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0引言
Zbrush是一個數字雕刻和繪畫軟件,它以強大的功能和直觀的工作流程徹底改變了整個三維行業,廣泛應用于電影特效、游戲、廣告等行業中。其利用數字化泥土把三維設計中最復雜最耗費精力的角色建模和貼圖工作,變成了像玩泥巴那樣簡單有趣。它解放了藝術家的雙手和思維,告別過去那種依靠鼠標和參數笨拙創作的模式,完全尊重設計師的創作靈感和傳統工作習慣。在技術表現上,其獨特的Z球建模方式可以快速、準確地表現出創作對象的基本形態,通過筆刷雕刻出精細的模型,然后生成紋理貼圖、法線貼圖和置換貼圖,并將其應用到其它的三維軟件中,達到優化動畫渲染和游戲渲染的效果。湖南科技學院數字媒體技術專業是開設該課程為數不多的高校之一。本文針對筆者在本校該專業的教學過程中所遇到的問題,對Zbrush數字雕刻課程的教學進行了探討。
1提高學生的英語水平
大多數學生習慣于用漢化版的軟件,特別是英語基礎不是很好的同學,對英文版軟件很不適應。而Zbrush是Pixologic公司生產的一個2.5D軟件,界面是純英文的,目前沒有漢化版,并且不能鼠標取詞翻譯,因為在該軟件里,鼠標放在界面上,是用來顯示當前選項的作用、功能的。所以對于大多數英文水平較弱的同學而言,學習起來相當困難。這就要求學生平時注意英語的學習,增加英文詞匯量。與此同時,教師帶領學生對軟件的英文進行翻譯工作,翻譯的過程本身就是一個熟悉軟件的過程。通過軟件的翻譯工作,學生掌握了軟件,不再為不認識英文而犯愁,對提高學生的學習興趣起到了很大的幫助。市場上很多關于Zbrush的教程、資料都是英文的,學生英語水平的提高,為其閱讀提供了極大的方便。
2提高學生的美術修養與造型能力
Zbrush并不具備動畫功能,所以在影視作品中看到Zbrush的作品通常是要和其它軟件結合使用的,這就需要學生掌握最基本的角色動畫布線原則和制作流程。另外,雖然Zbrush的操作非常方便和隨意,但是不具備相應的美術知識,不了解作品的結構,很難創建出優秀作品,而學習該課程的學生為工科學生,大部分學生的美術修養與造型能力較差,這也是很多學生難以制作出好作品的根本原因。美術修養的提升并不是短時間可以達到的,所以要求學生上好色彩課、素描課,同時在課余時間要求學生多學習美術知識,提高美術修養。
3改善教學環境
Zbrush數字雕刻這門課不適合在普通的多媒體教室里教學,因為Zbrush這款軟件界面復雜、命令多、字體小,況且演示時又是快速變換的動態畫面,受投影分辨率和空間距離的影響,距離屏幕較遠的學生很難看清屏幕上的文字,非常不適合使用大屏幕投影。筆者認為,在實際的教學中應使用網絡廣播硬件或者電子教室軟件組建局域網屏幕廣播系統。這類系統不但可以把教師機屏幕原貌清楚地傳送到學生機的屏幕上,還可以實現很多教學交互和控制功能,譬如教師在演示的時候可以將學生機鎖死,不讓其操作,專心聽講,大大提高了教學質量。因為很多學生在教師演示的同時,會跟著操作,這樣不但可能遺漏關鍵知識點,而且操作也不到位,大大降低了教學質量。
4軟件工具學習、研究并重
很多學生熱衷軟件的學習和新技術的追捧,從而成為工具的奴隸,而對模型基本原理、基本規律和模型創作流程等方面沒有得到足夠的重視,因而,學生最終不能創作出有創意、有思想內涵的作品來。在具體的教學中,應該糾正這種重軟件工具本身的學習、輕規律研究的錯誤學習方法。筆者在具體的教學過程中,發現很多同學制作作品的時候很浮躁,總是希望用最短的時間將其制作出來,而一個優秀的作品是必須經過技術、美術修養和耐力層面上的制作才能得到的。
5采取合理的教學方法
Zbrush數字雕刻課程的教學環節分為理論與實踐兩個部分。理論部分是為了讓學生熟練掌握Zbrush軟件及相關理論知識,而實踐部分是將理論知識應用到實踐中,并制作出相關作品。教師要在非常有限的課時內授完大量的內容,這就要求教師在內容的選擇上必須集中精力教會學生必要的命令、參數和使用方法,避免學生在剛開始學習軟件的階段就陷入大量的命令和參數中,使其學習樂趣蕩然無存。通過抓重點、去繁就簡,使得學生樂于學習、易于接受,體驗學習收獲的喜悅,因此筆者在具體的理論教學中選擇的是案例教學法。
案例教學法是一種以案例為基礎的教學法,教師先制作并演示一個小的實例,然后學生上機實踐,完成老師教的例子,教師在教學中扮演著設計者和激勵者的角色,鼓勵學生積極參與討論。通過實例的制作,可以促使學生對各部分知識的深入理解和對技術的綜合應用。在案例教學的實施過程中,筆者認為必須注重案例講授的前鋪后續。首先,教師應先讓學生明確最終的效果,然后與學生一起分析制作的思路,會用到的知識點,這樣才能使學生在聽課時思路清晰,而不是一上手就開始操作演示,不明白各步驟的意義;其次,案例講解結束后,教師應及時總結知識點,并在此基礎上引領學生拓展知識點的應用,從而避免學生在真正創作時,感到無從下手。筆者在選擇案例時,采用制作人體的案例為主線,選擇其它小案例為輔線。
之所以選擇人體案例為主線,一方面,該案例涉及到ZBrush所有主要的知識點,另一方面,學生對制作身邊熟悉的模型有濃厚的學習興趣。之所以還要選擇其它小案例為輔線,是因為當講到某個知識點的時候,人體案例并不能完全講透,仍需其它小案例配合,使知識點更加清晰。Zbrush數字雕刻涉及到的內容主要有獨特的建模方法、材質貼圖、燈光、渲染以及與其它三維軟件的結合。筆者針對該門課程的特點,以及教學過程中遇到的問題,總結出以下教學流程:①演示人體的最終模型使學生熟悉軟件的界面,同時帶學生進入一個神奇的數字雕刻世界;②利用ZBrush獨特的Z球建模方法建立人體的大致輪廓,使學生掌握ZBrush主要建模方法;③通過細致雕刻人體細節,使學生掌握筆刷雕刻,網格重新拓撲等相關知識點;④制作人體外表及衣服,使學生掌握材質貼圖與燈光的使用;⑤通過ZBrush雕刻出細致的模型并生成UV貼圖,將其應用到其他三維軟件中,利用低模通過貼圖得到精致的模型。總之,通過人體制作為主線的案例教學,不僅使學生掌握了Zbrush主要的知識點,還使學生對Zbrush的制作流程有了明確的認識,為制作不同的作品打下了堅實的基礎。
實踐教學主要采取項目教學法。基于項目的學習是一種全新的教學模式,它蘊含著建構主義學習理論、實用主義教育理論和發現學習等理論,強調以學生為中心,協作學習,自主探究,與真實世界和生活實踐相聯系,通過解決一個實際問題或完成一個完整的項目,從而達到學習目標。學校每年要做招生宣傳片,筆者以此為契機,帶領學生將理論知識應用到實踐中,發現問題,解決問題,從而使學生的能力得到提升。筆者與學生探討動畫制作方案,將動畫制作分為3個模塊:優秀教師角色制作模塊、系部建筑制作模塊、動畫合成制作模塊。全班分為3個項目小組,每個小組負責一塊。項目在學期末截止,每組在課程結束前一周提交作品和項目文件,最后一周進行項目的匯報和展示。
關鍵詞:邏輯,設疑教學法,對比教學法
前 言
數字邏輯是計算機科學與技術(類)大學本科學生重要專業基礎必修課,是計算機的基本理論之一,也是學生學習和掌握計算機電子線路的基礎課程。數字邏輯是計算機硬件技術體系中具有承上啟下的作用,本課程為后續學習計算機原理、微機原理、接口通訊等課程,進行數字計算機和其它數字系統的硬件分析與設計奠定基礎。
我校計算機科學與技術專業(本科)選用的教材是毛法堯編著的《數字邏輯》(第二版)。在教學實踐中,我們一直探討著如何激發學生們的學習興趣和培養學生的學習主動性與積極性、改進教學方法、提高教學質量,讓學生喜歡學習這門功課。我們學習和借鑒了兄弟院校的教學經驗,結合我們的教學實踐,對數字邏輯課程教學方法的改進進行了一些嘗試和探索。
一、注重培養學生的學習愿望和學習需求
學習需求是學生學習的根本動力。注重培養學生的學習愿望和需求,生動地向學生介紹數字邏輯課程的性質與設置目的。讓學生認識到數字邏輯是本專業重要的專業基礎課,是多門后續課程的基礎,既有理論知識又有實踐技術,是一門有廣泛應用的基礎課。舉一些數字邏輯在計算機運算器、裁判表決器、計數器中的實際應用,加深學生對學習數字邏輯必要性的認識,激發學生的學習需要和學習興趣,培養學生的好奇心和求知欲,使學生認識到數字邏輯對未來的學習和工作大有益處,引導學生喜歡學習數字邏輯這門功課。
講明數字邏輯課程的特點和學習方法。數字邏輯所研究的主要是輸出與輸入間的邏輯關系,定量計算較少,而邏輯運算,邏輯判斷和邏輯推理較多。為了更好地研究這些邏輯關系,采用布爾代數,真值表,卡諾圖,狀態圖。讓學生了解數字邏輯課程的特點。學好數字邏輯課程的方法是:注意基本概念的理解,在理解的基礎上掌握其知識內涵。。注意邏輯運算、邏輯判斷和邏輯推理;多做課后習題以衡量與檢查對教材內容的理解和掌握情況;多實驗、多驗證,使感性認識和理性認識的相統一,加深對理論知識的理解;學完每一章后自我進行總結,歸納基本概念、基本定理、原理以及基本方法;學完教材中的所有內容后,自我總結出教材各章節間的內在聯系等。
通過教師的介紹和引導,使學生對數字邏輯課程有一個較完整的了解,培養學生的學習需要,樹立學習自信心,激發學習興趣、求知欲、學習積極性和自主性。好的開端等于成功的一半。
二、激發學生的學習興趣和學習積極性、提高課堂教學質量
激發學生們的學習興趣和培養學生的學習主動性與積極性、改進教學方法、提高教學質量、讓學生喜歡學習數字邏輯課程是課堂教學的著力點。。
教師在每一節課堂上精心營造出學生極有興趣聽講的場景是提高課堂教學效率的最佳追求。教師精心組織信息量大、有吸引力的課堂教學,將信息化技術引入到教學中,用優美的課件圖示能給學生較強的視覺上的感受;輔以板書的細致講解,層層推演,引導學生步步深入。對于教學的重點與難點內容要講深講透,注重對學生的數字邏輯思維方法訓練。教師以自己獨特的教學風格感染學生,使學生在聽課時享受到數字邏輯理論的嚴密性、邏輯性和趣味性。視覺感受和理性思維有機地結合使學生感到上一節課是一次精神上的享受,產生有所收獲的滿足感。大大增加教學信息量,提高學習效率。
改變傳統的“填鴨式”教學,實施啟發式教學。采用設疑教學法,教師創設問題情境:即提出具有一定難度,需要學生克服,而又是學生力所能及的情境。課堂上多采用設問方式,調動起學生積極思考、主動參與教學的熱情。教師有意識地設疑,使學生因“疑”生奇、生趣,跟著教師的問題積極地思考解決方法,爭相回答問題,甚至產生一些具有創新性的想法和意見。增強學生的學習興趣,激發學生的求知欲,啟發學生的思維,開發學生的潛能,活躍了課堂氣氛,提高了課堂教學效率。教師對學生的熱愛、尊重、理解和信任,把學生們的自尊、自強、自我實現和積極參與的潛意識激發出來,參與到教學活動中來。創設一些疑問,引導學生主動思考,加強了教師與學生的互動,課堂氣氛生動活潑,提高了學生的學習積極性。
對比教學法:有些教學內容可以采用對比教學法,增強學生對知識的感受強度。數字邏輯課程中很多知識都可以采用對比教學法,例如邏輯代數的基本定律基本上都是成對地出現、反演規則和對偶規則、邏輯函數最小項表達式和最大項表達式、異或門和同或門、組合電路與時序電路、JK觸發器和T觸發器、編碼器和譯碼器等,采用對比教學效果很好。學生反映是:很有趣,印象深刻,容易記牢。
合作情境及研討會方式。在講授了組合邏輯電路后,我們試驗性地出了兩個實用的控制電路設計題目,學生分成6個設計小組,各自拿出設計方案。。各小組的學生們共同努力,積極承擔設計任務,共享成功喜悅。教師選出兩個設計方案在課堂上讓學生們共同研討,鼓勵每個學生大膽提出自己的不同見解,肯定設計方案的優點,分析方案中的不足之處,共同完善設計方案。最后,教師對方案進行點評總結。學生發言的積極性很高,增強了集體觀念和合作精神,取得了較好學習的效果。
三、注重實踐環節,精心設計實驗課。
數字邏輯是一門實踐性很強的課程,常言道:“紙上學來終覺淺”。我們加強實驗課教學,精心設計了多項實驗項目。學生在邏輯實驗箱上做各種驗證性和設計性的實驗,對書本知識得到進一步理解、掌握和鞏固;同時能極大地激發學生的學習熱情,使學生得到實驗技能訓練,豐富和擴展了學生的動手實踐能力。通過實踐性教學,培養學生理論聯系實際的能力、分析和解決問題的能力,培養學生嚴謹的科學作風和大膽探索的創新精神。通過實驗小組的齊心協力、共同完成實踐課題設計,培養了學生的團隊精神和集體觀念。借助計算機輔助設計軟件來進行數字系統設計和功能仿真,使學生掌握新的數字系統實驗方法,大大提高了實驗效率。
四、結 語
通過我們對數字邏輯教學方法改進做了一些嘗試和探索,體會到首先要選優秀教材或編寫適合本校學生的教材、講義和實驗指導書,使教材能適應時代的進步和發展。提高課堂教學質量關鍵在于任課教師的教學理念和教學方式。如何將學生的學習興趣和主動性、創新精神激發出來是教師備課和講課著力點。教師在每一節課堂上精心營造的活潑生動的場景是課堂教學效率的最佳追求。教學是一個師生共同參與、雙向交流的過程,教師快樂地教書育人,學生很有興趣快樂地學習。教師不僅要把知識教給學生,注重對學生數字邏輯思維方法訓練和實踐能力訓練,而且要培養學生的終身學習和創新能力。教師不斷地進行教學方法改進,提高課堂教學質量,使學生學好數字邏輯這門專業基礎課。
參考文獻
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關鍵詞:數字邏輯;課堂教學;實驗教學
作者簡介:徐銀霞(1979-),女,湖北武漢人,武漢工程大學計算機科學與工程學院,講師。(湖北 武漢 430073)
中圖分類號:G642.421 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2013)28-0104-02
“數字邏輯”是計算機專業一門重要的硬件基礎課程,其主要目的是使學生掌握數字系統分析與設計的理論知識,熟悉各種不同規模的邏輯器件,掌握各類邏輯電路分析與設計的基本方法,為數字計算機或其它硬件電路分析與設計奠定基礎。[1]“數字邏輯”課程教學一般采用課堂教學與實驗教學相結合的方式,使得學生掌握數字電路分析與設計的一些理論知識,同時培養學生電路設計、制作與調試以及分析問題、解決問題的能力。學生的學習效果一直是教學當中的重中之重,因此如何有效利用有限的理論與實驗教學時間培養學生的綜合素質是一個值得探討的問題。筆者結合多年的教學實踐經驗,分別對課堂教學和實驗教學環節就“數字邏輯”課程的教學方法做一次探討。
一、“數字邏輯”課程的課堂教學
課堂教學效果直接決定學生理論知識掌握的程度,也影響隨后的實驗及實踐能否順利進行。在課堂教學中采用任務式教學、課堂討論、電路仿真演示以及硬件描述語言電路設計等方式進行教學,取得了滿意的效果。
1.任務式教學
明確任務,使學生掌握方法,做到舉一反三。教學過程中將 “數字邏輯”課程的知識點歸納整理成若干個任務。比如數字電路按邏輯功能分成組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類,主要的問題是電路分析與設計兩個方面。按電路規模要求重點掌握的是小規模和中規模電路,所以任務主要有小規模組合電路的分析、小規模組合電路的設計、中規模組合集成芯片、中規模組合電路分析、中規模組合電路設計;小規模時序電路分析、小規模時序電路設計、中規模時序集成芯片、中規模時序電路分析、中規模時序電路設計等等。對于每一個問題明確任務,分析解決辦法,歸納一般的解答步驟及注意事項,舉例證明方法的可行性。比如對于中規模組合芯片的學習,僅以數據選擇器為例,引導學生上網查閱芯片資料,閱讀資料找出芯片的功能表、輸出表達式,邏輯圖和引腳圖以及典型應用。這樣,學生不僅掌握了該芯片的全部知識要點,還可以掌握中規模組合集成芯片這類芯片的學習方法。此后,對于所有此類芯片學生都能夠通過自行查找芯片資料來掌握,節約了課堂時間,學生也獲得了自主學習的成就感。
2.增加課堂討論
精講多練,給予學生充分的討論時間。為提高學習效果,在提出任務、介紹原理及方法后,布置課堂練習。學生可以一邊練習一邊自由討論,已理解的同學在討論中充當老師,可以加深印象,鞏固知識;而沒有理解的同學可以在討論中積極主動地學習,同時也激發了學生后續學習的積極性,比教師反復講解的效果好。這種方式可以避免“滿堂灌”式的教學方式,活躍課堂氣氛,創造學習氛圍,提高學習興趣,實踐證明取得了良好的效果。
3.電路仿真演示
在數字電路分析與設計的理論教學過程中,很多學生會覺得枯燥且難以理解。借助Multisim11.0仿真軟件進行數字電路的模擬和課堂演示,可以直觀地顯示電路的功能和時序電路的時序波形。比如在講解中用16進制計數器74161實現12進制計數器時,其中復位法可通過置0或者異步清零兩種方法使得計數器從11回0,但置0法必須在計數到1011時使得置數端為0,異步清零必須在計數器為1100時使得清零端為0才能保證計數器為12進制。如果僅用理論講解學生比較難理解,但通過仿真演示后學生能夠恍然大悟。因此仿真軟件的使用可以使“數字邏輯”理論課的教學更加生動活潑,而且學生在遇到疑問時也可以通過仿真軟件進行驗證。學生通過直觀的仿真結果,對電路的工作過程進行透徹的分析,提高了學習的興趣和效率,促進自學能力和創新能力的提高。
4.引入硬件描述語言
硬件描述語言用軟件編程的方式來描述電子系統的邏輯功能、電路結構和連接形式,適合大規模系統的設計。在教學的過程中將硬件描述語言Verilog HDL引入課堂,比如在講解邏輯門、數據選擇器、觸發器、計數器等基本單元電路的原理之后,給出模塊對應的硬件描述語言,演示仿真波形和綜合結果。學生從仿真波形中觀察信號的邏輯變化,對數字邏輯電路的掌握更加透徹,同時也豐富了教學內容。Verilog HDL語言是一種非常實用的硬件描述語言,易學易用,學生只要有C語言編程基礎,便容易掌握。編程也可以實現電路設計,同學們感到非常新奇,將被動學習變為主動學習,提高學習興趣,取得了很好的教學效果。
二、“數字邏輯”的實驗教學
“數字邏輯”是一門實踐性很強的課程。[2]通過數字電路設計實驗,學生可以基本掌握數字電路的設計、制作與調試步驟,學會借助萬用表、示波器等實驗儀器排除實驗當中遇到的各種故障,從而獨立分析設計各種規模的數字電路。實踐教學中將傳統實驗、仿真實驗與硬件描述語言設計三種類型實驗相結合,三者互為補充,提高實驗效果,充分培養學生的綜合實踐能力。
1.傳統實驗
傳統實驗項目一般利用面包板及用中小規模芯片完成電路設計。其接線模式可以使學生直觀了解數字電路是如何工作的,從而掌握電路測試、調試以及維修技能。但是部分學生視這一過程為簡單的連線工作,往往只注重結果,不重視過程,造成實驗課就是反復的接線和碰運氣,學生不能駕馭整個實驗過程,產生畏難和退縮心里。在實驗課前要求學生書寫預習報告,自主設計實驗方案,進行原理圖設計、芯片選型,上網查閱芯片資料,掌握閱讀芯片資料的方法,進行實驗方法設計,可以避免機械化操作,學會排除故障,增強操作信心。
在實驗過程中,學生不可避免地會遇到種種問題,導致實驗結果出錯:可能是電路設計或連線過程中出現了問題,也有可能是實驗設備或實驗器材出現了故障。教師應該指導學生借助實驗儀器找到故障點,發現問題之所在,并想出解決辦法。在未來的實際工作中,學生將會遇到各種各樣的問題,而實驗課正是鍛煉如何解決這些問題的好機會。因此實驗中應該向學生講明排除故障的必要性,并引導其對獨立解決各種疑難問題的興趣,增強其信心,令其克服畏難情緒。一旦學生掌握了排除故障的方法,獨立解決了問題,他們就會很有成就感,甚至就此對排除故障產生了濃厚的興趣。[3]實踐表明學生能自主完成所有設計,自主分析討論實驗過程中碰到的問題,逐個排查故障點,最終完成電路調試。
2.仿真實驗
傳統實驗適于以驗證性實驗為主的一些中小規模電路的構建與測試。對于一些比較復雜的設計性和綜合性實驗則比較費時,如數字鐘、搶答器、拔河游戲機、彩燈控制器等。而且在實驗過程中常常因一根導線連接錯誤、一個連接點接觸不良,就致使實驗受阻甚至無法完成,給學生以挫折感,影響學生的實驗興趣,不利于動手能力的培養。
Multisim11.0是一個集原理電路設計和電路功能測試為一體的虛擬仿真軟件,其元器件庫提供了數千種電路元器件供實驗選用,其中包含了數字器件。虛擬測試儀器儀表種類齊全,如數字萬用表、函數信號發生器、示波器、直流電源、數字信號發生器、邏輯分析儀等,可以設計、測試和演示各種電子電路。[4]采用Multisim11.0軟件進行仿真實驗,使學生能充分發揮想象力,按照自己的想法創建各種電路,從而擺脫實驗箱的束縛。實踐證明將Multisim11.0應用于實驗教學,能夠使學生提高學習的興趣,增加學習樂趣,充分發揮學生獨立思考和創新的能力,提高學生的綜合實踐能力。
3.硬件描述語言開發數字電路
當數字邏輯電路及系統的規模比較小而且簡單時,用電路原理圖輸入法基本足夠了,但是需要手工布線,需要熟悉器件的內部結構和外部引線特點,才能達到設計要求。當電路規模大時工作量會相當大,實驗時間往往不能保證。隨著可編程邏輯器件的廣泛應用,硬件描述語言已成為數字系統設計的主要描述方式,采用硬件描述語言進行數字電路的設計,可以實現從傳統的驗證性實驗到分析設計性實驗課的轉變。利用Verilog HDL硬件描述語言進行數字鐘、搶答器、交通燈控制電路等的設計,要求學生利用課堂知識進行編程、仿真、綜合和下載到可編程邏輯器件中運行以觀察結果。學生還可以按照自己的想法自行設計其它數字電路進行仿真、下載調試,提高學生學習興趣和綜合實踐能力。
此外還通過舉辦電子設計競賽、綜合設計等方式激發學生的學習興趣,提高學生自主學習、獨立分析問題和解決問題的能力,也提高了學生綜合應用的能力,收到了良好的教學效果。
三、結論
數字電子技術的應用已經滲透到人類的各個方面,從計算機到手機,從數字電話到數字電視,從家用電器到軍用設備,從工業自動化到航天技術,都采用了數字電子技術。[5]因此“數字邏輯”課程對于計算機及相關專業來說是一門很重要的課程。筆者結合多年的教學實踐經驗,對“數字邏輯”課程的教學方法進行深入探討,在課堂教學中采用任務式教學,增加課堂討論,借助仿真軟件進行電路演示,利用硬件描述語言進行復雜數字系統設計;在實驗教學中將傳統實驗、仿真實驗和硬件描述語言實驗有機結合、互為補充,激發學生的學習興趣,培養學生的綜合能力,取得了很好的教學效果。
參考文獻:
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