面向卓越工程師培養(yǎng)的人因工程課程教學(xué)改革研究

劉志 唐娟 費(fèi)志敏

摘 要：針對(duì)《人因工程》課程在工業(yè)工程專業(yè)中的重要性及其教學(xué)中存在的問(wèn)題，在工業(yè)工程卓越工程師培養(yǎng)方案的指導(dǎo)下，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革。首先，構(gòu)建了包含基礎(chǔ)型、應(yīng)用型和擴(kuò)展型知識(shí)的多層次教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了包含實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等內(nèi)容的全方位實(shí)踐教學(xué)體系；其次，探討了基于IRI-CDIO和反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的多元化教學(xué)方法；最后，通過(guò)案例對(duì)教學(xué)方法的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：卓越工程師；人因工程；教學(xué)改革；IRI-CDIO；反轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）01-0134-03

Abstract： In view of the importance and the teaching problems of Human Factors Engineering teaching of industrial engineering， the teaching content and methods are reformed under the guidance of the excellent engineers training program. First of all， a multi-level teaching content including basic， applied and extended knowledge is constructed， designing a comprehensive practice teaching system comprising experiment， course design， production practice and graduation design. What's more， multi-teaching methods which is based on IRI-CDIO and flipped classroom are discussed. Finally， the effectiveness of teaching methods is verified through cases.

Keywords： excellent engineer； Human Factors Engineering； teaching reform； IRI-CDIO； flipped classroom

引言

人因工程學(xué)是 20 世紀(jì) 40 年代后期跨越不同學(xué)科領(lǐng)域，應(yīng)用多門學(xué)科原理、方法和數(shù)據(jù)發(fā)展起來(lái)的一門新興邊緣學(xué)科，具有多學(xué)科交叉性和較強(qiáng)的工程應(yīng)用性。它以人的生理、心理特性為依據(jù)，運(yùn)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，分析研究人與機(jī)、人與環(huán)境以及機(jī)與環(huán)境之間的相互作用，為設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)便、省力安全舒適、人-機(jī)-環(huán)境配合達(dá)到最佳狀態(tài)的工程系統(tǒng)提供理論和方法的學(xué)科。人因工程學(xué)是工業(yè)工程專業(yè)至關(guān)重要的核心課程。

然而，人因工程學(xué)因涉及知識(shí)面廣、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得現(xiàn)有教學(xué)過(guò)程中存在著大量的問(wèn)題，如綜合性與學(xué)生已有知識(shí)局限性的矛盾，教學(xué)內(nèi)容相對(duì)分散、系統(tǒng)性不強(qiáng)，及理論與實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)性不強(qiáng)等問(wèn)題[1]。針對(duì)以上問(wèn)題，已有不少學(xué)者對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行了研究，如廖斌[2]設(shè)計(jì)了層次化教學(xué)內(nèi)容、動(dòng)態(tài)化教學(xué)模塊和多樣化教學(xué)方法相結(jié)合的教學(xué)體系，并嘗試采取實(shí)驗(yàn)教學(xué)、案例教學(xué)、互動(dòng)式教學(xué)等方法和手段進(jìn)行教學(xué)改革；萬(wàn)鵬等[3]提出按照遞進(jìn)式的能力培養(yǎng)過(guò)程，從理論課堂-課內(nèi)實(shí)驗(yàn)-課程設(shè)計(jì)-工業(yè)工程綜合實(shí)訓(xùn)-生產(chǎn)、畢業(yè)實(shí)習(xí)的企業(yè)實(shí)踐-畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)加以鍛煉，以提高學(xué)生的人因工程實(shí)踐能力；賈雨等[4]針對(duì)當(dāng)前人因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法等方面進(jìn)行改革；潘驍[5]對(duì)高強(qiáng)度工作環(huán)境下的疲勞恢復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并從實(shí)驗(yàn)工具、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)意義3個(gè)方面進(jìn)行了闡述；趙林等[6]在對(duì)人因工程課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段及實(shí)驗(yàn)師資隊(duì)伍建設(shè)3個(gè)方面，提出了改革建議。

綜上可知，已有不少學(xué)者針人因工程課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段進(jìn)行了改革，同時(shí)，部分學(xué)者對(duì)其實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探討。但是，現(xiàn)有研究多以概括性分析為主。本文以卓越人才培養(yǎng)計(jì)劃在工業(yè)工程專業(yè)推進(jìn)為契機(jī)，依托于工業(yè)工程專業(yè)卓越工程師教育培養(yǎng)建設(shè)項(xiàng)目，以培養(yǎng)工業(yè)工程專業(yè)卓越人才為最終目標(biāo)，在人因工程課程原有知識(shí)體系和教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，優(yōu)化和重組理論及實(shí)踐內(nèi)容；以各級(jí)項(xiàng)目和企業(yè)案例（或?qū)嶋H問(wèn)題）為載體，運(yùn)用反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，積極更新教學(xué)和實(shí)驗(yàn)手段，并改革課程考核方法，以提高教學(xué)效果。

一、優(yōu)化和重組課程理論及實(shí)踐內(nèi)容

依據(jù)安徽工程大學(xué)工業(yè)工程卓越人才培養(yǎng)目標(biāo)及“2+0.5+1+0.5”的培養(yǎng)模式，人因工程課程設(shè)置在大四上學(xué)期，課時(shí)為40課時(shí)，其培養(yǎng)目標(biāo)如下：通過(guò)教學(xué)，使學(xué)生從工程的角度掌握人的生理、心理的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)并利用人的行為、工作能力、作業(yè)限制等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)工具、機(jī)器、系統(tǒng)、任務(wù)和環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以提高生產(chǎn)率、安全性、舒適性和有效性。為了能夠在有限課時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，需結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)模式，優(yōu)化和重組課程理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

在現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容、師資條件和實(shí)踐資源的基礎(chǔ)上，依據(jù)文獻(xiàn)[2]，設(shè)計(jì)包含基礎(chǔ)型、應(yīng)用型和擴(kuò)展型教學(xué)內(nèi)容；其中，基礎(chǔ)型內(nèi)容是課程最基本內(nèi)容，以保證學(xué)生能夠掌握人因工程的基本概念、原理和方法，相對(duì)性和原理性強(qiáng)，包括人體測(cè)量、勞動(dòng)生理心理特征、人體感知及特征等，分配課時(shí)為16；應(yīng)用型教學(xué)內(nèi)容則應(yīng)注重知識(shí)的前沿性、現(xiàn)實(shí)性和研討性，以提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力為目標(biāo)，其特點(diǎn)相對(duì)靈活，需利用校企合作平臺(tái)，深入行業(yè)企業(yè)，大量吸收行業(yè)、企業(yè)的新知識(shí)，以保持教學(xué)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)更新，包括作業(yè)崗位設(shè)計(jì)、工作桌椅設(shè)計(jì)、工具設(shè)計(jì)、信息界面設(shè)計(jì)等，分配課時(shí)為16。擴(kuò)展型教學(xué)內(nèi)容旨在提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和系統(tǒng)規(guī)劃能力，要求學(xué)生能夠針對(duì)某個(gè)系統(tǒng)，從人機(jī)安全和人-機(jī)-環(huán)境總體設(shè)計(jì)，包括總體設(shè)計(jì)、事故與安全分析等，分配課時(shí)為8。

實(shí)踐教學(xué)在人因工程教學(xué)中具有極其重要的地位。目前，僅通過(guò)4-6個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)根本無(wú)法達(dá)到課程的教學(xué)效果。為了達(dá)到各個(gè)層次教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)效果，需設(shè)計(jì)全方位的實(shí)踐教學(xué)體系。全方位實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容如下：

1. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

人因工程課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多，需結(jié)合單位現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)資源進(jìn)行合理設(shè)置。根據(jù)多層次化教學(xué)內(nèi)容，可將實(shí)驗(yàn)課程分為基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)和提高型實(shí)驗(yàn)，其中，基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證相關(guān)理論為主，包括：人體測(cè)量實(shí)驗(yàn)；提高型實(shí)驗(yàn)以探索型實(shí)驗(yàn)為主，包括視覺(jué)反應(yīng)時(shí)實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)驗(yàn)和視覺(jué)深度知覺(jué)測(cè)試。

2. 課程設(shè)計(jì)的規(guī)劃和實(shí)施

作為實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，課程設(shè)計(jì)可以為學(xué)生模擬一個(gè)比較接近現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，通過(guò)自主設(shè)計(jì)和主動(dòng)探索，可幫助學(xué)生更加深入地領(lǐng)會(huì)所學(xué)課程的內(nèi)涵，提高運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。為實(shí)現(xiàn)面向卓越工程師的課程培養(yǎng)目標(biāo)，需在一體化實(shí)踐教學(xué)體系中開設(shè)人因工程課程設(shè)計(jì)。而課程設(shè)計(jì)的選題與組織管理是否合理至關(guān)重要。因此，對(duì)各類校企合作項(xiàng)目和教師的科研項(xiàng)目及科研成果進(jìn)行研究，以凝練合適的人因工程課程設(shè)計(jì)題目。

3. 融入其他工程實(shí)踐環(huán)節(jié)的人因工程實(shí)踐教學(xué)

人因工程學(xué)作為工業(yè)工程專業(yè)的主要核心課程之一，與其他核心課程相互關(guān)聯(lián)、知識(shí)互補(bǔ)，共同培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和專業(yè)技能。而目前，在社會(huì)調(diào)查、生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，較為注重基礎(chǔ)工業(yè)工程等核心課程知識(shí)的運(yùn)用，對(duì)于人因工程學(xué)考慮較少，使得學(xué)生難以理解人因工程學(xué)在專業(yè)體系中的重要性。因此，需對(duì)各類實(shí)習(xí)大綱進(jìn)行修編，明確人因工程課程的實(shí)習(xí)內(nèi)容和要求，并在指導(dǎo)書中增加人因工程現(xiàn)場(chǎng)診斷清單。

二、基于IRI-CDIO/反轉(zhuǎn)課堂的多元化教學(xué)方法研究

（一）IRI-CDIO教學(xué)方法的應(yīng)用

CDIO教育模式是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的整個(gè)生命周期為載體，讓學(xué)生在工程知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中更加主動(dòng)、更加關(guān)注實(shí)踐性及各個(gè)課程模塊之間的有機(jī)聯(lián)系[7]。本文在CDIO理念的指導(dǎo)下，結(jié)合工業(yè)工程專業(yè)卓越工程師學(xué)生的具體情況，提出了IAI-CDIO的教學(xué)方法，其中，IAI表示興趣（Interest）、能力（Ability）和創(chuàng)新（Innovation）。IRI-CDIO教學(xué)方法通過(guò)2-3個(gè)不同基本的課程項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，將學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力融入到課程教學(xué)中。

針對(duì)人因工程課程的層次化內(nèi)容體系，可依據(jù)與汽車制造企業(yè)的合作項(xiàng)目，設(shè)計(jì)初級(jí)和高級(jí)課程項(xiàng)目。其中，初級(jí)課程項(xiàng)目以訓(xùn)練學(xué)生3～5個(gè)課程知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用為主；如：對(duì)汽車裝配線各個(gè)工位的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察、拍攝錄像及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，整理作業(yè)流程，然后運(yùn)用Jack人機(jī)功效分析軟件對(duì)各個(gè)崗位進(jìn)行作業(yè)仿真，以優(yōu)化設(shè)計(jì)各個(gè)工作崗位的作業(yè)環(huán)境，其中，3～5個(gè)學(xué)生為一組，負(fù)責(zé)一個(gè)崗位的優(yōu)化工作。高級(jí)課程項(xiàng)目則以訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用人因工程和其他相關(guān)專業(yè)課程知識(shí)，解決一個(gè)復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題為主，如解決汽車裝配線員工的輪崗問(wèn)題，該問(wèn)題不僅涉及員工疲勞強(qiáng)度與工作時(shí)間、工作環(huán)境的關(guān)系，還需考慮作業(yè)人員的技能、產(chǎn)線的平衡線及產(chǎn)能約束等。

（二）反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的應(yīng)用

反轉(zhuǎn)課堂，是一種將線上課堂和面授課堂有機(jī)結(jié)合的新型教學(xué)模式。教師根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)和知識(shí)結(jié)構(gòu)，制作短小精悍、教學(xué)信息清晰明確的視頻，學(xué)生在課外通過(guò)視頻和教師的在線輔導(dǎo)，完成知識(shí)的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程中的信息傳遞；課堂上，教師可以針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和難點(diǎn)進(jìn)行有效的講解，讓學(xué)生展開充分的互動(dòng)交流，進(jìn)行自主思考，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的吸收內(nèi)化[8]。將反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式運(yùn)用至人因工程課程中，需明確教授的內(nèi)容，設(shè)計(jì)和制作教學(xué)視頻，設(shè)計(jì)實(shí)施方法。

1. 反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)內(nèi)容的選擇

選擇較為簡(jiǎn)單、枯燥或與其他專業(yè)課程重復(fù)度較高的內(nèi)容，或方法較為穩(wěn)定的部分作為反轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)內(nèi)容，如常用的人體測(cè)量數(shù)據(jù)、聲音的度量方式等。

2. 教學(xué)視頻的制作和設(shè)計(jì)

視頻的制作和獲取是實(shí)施反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的主要素材?！度艘蚬こ獭凡糠终n程的視頻主要來(lái)源于專業(yè)教師的共同制作。針對(duì)各個(gè)教學(xué)內(nèi)容的要求，設(shè)計(jì)教學(xué)目的及要點(diǎn)，結(jié)合專業(yè)教師的研究特長(zhǎng)，進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容講課的視頻錄制。利用iDo視頻編輯軟件，對(duì)采集的視頻資料進(jìn)行后期處理，依據(jù)授課內(nèi)容中涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行提問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生鞏固已學(xué)的知識(shí)。

3. 教學(xué)的實(shí)施方法

鑒于大部分高校沒(méi)有完善的教學(xué)管理系統(tǒng)、無(wú)法開展網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的現(xiàn)狀，教師可通過(guò)QQ群等方式與學(xué)生共享教學(xué)視頻、教學(xué)大綱和教學(xué)課件。依據(jù)《人因工程》授課內(nèi)容的特點(diǎn)，以4人為一組，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組。要求每組學(xué)生依據(jù)教師的授課計(jì)劃，在課外通過(guò)視頻詳細(xì)了解授課的目的、要求和內(nèi)容；課內(nèi)，完成關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的強(qiáng)化和知識(shí)的訓(xùn)練。教師根據(jù)教學(xué)任務(wù)，給每個(gè)小組分配知識(shí)點(diǎn)講解任務(wù)，各小組的帶教學(xué)生代表負(fù)責(zé)講解一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，各小組的其他學(xué)生課前對(duì)負(fù)責(zé)的知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)探討，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；教師指導(dǎo)帶教學(xué)生的授課內(nèi)容和授課技巧，實(shí)行預(yù)講制度。學(xué)生講解過(guò)程中要及時(shí)回答同學(xué)提出的問(wèn)題，教師組織同學(xué)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分析討論總結(jié)，并對(duì)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果進(jìn)行教師測(cè)評(píng)和學(xué)生互評(píng)。

三、教學(xué)案例分析

課程體系的合理與否需經(jīng)過(guò)多年教學(xué)實(shí)踐才能得以驗(yàn)證，但教學(xué)方法的教學(xué)效果可通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以評(píng)價(jià)，因此，設(shè)計(jì)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在人因工程課程教學(xué)中的實(shí)施效果。

（一）對(duì)比實(shí)驗(yàn)安排

為體現(xiàn)反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在《人因工程》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施的可行性和效果，特針對(duì)本校2014級(jí)工業(yè)工程學(xué)生。將全專業(yè)學(xué)生分為兩組，每組40名學(xué)生。一組為實(shí)驗(yàn)組，按照反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下設(shè)計(jì)的方式和方法進(jìn)行教學(xué)。每一小組同學(xué)將依照課程總體授課計(jì)劃和進(jìn)度，事先獲得各個(gè)計(jì)劃內(nèi)容的視頻材料，以學(xué)習(xí)各個(gè)部分知識(shí)點(diǎn)的要領(lǐng)；老師不再占用課內(nèi)時(shí)間講解內(nèi)容，由學(xué)生以小組為單位，自行組織，在課外學(xué)習(xí)、討論，老師則負(fù)責(zé)解答和指導(dǎo)。另一組為對(duì)照組，按照傳統(tǒng)的方式進(jìn)行，即在課內(nèi)，由老師講解相關(guān)內(nèi)容的知識(shí)。

（二）兩組學(xué)生成績(jī)對(duì)比

以團(tuán)隊(duì)知識(shí)講解、課堂問(wèn)題解答和課后初級(jí)項(xiàng)目匯報(bào)、知識(shí)點(diǎn)測(cè)試及問(wèn)卷調(diào)查等形式，對(duì)兩組學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的學(xué)習(xí)效果分析結(jié)果如表1所示。

取顯著性水平α=0.05，對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組學(xué)生的內(nèi)容講解及問(wèn)題回答、初級(jí)項(xiàng)目成果匯報(bào)、知識(shí)點(diǎn)測(cè)時(shí)成績(jī)的均值和方差進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示：實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組學(xué)生的三項(xiàng)成績(jī)均值及方差均有顯著性差異。其中，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的各個(gè)項(xiàng)目平均成績(jī)均高于對(duì)照組，方差均小于對(duì)照組。該結(jié)果表明反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式能夠顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的基礎(chǔ)型知識(shí)的主動(dòng)性，減少學(xué)生在學(xué)習(xí)中的惰性，顯著提高了教學(xué)的效果。另外，針對(duì)教學(xué)目的、教學(xué)要求和教學(xué)安排等各個(gè)方面，對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。在實(shí)驗(yàn)組中，90%的學(xué)生對(duì)教學(xué)的安排較為滿意，并認(rèn)同反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式；6%的學(xué)生認(rèn)為教學(xué)效果不顯著；4%的學(xué)生認(rèn)為教學(xué)效果差。在對(duì)照組中，60%的學(xué)生認(rèn)為需要對(duì)教學(xué)目的、教學(xué)要求和知識(shí)應(yīng)用進(jìn)行更為具體的講解；40%的學(xué)生認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容枯燥，可減少部分教學(xué)內(nèi)容。

四、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)《人因工程》課程在工業(yè)工程專業(yè)中的重要性，在工業(yè)工程卓越工程師培養(yǎng)方案的指導(dǎo)下，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了改革。多層次教學(xué)內(nèi)容和全方位實(shí)踐教學(xué)體系的設(shè)計(jì)，多元化教學(xué)方法的應(yīng)用，能夠解決當(dāng)前該課程教學(xué)中存在的綜合性與學(xué)生已有知識(shí)局限性的矛盾，教學(xué)內(nèi)容相對(duì)分散、系統(tǒng)性不強(qiáng)，及理論與實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)性不強(qiáng)等問(wèn)題，提高課程的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

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