合理的假設(shè)/猜想、收集信息與證據(jù)、基于證據(jù)推理、構(gòu)建/優(yōu)化模型、應(yīng)用模型。五個(gè)模塊并非孤立存在,而是互相聯(lián)系、不斷循環(huán)、螺旋上升式的關(guān)系。[2]
如圖1所示,教學(xué)通過循環(huán)上升的五個(gè)模塊,不斷提出更高階的問題與假設(shè),在過程中不斷發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理能力,并在螺旋上升的過程中不斷優(yōu)化學(xué)生認(rèn)知模型。在“氫氧化鋁的兩性”教學(xué)中,學(xué)生的氫氧化鋁溶解模型從“氫氧化鋁與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿反應(yīng)的定性認(rèn)識(shí)”到“氫氧化鋁是否完全溶解取決于pH的范圍”,再到“重新從定量角度認(rèn)識(shí)為何氫氧化鋁與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿反應(yīng)”,學(xué)生關(guān)于氫氧化鋁溶解的模型構(gòu)建經(jīng)歷了若干階段。
數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是由數(shù)據(jù)采集器和傳感器組成的定量采集數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以將不易觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用數(shù)據(jù)、圖表等方式呈現(xiàn),通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)探究,可進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生閱讀圖表信息,分析定量數(shù)據(jù),理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力;還可以幫助學(xué)生基于數(shù)據(jù)進(jìn)行證據(jù)推理,構(gòu)建新的認(rèn)知模型,促進(jìn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)定性到定量的認(rèn)識(shí)。[3]
二、“氫氧化鋁的兩性”教學(xué)設(shè)計(jì)
1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)情分析
該教學(xué)內(nèi)容為滬科版《化學(xué)高二》8.2“鋁和鋁合金的崛起”的重要組分。此前,學(xué)生已學(xué)習(xí)了氫氧化鋁溶于強(qiáng)酸與強(qiáng)堿,對(duì)氫氧化鋁的溶解性有定性的認(rèn)識(shí),還學(xué)習(xí)了強(qiáng)弱電解質(zhì)、影響電離平衡移動(dòng)的因素、水的電離與pH等相關(guān)知識(shí)。學(xué)生對(duì)氫氧化鋁與酸和堿的定性反應(yīng)已經(jīng)掌握,但是僅停留在簡(jiǎn)單記憶,對(duì)于“氫氧化鋁在酸和堿中的溶解受什么影響?”“為何氫氧化鋁不溶于弱酸、弱堿?”等問題不能從本質(zhì)上理解。故本節(jié)課從定量實(shí)驗(yàn)的角度幫助學(xué)生建立對(duì)氫氧化鋁兩性更加準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí),構(gòu)建氫氧化鋁在酸和堿中溶解的模型、氫氧化鋁在不同酸堿條件下的存在形式模型;并通過本節(jié)課深化對(duì)電離平衡移動(dòng)影響因素的認(rèn)識(shí),感受化學(xué)反應(yīng)從量變到質(zhì)變的過程,也重新認(rèn)識(shí)強(qiáng)酸弱酸、強(qiáng)堿弱堿的本質(zhì)差異。[4-6]
2.教學(xué)目標(biāo)
(1)通過實(shí)驗(yàn)探究,基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行分析推理,結(jié)合電離平衡移動(dòng)原理解釋Al(OH)3在不同酸中溶解性差異的本質(zhì)原因;
(2)通過實(shí)驗(yàn)探究,了解Al(OH)3在酸中的溶解存在量變到質(zhì)變的變化過程,并初步建立Al(OH)3在酸中的溶解模型;
(3)通過對(duì)定量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析,完善Al(OH)3溶解與pH的關(guān)系模型;
(4)應(yīng)用Al(OH),溶解與pH的關(guān)系模型解決問題。
3.教學(xué)環(huán)節(jié)
本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容共三大部分:從定性與定量的角度再認(rèn)識(shí)氫氧化鋁和酸、堿的反應(yīng);通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)從宏微結(jié)合的角度了解氫氧化鋁和酸、堿反應(yīng)的實(shí)質(zhì);深化對(duì)氫氧化鋁化學(xué)性質(zhì)反應(yīng)原理的模型構(gòu)建與認(rèn)知。如圖2所示,本節(jié)課以Al(OH)3在酸和堿中溶解性為骨架,設(shè)計(jì)真實(shí)情境,產(chǎn)生認(rèn)知沖突。學(xué)生在體驗(yàn)定性實(shí)驗(yàn)探究和肉眼觀察的局限性后,基于證據(jù)分析推理進(jìn)行數(shù)字化定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)認(rèn)識(shí)Al(OH)3在酸和堿中溶解的本質(zhì),實(shí)現(xiàn)從對(duì)物質(zhì)間化學(xué)反應(yīng)的宏觀認(rèn)知到微觀原理的探析。
在理解Al(OH)3的溶解本質(zhì)基礎(chǔ)上探究Al( OH)3在哪些pH范圍內(nèi)才能完全溶解,學(xué)生通過數(shù)字化定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),認(rèn)識(shí)氫氧化鋁在不同pH環(huán)境中的存在形式,并發(fā)掘?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù),運(yùn)用氫氧化鋁的溶解本質(zhì)解釋該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖與高中階段常見沉淀質(zhì)量與NaOH體積關(guān)系圖的偏差。最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與不同酸堿的pH數(shù)據(jù),重新認(rèn)識(shí)教材中Al(OH),溶于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿,從對(duì)化學(xué)反應(yīng)的定性認(rèn)識(shí)與機(jī)械記憶,轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)化學(xué)反應(yīng)變化的本質(zhì)與平衡對(duì)化學(xué)反應(yīng)量變到質(zhì)變的影響;體會(huì)對(duì)強(qiáng)酸弱酸、強(qiáng)堿弱堿對(duì)體系pH的影響程度,重新認(rèn)識(shí)強(qiáng)弱電解質(zhì)。
三、“氫氧化鋁的兩性”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.?dāng)?shù)字化實(shí)驗(yàn)一:Al(OH),在弱酸、弱堿中的溶解程度
(1)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路
由于AI(OH)3在弱酸弱堿中不能完全溶解,肉眼無法判斷反應(yīng)是否有發(fā)生,本實(shí)驗(yàn)引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn),利用溶液中離子濃度增大電導(dǎo)率增大的原理,使用電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn),用數(shù)字與曲線表征實(shí)驗(yàn)事實(shí),促進(jìn)學(xué)生對(duì)Al(OH)3溶解本質(zhì)的理解。設(shè)計(jì)Al(OH)3固體和醋酸、氨水反應(yīng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn),探究影響Al( OH)3溶解程度的本質(zhì)原因。用等初始電導(dǎo)率的氯化鈉溶液和Al(OH)3固體作為對(duì)照組,排除Al(OH)3自身溶解對(duì)電導(dǎo)率的影響。
(2)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器與藥品
實(shí)驗(yàn)儀器:50mL燒杯、磁力攪拌器、Vernier電導(dǎo)率傳感器、Vernier數(shù)據(jù)采集器、鐵架臺(tái)。
藥品:pH=4醋酸溶液、Al(OH)3固體、與pH=4的醋酸電導(dǎo)率相同的NaCl溶液。
儀器設(shè)計(jì)如圖3所示。
2.?dāng)?shù)字化實(shí)驗(yàn)二:Al(OH),溶解度與pH的關(guān)系模型探究
(1)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路
利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn),通過pH探頭測(cè)定向硫酸酸化的硫酸鋁溶液中逐步滴加NaOH溶液的pH變化,觀測(cè)Al(OH)3開始沉淀、沉淀最大與完全溶解的pH。
學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn),利用肉眼無法準(zhǔn)確觀察沉淀開始、沉淀最大與沉淀消失的準(zhǔn)確節(jié)點(diǎn)。故對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化,利用感光度大小特征沉淀的量,從而得到Al(OH)3開始產(chǎn)生沉淀、沉淀完全、沉淀開始溶解和沉淀完全溶解對(duì)應(yīng)的pH,根據(jù)數(shù)據(jù)得到Al(OH)3在不同pH下的存在狀態(tài),建立Al(OH),溶解模型。培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。
通過挖掘本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù),引導(dǎo)學(xué)生利用本節(jié)課所學(xué)知識(shí),從Al(OH)3在不同酸堿性環(huán)境中的反應(yīng)實(shí)質(zhì),解釋該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖與高中階段常見沉淀質(zhì)量與氫氧化鈉體積關(guān)系圖的偏差:①恰好完全沉淀到完全溶解需要繼續(xù)滴加NaOH溶液提高溶液環(huán)境pH;②產(chǎn)生沉淀與沉淀溶解所需的NaOH溶液體積比并非3:1,有部分NaOH溶液用于提高體系的環(huán)境pH。學(xué)生利用直觀的數(shù)據(jù),解釋為何通常認(rèn)為“Al(OH)3不溶于弱酸、弱堿”,重新從定量角度認(rèn)識(shí)Al(OH)3不溶于弱酸、弱堿,感受強(qiáng)酸強(qiáng)堿對(duì)體系pH的影響。
(2)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器與藥品
實(shí)驗(yàn)儀器:50 mL燒杯、磁力攪拌器、Vernier pH傳感器、Vernier滴數(shù)傳感器、Vernier光傳感器、臺(tái)燈、Vernier數(shù)據(jù)采集器、鐵架臺(tái)。
藥品:0.1 mol/L Al2(SO4)3溶液、1.0 mol/L NaOH溶液、稀H2S04溶液。
儀器設(shè)計(jì)如圖4所示。
四、“氫氧化鋁的兩性”教學(xué)片段
1.創(chuàng)設(shè)情境產(chǎn)生疑問
[引入]老王最近胃疼和牙齦疼,吃了藥沒好,就醫(yī)后知道胃舒平和維生素C不能同時(shí)服用,藥效會(huì)抵消的。請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)信息猜測(cè)在這個(gè)過程中可能發(fā)生什么,理由是什么?
[學(xué)生]維生素有酸性,有可能發(fā)生了酸堿中和反應(yīng)。
[教師]但是維生素C是弱酸,Al(OH)3能溶于哪種酸呢?
[學(xué)生]強(qiáng)酸。
[教師lAl(OH)3能溶于弱酸嗎?我們可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。請(qǐng)同學(xué)們探究Al(OH),在pH=4的稀鹽酸、pH=4的醋酸、pH=2.4的醋酸中的溶解程度。
[學(xué)生]Al(OH),在pH=2.4的醋酸中完全溶解了,在pH=4的鹽酸和醋酸中有一點(diǎn)溶解。
2.定量實(shí)驗(yàn)探究-Al(OH)3能否溶于弱酸和弱堿
[教師]肉眼觀察沉淀的變化有局限性,但通過實(shí)驗(yàn),同學(xué)們認(rèn)為影響Al(OH)3在不同酸中的溶解程度的因素是什么?
[學(xué)生]pH越小,溶液中氫離子濃度越大,促進(jìn)Al(OH)3的堿式電離平衡向正向移動(dòng)。
[教師]在pH=4的酸中是否有溶解用肉眼無法準(zhǔn)確判斷,可以利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn),常見的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)傳感器有電導(dǎo)率、濁度計(jì)、感光度計(jì)等等,同學(xué)們認(rèn)為哪種傳感器用來測(cè)量Al(OH)3是否有溶解更好呢?
[學(xué)生]電導(dǎo)率也可以,因?yàn)槿芙夂箅x子濃度會(huì)變大;濁度計(jì)也可以;感光度計(jì)也可以。
[教師]老師這里使用了電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將Al(OH)3固體加入pH=4的醋酸溶液中,請(qǐng)同學(xué)們觀察數(shù)據(jù)變化。
[學(xué)生仔細(xì)觀察]起始是26.3 μS/cm,加入Al(OH),固體后逐漸增大,然后逐漸平穩(wěn),最終電導(dǎo)率達(dá)到286.5 μS/cm,電導(dǎo)率增大了,說明溶液中離子濃度增大了。
[教師]哪些行為會(huì)使得離子濃度增大呢?是Al( OH)3溶解的電離,還是電離平衡移動(dòng)呢?
[學(xué)生]都有可能,需要設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn),把Al(OH),固體溶解在水中,測(cè)量電導(dǎo)率。
[教師]電導(dǎo)率雖然會(huì)隨著離子濃度的增大而增大,但隨著濃度的增加,電導(dǎo)率增加的幅度變小。如果初始電導(dǎo)率不同,電導(dǎo)率增大的幅度也是不同的,怎么辦?
[學(xué)生]使用電導(dǎo)率相同的溶液,但是這個(gè)溶液不可以和Al(OH)3反應(yīng),比如氯化鈉溶液。
[教師]非常好,那我們來觀察Al(OH),固體加入相同電導(dǎo)率的氯化鈉溶液中的電導(dǎo)率變化。
[學(xué)生仔細(xì)觀察]起始是26.3μS/cm,加入Al(OH),固體后逐漸增大,然后逐漸平穩(wěn),最終電導(dǎo)率達(dá)到244.4 μS/cm,電導(dǎo)率也增大了,但是沒有在醋酸中多。所以Al(OH)。在pH=4的醋酸中是可以部分溶解的。
[教師]Al(OH)3在酸中的溶解程度由pH的大小決定,Al(OH)3還存在酸式電離,可以溶于堿,Al(OH),真的只能溶于強(qiáng)堿嗎?
[學(xué)生]也許弱堿的pH夠大,Al(OH)3就可以溶解,因?yàn)闅溲醺x子濃度越大,越能夠促進(jìn)Al(OH)3的酸式電離正向移動(dòng)。可以用濃氨水進(jìn)行剛才的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。
[教師]進(jìn)行Al(OH)3與氨水的導(dǎo)電率實(shí)驗(yàn)演示,證明Al(OH)3也可部分溶解在氨水中。
3.構(gòu)建Al(OH)3的溶解模型
[教師]Al(OH)3究竟在多大pH的酸堿中才能夠溶解呢?在探究前,請(qǐng)同學(xué)們思考下列問題,向含有少量硫酸的Al2(SO4)3溶液中逐滴滴加NaOH溶液,隨著NaOH溶液體積的增加,溶液中的沉淀如何變化?請(qǐng)繪制在如下坐標(biāo)系中。
[學(xué)生思考并繪制]如圖5所示。
[教師]如果想測(cè)定Al(OH)3恰好在酸中和堿中完全溶解的pH,應(yīng)該測(cè)量哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的pH。
[學(xué)生]沉淀剛好產(chǎn)生的pH是在酸中完全溶解的pH,剛好完全溶解pH是在堿中完全溶解的pH。
[教師]老師利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn),向含有少量硫酸的Al2(SO4)3溶液中逐滴滴加NaOH溶液,同時(shí)測(cè)定pH,請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察,并記錄你需要的數(shù)據(jù)。同時(shí)老師也想知道沉淀最大時(shí)的pH,請(qǐng)同學(xué)們觀察。
[學(xué)生]在pH大概為3時(shí)開始產(chǎn)生沉淀,到pH大概為13時(shí)沉淀消失,但是沉淀最大點(diǎn)很難看清楚。
[教師]無法用肉眼觀察清楚,怎么辦呢?
[學(xué)生]借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器。
[教師]在剛剛給同學(xué)們介紹的傳感器中有一個(gè)感光度的傳感器,可以測(cè)量光的強(qiáng)度,透光率越高,則溶液越澄清,反之越渾濁,請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并根據(jù)感光度曲線判斷各節(jié)點(diǎn)的pH。
[學(xué)生]開始沉淀大約為3,沉淀完全溶解大約為13,pH大約為5沉淀完全,pH大約為9沉淀開始溶解。
[教師]感光度的圖像實(shí)際反應(yīng)了沉淀的量,請(qǐng)同學(xué)們觀察圖像與我們之前繪制的m 沉淀/V NaOH圖有何不同?
[學(xué)生]實(shí)際的圖最高點(diǎn)并不是折線,有一段時(shí)間沉淀不變化。因?yàn)榍『猛耆恋淼酵耆芙庑枰^續(xù)滴加NaOH溶液提高溶液環(huán)境pH。產(chǎn)生沉淀與沉淀溶解所需的氫氧化鈉體積比并非3:1,有一部分NaOH溶液用于提高溶液環(huán)境pH。
4.Al(OH)3的溶解模型應(yīng)用
[教師]制取Al(OH)3不一定用鋁離子與氨水反應(yīng)來制取,我們可以通過調(diào)節(jié)其pH來制取,工業(yè)上制取Al(OH)3也會(huì)采取用在硫酸鋁中滴加氫氧化鈉,我們應(yīng)將pH控制在哪個(gè)范圍內(nèi)呢?
[學(xué)生]5< pH<9
[教師]通過今天的學(xué)習(xí),我們發(fā)現(xiàn)Al(OH)3的溶解程度實(shí)際取決于pH的大小,但是為何教材的結(jié)論為Al( OH),溶于強(qiáng)酸強(qiáng)堿呢?以下為弱酸、強(qiáng)酸的濃度及其對(duì)應(yīng)的pH(略),請(qǐng)同學(xué)們判斷Al(OH)3在這些酸堿中能否溶解,分析為何Al(OH)3溶于強(qiáng)酸強(qiáng)堿?
[學(xué)生]弱酸和弱堿很難達(dá)到完全溶解的pH范圍,但是很稀的強(qiáng)酸和強(qiáng)堿卻能做到。
[教師]化學(xué)反應(yīng)是絕對(duì)的,但也是相對(duì)的,希望同學(xué)們對(duì)Al(OH)3的兩性有新的認(rèn)知。
五、教學(xué)反思
本節(jié)課通過層層探究Al(OH)3在酸和堿中的溶解程度,讓學(xué)生體驗(yàn)收集證據(jù),對(duì)Al(OH)3的性質(zhì)提出可能的假設(shè),基于證據(jù)進(jìn)行分析推理,形成科學(xué)結(jié)論,分析定性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和物質(zhì)性質(zhì)來建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維模型;引導(dǎo)學(xué)生從定性角度認(rèn)識(shí)“Al(OH)3能溶解與不能溶解”,轉(zhuǎn)變到定量角度認(rèn)識(shí)“Al(OH)3溶解的量變到質(zhì)變”,體會(huì)化學(xué)變化的絕對(duì)性與相對(duì)性,探析影響Al(OH)3溶解的本質(zhì)因素。從定性角度認(rèn)識(shí)“強(qiáng)酸與弱酸”,轉(zhuǎn)變到定量角度體會(huì)強(qiáng)酸、弱酸對(duì)體系pH的影響能力。從定性角度認(rèn)識(shí)Al(OH)3和酸、堿反應(yīng),轉(zhuǎn)變到從酸堿性環(huán)境角度考慮物質(zhì)的存在形態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化Al(OH),溶解的模型,根據(jù)所學(xué)知識(shí)解釋與傳統(tǒng)模型的偏差。
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