摘 要:伴隨科技與經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代制造業(yè)中的地位日益凸顯。教材作為知識(shí)傳播的關(guān)鍵載體,其內(nèi)容的時(shí)效性、前沿性與全面性至關(guān)重要。本文遵循崗位能力標(biāo)準(zhǔn)—課程—教材三位協(xié)同的原則,剖析當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)職業(yè)能力標(biāo)準(zhǔn)和崗位體系,結(jié)合本校教育教學(xué)實(shí)際需求,探索高職機(jī)器人專業(yè)教材內(nèi)容更新與拓展方向及策略,旨在開發(fā)高職機(jī)器人專業(yè)高品質(zhì)教材,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,為相關(guān)專業(yè)教材體系的建設(shè)提供參考。
關(guān)鍵詞:工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 教材 更新 拓展
1 緒論
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)前制造業(yè)中極具代表性的尖端技術(shù),其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展,技術(shù)水平持續(xù)攀升[1]。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)的深度融合,工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正朝著智能化、協(xié)作化、柔性化的方向快速發(fā)展[2]。在智能制造2025戰(zhàn)略的推動(dòng)下,工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域已從傳統(tǒng)的汽車制造、電子裝配擴(kuò)展到航空航天、醫(yī)療器械、新能源等高端制造領(lǐng)域,其技術(shù)內(nèi)涵和應(yīng)用邊界不斷拓展。然而,目前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)的教材在內(nèi)容上存在一定程度的滯后,難以滿足學(xué)生對(duì)新知識(shí)、新技能的探索需求。通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)專業(yè)學(xué)生就業(yè)意向的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn),大多數(shù)學(xué)生希望通過(guò)專業(yè)課程的學(xué)習(xí),提升自身的實(shí)踐和項(xiàng)目開發(fā)能力,以便在畢業(yè)后能夠從事專業(yè)對(duì)口的工作或自主創(chuàng)業(yè)。傳統(tǒng)的教材多以紙質(zhì)形式為主,缺乏虛擬仿真、交互式學(xué)習(xí)等數(shù)字化資源,難以適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)的需求。此外,教材建設(shè)應(yīng)注重與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)接,將工業(yè)機(jī)器人前沿技術(shù)技能融入教學(xué)內(nèi)容,提升學(xué)生的職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,并通過(guò)構(gòu)建“產(chǎn)教融合、校企協(xié)同”的教材開發(fā)機(jī)制,確保教材內(nèi)容始終緊跟技術(shù)前沿,為培養(yǎng)適應(yīng)智能制造發(fā)展需求的高素質(zhì)技術(shù)技能人才提供有力支撐。
2 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)教材更新的核心方向
2.1 智能感知與決策技術(shù)
智能技術(shù)與人工智能的蓬勃發(fā)展,為工業(yè)機(jī)器人裝上了“智慧大腦”,使其從傳統(tǒng)的程序化執(zhí)行向智能化決策邁進(jìn)。機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、多模態(tài)傳感等技術(shù)的深度融合,賦予了工業(yè)機(jī)器人強(qiáng)大的環(huán)境感知、自主學(xué)習(xí)和決策能力,使其能夠根據(jù)任務(wù)需求自主優(yōu)化操作策略,適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境。典型案例當(dāng)屬波士頓動(dòng)力(Boston Dynamics)的Atlas機(jī)器人,它通過(guò)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)平衡與復(fù)雜地形行走,展現(xiàn)了驚人的運(yùn)動(dòng)能力和環(huán)境適應(yīng)能力。其背后的算法原理,例如深度Q學(xué)習(xí)、策略梯度等,可以納入教材的“智能控制”章節(jié),并結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),幫助學(xué)生理解智能算法的實(shí)際應(yīng)用。
2.2 協(xié)作機(jī)器人技術(shù)
增加人機(jī)協(xié)作安全機(jī)制、柔性控制、示教編程等模塊,體現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人向柔性化、智能化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)。安全直觀的人機(jī)交互界面,將實(shí)現(xiàn)工人與機(jī)器人協(xié)同工作,充分發(fā)揮人類智慧與機(jī)器人精準(zhǔn)性,提升生產(chǎn)效率與質(zhì)量。隨著制造業(yè)對(duì)個(gè)性化定制產(chǎn)品需求的增長(zhǎng),工業(yè)機(jī)器人須具備更高的柔性化生產(chǎn)能力,能夠快速切換生產(chǎn)任務(wù),滿足不同產(chǎn)品的生產(chǎn)要求,這是未來(lái)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。例如丹麥優(yōu)傲機(jī)器人(UR)的協(xié)作機(jī)械臂已廣泛應(yīng)用于電子裝配領(lǐng)域,其力控技術(shù)與編程接口可作為實(shí)踐案例。
2.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生技術(shù)
5G通信、數(shù)字孿生建模、云端協(xié)同控制等技術(shù)的融合應(yīng)用,使工業(yè)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷與預(yù)測(cè)性維護(hù),可以培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建虛實(shí)融合的智能制造系統(tǒng)能力,未來(lái),工業(yè)機(jī)器人將更智能,能無(wú)縫融入智能制造系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策支持。例如西門子基于數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)的“工業(yè)元宇宙”平臺(tái)案例[4],已在汽車制造中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全生命周期管理,可作為教材拓展內(nèi)容。
3 當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)教材存在的問題
3.1 內(nèi)容滯后
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)作為快速發(fā)展的前沿領(lǐng)域,其技術(shù)更新迭代速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)學(xué)科。然而,教材編寫與出版周期較長(zhǎng),通常需要1-2年甚至更長(zhǎng)時(shí)間,導(dǎo)致教材內(nèi)容難以跟上技術(shù)發(fā)展的步伐。例如,當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用深度學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生、協(xié)作機(jī)器人等新興技術(shù),但許多教材仍停留在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制、編程基礎(chǔ)等內(nèi)容上,缺乏對(duì)前沿技術(shù)的系統(tǒng)介紹。這種滯后性使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以接觸到最新的技術(shù)成果,無(wú)法及時(shí)了解行業(yè)動(dòng)態(tài),進(jìn)而影響其學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)素養(yǎng)的提升。此外,教材內(nèi)容的滯后還導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后難以快速適應(yīng)工作崗位的需求,增加了企業(yè)的培訓(xùn)成本。因此,教材內(nèi)容必須建立動(dòng)態(tài)更新機(jī)制,及時(shí)融入最新的技術(shù)成果和行業(yè)案例,確保學(xué)生能夠掌握前沿知識(shí),滿足行業(yè)對(duì)高素質(zhì)技術(shù)技能人才的需求。
3.2 缺乏系統(tǒng)性
現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)教材在內(nèi)容編排上往往缺乏系統(tǒng)性,各章節(jié)之間的邏輯聯(lián)系不夠緊密,知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)碎片化,難以幫助學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)體系。例如,部分教材將機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、編程技術(shù)等內(nèi)容孤立呈現(xiàn),缺乏對(duì)工業(yè)機(jī)器人整體系統(tǒng)的綜合講解,導(dǎo)致學(xué)生難以理解各模塊之間的協(xié)同工作原理。此外,教材內(nèi)容往往偏重理論講解,缺乏與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的結(jié)合,使得學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解停留在表面,無(wú)法深入掌握工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的核心原理和應(yīng)用方法。這種缺乏系統(tǒng)性的教材設(shè)計(jì)不僅降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,還限制了其解決復(fù)雜工程問題的能力。因此,教材編寫應(yīng)注重知識(shí)體系的系統(tǒng)性設(shè)計(jì),從基礎(chǔ)理論到實(shí)際應(yīng)用,從單一技術(shù)到系統(tǒng)集成,逐步構(gòu)建完整的知識(shí)框架,幫助學(xué)生形成對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的全面認(rèn)知。
3.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)不足
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是一門高度實(shí)踐性的學(xué)科,學(xué)生需要通過(guò)大量的實(shí)踐操作來(lái)掌握編程、調(diào)試、維護(hù)等核心技能。然而,現(xiàn)有教材在實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)上存在明顯不足,具體表現(xiàn)為實(shí)踐內(nèi)容單一,部分教材僅提供簡(jiǎn)單的操作步驟和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),缺乏綜合性、創(chuàng)新性的實(shí)踐項(xiàng)目,難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力;案例缺乏實(shí)用性,教材中的案例往往脫離實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景,無(wú)法反映工業(yè)機(jī)器人在真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中的應(yīng)用需求,導(dǎo)致學(xué)生難以將理論知識(shí)與實(shí)踐技能相結(jié)合;數(shù)字化資源匱乏,傳統(tǒng)教材以紙質(zhì)內(nèi)容為主,缺乏虛擬仿真、交互式學(xué)習(xí)等數(shù)字化資源,無(wú)法為學(xué)生提供沉浸式的實(shí)踐體驗(yàn),限制了其動(dòng)手能力的培養(yǎng)。為解決這些問題,教材應(yīng)加大實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的比重,引入更多與實(shí)際生產(chǎn)相關(guān)的案例和項(xiàng)目。例如,可以結(jié)合工業(yè)機(jī)器人在汽車制造、電子裝配、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的典型應(yīng)用,設(shè)計(jì)綜合性實(shí)踐任務(wù),幫助學(xué)生掌握從任務(wù)分析、方案設(shè)計(jì)到系統(tǒng)調(diào)試的完整流程。同時(shí),應(yīng)積極開發(fā)配套的虛擬仿真平臺(tái)和數(shù)字化資源,為學(xué)生提供多樣化的實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)境,提升其動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。通過(guò)強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié),教材可以更好地滿足現(xiàn)代教學(xué)的需求,培養(yǎng)出適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)技術(shù)技能人才。
4 教材內(nèi)容拓展的方向與路徑
4.1 校企協(xié)同開發(fā)動(dòng)態(tài)化教材,定期跟蹤技術(shù)動(dòng)態(tài),融入最新技術(shù)成果
教材編寫團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)建立專門的技術(shù)跟蹤小組,定期關(guān)注國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊、行業(yè)權(quán)威報(bào)告以及各大工業(yè)機(jī)器人企業(yè)的技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài),每季度整理一次相關(guān)技術(shù)資料,為教材更新提供最前沿的素材,及時(shí)融入教材,將新技術(shù)作為應(yīng)用案例,穿插至教材拓展內(nèi)容中,讓學(xué)生更直觀地理解新技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。
4.2 制定詳細(xì)大綱,強(qiáng)化知識(shí)體系的系統(tǒng)性
在編寫教材前,組織學(xué)科專家、一線教師以及企業(yè)技術(shù)骨干共同研討,制定涵蓋工業(yè)機(jī)器人技術(shù)各方面知識(shí)的詳細(xì)大綱。明確各章節(jié)的主題、核心知識(shí)點(diǎn)以及它們之間的邏輯聯(lián)系,確保教材內(nèi)容編排從基礎(chǔ)到應(yīng)用、從理論到實(shí)踐,層層遞進(jìn),逐步構(gòu)建完整知識(shí)體系。各章節(jié)間應(yīng)加強(qiáng)聯(lián)系,在每章結(jié)尾設(shè)置“知識(shí)串聯(lián)”板塊,引導(dǎo)學(xué)生回顧本章知識(shí)與其他章節(jié)的關(guān)聯(lián)。并通過(guò)案例分析、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)等方式,幫助學(xué)生融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)。
4.3 校企共建實(shí)踐項(xiàng)目庫(kù),增加實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容
學(xué)校與相關(guān)企業(yè)合作,共同開發(fā)實(shí)踐項(xiàng)目庫(kù)。企業(yè)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的常見任務(wù)和技術(shù)難題,提供項(xiàng)目原型,學(xué)校教師將其轉(zhuǎn)化為適合教學(xué)的實(shí)踐項(xiàng)目。引入虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái),讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的編程、調(diào)試和操作練習(xí)。教材應(yīng)加大實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)比重,提供豐富的實(shí)際案例與項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。通過(guò)實(shí)際操作,學(xué)生能更好地理解和掌握工業(yè)機(jī)器人編程、調(diào)試、維護(hù)等技能[6],提高實(shí)踐能力與解決問題的能力。為每個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目配備實(shí)踐導(dǎo)師,導(dǎo)師由學(xué)校教師和企業(yè)工程師共同組成。在學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作時(shí),導(dǎo)師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo),及時(shí)糾正學(xué)生的錯(cuò)誤操作,解答學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中遇到的問題,確保學(xué)生能夠真正掌握實(shí)踐技能。
4.4 開設(shè)創(chuàng)新思維課程,培養(yǎng)創(chuàng)新能力
教材內(nèi)容應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力,引導(dǎo)學(xué)生思考工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展方向與應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)開設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)競(jìng)賽等活動(dòng),激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新意識(shí)。在課程體系中設(shè)置專門的創(chuàng)新思維課程,介紹創(chuàng)新方法與工具,如頭腦風(fēng)暴法、TRIZ理論等。通過(guò)案例分析、小組討論等方式,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用創(chuàng)新方法思考工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。例如,以工業(yè)機(jī)器人在環(huán)保領(lǐng)域的潛在應(yīng)用為主題,組織學(xué)生運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法提出創(chuàng)新方案。還可以組織跨學(xué)科的創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng),鼓勵(lì)學(xué)生將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等其他學(xué)科知識(shí)相結(jié)合。例如,舉辦“機(jī)器人與醫(yī)療健康創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)用于醫(yī)療康復(fù)的機(jī)器人產(chǎn)品,培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科創(chuàng)新能力。
5 教材內(nèi)容拓展的策略
5.1 加強(qiáng)校企合作
企業(yè)作為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用主體,不僅擁有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),還掌握著最新的技術(shù)資源和行業(yè)動(dòng)態(tài)。學(xué)校應(yīng)深化與企業(yè)的合作,構(gòu)建“產(chǎn)教融合、校企協(xié)同”的教材開發(fā)機(jī)制。邀請(qǐng)企業(yè)專家、企業(yè)技術(shù)人員與學(xué)校教師共同組成教材編寫團(tuán)隊(duì),將企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的技術(shù)需求、典型案例和最新技術(shù)融入教材內(nèi)容。例如,可以引入企業(yè)在智能制造、協(xié)作機(jī)器人、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的最新應(yīng)用案例,使教材內(nèi)容更貼近行業(yè)實(shí)際;校企共建實(shí)訓(xùn)基地,學(xué)校與企業(yè)合作建設(shè)高水平的實(shí)訓(xùn)基地,為學(xué)生提供真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人操作環(huán)境和實(shí)踐機(jī)會(huì)。實(shí)訓(xùn)基地可以模擬企業(yè)生產(chǎn)線,設(shè)置典型工作任務(wù),如機(jī)器人編程、系統(tǒng)集成、故障診斷等,幫助學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐技能相結(jié)合;聯(lián)合開發(fā)教學(xué)資源,校企合作開發(fā)虛擬仿真平臺(tái)、在線課程、微課視頻等數(shù)字化教學(xué)資源,豐富教材的呈現(xiàn)形式,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。
5.2 利用信息化技術(shù)
創(chuàng)建“教-學(xué)-研”,校企合作數(shù)字化平臺(tái),打造一個(gè)集教學(xué)、學(xué)習(xí)、科研以及校企合作為一體的綜合性數(shù)字化平臺(tái),通過(guò)整合學(xué)校與企業(yè)的優(yōu)質(zhì)資源,打破時(shí)間和空間限制,實(shí)現(xiàn)教學(xué)、實(shí)踐、科研、就業(yè)等環(huán)節(jié)的深度融合,提升教育質(zhì)量,促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展,同時(shí)滿足企業(yè)對(duì)高素質(zhì)人才的需求。平臺(tái)將包含教學(xué)資源管理、教學(xué)過(guò)程監(jiān)控、教學(xué)效果評(píng)估、師生互動(dòng)反饋、校企合作項(xiàng)目管理、教師專業(yè)發(fā)展、校本教學(xué)資源庫(kù)以及數(shù)據(jù)分析與決策支持等核心功能模塊,具備智能化、一體化、開放性和安全性等特色與優(yōu)勢(shì)。通過(guò)試點(diǎn)運(yùn)行和全面推廣,結(jié)合培訓(xùn)與技術(shù)支持,該平臺(tái)將有效推動(dòng)教育與產(chǎn)業(yè)的深度融合,實(shí)現(xiàn)學(xué)校、學(xué)生和企業(yè)的多贏局面。
5.3 開展教材評(píng)估與反饋
教材作為知識(shí)傳播的核心載體,其質(zhì)量和適用性直接影響教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)成效。為此,需建立健全教材評(píng)估與反饋機(jī)制。構(gòu)建多元化評(píng)估體系,涵蓋教師、學(xué)生、行業(yè)專家和第三方機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià),確保評(píng)估全面客觀。定期開展教材使用效果評(píng)估,包括階段性、動(dòng)態(tài)跟蹤和長(zhǎng)期效果評(píng)估,形成常態(tài)化機(jī)制。同時(shí),通過(guò)線上平臺(tái)、座談會(huì)和企業(yè)調(diào)研收集反饋意見,為教材修訂提供依據(jù)。最后,通過(guò)數(shù)據(jù)分析、激勵(lì)機(jī)制和校企協(xié)同,持續(xù)優(yōu)化教材質(zhì)量,形成“評(píng)估-反饋-修訂-優(yōu)化”閉環(huán)。這些措施可確保教材的高質(zhì)量和適用性,提升教學(xué)效果,為培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能人才提供有力支持。
6 結(jié)論
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展,對(duì)專業(yè)教材內(nèi)容的更新與拓展提出了迫切要求。教材編寫者與教育工作者應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到此問題的重要性,積極采取有效措施,加強(qiáng)教材建設(shè),不斷更新與拓展教材內(nèi)容。通過(guò)校企協(xié)同開發(fā)、案例化教學(xué)、數(shù)字化資源建設(shè)等路徑,構(gòu)建“理論-實(shí)踐-創(chuàng)新”一體化的教材體系。本文提出從智能感知與決策技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生等方向更新教材內(nèi)容,并通過(guò)校企協(xié)同開發(fā)動(dòng)態(tài)化教材、強(qiáng)化知識(shí)體系系統(tǒng)性、共建實(shí)踐項(xiàng)目庫(kù)、開設(shè)創(chuàng)新思維課程等路徑拓展教材內(nèi)容。同時(shí),實(shí)施加強(qiáng)校企合作、利用信息化技術(shù)、開展教材評(píng)估與反饋等策略,構(gòu)建“產(chǎn)教融合、校企協(xié)同”的教材開發(fā)機(jī)制,融入最新技術(shù)成果,強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),以培養(yǎng)適應(yīng)智能制造發(fā)展需求的高素質(zhì)技術(shù)技能人才,為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的人才支撐。
基金項(xiàng)目:甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院2024年度校級(jí)科研項(xiàng)目:基于學(xué)術(shù)前沿工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)教材內(nèi)容更新與拓展的研究(GSJD2024C03)。
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