摘要:“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”是結(jié)構(gòu)理論與數(shù)學(xué)理論的結(jié)合,主要介紹結(jié)構(gòu)可靠度理論以及可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的聯(lián)系,它將為“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”、“鋼結(jié)構(gòu)”等課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。通過(guò)歸納當(dāng)前“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”教學(xué)中存在的問(wèn)題,提出了改進(jìn)措施。首先應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生重視并激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣,然后在教學(xué)上構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容的知識(shí)連貫性和系統(tǒng)性,并且要特別注重概念闡釋與原理講解,最后課程成績(jī)?cè)u(píng)定宜注重在對(duì)學(xué)生激勵(lì)上。
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法;可靠度;教學(xué)方法;概念與原理
作者簡(jiǎn)介:張振浩(1980-),男,廣西欽州人,長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院,講師;楊偉軍(1962-),男,湖南益陽(yáng)人,長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院,教授。(湖南長(zhǎng)沙410114)
基金項(xiàng)目:本文系長(zhǎng)沙理工大學(xué)橋梁工程湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):09KA02)的研究成果之一。
中圖分類號(hào):G642#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào):1007-0079(2012)11-0078-02
一、“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”課程特點(diǎn)及重要性
“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”課程的教學(xué)對(duì)象是土木工程專業(yè)三年級(jí)本科學(xué)生,這是一門土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程,其先修課程是“概率論”、“數(shù)理統(tǒng)計(jì)”、“結(jié)構(gòu)力學(xué)”等,學(xué)習(xí)了這門課程之后將為后續(xù)的“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”、“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”、“鋼結(jié)構(gòu)”等課程打下基礎(chǔ)。
荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是結(jié)構(gòu)理論與概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的一門新興學(xué)科,重點(diǎn)介紹常用的結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算和設(shè)計(jì)方法以及結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的聯(lián)系。[1]20世紀(jì)70年代以來(lái),結(jié)構(gòu)可靠度理論在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域進(jìn)入實(shí)用階段,許多國(guó)家都致力于建立結(jié)構(gòu)可靠性理論為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范體系。我國(guó)工程技術(shù)界非常重視結(jié)構(gòu)可靠性問(wèn)題,先后編制了《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50153-92)等多個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)主要目的是使學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)可靠度理論及加深理解并運(yùn)用好這些統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范體系。
該門課程的教學(xué)重點(diǎn)包括:可靠性理論的一次二階矩方法即近似概率法(水準(zhǔn)Ⅱ),主要學(xué)習(xí)中心點(diǎn)法、驗(yàn)算點(diǎn)法;荷載及抗力的統(tǒng)計(jì)分析;結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì),包括我國(guó)“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”采用的設(shè)計(jì)可靠指標(biāo),實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式以及表達(dá)式中各分項(xiàng)系數(shù)(荷載分項(xiàng)系數(shù)、荷載組合系數(shù)、結(jié)構(gòu)抗力分項(xiàng)系數(shù)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù))的確定原則方法;結(jié)構(gòu)體系可靠度。全課程教學(xué)學(xué)時(shí)為16課時(shí),教學(xué)安排如表1所示??梢?jiàn),課時(shí)少、難度大而內(nèi)容重要是這門課的特點(diǎn),也是這門課程教學(xué)的最大突出矛盾。
二、“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”教學(xué)存在的突出問(wèn)題
1.重視程度不夠
由于各種原因,有些高校在土木工程專業(yè)的課程設(shè)置上對(duì)“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”這門課程的重視不夠,教學(xué)課時(shí)曾一再被壓縮。同時(shí)教學(xué)內(nèi)容除了結(jié)構(gòu)可靠度理論外,還增加了“荷載”這一塊的內(nèi)容,包括重力荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、土壓力等,這使得可用于教授結(jié)構(gòu)可靠度理論的學(xué)時(shí)更為減少。[2]另一方面,學(xué)生本身也對(duì)課程的重要性認(rèn)識(shí)不夠,普遍認(rèn)為結(jié)構(gòu)可靠度知識(shí)對(duì)今后工作的幫助不大,在工程實(shí)踐中不需要用到“如此高深”的理論。因此,若非考研需要,一般的學(xué)生均對(duì)該課程興趣不大,投入學(xué)習(xí)的時(shí)間也較少。此外,課程設(shè)置上該門課程學(xué)時(shí)及學(xué)分的減少,也潛移默化地使得學(xué)生認(rèn)為該門課程不太重要。
2.課程內(nèi)容難度較大
結(jié)構(gòu)可靠理論在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中處于“統(tǒng)領(lǐng)”的指導(dǎo)地位,由于所站的層次較高,結(jié)構(gòu)可靠度理論的基本概念本身就比較抽象,尤其目前一般將這門課程安排在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等課程前學(xué)習(xí),學(xué)生在對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全沒(méi)有接觸了解的情況下,理解結(jié)構(gòu)可靠度基本概念較為困難,抓不住要領(lǐng)。其次,結(jié)構(gòu)可靠度的計(jì)算方法也頗為復(fù)雜。雖然課程只要求學(xué)生掌握基本的一次二階矩方法,但學(xué)生仍普遍感到很是吃力。中心點(diǎn)法相對(duì)而言概念較清楚、計(jì)算比較簡(jiǎn)單,學(xué)生基本能掌握,但該法僅是可靠度計(jì)算的初級(jí)方法。對(duì)于需要重點(diǎn)掌握的驗(yàn)算點(diǎn)法學(xué)生就感覺(jué)難度較大了。公式推導(dǎo)復(fù)雜,計(jì)算步驟繁多,而且需要重復(fù)迭代計(jì)算,這些困難往往讓學(xué)生望而卻步。因此學(xué)生概念理解模糊、對(duì)計(jì)算過(guò)程一頭霧水頗為常見(jiàn),學(xué)生對(duì)驗(yàn)算點(diǎn)法的學(xué)習(xí)僅僅是進(jìn)行生搬硬套的模擬,沒(méi)有理解公式的含義,更不去探究這樣計(jì)算的原因。
3.相關(guān)知識(shí)環(huán)節(jié)脫節(jié)
“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”是在概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、高等數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行學(xué)習(xí)的。這些相關(guān)課程的有機(jī)融合是學(xué)習(xí)好結(jié)構(gòu)可靠度理論的前提,若已學(xué)知識(shí)理解不深刻和掌握不牢固,學(xué)習(xí)這門課程就會(huì)遇到很大困難。學(xué)生感覺(jué)這門課程難學(xué)的一個(gè)重要原因就是相關(guān)知識(shí)環(huán)節(jié)的脫節(jié)。結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高,尤其對(duì)概率論、高等數(shù)學(xué)要有很好的掌握。如中心點(diǎn)法、驗(yàn)算點(diǎn)法的可靠指標(biāo)計(jì)算公式推導(dǎo)中均用到多元函數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),而在高等數(shù)學(xué)中一般只是學(xué)習(xí)一元函數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),對(duì)二元函數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)僅粗淺涉及,由于學(xué)生對(duì)這些相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)掌握程度不夠,造成知識(shí)脫節(jié)的現(xiàn)象,學(xué)習(xí)起來(lái)較為困難。此外,還有一重要原因是學(xué)習(xí)“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”課程與學(xué)習(xí)高數(shù)、概率論等數(shù)學(xué)課程的時(shí)間間隔較大,往往間隔一兩個(gè)學(xué)期,致使已學(xué)知識(shí)生疏,也存在著知識(shí)脫節(jié)的問(wèn)題。
4.對(duì)規(guī)范較為陌生,掌握不夠
熟悉規(guī)范是土木工程專業(yè)技術(shù)人員的基本素質(zhì),學(xué)習(xí)“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”課程的目的之一就是加深學(xué)生對(duì)規(guī)范重要性的認(rèn)識(shí)及對(duì)規(guī)范內(nèi)容的理解。由于客觀不確定性的存在,土木工程結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)實(shí)際上是受國(guó)家經(jīng)濟(jì)條件約束的風(fēng)險(xiǎn)決策過(guò)程,決策是要在結(jié)構(gòu)初始建造費(fèi)用和未來(lái)可能的倒塌損失之間進(jìn)行權(quán)衡。而這通常就是由國(guó)家的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)控制和實(shí)現(xiàn)的。自20世紀(jì)70年代以來(lái),許多國(guó)家都致力于建立結(jié)構(gòu)可靠性理論為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范體系。我國(guó)也自1984年起先后完成了第一層次的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和第二層次的建筑、公路、鐵路、港口、水利等各領(lǐng)域工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。[3]因此,掌握和理解結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度計(jì)算和設(shè)計(jì)方法以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的聯(lián)系,是本課程的重要學(xué)習(xí)目的之一。但絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)相關(guān)規(guī)范不聞不問(wèn),去圖書館查閱規(guī)范的學(xué)生相當(dāng)少,更談不上對(duì)規(guī)范內(nèi)容進(jìn)行聯(lián)系學(xué)習(xí)與理解了。
5.不熟悉計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言
“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”課程需要重點(diǎn)掌握的驗(yàn)算點(diǎn)法,其公式不僅數(shù)目較多,而且較為復(fù)雜,關(guān)鍵的是最終求解出可靠指標(biāo)需要采用迭代計(jì)算的方法。因此,使用該方法計(jì)算可靠指標(biāo)若能借助計(jì)算機(jī)編程計(jì)算,則會(huì)大大減小計(jì)算工作量,而且也會(huì)對(duì)方法本身有更深入的理解。雖然學(xué)生在二年級(jí)時(shí)一般均選修學(xué)習(xí)過(guò)C語(yǔ)言或Fortran語(yǔ)言,但學(xué)習(xí)不夠深入,相當(dāng)部分學(xué)生在計(jì)算機(jī)編程方面的訓(xùn)練較為欠缺,能夠完整地編好程序并且調(diào)試通過(guò)的極少。雖然教學(xué)大綱中沒(méi)有要求學(xué)生掌握語(yǔ)言編程計(jì)算可靠指標(biāo),但此類訓(xùn)練會(huì)讓學(xué)生對(duì)可靠度計(jì)算方法的理解大大加深,同時(shí)可以培養(yǎng)學(xué)生熟練使用計(jì)算機(jī)的能力,這也是土木工程專業(yè)人員采用先進(jìn)計(jì)算分析手段的體現(xiàn)。
三、主要解決措施
1.引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)重視,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣
在當(dāng)前高校學(xué)生課程壓力普遍較大的情況下,增加課程學(xué)時(shí)是不切實(shí)際的。因此,要著重加強(qiáng)作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生對(duì)這門課程的重要性認(rèn)識(shí),讓學(xué)生在課后能自主地投入更多的時(shí)間精力去學(xué)習(xí)。要向?qū)W生反復(fù)闡明土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度背景和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要滿足的可靠度要求,進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到可靠度理論是指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制訂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)性理論,在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有指導(dǎo)性的重要地位。在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)課程重要性的同時(shí),還應(yīng)進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如在講可靠度理論之前花些時(shí)間介紹結(jié)構(gòu)可靠度理論的研究發(fā)展歷程,吸引學(xué)生的注意力,告訴學(xué)生結(jié)構(gòu)可靠度理論目前為止還有哪些問(wèn)題是沒(méi)有解決的,激發(fā)起學(xué)生躍躍欲試的學(xué)習(xí)勁頭。總之,在學(xué)生對(duì)這門課程的意義感到茫然的時(shí)候,教師也應(yīng)加強(qiáng)重視,用細(xì)心、耐心和恒心來(lái)做好這門課程的教學(xué)工作。
2.構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容的知識(shí)連貫性和系統(tǒng)性
由于“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”與高等數(shù)學(xué)、概率論等課程具有密切的聯(lián)系,為避免或減小學(xué)生由于相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)脫節(jié)的問(wèn)題,宜在開(kāi)始教授可靠度理論前花兩課時(shí)的時(shí)間來(lái)給學(xué)生復(fù)習(xí)并補(bǔ)充與可靠度理論密切相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí),使整個(gè)可靠度理論在教學(xué)內(nèi)容上具有良好的知識(shí)連貫性與系統(tǒng)性。教學(xué)實(shí)踐證明這一點(diǎn)很有必要,若一開(kāi)始就進(jìn)入可靠度理論,由于高數(shù)、概率論的學(xué)習(xí)時(shí)間間隔太久,即使是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好的學(xué)生也會(huì)是一知半解。此外,在課堂上的數(shù)學(xué)知識(shí)復(fù)習(xí)和補(bǔ)充之后,還要注意布置一定量針對(duì)性的課后作業(yè),讓學(xué)生切實(shí)溫故而知新,為學(xué)習(xí)可靠度理論打下良好基礎(chǔ)??煽慷壤碚摰膶W(xué)習(xí),可以將相關(guān)知識(shí)連貫性、系統(tǒng)性地有機(jī)串聯(lián)起來(lái),這將促進(jìn)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)掌握的提高和升華,更培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。
3.要特別注重概念闡釋與原理講解
結(jié)構(gòu)可靠度理論之所以難學(xué),是因?yàn)楦拍畛橄?、?jì)算原理復(fù)雜,因此在教學(xué)當(dāng)中要特別注重概念的透徹闡釋與原理的詳細(xì)講解。[4]概念的闡釋除了讓學(xué)生明白其內(nèi)涵外,還要從其外延去講解。如結(jié)構(gòu)可靠性的概念,將其內(nèi)涵闡述結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)、在規(guī)定條件下完成預(yù)定功能的能力;同時(shí)還應(yīng)足夠?qū)拸V地、沒(méi)有遺漏地對(duì)其外延進(jìn)行描述,結(jié)構(gòu)可靠性包括結(jié)構(gòu)的安全性要求、適用性要求、耐久性要求。學(xué)生從概念的內(nèi)涵和外延去理解,既全面又不抽象,較容易做到對(duì)概念的掌握全面而準(zhǔn)確。[5]
結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算方法是荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法這門所要重點(diǎn)學(xué)習(xí)掌握的內(nèi)容之一。但由于計(jì)算過(guò)程與計(jì)算原理均頗為復(fù)雜,所以學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)特別吃力。以驗(yàn)算點(diǎn)法為例,一次計(jì)算過(guò)程就需要?dú)v經(jīng)當(dāng)量正態(tài)化、計(jì)算方向余弦、寫出驗(yàn)算點(diǎn)坐標(biāo)與可靠指標(biāo)間的關(guān)系、求解可靠指標(biāo)、由可靠指標(biāo)求解驗(yàn)算點(diǎn)坐標(biāo)新值等一系列步驟,應(yīng)用的公式多達(dá)五、六個(gè),而且需要重復(fù)以上計(jì)算流程若干次才能求得最終結(jié)果。不少學(xué)生對(duì)驗(yàn)算點(diǎn)法的學(xué)習(xí)就是照葫蘆畫瓢,由于對(duì)計(jì)算原理的不理解,所以即使是照著老師講的計(jì)算步驟一步一步做,也都是生搬硬套,容易出錯(cuò)。由于計(jì)算過(guò)程步驟本身就比較復(fù)雜,加上課時(shí)限制,一些教師在教學(xué)上有重計(jì)算過(guò)程而輕原理講解的現(xiàn)象。為了避免學(xué)生知其然而不知所以然的情況,教師應(yīng)該加強(qiáng)計(jì)算原理的闡釋,對(duì)所要使用的公式要詳細(xì)地推導(dǎo),雖然計(jì)算原理、公式推導(dǎo)更為復(fù)雜,但教師必須有足夠的耐心和細(xì)心輔導(dǎo)學(xué)生。學(xué)生只有在理解了計(jì)算原理的情況下,才能真正掌握好驗(yàn)算點(diǎn)法。
4.課程成績(jī)?cè)u(píng)定宜注重激勵(lì)學(xué)生
課程學(xué)習(xí)成績(jī)的評(píng)定是對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握情況和分析解決問(wèn)題能力的綜合反映,同時(shí)也是激勵(lì)學(xué)生更進(jìn)一步學(xué)習(xí)的手段。對(duì)于這門課程理論較深較難掌握的情況,對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的評(píng)定更要講究科學(xué),對(duì)這門課宜采用“平時(shí)教學(xué)嚴(yán),考核相對(duì)松”的方式。目前該門課的成績(jī)?cè)u(píng)定一般采用平時(shí)成績(jī)加考試成績(jī)的綜合評(píng)價(jià)辦法,其中平時(shí)成績(jī)占40%,考試成績(jī)占60%。對(duì)于平時(shí)成績(jī),不能只根據(jù)考勤、課堂和課后作業(yè)的情況來(lái)打分,為鼓勵(lì)學(xué)生采用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行編程,通過(guò)手算進(jìn)行比較加深對(duì)算法的理解,雖然教學(xué)大綱中沒(méi)有此項(xiàng)要求,但凡進(jìn)行了計(jì)算機(jī)編程練習(xí)的學(xué)生都應(yīng)加分,調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性。對(duì)于考試成績(jī)的打分,也不宜過(guò)于嚴(yán)格苛刻,打出來(lái)的成績(jī)應(yīng)該是讓學(xué)生體驗(yàn)到通過(guò)自己的努力學(xué)習(xí)所獲得的成績(jī)是肯定,而不是令人泄氣的過(guò)低分?jǐn)?shù)。這樣對(duì)激發(fā)學(xué)生在課后甚至是課程結(jié)束后仍有意愿自主地去學(xué)習(xí)這門課程知識(shí)是有重要意義的,盡量達(dá)到整門課程教學(xué)效果的最優(yōu)化。
四、結(jié)束語(yǔ)
在“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”課程的教學(xué)實(shí)踐中,針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題采用相應(yīng)的改進(jìn)措施,收到了較好的教學(xué)效果。學(xué)生自我獲取知識(shí)的能力、分析解決問(wèn)題的能力均得到了良好培養(yǎng)和不同程度的提高。學(xué)生反映課程的強(qiáng)化教學(xué)對(duì)后續(xù)課程“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”、“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”等有很大的幫助,本科畢業(yè)后繼續(xù)攻讀研究生的學(xué)生更是反映這門課程的學(xué)習(xí)對(duì)創(chuàng)新思維具有的重要意義。
在今后的“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法”課程教學(xué)中,應(yīng)進(jìn)一步注意到這門課程所具有的數(shù)學(xué)與力學(xué)相結(jié)合的特征,教師要充分認(rèn)識(shí)到這種知識(shí)體系的結(jié)合性,基于這種認(rèn)識(shí)并結(jié)合實(shí)際工程背景來(lái)講解基本知識(shí)點(diǎn)和概念,給學(xué)生傳授正確觀念,更為深刻地理解結(jié)構(gòu)可靠度的理論。同時(shí)教師還要緊跟學(xué)科發(fā)展的動(dòng)態(tài),這樣才能始終站在學(xué)科發(fā)展的前沿,給學(xué)生傳授最新的理論和知識(shí)。這對(duì)于提高本科教學(xué)水平,完善高校教學(xué)職能具有重大的意義。
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