競(jìng)賽和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)與實(shí)踐

李燕君 徐新黎

摘? 要： 針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段單一陳舊、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)偏多、創(chuàng)新性不足，不能適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)發(fā)展等問(wèn)題，以物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科競(jìng)賽和教師承擔(dān)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，開(kāi)展了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)與實(shí)踐。建設(shè)內(nèi)容包括創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺(tái)研發(fā)以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)撰寫(xiě)。通過(guò)該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)和實(shí)踐，物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣增強(qiáng)，創(chuàng)新能力提升，表達(dá)和文檔撰寫(xiě)能力也得到了鍛煉，能夠更好地在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域勝任物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用等工作，適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。

關(guān)鍵詞： 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn); 新工科; 競(jìng)賽和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng); 物聯(lián)網(wǎng)工程

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2021）12-117-04

Abstract： In view of the problems in the practice teaching of the Internet of Things （IoT） engineering specialty， such as single and obsolete experimental technique， overmuch confirmatory experiments， insufficient innovation， etc.， it cannot adapt to the IoT technology development. Driven by the IoT discipline competition and IoT-related projects undertaken by teachers， the construction and practice of innovative experiment adapting to the new technology of IoT are carried out. The construction contents include the design of innovative experiments， the research and development of experimental modules and platforms， and the writing of experimental instructions. For students majoring in IoT engineering， through the construction and practice of the innovative experiments， their study interests have been aroused， their innovation ability has been improved， the skills of presentation and document writing have been exercised and they can be better qualified for IoT technology application and other work in the professional field， so as to adapt to technological progress and the development needs of the IoT industry.

Key words： innovative experiment; Emerging Engineering Education; competition and project driven; IoT engineering

0 引言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進(jìn)，在感知、通信組網(wǎng)、信息處理和應(yīng)用服務(wù)等方面都涌現(xiàn)了大量新技術(shù)和新方案[3]。例如，在感知方面，除了采用傳統(tǒng)的微傳感器采集感知數(shù)據(jù)，還出現(xiàn)了以RFID、Wi-Fi為終端的無(wú)源感知和智能多模態(tài)感知;在通信組網(wǎng)方面，傳統(tǒng)的短距離組網(wǎng)技術(shù)如Zigbee、藍(lán)牙等已逐漸被低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)如NB-IoT、LoRa[4]等取代;在信息處理方面，云平臺(tái)的普及、數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理帶來(lái)了新思路;在應(yīng)用服務(wù)方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉足的行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越豐富。物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)之一就是使學(xué)生在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域勝任物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用等工作，能夠適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。在國(guó)家大力發(fā)展新工科、培養(yǎng)戰(zhàn)略人才的大背景下，高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)建設(shè)提出了更高的要求。實(shí)踐教學(xué)是物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，肩負(fù)著理論應(yīng)用與實(shí)踐的重要使命[5]。培養(yǎng)的學(xué)生能否適應(yīng)新形勢(shì)下市場(chǎng)對(duì)人才的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)需求對(duì)實(shí)踐教學(xué)體系提出新的挑戰(zhàn)。在這種背景下，物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)原有的實(shí)踐課程內(nèi)容已不能夠完全支撐培養(yǎng)目標(biāo)。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前，物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的特色實(shí)踐課程主要有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)，課程內(nèi)容存在如下問(wèn)題。

⑴ 實(shí)驗(yàn)涉及的技術(shù)手段較為單一，部分已較為陳舊

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)主要用Telosb節(jié)點(diǎn)進(jìn)行LED、無(wú)線(xiàn)通信模塊、傳感模塊、串口通信模塊、存儲(chǔ)模塊等組件和接口的操作，以及時(shí)間同步協(xié)議和遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該課程涉及的技術(shù)為低功耗短距離無(wú)線(xiàn)通信和組網(wǎng)技術(shù)，但是該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中已很少采用[6];物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)這門(mén)課程采用公司開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)工具箱，集成了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、基站板、傳感器模塊、ARM 控制平臺(tái)、M2M 模塊等硬件，但是該工具箱購(gòu)買(mǎi)時(shí)間較早，M2M模塊只支持GPRS通信，不能支持4G通信，無(wú)法將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)，此外，工具箱中各個(gè)模塊都集成在底板上，對(duì)于一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)如節(jié)點(diǎn)定位、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置跟蹤等，不能很好地支持。

⑵ 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證型偏多，創(chuàng)新性不足，不能適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)發(fā)展

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)共有40個(gè)學(xué)時(shí)，其中16個(gè)學(xué)時(shí)為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，24個(gè)學(xué)時(shí)為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，但是，由于Telosb節(jié)點(diǎn)平臺(tái)本身的限制，兩個(gè)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)時(shí)間同步協(xié)議和遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)也相對(duì)簡(jiǎn)單。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)課程受限于實(shí)驗(yàn)工具箱，也多為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新性不足。

學(xué)生通過(guò)這兩門(mén)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)后，僅能掌握一些基本的物聯(lián)網(wǎng)感知、通信和組網(wǎng)技術(shù)，無(wú)法適應(yīng)多元化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。為此，我們以物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科競(jìng)賽和教師所承擔(dān)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，依托創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)展適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)與實(shí)踐，旨在提高該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)方案

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)方案包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺(tái)研發(fā)以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)撰寫(xiě)三部分。

⑴ 競(jìng)賽和項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的關(guān)鍵，需適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興技術(shù)發(fā)展。本項(xiàng)目從學(xué)科競(jìng)賽和教師從事的科研項(xiàng)目中廣泛征集對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)。首先，全國(guó)高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽是面向全國(guó)高校開(kāi)展的物聯(lián)網(wǎng)競(jìng)賽活動(dòng)，旨在培養(yǎng)學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)方面的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力，為全國(guó)高校物聯(lián)網(wǎng)教育教學(xué)和研究創(chuàng)新成果提供一個(gè)集中展示的平臺(tái)。該競(jìng)賽已成功舉辦了五屆，積累了大量賽題和案例，能夠反映物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的前沿技術(shù)應(yīng)用。我們借鑒近兩年的挑戰(zhàn)賽題目和創(chuàng)意賽獲獎(jiǎng)案例，綜合考慮難易程度和硬件成本，歸納出適合作為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目并進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，針對(duì)不同層次的學(xué)生提出難易程度不同的實(shí)驗(yàn)要求。其次，物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)相關(guān)教師的科研項(xiàng)目有不少是研究的物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)，例如基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制、無(wú)源感知、室內(nèi)定位、基于物聯(lián)網(wǎng)的指紋鎖等等，我們邀請(qǐng)相關(guān)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)教師從項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容中提取了合適的部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的規(guī)劃設(shè)計(jì)。最后，由系主任對(duì)所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行審核和統(tǒng)籌規(guī)劃。

⑵ 通用可擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺(tái)研發(fā)

通用可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺(tái)是本項(xiàng)目的保障。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室目前擁有RFID、物聯(lián)網(wǎng)等實(shí)訓(xùn)工具箱，工具箱集成了大量開(kāi)發(fā)板和節(jié)點(diǎn)，但弊端是通用性和可擴(kuò)展性較差，使用方式也不夠靈活。隨著物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)工具箱不能滿(mǎn)足創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的需求，購(gòu)置新的工具箱成本巨大、周期較長(zhǎng)。目前搭建小型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)常用的樹(shù)莓派、Arduino等開(kāi)發(fā)板較為成熟，且支持較多模塊的擴(kuò)展，各種云平臺(tái)，如阿里云、百度云等租賃使用非常方便，我們通過(guò)購(gòu)置、自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等方式為學(xué)生提供了若干通用可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺(tái)，例如智能移動(dòng)小車(chē)平臺(tái)、AliOS Things Developer Kit平臺(tái)、基于天貓精靈的語(yǔ)音控制物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、NB-IoT模組、LoRa模塊及網(wǎng)關(guān)等，基于這些通用可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺(tái)，學(xué)生可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，后續(xù)在這些平臺(tái)上還可以繼續(xù)擴(kuò)展其他創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，保障創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可持續(xù)地開(kāi)展實(shí)施。

⑶ 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)撰寫(xiě)

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在學(xué)生中推廣實(shí)施的參考資料。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)撰寫(xiě)采用分工統(tǒng)籌的建設(shè)方法，先集中討論，為每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定一名指導(dǎo)老師，然后每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)書(shū)由指導(dǎo)老師各自撰寫(xiě)，最后由系主任統(tǒng)稿。由于我們的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)不會(huì)像一般驗(yàn)證型或操作型實(shí)驗(yàn)?zāi)菢犹峁┌床烤桶嗟牟襟E，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)主要介紹實(shí)驗(yàn)相關(guān)軟硬件平臺(tái)，涉及的相關(guān)技術(shù)、算法，電路圖，模塊接口使用方法、例程，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及難易分層的實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)以及從何處獲取相關(guān)資料。

經(jīng)過(guò)在物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)教師的廣泛征集和討論，我們形成了如表1所示的14項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，并撰寫(xiě)了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋了傳感網(wǎng)、RFID、AliOS物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、阿里物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、LoRa通信技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、室內(nèi)定位、語(yǔ)音控制物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、邊緣智能、軟路由、深度學(xué)習(xí)、3D打印等多項(xiàng)前沿技術(shù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)踐

3.1 實(shí)施方法

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)方法以任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)為主?！叭蝿?wù)驅(qū)動(dòng)”是建立在建構(gòu)主義和人本主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)法。建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)是學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和對(duì)所學(xué)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)的過(guò)程。它強(qiáng)調(diào)該過(guò)程中學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗(yàn)和背景非常重要，這是因?yàn)橹R(shí)來(lái)源于每個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和理解。例如學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到了實(shí)際問(wèn)題，利用已有知識(shí)和教師的指導(dǎo)點(diǎn)撥使問(wèn)題得以解決，學(xué)生同時(shí)構(gòu)筑了自己的知識(shí)框架。人本主義強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自我完善，要求教學(xué)活動(dòng)的重點(diǎn)放在學(xué)生的身上，尊重學(xué)生們的意愿和情感以及在學(xué)習(xí)過(guò)程中地位的主體性，主張學(xué)生掌握正確的學(xué)習(xí)方法，從而進(jìn)行創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)。采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)創(chuàng)設(shè)學(xué)生感興趣的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，在學(xué)生完成任務(wù)的過(guò)程中提取理論知識(shí)點(diǎn)，經(jīng)教師點(diǎn)撥和學(xué)生自主/合作學(xué)習(xí)，共同建構(gòu)其物聯(lián)網(wǎng)的知識(shí)體系。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在物聯(lián)網(wǎng)工程16級(jí)學(xué)生中發(fā)布，學(xué)生與指導(dǎo)老師充分溝通、自由組隊(duì)后，進(jìn)行自主設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。教師向?qū)W生提供解決任務(wù)問(wèn)題的有關(guān)線(xiàn)索，如提供開(kāi)發(fā)板、芯片參數(shù)手冊(cè)、網(wǎng)絡(luò)資料、參考教材、撰寫(xiě)研究報(bào)告可以查閱的數(shù)據(jù)庫(kù)等。學(xué)生與教師進(jìn)行定期會(huì)面，檢查項(xiàng)目進(jìn)度，解決疑難問(wèn)題。同組學(xué)生分工協(xié)作，共同完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由系主任和指導(dǎo)老師組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收，主要考核實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方案講解、實(shí)驗(yàn)演示及回答問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)等，根據(jù)最終成績(jī)，學(xué)生將獲得相應(yīng)的創(chuàng)新分。

3.2 實(shí)施效果

⑴ 學(xué)生自學(xué)能力提升，學(xué)習(xí)熱情提高

實(shí)施本項(xiàng)目以來(lái)，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情很高，與老師討論活躍，遇到問(wèn)題能積極主動(dòng)地通過(guò)自主查閱資料、向老師請(qǐng)教、向公司人員請(qǐng)教等各種途徑獲得解決方案，自學(xué)能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力都得到很好提升。

⑵ 學(xué)生創(chuàng)新能力提升

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課堂，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以教師演示、學(xué)生跟做為主，導(dǎo)致學(xué)生只會(huì)按部就班地操作，缺乏自己的思考。實(shí)施本項(xiàng)目以來(lái)，學(xué)生能根據(jù)老師提供的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，同時(shí)吸收新的技術(shù)，結(jié)合自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，創(chuàng)新能力得到很大提升。

⑶ 答辯效果較好，實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量提升

學(xué)生在答辯中能夠清晰表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思路，多人協(xié)作完成作品展示。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中都是自己的設(shè)計(jì)思路、自主編寫(xiě)的代碼，記錄實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)體會(huì)。圖1（a）-（e）是答辯現(xiàn)場(chǎng)圖片和部分作品展示。一些作品經(jīng)學(xué)生持續(xù)改進(jìn)，還被用來(lái)作為“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽、互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的參賽作品。

4 結(jié)束語(yǔ)

以物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科競(jìng)賽和教師承擔(dān)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，開(kāi)展適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)與實(shí)踐，使得物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣增強(qiáng)，創(chuàng)新能力提升，表達(dá)和文檔撰寫(xiě)能力也得到了鍛煉，能夠更好地在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域勝任物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用等工作，適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。未來(lái)將進(jìn)一步挖掘創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的素材，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，吸引更多優(yōu)秀教師參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)（References）：

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