虛擬仿真技術(shù)在高職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式研究

摘 要：工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)對(duì)學(xué)生掌握相關(guān)操作技術(shù)至關(guān)重要，但許多高職院校由于設(shè)備短缺、投入資金不足等因素影響，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)開展難以滿足學(xué)生技能訓(xùn)練需求，為此文章提出基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合”的工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)模式。通過對(duì)實(shí)踐課程進(jìn)行“基礎(chǔ)認(rèn)知-虛擬仿真-真實(shí)操作-創(chuàng)新應(yīng)用”的模式構(gòu)建，并結(jié)合項(xiàng)目模塊教學(xué)方式來強(qiáng)化學(xué)生的編程調(diào)試、系統(tǒng)集成等實(shí)操能力；其次構(gòu)建虛實(shí)聯(lián)動(dòng)實(shí)踐評(píng)價(jià)機(jī)制和“雙元認(rèn)證”考核方式，精準(zhǔn)對(duì)接企業(yè)需求，并通過打造“虛實(shí)兼?zhèn)洹彪p師型師資隊(duì)伍，形成“教-學(xué)-做-評(píng)”的教學(xué)鏈。實(shí)踐表明：該實(shí)踐教學(xué)模式不僅解決了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐中的“三高三難”問題，還顯著降低設(shè)備損耗率，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，為智能制造領(lǐng)域復(fù)合型技術(shù)技能人才培養(yǎng)提供創(chuàng)新路徑。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 工業(yè)機(jī)器人 實(shí)踐教學(xué) 職業(yè)教育

隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略不斷推進(jìn)，國(guó)內(nèi)急需大量從事工業(yè)機(jī)器人操作方面的人才，為滿足其需求部分高職院校開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)或相關(guān)方向的實(shí)踐課程，然而由于實(shí)踐教學(xué)設(shè)備面臨著高投入、高損耗、高風(fēng)險(xiǎn)及難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”問題，難以保證生均臺(tái)套數(shù)，導(dǎo)致目前的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)普遍存在實(shí)踐教學(xué)體系不完善、課程實(shí)施難度高、實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量參差不齊、教學(xué)裝備更新滯后等問題[1-2]。針對(duì)上述困境，不少研究者通過將虛擬仿真技術(shù)融入教學(xué)實(shí)踐體系進(jìn)行改革與創(chuàng)新，譚志榮等人[3]提出基于虛擬仿真技術(shù)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真平臺(tái)搭建，既激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，也提高了學(xué)生的操作能力；王佳[4]通過虛擬仿真技術(shù)解決了服裝設(shè)計(jì)與工藝專業(yè)課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相脫節(jié)的問題，進(jìn)而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力；彭一航等人[5]通過構(gòu)建實(shí)踐設(shè)備數(shù)字化模型，搭建了以虛助實(shí)、以實(shí)帶虛、虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。借鑒此類經(jīng)驗(yàn)，文章針對(duì)高職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)設(shè)備短缺、操作受限等問題，提出依托虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合”的工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系。通過構(gòu)建高保真數(shù)字孿生模型，學(xué)生可預(yù)判實(shí)體設(shè)備安裝與調(diào)試中的問題，突破時(shí)間與設(shè)備限制，在安全環(huán)境中掌握編程、故障診斷等技能，隨后將虛擬調(diào)試數(shù)據(jù)移植至實(shí)體設(shè)備，縮短二次調(diào)試時(shí)間并規(guī)避碰撞、過載等安全風(fēng)險(xiǎn)，為智能制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)培養(yǎng)兼具理論素養(yǎng)與實(shí)踐能力的復(fù)合型人才提供創(chuàng)新培養(yǎng)路徑。

1 工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在的問題

傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式由于存在教學(xué)資源匱乏、實(shí)操空間有限、教學(xué)和考核方式單一等問題[6]，嚴(yán)重制約了學(xué)生實(shí)踐技能的掌握，已無法滿足當(dāng)前制造業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的“會(huì)操作、能維護(hù)、懂創(chuàng)新”高技能復(fù)合型人才需求，因此當(dāng)前的實(shí)踐教學(xué)模式在課程設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)條件、師資能力等方面依然存在亟待改進(jìn)的問題。

1.1 人才培養(yǎng)與企業(yè)需求脫節(jié)

當(dāng)前高職院校工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)仍側(cè)重于編程教學(xué)方面，而忽略對(duì)學(xué)生生產(chǎn)線整體規(guī)劃、工藝流程優(yōu)化等能力的培養(yǎng)，并且部分高職院校能用于實(shí)踐教學(xué)方面的設(shè)備少、功能單一等，導(dǎo)致學(xué)生在系統(tǒng)集成、設(shè)備操作等實(shí)戰(zhàn)環(huán)節(jié)的操作能力薄弱，同時(shí)由于校企融合深度不足，使得企業(yè)對(duì)畢業(yè)生能力要求與所掌握的技能不匹配，進(jìn)而增加了企業(yè)的二次培訓(xùn)成本。

1.2 實(shí)踐教學(xué)資源配置不足

工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)受設(shè)備價(jià)格高、模塊復(fù)雜、實(shí)踐場(chǎng)地局限等因素影響，導(dǎo)致設(shè)備數(shù)量不足甚至完全缺乏的情況，學(xué)生往往只能以5～6人為一組或輪流進(jìn)行操作，實(shí)操機(jī)會(huì)少且時(shí)間短，難以有效開展實(shí)踐操作；同時(shí)，由于缺乏統(tǒng)一的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)和管理制度等，難以對(duì)實(shí)踐課程的效果進(jìn)行有效反饋，也不易構(gòu)建科學(xué)合理的實(shí)踐過程性評(píng)價(jià)體系。

1.3 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和形式缺少創(chuàng)新

當(dāng)前部分高職院校工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)受實(shí)訓(xùn)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地以及師資力量等條件影響，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容仍以基礎(chǔ)編程、簡(jiǎn)單操作等方面為主，故難以精準(zhǔn)對(duì)接當(dāng)前制造業(yè)所需的先進(jìn)制造技術(shù)能力要求；同時(shí)部分教師實(shí)踐教學(xué)仍以理論傳輸或“教師演示-學(xué)生模仿”為主，而忽視了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，加之實(shí)踐教學(xué)中缺乏生產(chǎn)線真實(shí)場(chǎng)景的項(xiàng)目化訓(xùn)練，造成學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力不足、興趣缺失等問題，嚴(yán)重制約了學(xué)生系統(tǒng)性工程思維與跨領(lǐng)域創(chuàng)新能力的形成。

1.4 教師缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)背景

由于工業(yè)機(jī)器人專業(yè)發(fā)展周期較短，導(dǎo)致師資隊(duì)伍建設(shè)滯后、教師企業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足等，進(jìn)而造成教師實(shí)踐教學(xué)中難以對(duì)學(xué)生操作進(jìn)行有效指導(dǎo)。同時(shí)，隨著工業(yè)機(jī)器人專業(yè)方面的新技術(shù)不斷更新，使得年長(zhǎng)教師普遍面臨知識(shí)更新遲緩、操作技能與行業(yè)前沿需求存在脫節(jié)等現(xiàn)象；而青年教師雖然能通過國(guó)家級(jí)或省級(jí)的相關(guān)培訓(xùn)快速掌握其理論知識(shí)，但由于缺乏深入企業(yè)一線的實(shí)戰(zhàn)鍛煉機(jī)會(huì)，導(dǎo)致實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備不足，進(jìn)一步制約了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

2 虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用不僅能提升學(xué)生在實(shí)踐中參與度和學(xué)習(xí)興趣，也能提升學(xué)生的職業(yè)技能，還能有效解決教師教學(xué)中所遇到的困難，提升教學(xué)效果和效率[7-8]。

2.1 基于虛擬仿真技術(shù)提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量

將虛擬仿真技術(shù)引入到工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中，可以高度模擬企業(yè)生產(chǎn)線實(shí)際場(chǎng)景，不僅能幫助學(xué)生更加直觀地了解工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)軌跡等復(fù)雜知識(shí)點(diǎn)，還能有效解決實(shí)踐教學(xué)中工位緊缺、調(diào)試周期長(zhǎng)等難題。此外，學(xué)生借助虛擬場(chǎng)景進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，在鞏固實(shí)操知識(shí)要點(diǎn)的同時(shí)，既可以避免操作失誤導(dǎo)致設(shè)備損壞或出現(xiàn)安全事故，又能顯著提升教學(xué)效率和課程內(nèi)容的覆蓋深度。

2.2 基于虛擬仿真技術(shù)提升學(xué)生的職業(yè)技能

借助虛擬仿真技術(shù)搭建的實(shí)踐模塊，可為學(xué)生提供“零門檻、無風(fēng)險(xiǎn)”的沉浸式實(shí)踐環(huán)境，模擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)線的機(jī)器人裝配、分揀、搬運(yùn)等任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生由基礎(chǔ)任務(wù)到復(fù)雜任務(wù)的階梯式技能訓(xùn)練，從而掌握編程技巧、調(diào)試方法等核心技能，并且可通過虛擬系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)對(duì)操作方案進(jìn)行優(yōu)化，以此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程思維。

2.3 基于虛擬仿真技術(shù)開展教學(xué)改革

工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教師可以根據(jù)企業(yè)崗位需求，在實(shí)踐教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)搭建相應(yīng)的項(xiàng)目場(chǎng)景、任務(wù)模塊等，并將虛擬生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)映射到實(shí)體設(shè)備中，形成“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式，從而打破“教師演示-學(xué)生模仿”的單向教學(xué)方式，還能幫助學(xué)生快速理解和掌握實(shí)踐操作要領(lǐng)。此外，教師還能依托虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)評(píng)估體系，用于記錄學(xué)生操作時(shí)間與數(shù)據(jù)等信息，形成動(dòng)態(tài)化過程性評(píng)價(jià)體系，從而精準(zhǔn)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，以便根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整實(shí)踐教學(xué)策略。

3 基于虛擬仿真技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新

針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐課程中存在的教學(xué)問題，可通過優(yōu)化課程標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)建分層體系與教學(xué)模式、完善評(píng)價(jià)體系及打造雙師隊(duì)伍等進(jìn)行教學(xué)體系重構(gòu)創(chuàng)新，以培養(yǎng)復(fù)合人才，提升人才培養(yǎng)精準(zhǔn)度。

3.1 優(yōu)化實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式

目前工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的實(shí)踐課程的標(biāo)準(zhǔn)，仍是以小組為單位進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)器人搬運(yùn)、繪圖等操作，既不能保證每位學(xué)生進(jìn)行操作，也難為以后工作奠定基礎(chǔ)，因此需要根據(jù)制造業(yè)需求進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化，融合虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐模式，構(gòu)建“虛擬仿真建模-實(shí)體設(shè)備操作-虛實(shí)聯(lián)動(dòng)創(chuàng)新”的能力目標(biāo)；同時(shí)通過項(xiàng)目式教學(xué)、強(qiáng)化教師師資培訓(xùn)與實(shí)踐室虛實(shí)孿生建設(shè)、優(yōu)化評(píng)價(jià)機(jī)制等，形成“虛實(shí)并行、互為驗(yàn)證”的教學(xué)邏輯，培養(yǎng)兼具機(jī)器人編程調(diào)試、數(shù)字孿生應(yīng)用等核心技能的“數(shù)字化+技能型”復(fù)合人才。

3.2 構(gòu)建“虛實(shí)聯(lián)動(dòng)-崗課對(duì)接”的分層實(shí)踐教學(xué)體系

針對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)存在設(shè)備昂貴、學(xué)生動(dòng)手實(shí)操機(jī)會(huì)少以及在教學(xué)中易忽視學(xué)生的系統(tǒng)集成能力培養(yǎng)等問題，教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該以企業(yè)崗位需求為導(dǎo)向，構(gòu)建“基礎(chǔ)認(rèn)知-虛擬仿真-真實(shí)操作-創(chuàng)新應(yīng)用”課程模式?；A(chǔ)認(rèn)知階段通過虛擬的VR技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生掌握機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)線布局，突破“無設(shè)備可看”的局限；虛擬仿真階段引導(dǎo)學(xué)生在仿真環(huán)境中完成程序調(diào)試與避免存在機(jī)械干涉等現(xiàn)象，消除學(xué)生動(dòng)手難，無設(shè)備操作的問題；真實(shí)操作階段引導(dǎo)學(xué)生將其編寫的程序和設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入到實(shí)體設(shè)備中驗(yàn)證效果，以此縮短實(shí)體設(shè)備調(diào)試時(shí)間和規(guī)避設(shè)備損耗風(fēng)險(xiǎn)，引導(dǎo)學(xué)生通過“虛擬預(yù)演+現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操”無縫銜接企業(yè)崗位，解決傳統(tǒng)實(shí)踐“看多于做”的低效問題；創(chuàng)新應(yīng)用階段教師可以通過虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)模擬現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線加工場(chǎng)景，以培養(yǎng)學(xué)生編程調(diào)試以及工藝優(yōu)化、產(chǎn)線規(guī)劃等復(fù)合能力，保障學(xué)生技能與企業(yè)需求精準(zhǔn)對(duì)接，引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)操作到復(fù)雜系統(tǒng)集成逐步進(jìn)階，提升崗位適配能力。

3.3 構(gòu)建“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)-場(chǎng)景沉浸”的教學(xué)模式

工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中仍以“教師演示-學(xué)生模仿”為主，限制了學(xué)生產(chǎn)線規(guī)劃與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該可通過構(gòu)建“虛擬項(xiàng)目導(dǎo)入-仿真環(huán)境實(shí)操- 實(shí)體產(chǎn)線驗(yàn)證”的進(jìn)階式教學(xué)流程。教學(xué)中教師可以根據(jù)企業(yè)產(chǎn)線需求，設(shè)計(jì)零件裝配線調(diào)試、零件焊接軌跡調(diào)試等項(xiàng)目化教學(xué)模塊，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位通過虛擬平臺(tái)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、設(shè)備型號(hào)選擇、程序編寫等任務(wù)，再通過小組互查、教師抽查等方式，進(jìn)行方案可行性和經(jīng)濟(jì)性的評(píng)判，以此提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、產(chǎn)線設(shè)計(jì)與規(guī)劃等能力；其次通過虛擬仿真技術(shù)與相關(guān)平臺(tái)可以構(gòu)建“雙師協(xié)同”教學(xué)場(chǎng)景，即企業(yè)工程師在真實(shí)車間通過AR設(shè)備實(shí)時(shí)演示操作要點(diǎn)，學(xué)生可以通過虛擬環(huán)境進(jìn)行練習(xí)，教師可以通過各組實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性問題指導(dǎo)或解答，以此培養(yǎng)學(xué)生的項(xiàng)目自主設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景的創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)由單一技能到復(fù)雜工程問題解決的階梯式提升。

3.4 構(gòu)建“過程性-雙元認(rèn)證”實(shí)踐評(píng)價(jià)體系

針對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)模式是以結(jié)果為導(dǎo)向、評(píng)價(jià)方式單一、脫離企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等問題，構(gòu)建“知識(shí)-技能-素養(yǎng)”三維評(píng)價(jià)體系。通過采用虛擬平臺(tái)進(jìn)行的程序編程效率、故障排除耗時(shí)、操作的規(guī)范性等情況，獲取學(xué)生薄弱環(huán)節(jié)，以便教師進(jìn)行針對(duì)性教學(xué)內(nèi)容調(diào)整。實(shí)踐課程考核設(shè)置“虛擬調(diào)試-實(shí)體操作”雙環(huán)節(jié)，學(xué)生通過虛擬環(huán)境進(jìn)行相關(guān)任務(wù)操作，完成后再將其移植到實(shí)體設(shè)備中運(yùn)行，通過兩者完成效率和質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)引入企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由校企雙導(dǎo)師聯(lián)合評(píng)審，考核合格者獲“學(xué)校證書+企業(yè)認(rèn)證”雙證，解決評(píng)價(jià)與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)問題，提升人才培養(yǎng)精準(zhǔn)度。

3.5 打造“虛實(shí)兼?zhèn)洹钡摹半p師型”師資隊(duì)伍?

針對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教師實(shí)踐知識(shí)滯后和經(jīng)驗(yàn)不足等問題，可搭建“虛擬仿真+企業(yè)實(shí)踐”能力提升平臺(tái)，教師可以通過虛擬仿真實(shí)踐室開發(fā)相應(yīng)的前沿技術(shù)的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)模塊，既能保證自己的知識(shí)更新，也能確保知識(shí)結(jié)構(gòu)與行業(yè)技術(shù)升級(jí)同步；同時(shí)教師可依托校企共建的虛擬仿真實(shí)踐基地，參與企業(yè)項(xiàng)目前期建設(shè)，幫助企業(yè)優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡、規(guī)避機(jī)械干涉等，以便幫助企業(yè)的項(xiàng)目實(shí)施落地。此外，學(xué)院可以推行“虛擬師徒制”，讓企業(yè)骨干與學(xué)院青年教師結(jié)成對(duì)子，在虛擬環(huán)境中共同完成產(chǎn)線升級(jí)、故障排查等模塊，累積虛擬實(shí)踐時(shí)長(zhǎng)可認(rèn)定為企業(yè)工作經(jīng)歷，有效彌補(bǔ)“學(xué)校到企業(yè)”的實(shí)踐斷層，進(jìn)而使教師指導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力進(jìn)一步提升。

4 結(jié)語

針對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在的操作空間有限、資源匱乏以及“三高三難”等問題，文章提出基于虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供多維度的實(shí)操教學(xué)環(huán)境，并經(jīng)過虛擬預(yù)演與實(shí)體操作驗(yàn)證的無縫銜接，既能降低設(shè)備損耗，又縮短實(shí)體設(shè)備調(diào)試周期，同時(shí)也能激發(fā)學(xué)生課程參與度。近年來，通過對(duì)該專業(yè)進(jìn)行分層培養(yǎng)，讓企業(yè)需求與學(xué)生技能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接，進(jìn)一步提升了崗位適配度；運(yùn)用項(xiàng)目實(shí)踐驅(qū)動(dòng)模式，增強(qiáng)了學(xué)生的系統(tǒng)集成和創(chuàng)新能力；建立的過程性評(píng)價(jià)體系和雙師隊(duì)伍，既能讓課程評(píng)價(jià)更貼合產(chǎn)業(yè)，也能增加教師的指導(dǎo)和實(shí)踐能力。實(shí)踐表明：該實(shí)踐教學(xué)模式不僅解決了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐中的“三高三難”問題，還顯著提高了學(xué)生實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量，取得一定成效。

基金項(xiàng)目：重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院課改項(xiàng)目（JG20240250）；2025 年電子信息行業(yè)職業(yè)教育科研課題（DZXXZX2025038）。

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