“土木工程+AI”本科人才培養(yǎng)現(xiàn)狀分析

摘 要：人工智能（AI）技術(shù)發(fā)展迅猛且應(yīng)用廣泛，在各行各業(yè)都展現(xiàn)出巨大潛力和價值。目前，隨著AI向更高階段的通用人工智能（AGI）進化，其對各學(xué)科的影響勢必更為深入，且與前序AI初級階段有著本質(zhì)不同。土木工程作為最古老的學(xué)科之一，如何將AI融入人才培養(yǎng)以應(yīng)對新挑戰(zhàn)和把握新機遇，已成為該學(xué)科急需摸索和回答的關(guān)鍵問題。鑒于此，首先搜集100所高校（國內(nèi)50所，國外50所）在土木工程學(xué)科的本科人才培養(yǎng)方案，進而對培養(yǎng)方案進行比較和總結(jié)，分析國內(nèi)外高校在土木工程學(xué)科融入人工智能本科教育方面的現(xiàn)狀與不足。最后，提出人才培養(yǎng)方案改革策略，為土木工程學(xué)科AGI時代人才培養(yǎng)提供參考。

關(guān)鍵詞：通用人工智能；土木工程；人才培養(yǎng)模式；現(xiàn)狀分析；教育改革

中圖分類號：C961 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）35-0017-07

Abstract： The rapid development and wide application of Artificial Intelligence （AI） technology have shown tremendous potential and value across various industries. Currently， as AI evolves towards a higher stage of Artificial General Intelligence （AGI）， its impact on various disciplines is bound to deepen， presenting fundamentally different challenges and opportunities from the initial stages of AI. Civil engineering， being one of the oldest disciplines， is now urgent to answer the key question of how to cultivate students for unprecedented challenges and opportunities under the empowerment of AGI. This paper first collects the undergraduate training programs of 100 universities around the world （50 domestic and 50 international） in the discipline of civil engineering， compares and summarizes these programs， and analyzes the current state and deficiencies of integrating AI education into civil engineering disciplines at home and abroad. Based on this， it proposes reform strategies for undergraduate training programs， offering a reference for evolvement of the civil engineering discipline in the era of AGI.

Keywords： artificial general intelligence; civil engineering; talent training mode; analysis of current situation; education reform

土木工程是最古老的學(xué)科之一，亦是人類文明的承載體和重要表現(xiàn)形式。隨著時代和技術(shù)的發(fā)展及人類社會基建工程的大型化、綜合化、復(fù)雜化，土木工程學(xué)科的內(nèi)涵不斷得到拓展和豐富?，F(xiàn)代土木工程學(xué)科內(nèi)涵囊括了傳統(tǒng)土木工程、水利工程、市政工程、地質(zhì)工程和管道工程等，是一門多領(lǐng)域交叉的大土木工程學(xué)科。

在大土木工程學(xué)科背景下，人工智能與土木工程相結(jié)合形成新的學(xué)科領(lǐng)域成為必然，亦是該學(xué)科當前的發(fā)展前沿和路徑。隨著通用人工智能時代的臨近，這種結(jié)合已然開始加速，并在多類土木工程場景中展露出巨大的應(yīng)用前景。例如，人工智能技術(shù)可以有效提高工程設(shè)計、施工、運維、決策等環(huán)節(jié)的效率和精度，降低成本，提升安全性。具體應(yīng)用包括工程審圖[1-2]、無人機巡檢[3]、機器人救災(zāi)搶險[4]、地鐵隧道缺陷智能識別[5]、巖土體力學(xué)性質(zhì)計算[6]等。人工智能的發(fā)展及其與土木工程學(xué)科的融合，促使土木工程教育從業(yè)者思考該學(xué)科的發(fā)展新方向，也為其教育改革提供了新的思路。

現(xiàn)代土木工程人才培養(yǎng)積極融入人工智能元素，提升土木工程專業(yè)學(xué)子在新時代運用人工智能解決工程問題的能力，是該學(xué)科自身發(fā)展的內(nèi)在需求，亦是滿足強人工智能時代大土木工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的外在需求。

為應(yīng)對新時代的挑戰(zhàn)，全球部分院校已開始采納和實施一系列先進的教育理念與實踐。例如，采用項目式學(xué)習(xí)（Project-based Learning）和開放教育資源（OERs）方法，將現(xiàn)實世界的工程項目作為教學(xué)案例，使學(xué)生在解決實際工程問題的過程中，學(xué)習(xí)和應(yīng)用人工智能技術(shù)[7-8]。此外，跨學(xué)科的課程設(shè)置也被認為是培養(yǎng)未來土木工程師不可或缺的一部分，其能夠幫助學(xué)生從更寬廣的視角理解人工智能技術(shù)，并掌握和推動其在土木工程中的應(yīng)用。面對這一機遇和挑戰(zhàn)，高等教育機構(gòu)、行業(yè)組織和政策制定者需要共同努力，為土木工程學(xué)科的未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)[9-11]。

對于土木工程院校而言，有效整合人工智能技術(shù)到土木工程人才培養(yǎng)既需要更新和優(yōu)化現(xiàn)有的教學(xué)資源和設(shè)施，也需要教師隊伍在專業(yè)知識和教學(xué)方法上進行相應(yīng)的更新和提升。但這兩個大方面的前提，是土木工程與人工智能融合型的人才培養(yǎng)方案或大綱的制定。無論是高等院?；蛘呗殬I(yè)技術(shù)學(xué)院，人才培養(yǎng)方案中的人工智能元素（例如與人工智能息息相關(guān)的課程等），是“土木工程+AI”人才培養(yǎng)創(chuàng)新模式與現(xiàn)狀的最直接體現(xiàn)。鑒于此，本文對國內(nèi)外100所高校在土木工程學(xué)科的本科人才培養(yǎng)方案進行比較和分析，以期勾勒出當前土木工程學(xué)科融入人工智能本科教育與人才培養(yǎng)方面的現(xiàn)狀，為后續(xù)持續(xù)教育改革與創(chuàng)新提供思路。

一 歷史回溯：土木工程培養(yǎng)方案變革進程

通過回顧土木工程學(xué)科發(fā)展歷程，有利于讀者厘清該學(xué)科的發(fā)展邏輯與演化過程，從而更好地理解土木工程與人工智能結(jié)合的必要性和必然性。實際上，國內(nèi)外土木工程學(xué)科均為階段式發(fā)展模式，且階段劃分基本相同，因此，本小節(jié)以我國的情況為例進行闡述，但其仍不失一般性和普遍性。我國土木工程人才培養(yǎng)模式已經(jīng)經(jīng)歷了從初步探索、模式定型、深化改革到適應(yīng)新時代發(fā)展需求的變化過程。這一過程不僅反映了我國高等教育體系的成熟與完善，也體現(xiàn)了土木工程專業(yè)對社會、技術(shù)進步和經(jīng)濟發(fā)展變化的積極響應(yīng)。

（一） 初步探索階段（1950—1970年）

在新中國成立初期，國家重建和經(jīng)濟發(fā)展需要大量土木工程專業(yè)人才。教育部門開始建立和完善高等教育體系，土木工程教育此時處于摸索和建立階段，主要依托若干綜合性和工科大學(xué)的工程系。此時期的人才培養(yǎng)模式偏重于理論教學(xué)，注重學(xué)生基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)，實踐環(huán)節(jié)相對較少，教育資源有限。

（二） 模式定型與擴張階段（1980—1990年）

隨著改革開放的推進和經(jīng)濟體制的轉(zhuǎn)型，國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求大幅增加。土木工程教育開始迅速發(fā)展，專業(yè)設(shè)置更加多樣化，培養(yǎng)模式開始向?qū)嵺`教學(xué)傾斜。這一階段，土木工程教育加強了與工業(yè)界的聯(lián)系，注重產(chǎn)學(xué)研合作，增加了實習(xí)、實訓(xùn)等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，強調(diào)理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

（三） 教育改革深化階段（2000—2010年）

進入21世紀后，隨著全球化和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，土木工程領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新技術(shù)、新材料和新工藝，國內(nèi)土木工程教育面臨著更新知識結(jié)構(gòu)、改進培養(yǎng)模式的挑戰(zhàn)。此階段的教育改革注重提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和國際競爭力。引入了項目驅(qū)動學(xué)習(xí)、綜合設(shè)計項目等先進教育理念和教學(xué)方法，鼓勵學(xué)生參與科研項目和國際交流，以培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和全球視野。

（四） 適應(yīng)新時代發(fā)展需求的創(chuàng)新階段（2010年至今）

面對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，尤其是人工智能等新技術(shù)對土木工程領(lǐng)域的深刻影響，土木工程教育需進一步適應(yīng)數(shù)字化、智能化建設(shè)的趨勢。這一階段可按ChatGPT出現(xiàn)的時間點細分為兩個亞階段；在ChatGPT出現(xiàn)后，土木工程學(xué)科的智能化發(fā)展進程明顯加速。當前，國內(nèi)土木工程教育十分重視跨學(xué)科融合，強化軟件應(yīng)用和信息技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用教學(xué)，著重培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理、智能設(shè)計和項目管理等能力。同時，注重培養(yǎng)學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展觀念、創(chuàng)新精神和社會責任感。

通過歷史回溯，可以清晰地看到國內(nèi)土木工程人才培養(yǎng)模式在不同歷史階段所做出的適應(yīng)與調(diào)整。從重視基礎(chǔ)理論教育到強調(diào)實踐能力的培養(yǎng)，再到適應(yīng)新技術(shù)革命的創(chuàng)新教育模式，每一步的變革都是對時代發(fā)展需求的積極響應(yīng)。土木工程教育探索與時俱進的人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)更多具備堅實理論基礎(chǔ)、實踐能力和創(chuàng)新精神的土木工程人才，是該學(xué)科推動整個社會持續(xù)進步與發(fā)展的貢獻。

二 現(xiàn)狀研判：國內(nèi)外土木工程人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

為了解國內(nèi)外土木工程院校在土木工程學(xué)科融入人工智能教育方面的現(xiàn)狀，為土木工程人才培養(yǎng)改革提供參考依據(jù)，本文搜集了國內(nèi)外100所高校（表1）在土木工程學(xué)科的培養(yǎng)方案，并對這些培養(yǎng)方案的課程設(shè)置進行詳細分析和總結(jié)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分院校除了開設(shè)傳統(tǒng)工程教學(xué)的課程外，還開設(shè)了與人工智能學(xué)科關(guān)系密切的課程，例如計算與人工智能概論、機器學(xué)習(xí)、工業(yè)機器人和智能建造等。

調(diào)查顯示，100所高校中約54%的院校在土木工程專業(yè)中開設(shè)了與人工智能相關(guān)的課程。值得注意的是，國內(nèi)院校開設(shè)人工智能課程的比例高達82%，遠遠高于國外院校的26%，如圖1所示。這些AI相關(guān)課程的開設(shè)形式多樣，包括直接開設(shè)的人工智能課程和間接開設(shè)的人工智能課程（與土木工程結(jié)合，如智能建造等）。國內(nèi)以間接開設(shè)人工智能課程為主，比例為58.5%；而國外的情況恰恰相反，直接開設(shè)的人工智能課程更多，占53.8%，具體情況如圖2所示。但整體上，國內(nèi)外在直接與間接人工智能課程開設(shè)比例上相差不大。

如圖3所示，在國內(nèi)，AI相關(guān)課程主要在大二之后開設(shè)，占比75.6%。僅有不到10%的院校在大一學(xué)年開設(shè)人工智能相關(guān)課程，而且大一開設(shè)的人工智能課程類型主要是智能建造導(dǎo)論、人工智能概論這兩類課程。約15%的院校大一和大二學(xué)年均開設(shè)人工智能相關(guān)課程。在國內(nèi)，土木工程院校開設(shè)的AI相關(guān)課程約50%為人工智能概論，30%為智能建造導(dǎo)論，其他課程則為20%。類似地，在國外，AI相關(guān)課程也是主要在大二學(xué)年以上開設(shè)，占比76.9%，僅有23.1%的院校會在大一學(xué)年開設(shè)AI相關(guān)的課程，而且這些院校還會在大二學(xué)年以后的培養(yǎng)方案中繼續(xù)開設(shè)AI相關(guān)課程。在國外，土木工程院校開設(shè)的AI相關(guān)課程中約38.5%為人工智能概論，38.5%為機器學(xué)習(xí)+機器人這類的人工智能某一具體方面的課程，其他課程則為23%。

圖1 國內(nèi)外院校開設(shè)人工智能相關(guān)課程情況

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，如圖4所示，在國內(nèi)土木院校課程中更多地將AI相關(guān)課程設(shè)置為選修課，其僅作為選修課開設(shè)比例高達56.1%，而僅作為必修課開設(shè)的比例為17.1%；作為必修課和選修課都開設(shè)的情況占比26.8%。國外土木院校在培養(yǎng)方案中AI課程設(shè)置為必修課的比例更高，僅作為必修課的占比46.1%，接近一半；僅作為選修課的情況占比38.5%。可以看出，國內(nèi)院校更傾向于將AI課程作為選修課程融入培養(yǎng)方案，給予學(xué)生更自由的選擇權(quán)，而國外院校則更傾向于將AI課程作為核心課程融入課程體系，強制土木學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能知識。這種差異反映了國內(nèi)外院校在土木工程人才培養(yǎng)上更廣泛的教育理念、戰(zhàn)略和優(yōu)先級差異。

在調(diào)查的100所院校中，僅開設(shè)一門人工智能相關(guān)課程的國內(nèi)外土木院校占比較高，均超過50%，分別為國內(nèi)58.5%、國外53.8%，如圖5所示。僅約20%土木院校開設(shè)2門或3門以上的人工智能課程，國內(nèi)外均如此，且比例非常接近。這表明，盡管現(xiàn)在國內(nèi)外院校在土木工程人才培養(yǎng)上都逐漸意識到了人工智能的重要性，但培養(yǎng)方案改革仍處于初步階段。這有可能意味著大多數(shù)院校只是引入或者科普人工智能技術(shù)，實質(zhì)上尚未在教學(xué)方案中真正深度融入人工智能技術(shù)。

圖2 國內(nèi)外院校開設(shè)人工智能課程形式

（b） 開設(shè)課程情況

圖3 國內(nèi)外課程設(shè)置

圖4 國內(nèi)外院校必修選修課情況

圖5 國內(nèi)外院校人工智能課程開設(shè)數(shù)目情況

此外，與國內(nèi)相比，大約有30%的國外院校會提供自由選修課，學(xué)生在這一課程模塊可以探索任何感興趣的課程，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在這些院校中，土木工程專業(yè)的排名大多都位于前100名。而且，這些在培養(yǎng)方案中開設(shè)自由選修課的院校，澳大利亞的院校數(shù)量是最多的，其次是美國。通過自由選修課，學(xué)生可以探索自己專業(yè)領(lǐng)域之外的知識，促進跨學(xué)科的學(xué)習(xí)和思維能力。這種跨學(xué)科的知識結(jié)構(gòu)不僅可以擴展學(xué)生的視野，還能增強他們解決復(fù)雜問題的能力。而國內(nèi)的選修課存在一定限制，且自由探索的程度不高。

圖6 國外開設(shè)自由選修課情況

在國內(nèi)有越來越多的院校開始設(shè)立智能建造專業(yè)，從2018年同濟大學(xué)首先創(chuàng)辦智能建造專業(yè)以來，國內(nèi)開設(shè)智能建造專業(yè)的數(shù)量每年都在逐步增加，到2024年總共有161個智能建造專業(yè)建立[12-14]，如圖7所示。然而，與2024年新增的48個智能建造專業(yè)相比，同年土木工程卻只增加三個，其中還有兩個是第二學(xué)士學(xué)位輔修。在現(xiàn)有的544所開設(shè)土木工程專業(yè)的學(xué)院中，新開設(shè)的智能建造專業(yè)在土木工程學(xué)院中達到了29.6%的比例，如圖8所示?？梢钥闯?，國內(nèi)各大院校其實已經(jīng)在通過建立新專業(yè)的方式將人工智能融入土木工程學(xué)科中，而原有的土木工程專業(yè)改革進程則較為緩慢，依舊是以傳統(tǒng)教學(xué)為主。這種做法的好處是可以快速完成土木工程與人工智能的結(jié)合；而其弊端是它未能給所有土木工程專業(yè)大類學(xué)子提供相同的培養(yǎng)資源，只對部分學(xué)生采取試點培養(yǎng)。建立新專業(yè)僅是“土木工程+AI”人才培養(yǎng)模式改革與創(chuàng)新的一種方法，只有將人工智能深度融入所有土木工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，才能真正培養(yǎng)出適應(yīng)新時代的土木工程人才。

圖7 我國開設(shè)智能建造專業(yè)的高校數(shù)量增長圖

圖8 我國土木類院校開設(shè)智能建造專業(yè)占比圖

三 未來方向：人工智能深度融入土木工程人才培養(yǎng)

隨著人類快速向通用人工智能時代過渡，土木工程學(xué)科的人才培養(yǎng)模式迎來了新的挑戰(zhàn)和機遇。要實現(xiàn)人工智能與土木工程的深度融合，培養(yǎng)出符合時代需要的智能土木工程人才，首先需要清晰地認識到當前“土木工程+AI”人才培養(yǎng)面臨的關(guān)鍵問題，并在此基礎(chǔ)上提出有效的教育改革與創(chuàng)新策略。

（一） 當前土木工程人才培養(yǎng)面臨的關(guān)鍵問題

1）課程設(shè)置相對滯后：盡管國內(nèi)外許多土木工程院校已經(jīng)開始在人才培養(yǎng)方案中引入人工智能相關(guān)課程，但這些課程數(shù)量較少，且往往注重人工智能基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，而與土木工程的實際應(yīng)用聯(lián)系不夠緊密，未能將最前沿的AI技術(shù)與土木工程的實際需求高度融合。

2）工程實踐能力不足：目前的培養(yǎng)模式過于注重理論學(xué)習(xí)，缺乏足夠的實踐機會，使得學(xué)生在應(yīng)用人工智能技術(shù)解決土木工程實際問題的能力較弱。

3）創(chuàng)新能力培養(yǎng)缺失：在傳統(tǒng)的教育模式下，學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)不足，不利于培養(yǎng)適應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展的高素質(zhì)人才。

（二） 推進人工智能深度融入土木工程人才培養(yǎng)的策略

1）更新課程體系，加強AI與土木工程的融合教學(xué)：結(jié)合土木工程專業(yè)的特點，設(shè)計與人工智能技術(shù)結(jié)合緊密的新課程，如智能建筑設(shè)計、智慧城市建設(shè)、AI在土木工程中的應(yīng)用案例等，使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到最前沿的知識并掌握其在土木工程中的應(yīng)用。

2）強化項目驅(qū)動的實踐教學(xué)：通過與企業(yè)合作，參與真實的工程項目，讓學(xué)生在項目中實踐AI技術(shù)，如使用智能算法優(yōu)化建筑設(shè)計、施工過程中的資源管理等，從而提升學(xué)生的實踐能力和解決工程問題的能力。

3）建立跨學(xué)科學(xué)習(xí)平臺：鼓勵土木工程與計算機科學(xué)、數(shù)據(jù)分析、人工智能等相關(guān)學(xué)科的交叉學(xué)習(xí)，通過設(shè)置跨學(xué)科課程、聯(lián)合培養(yǎng)計劃等方式，促進學(xué)生全面發(fā)展，為土木工程學(xué)科注入新的活力和創(chuàng)新能力。

4）培養(yǎng)創(chuàng)新意識和終身學(xué)習(xí)能力：在教學(xué)過程中引入創(chuàng)新元素，如創(chuàng)新設(shè)計競賽、研討會、AI輔助工程設(shè)計等，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和問題解決能力。同時，培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力，使其能夠不斷適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和行業(yè)變化的需求。

通過上述策略的實施，可以有效推進人工智能技術(shù)在土木工程人才培養(yǎng)中的深度融合，培養(yǎng)出更多具備高級技術(shù)應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力的土木工程專業(yè)人才，為未來土木工程行業(yè)的發(fā)展提供堅實的人才支撐。

（三） 應(yīng)用人工智能輔助教學(xué)

在推進人工智能深度融入土木工程人才培養(yǎng)的過程中，人工智能輔助教學(xué)技術(shù)的應(yīng)用成為一大亮點或主要教學(xué)輔助工具。這不僅能夠提高教學(xué)效率和質(zhì)量，還能夠為學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)路徑，促進其全面發(fā)展。

1）個性化學(xué)習(xí)路徑：通過人工智能技術(shù)，可以根據(jù)學(xué)生的思維方式、學(xué)習(xí)進度、興趣愛好和學(xué)習(xí)能力，定制個性化的學(xué)習(xí)模式與資源，幫助學(xué)生更有效地汲取知識和掌握技能。

2）智能教學(xué)平臺：建立智能教學(xué)平臺，利用人工智能技術(shù)進行學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析，實時反饋學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，為教師提供教學(xué)輔助決策支持，優(yōu)化教學(xué)方法和內(nèi)容。

3）虛擬實訓(xùn)環(huán)境：利用人工智能技術(shù)創(chuàng)建虛擬實訓(xùn)環(huán)境，如模擬建筑設(shè)計和施工過程，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行實踐操作，增強學(xué)習(xí)體驗和實踐能力。

4）智能評估系統(tǒng)：開發(fā)智能評估系統(tǒng)，通過機器學(xué)習(xí)算法對學(xué)生的作業(yè)、設(shè)計項目等進行客觀評價，提供個性化反饋，促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)和持續(xù)改進。

通過將人工智能技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，可以極大豐富教學(xué)手段和內(nèi)容，提高教學(xué)的質(zhì)量和效率，為土木工程學(xué)科的創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供有力支持。在國內(nèi)，許多院校已經(jīng)開始探索和實踐使用人工智能輔助教學(xué)的方法，這些方法旨在通過人工智能技術(shù)優(yōu)化教育質(zhì)量和效率，提升學(xué)生學(xué)習(xí)體驗。表2羅列了部分國內(nèi)院校在使用人工智能輔助教學(xué)方面的一些具體手段。

四 結(jié)束語

隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，土木工程領(lǐng)域迎來了前所未有的變革。面對這一挑戰(zhàn)，土木工程教育必須及時做出反應(yīng)，通過更新課程體系、加強實踐教學(xué)、推動跨學(xué)科交流和創(chuàng)新、應(yīng)用AI輔助教學(xué)技術(shù)等多方面措施，深度融合人工智能技術(shù)，培養(yǎng)出能夠適應(yīng)未來通用人工智能社會發(fā)展需求的新型工程技術(shù)人才。這不僅是對土木工程教育模式的革新，也是對傳統(tǒng)工程教育觀念的挑戰(zhàn)與突破。面向未來，只有通過不斷探索和實踐，土木工程教育才能夠培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新精神和國際視野的工程技術(shù)領(lǐng)軍人才，為全球土木工程行業(yè)的發(fā)展作出更大貢獻。

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