楊秀璋 武帥 夏換 周既松 于小民 范郁鋒
摘? 要: 從理論知識(shí)、編程實(shí)踐、工程實(shí)戰(zhàn)三個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)挖掘與分析課程進(jìn)行教學(xué)改革。課程采用Python編程語(yǔ)言,圍繞貴州省經(jīng)濟(jì)文化特色及大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略,充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)圖譜等新興技術(shù)來(lái)分析貴州省各領(lǐng)域現(xiàn)狀,挖掘其內(nèi)在價(jià)值。近三年的教學(xué)實(shí)踐證明了該教學(xué)改革的創(chuàng)新性和有效性,培養(yǎng)了學(xué)生的大數(shù)據(jù)思維,為貴州省聚焦大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略行動(dòng)貢獻(xiàn)力量。
關(guān)鍵詞: 數(shù)據(jù)挖掘; 數(shù)據(jù)分析; 教學(xué)改革; 大數(shù)據(jù); 知識(shí)圖譜
中圖分類號(hào):G420? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ?文章編號(hào):1006-8228(2021)09-107-05
Abstract: The teaching reform for data mining and analysis course is carried out on the theoretical knowledge, programming practice and engineering practice. Adopting Python programming language, focusing on the economic and cultural characteristics and big data development strategy of Guizhou Province, the emerging technologies such as big data, data mining and knowledge graph are made full use of to analyze the current situation of various fields in Guizhou Province and tap their internal value. The teaching practice in recent three years has proved the innovation and effectiveness of the teaching reform, and cultivated students' big data thinking, which makes contributions to the strategic action of focusing on big data in Guizhou Province.
Key words: data mining; data analysis; teaching reform; big data; knowledge graph
0 引言
如今大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)飛速發(fā)展,人們?cè)诶没ヂ?lián)網(wǎng)快速自由地獲取信息的同時(shí),也面臨著如何利用大數(shù)據(jù)技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題,以及從海量數(shù)據(jù)中快速精準(zhǔn)地獲取用戶所需信息的難題。因此,培養(yǎng)具有數(shù)據(jù)科學(xué)思維、實(shí)戰(zhàn)能力較強(qiáng)的人才變得尤為重要。數(shù)據(jù)挖掘與分析、大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用相關(guān)課程需要進(jìn)一步改革,改革應(yīng)更加注重理論知識(shí)、編程實(shí)踐、工程實(shí)戰(zhàn)三方面的結(jié)合,圍繞地方經(jīng)濟(jì)文化特色及大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略展開(kāi)。
當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外高校對(duì)于大數(shù)據(jù)相關(guān)課程的改革有很多。張世杰[1]等針對(duì)園林專業(yè)研究改革的措施。高星[2]等運(yùn)用行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)方法對(duì)現(xiàn)有的高校計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)進(jìn)行探討。陳虹[3]、朱路紅[4]、李永軍[5]、林德麗[6]、劉群群[7]、蔣衛(wèi)祥[8]、吳瓊[9]、楊洋[10]分別從教學(xué)方法、教學(xué)理念、教學(xué)格局、創(chuàng)新思維等方面分析研究了相關(guān)課程改革。
現(xiàn)階段大數(shù)據(jù)分析課程及數(shù)據(jù)挖掘依舊以理論傳授方法為主,在校學(xué)生在完成數(shù)據(jù)挖掘理論課程之后,未能有效進(jìn)行完整、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘?qū)崙?zhàn)。針對(duì)這些問(wèn)題,本次課程的教學(xué)改革提出了一種融合理論知識(shí)、編程實(shí)踐、工程實(shí)戰(zhàn)三塊知識(shí)點(diǎn)的方法,結(jié)合貴州省大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略行動(dòng),圍繞高校辦學(xué)定位、本科人才培養(yǎng)模式,充分利用Python大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、可視化分析等技術(shù),研究全國(guó)特別是貴州省各行各業(yè)實(shí)際需求,挖掘其數(shù)據(jù)的內(nèi)在價(jià)值,從而提升學(xué)生的編程實(shí)戰(zhàn)及大數(shù)據(jù)分析能力。
1 數(shù)據(jù)挖掘與分析教學(xué)改革框架
本次教學(xué)改革的課程為數(shù)據(jù)挖掘與分析、大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用等相關(guān)課程,本課程的定位是大數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘入門課程,為學(xué)生搭建通向“大數(shù)據(jù)知識(shí)空間”的橋梁和紐帶。整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)框架如圖1所示,包括四大模塊。
⑴ 前期調(diào)研及分析。圍繞理論知識(shí)、編程實(shí)踐、工程實(shí)戰(zhàn)三方面展開(kāi),結(jié)合貴州省地方經(jīng)濟(jì)、文化特色開(kāi)展各領(lǐng)域、各行業(yè)的調(diào)研,結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘算法知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)相關(guān)的分析方案。
⑵ 數(shù)據(jù)爬取和預(yù)處理。針對(duì)某領(lǐng)域或某行業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,調(diào)用Python爬蟲(chóng)模塊采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息。接著對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)值數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,主要包括數(shù)據(jù)清洗、異常值處理、中分分詞、殘缺值填補(bǔ)以及數(shù)值統(tǒng)計(jì)等。
⑶ 數(shù)據(jù)挖掘與分析。作為該類課程的重點(diǎn)部分,運(yùn)用合理的數(shù)據(jù)挖掘或機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的大數(shù)據(jù)分析。
⑷ 可視化分析及總結(jié)。為了更直觀地體現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析結(jié)果,通過(guò)調(diào)用Python語(yǔ)言的可視化模塊或利用可視化工具進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)各領(lǐng)域、各行業(yè)的實(shí)際分析結(jié)果的可視化呈現(xiàn),進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)和圖表展示,最終給出相關(guān)的改進(jìn)建議。
2 課程教學(xué)改革思路及創(chuàng)新
本課程主要基于數(shù)據(jù)挖掘與分析、大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用講解,其教學(xué)目的和任務(wù)是讓學(xué)生掌握基本的數(shù)據(jù)挖掘方法,培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)科學(xué)思維,并能應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)分析技術(shù)獨(dú)立研究某個(gè)領(lǐng)域或行業(yè)的問(wèn)題。整個(gè)課程圍繞理論知識(shí)、編程實(shí)踐和工程實(shí)戰(zhàn)三方面展開(kāi),緊跟貴州省大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略行動(dòng),其教學(xué)改革思路及創(chuàng)新如圖2所示。
2.1 理論知識(shí)與編程實(shí)踐融合
通過(guò)理論知識(shí)與編程實(shí)踐相融合來(lái)促進(jìn)學(xué)生的編程興趣,同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)挖掘理論知識(shí)和編程實(shí)踐能力。教學(xué)中強(qiáng)調(diào)以書(shū)本知識(shí)及實(shí)踐案例操作為主,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維。一方面增強(qiáng)了學(xué)生的編碼能力和大數(shù)據(jù)分析能力,另一方面課程通過(guò)設(shè)計(jì)大量有趣的案例實(shí)驗(yàn)。
本課程的教學(xué)內(nèi)容如表1所示,共計(jì)16周的教學(xué)內(nèi)容和大量的課后實(shí)驗(yàn)。包括大數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)挖掘基礎(chǔ)普及、Python大數(shù)據(jù)分析簡(jiǎn)介及案例、Python基礎(chǔ)語(yǔ)法及編程實(shí)踐、Python可視化分析及編程實(shí)踐、分類分析基礎(chǔ)及編程實(shí)踐等。綜上,理論知識(shí)與編程實(shí)踐的融合具有良好的創(chuàng)新性和實(shí)踐性。
2.2 理論知識(shí)與工程實(shí)戰(zhàn)促進(jìn)
通過(guò)理論知識(shí)和工程實(shí)戰(zhàn)(實(shí)驗(yàn))相促進(jìn)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)科學(xué)思維。整個(gè)實(shí)驗(yàn)考核圍繞貴州省大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略行動(dòng),以分析全國(guó)或貴州省某領(lǐng)域或某行業(yè)數(shù)據(jù)為主,課程包括五次課程實(shí)驗(yàn)(學(xué)生獨(dú)立完成)和一次期末大數(shù)據(jù)分析實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練(小組協(xié)作完成)。
2.2.1 實(shí)驗(yàn)的基本目的
⑴ 緊扣大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略行動(dòng)。讓學(xué)生理解并掌握大數(shù)據(jù)分析方法的基本流程,涉及數(shù)據(jù)爬取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)挖掘與分析、可視化分析等。
⑵ 搭建大數(shù)據(jù)橋梁紐帶。應(yīng)用“Python+數(shù)據(jù)挖掘+大數(shù)據(jù)+可視化技術(shù)”實(shí)現(xiàn)貴州省某領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn),挖掘相關(guān)價(jià)值。
⑶ 創(chuàng)新大數(shù)據(jù)思維模式。結(jié)合“產(chǎn)、學(xué)、研”布置大數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生“四高四強(qiáng)”能力,為學(xué)生在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域發(fā)展奠定基礎(chǔ)及指明方向。
整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊跟數(shù)據(jù)挖掘與分析理論知識(shí),一方面提升學(xué)生的編程能力,另一方面讓學(xué)生真正學(xué)會(huì)如何完成一個(gè)數(shù)據(jù)分析的產(chǎn)品,并應(yīng)用到畢業(yè)設(shè)計(jì)、工作實(shí)踐中,同時(shí)培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,獲得屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)或數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的自豪。
2.2.2 核心知識(shí)
⑴ 數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)。涉及聚類數(shù)據(jù)分析(K-Means、BIRCH)、分類數(shù)據(jù)分析(決策樹(shù)、SVM、KNN、隨機(jī)森林)、回歸數(shù)據(jù)分析(邏輯回歸、多線性回歸)、LDA主題挖掘等知識(shí)。
⑵ 可視化技術(shù)。涉及WordCloud詞云分析、PyEcharts可視化分析、Matplotlib繪圖分析、Seaborn繪圖分析、知識(shí)圖譜及Gephi工具分析等。
⑶ 網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)知識(shí)。通過(guò)調(diào)用Python網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)包(Urllib、 BeautifulSoup、Selenium)抓取指定數(shù)據(jù),并進(jìn)行后續(xù)大數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn),涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等知識(shí)。
2.3 工程實(shí)戰(zhàn)與編程實(shí)踐提升
通過(guò)工程實(shí)戰(zhàn)與編程實(shí)踐相互融合來(lái)提升學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題和深入領(lǐng)域知識(shí)挖掘的能力。整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括5次課程實(shí)驗(yàn)和1次期末大數(shù)據(jù)分析實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練。其中,大數(shù)據(jù)分析實(shí)戰(zhàn)要求各小組結(jié)合Python數(shù)據(jù)挖掘與分析課程知識(shí),立足全國(guó)或貴州省某行業(yè)的問(wèn)題進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè),內(nèi)容包括需求分析、數(shù)據(jù)爬取、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)對(duì)比和總結(jié)建議等,并且需要完成一次PPT分享和詳細(xì)的課程報(bào)告。
整個(gè)分析的主題需學(xué)生自擬,近三年優(yōu)秀的主題和實(shí)驗(yàn)包括:“貴州省大學(xué)生招聘就業(yè)信息分析與推薦”“貴州省農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格預(yù)測(cè)及特色產(chǎn)品推薦”“貴州省社交論壇數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)抓取及輿情預(yù)警分析”“貴州省各市縣區(qū)知識(shí)圖譜構(gòu)建及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析”“貴州省黃果樹(shù)瀑布景區(qū)數(shù)據(jù)分析”“貴州省少數(shù)民族文獻(xiàn)知識(shí)挖掘與探究”“我國(guó)網(wǎng)絡(luò)小說(shuō)市場(chǎng)數(shù)據(jù)分析及可視化展示”“中國(guó)流行歌曲音樂(lè)數(shù)據(jù)分析及市場(chǎng)建議”等。
3 教學(xué)改革效果展示
該教學(xué)改革已執(zhí)行于貴州財(cái)經(jīng)大學(xué)信息學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息管理與信息系統(tǒng)、電子商務(wù)、軟件工程等專業(yè),涉及數(shù)據(jù)挖掘與分析、大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用、Python數(shù)據(jù)挖掘等課程,并參加學(xué)校的教學(xué)范式改革和精品實(shí)驗(yàn)教學(xué)獲優(yōu)秀。教學(xué)改革大大調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,同時(shí)與學(xué)生興趣愛(ài)好相結(jié)合,進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。整體的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)改革效果良好,一方面學(xué)生了解到貴州省大數(shù)據(jù)相關(guān)的技術(shù)及前沿動(dòng)態(tài),另一方面結(jié)合Python大數(shù)據(jù)分析編程實(shí)現(xiàn)了貴州省某領(lǐng)域或某行業(yè)的知識(shí)挖掘,有效推動(dòng)了貴州財(cái)經(jīng)大學(xué)本科教學(xué)聚焦大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略行動(dòng)。
近三年來(lái),同學(xué)們圍繞數(shù)據(jù)挖掘和分析課程教學(xué)改革,采用Python和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)全國(guó)或貴州省某領(lǐng)域、某行進(jìn)行了不同主題的挖掘,下面簡(jiǎn)敘其中三組學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果。
3.1 貴州省校園招聘數(shù)據(jù)分析
該小組實(shí)驗(yàn)概述了大數(shù)據(jù)對(duì)大學(xué)生就業(yè)形勢(shì)的作用,通過(guò)調(diào)用Urllib庫(kù)爬取了貴州省校園招聘信息,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了詞云技術(shù)、K-Means聚類、時(shí)間序列和回歸算法對(duì)所爬取的信息進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)貴州省目前的就業(yè)形勢(shì),并通過(guò)可視化技術(shù)展現(xiàn)。圖3展示了貴州省校園招聘的熱門主題,可以直觀地反映出貴州省校園招聘的熱點(diǎn)主題詞為“銷售經(jīng)理”“五險(xiǎn)一金”“銷售主管”等。
接著針對(duì)貴州省各地區(qū)的校園招聘分布情況,發(fā)現(xiàn)貴陽(yáng)市招聘信息最多,約占據(jù)69.2%,其次是遵義市,約占據(jù)7.03%。針對(duì)采集的薪資數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列和線性回歸分析,并對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行了預(yù)測(cè),繪制出圖4所示時(shí)間和薪資分析圖。
3.2 貴州省農(nóng)產(chǎn)品主題挖掘與價(jià)格預(yù)測(cè)
該小組針對(duì)貴州省農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格和主題進(jìn)行Python大數(shù)據(jù)分析,并實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格的可視化,簡(jiǎn)要分析其內(nèi)在特點(diǎn)。首先對(duì)爬取的數(shù)據(jù)調(diào)用WordCloud繪制圖5所示貴州農(nóng)產(chǎn)品詞云圖。
詞云圖可以清晰看出貴州農(nóng)產(chǎn)品中“南瓜”“大白菜”“香菇”為該段時(shí)間內(nèi)的特色產(chǎn)品,并對(duì)采集的“白蘿卜”價(jià)格數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析繪制出圖6所示結(jié)果。大致看出,2018年近三個(gè)月最價(jià)格為1.6元,均價(jià)為1.22元。接著,針對(duì)三、四、五這三個(gè)月的“白蘿卜”價(jià)格預(yù)測(cè)“白蘿卜”價(jià)格平均增長(zhǎng)率為58.73%。通過(guò)進(jìn)一步分析預(yù)測(cè)貴州省最便宜的農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)及購(gòu)買時(shí)間,并給出相關(guān)推薦。
3.3 全國(guó)民謠歌曲大數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)
在新媒體的涌現(xiàn)下,歌曲傳播方式發(fā)生變化,當(dāng)下音樂(lè)曲種多種多樣,民謠歌曲雖作為小眾歌曲,卻同樣得到廣大聽(tīng)眾的喜愛(ài)。該小組針對(duì)這一現(xiàn)象采用Python數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)網(wǎng)易云音樂(lè)的民謠歌單進(jìn)行分析,挖掘現(xiàn)階段我國(guó)民謠發(fā)展現(xiàn)狀、主流民謠情感趨向以及主題特征。
首先對(duì)民謠創(chuàng)作歌手的創(chuàng)作歌曲進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,繪制出圖7所示民謠歌手Top20統(tǒng)計(jì)圖。其中,評(píng)論數(shù)最多的三位作者是趙雷、陳粒和李志,并且趙雷的評(píng)論數(shù)量最多,占13.59%,共計(jì)1435701條,可大致看作最熱門歌手,喜歡民謠的聽(tīng)眾可優(yōu)先選擇他的歌曲進(jìn)行試聽(tīng)。接著調(diào)用PyEcharts模塊繪制民謠歌曲地區(qū)GIS熱點(diǎn)地圖,可直觀看出民謠歌曲所描述的城市主要為北京、上海、麗江以及成都等。可大致推測(cè)民謠歌曲創(chuàng)作者熱衷于以經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心以及旅游城市進(jìn)行相關(guān)歌曲創(chuàng)作。
再對(duì)采集的評(píng)論文本數(shù)據(jù)進(jìn)行Jiebe分詞,并結(jié)合LDA主題模型對(duì)出現(xiàn)的詞語(yǔ)進(jìn)行有關(guān)時(shí)光主題詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,繪制圖8所示漏斗圖。可直觀看出,民謠在創(chuàng)作過(guò)程中熱衷于“明天”的描述,共計(jì)占據(jù)48.24%,可以大致看出民謠創(chuàng)作歌手對(duì)未來(lái)還是充滿希望的,寄托著創(chuàng)作者對(duì)未來(lái)的情感,同時(shí)也表達(dá)了對(duì)未來(lái)的期待,是一種積極的訊號(hào)。該小組通過(guò)可視化技術(shù)和文本挖掘算法詳細(xì)分析中國(guó)民謠歌曲,具有一定的應(yīng)用價(jià)值和創(chuàng)新意義。
4 結(jié)論
本次面向理論知識(shí)、編程實(shí)踐、工程實(shí)戰(zhàn)的數(shù)據(jù)挖掘與分析課程教學(xué)改革探索,通過(guò)采用多種教學(xué)方式融合,讓學(xué)生能夠深入了解數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析、Python編程知識(shí),并完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)案例,讓同學(xué)們深入體會(huì)到使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的現(xiàn)實(shí)意義,從而提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作能力,培養(yǎng)數(shù)據(jù)科學(xué)思維。通過(guò)展示三組學(xué)生作品,可以看出課程教學(xué)改革效果顯著,學(xué)生能夠應(yīng)用課程知識(shí)對(duì)某領(lǐng)域或某行業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘與分析實(shí)踐,從而挖掘出數(shù)據(jù)潛在的聯(lián)系和價(jià)值。
本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,緊扣貴州大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略行動(dòng),讓學(xué)生理解并掌握大數(shù)據(jù)分析方法的基本流程。同時(shí)應(yīng)用“Python+數(shù)據(jù)挖掘+大數(shù)據(jù)+可視化”技術(shù)實(shí)現(xiàn)貴州省某領(lǐng)域或行業(yè)的大數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn),挖掘相關(guān)價(jià)值,進(jìn)一步搭建大數(shù)據(jù)橋梁紐帶。通過(guò)結(jié)合“產(chǎn)、學(xué)、研”大數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生的“四高四強(qiáng)”能力,為學(xué)生在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域“深耕細(xì)作”奠定基礎(chǔ)和指明方向??偠灾?,這是一種創(chuàng)新大數(shù)據(jù)思維的培養(yǎng)模式。
然而,由于本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革主要以青年教師為主,可能會(huì)存在一定程度上的經(jīng)驗(yàn)不足。該課程教學(xué)改革成員在后期需要多跟教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師進(jìn)行學(xué)習(xí)交流,從而提升教師自身的教學(xué)能力。
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