王春江 趙金城 滕念管 龔景海

摘要：土木工程應(yīng)用軟件課程是土木工程專業(yè)本科教育階段非常重要的一個(gè)綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，與高校本科生的最終培養(yǎng)質(zhì)量息息相關(guān)。土木工程專業(yè)教育認(rèn)證中對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)工具的使用、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力和專業(yè)方面的國(guó)際視野有明確要求。結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，文章首先對(duì)目前普通高等院校土木工程應(yīng)用軟件教學(xué)中所面臨的主要問(wèn)題進(jìn)行了剖析，然后結(jié)合典型工程問(wèn)題的處理方法對(duì)面向工程問(wèn)題的探索性教學(xué)改革進(jìn)行了論述，最后提出教學(xué)改革措施與建議。

關(guān)鍵詞：土木工程應(yīng)用軟件；工程問(wèn)題；教學(xué)改革；教學(xué)質(zhì)量；工程教育認(rèn)證

中圖分類號(hào)：G6420文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2018）03008606為適應(yīng)國(guó)內(nèi)外高等教育的快速發(fā)展，教育部制定了高等教育工作的基本指導(dǎo)性文件《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄（2012年）》，對(duì)高等院校各專業(yè)進(jìn)行了大規(guī)模的調(diào)整。工程教育也面臨新的挑戰(zhàn)， 教學(xué)目標(biāo)更具體， 要求也更高。土木工程專業(yè)由重視專業(yè)發(fā)展的“小土木” 轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)基礎(chǔ)能力和適應(yīng)性的“大土木”，注重“強(qiáng)基礎(chǔ)、寬口徑、多方向”的專業(yè)教育。在目前土木工程專業(yè)本科階段的課程體系設(shè)計(jì)中，成體系、綜合性建設(shè)已是重要指標(biāo)[1-2]。在大學(xué)階段，學(xué)生學(xué)到多少知識(shí)應(yīng)成為次要的考量，更重要的是綜合能力、綜合素質(zhì)的養(yǎng)成。文章通過(guò)土木工程應(yīng)用軟件課程教學(xué)改革，對(duì)培養(yǎng)本科生具備“卓越工程師”的綜合素質(zhì)，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，自我學(xué)習(xí)、協(xié)同組織的更新能力等[3]進(jìn)行了初步探索。

歐洲工程教育在歐洲一體化框架下提出了一系列的改革創(chuàng)新[4-6]，主要分為三部分：H3E改革（Higher Engineering Education for Europe）、E4改革（Enhancing Engineering Education in Europe）、TREE改革（Teaching and Research in Engineering in Europe）。以《華盛頓協(xié)議》為背景的土木工程專業(yè)教育認(rèn)證對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)工具的使用、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力和專業(yè)的國(guó)際視野等方面都有明確的要求[7-8]。2017年5月上海交通大學(xué)土木工程專業(yè)順利通過(guò)了住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部高等教育土木工程專業(yè)評(píng)估委員會(huì)組織的土木工程專業(yè)評(píng)估（認(rèn)證），向國(guó)際工程教育認(rèn)證體系邁出了重要一步。

一、土木工程應(yīng)用軟件課程現(xiàn)狀分析

2007年，在上海交通大學(xué)土木工程專業(yè)的課程體系設(shè)計(jì)中，增加了土木工程應(yīng)用軟件這門課程，課程設(shè)置的最初構(gòu)想是希望學(xué)生學(xué)習(xí)1～2門專業(yè)軟件的操作和應(yīng)用，達(dá)到能滿足建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位等用人單位對(duì)畢業(yè)生專業(yè)技能方面的要求。但是，經(jīng)過(guò)多年教學(xué)實(shí)踐后，由于教學(xué)模式和課程大綱比較單一，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣逐漸減少，教學(xué)效果也不理想，主要問(wèn)題如下：

（1）相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，學(xué)校土木專業(yè)本科畢業(yè)生普遍存在重理論輕實(shí)踐的問(wèn)題。從工作中反映出來(lái)的問(wèn)題是部分學(xué)生學(xué)得比較死板，缺少對(duì)各門基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的整體認(rèn)識(shí)，解決實(shí)際問(wèn)題的能力較弱。通過(guò)課程改革可使學(xué)生了解自己所學(xué)知識(shí)的結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)軟件應(yīng)用真正明白所學(xué)知識(shí)與解決工程問(wèn)題能力的區(qū)別與聯(lián)系。

（2）學(xué)生所學(xué)土木工程軟件知識(shí)與實(shí)際工程應(yīng)用存在脫節(jié)，學(xué)到的軟件技能在設(shè)計(jì)院或施工單位不能直接應(yīng)用，課堂上的講解與實(shí)際工程中解決問(wèn)題的方法或思路迥異。學(xué)生對(duì)軟件應(yīng)用存在“黑匣子”依賴癥，對(duì)軟件計(jì)算盲目依賴，認(rèn)為軟件運(yùn)算出來(lái)的就是“正確的”和“理所應(yīng)當(dāng)?shù)摹?。通過(guò)課程改革使學(xué)生把軟件當(dāng)作專業(yè)工具來(lái)使用，而不是簡(jiǎn)單的操作對(duì)象，既要能算，也知道算得正確與否。

（3）學(xué)生過(guò)于專注于軟件本身的操作，忽視了對(duì)問(wèn)題本質(zhì)的把握。土木工程中的專業(yè)問(wèn)題錯(cuò)綜復(fù)雜，如何選擇適合的軟件，建立合理的模型，并進(jìn)行正確的運(yùn)算甚至功能開發(fā)與延伸，一直是困擾土木工程應(yīng)用軟件教學(xué)的主要問(wèn)題，也是影響學(xué)生能力提升的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的土木工程應(yīng)用軟件教學(xué)，一般以軟件的使用操作為目的，而不是以解決工程問(wèn)題為核心，因此，教學(xué)效果往往較差。課程中結(jié)合具體工程案例的講解，使學(xué)生既提高了學(xué)習(xí)的興趣，又增強(qiáng)了對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的直觀理解。

（4）傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)大綱也不適應(yīng)目前國(guó)家對(duì)卓越工程師培養(yǎng)所提的要求，學(xué)校的培養(yǎng)與實(shí)際工程需求有一定差距。教改項(xiàng)目從培養(yǎng)卓越工程師和高素質(zhì)復(fù)合型人才的角度重新審視和改革課程，提高學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域?qū)W習(xí)中的主動(dòng)性和創(chuàng)新性。通過(guò)教學(xué)模式的靈活多樣化，以及教學(xué)理念的工程化，使學(xué)生初步具備工程師的基本素質(zhì)和綜合能力。

二、土木工程應(yīng)用軟件課程教學(xué)改革的總體思路

隨著時(shí)代的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)土木工程應(yīng)用軟件的教學(xué)方式和方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代土木工程大型化、復(fù)雜化的趨勢(shì)，也不能滿足國(guó)際上高等工程教育的發(fā)展要求。土木工程應(yīng)用軟件作為課程體系中的一個(gè)環(huán)節(jié)，到了必須改革的時(shí)刻?，F(xiàn)在社會(huì)上更需要復(fù)合型、應(yīng)用型、管理型和具有前瞻性判斷力的工程師。軟件學(xué)科的爆炸性發(fā)展，也使土木工程應(yīng)用軟件傳統(tǒng)教學(xué)方式受到挑戰(zhàn)，課程間相互割裂和亦步亦趨的教學(xué)方法，已經(jīng)完全不適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求。

筆者針對(duì)課程進(jìn)行了為期2年的教學(xué)改革，通過(guò)引入國(guó)際工程教育評(píng)價(jià)體系，課程大綱設(shè)計(jì)、課程模式改革、教學(xué)方法探討等環(huán)節(jié)逐步與國(guó)際接軌，建立以綜合能力為主要培養(yǎng)目標(biāo)的土木工程應(yīng)用軟件課程框架，面向工程問(wèn)題進(jìn)行土木工程應(yīng)用軟件的課程教學(xué)改革。把土木工程應(yīng)用軟件構(gòu)建成從專業(yè)基礎(chǔ)理論到實(shí)際工程應(yīng)用的重要橋梁。把互聯(lián)互通作為課程改革的靈魂和主導(dǎo)思想，通過(guò)互聯(lián)互通式的教學(xué)過(guò)程，使學(xué)生真正在工程實(shí)踐中接受檢驗(yàn)。例如，在結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的本質(zhì)區(qū)別、強(qiáng)度分析與穩(wěn)定性分析的不同構(gòu)件穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的區(qū)別與聯(lián)系、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與結(jié)構(gòu)單元自由度的關(guān)系等方面，通過(guò)軟件操作和具有一定工程背景的項(xiàng)目分析和設(shè)計(jì)，使學(xué)生加深理解，并能掌握結(jié)構(gòu)工程師所需的基本軟件應(yīng)用技能。

從理論層面，以互聯(lián)互通為主導(dǎo)思想，以能力建設(shè)為主要目標(biāo)，旨在提高土木工程應(yīng)用軟件教學(xué)改革的理論價(jià)值；從實(shí)踐層面，以提高學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力為導(dǎo)向來(lái)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容和形式。主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）多學(xué)科交叉式的教與學(xué)是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力的重要渠道。例如，軟件工程和結(jié)構(gòu)分析的基本概念貫通課程，使學(xué)生對(duì)軟件的功能和工具作用有更深層次的了解。

（2）問(wèn)題導(dǎo)向式的教學(xué)模式適用于工程類課程教學(xué)。通過(guò)軟件操作，結(jié)合典型工程問(wèn)題，讓學(xué)生活學(xué)活用，將所學(xué)知識(shí)延展到實(shí)際工程中。

（3）專業(yè)基本理論與工程應(yīng)用實(shí)踐的結(jié)合是學(xué)習(xí)的最好驅(qū)動(dòng)力。例如，通過(guò)矩陣位移法與有限元方法的比較，讓學(xué)生理解結(jié)構(gòu)分析與數(shù)值分析的區(qū)別與聯(lián)系。

（4）從軟件原理和計(jì)算模型等更高層次上看土木工程軟件應(yīng)用，可以培養(yǎng)學(xué)生“舉一反三”的綜合能力。例如，課程對(duì)常用土木工程應(yīng)用軟件展開介紹和功能分析，讓學(xué)生了解類似軟件的使用技巧和操作方法。

（5）以互聯(lián)互通為主線的教學(xué)模式改革使學(xué)習(xí)過(guò)程由被動(dòng)接受向主動(dòng)挑戰(zhàn)推進(jìn)。課堂上經(jīng)常穿插一些具有實(shí)際工程背景的小問(wèn)題，例如，約束類型對(duì)變形和穩(wěn)定等相關(guān)問(wèn)題的影響因素、自平衡體系中約束反力的處理方法等，使學(xué)生積極思考。

上海交通大學(xué)土木專業(yè)課程體系由通識(shí)教育課程、專業(yè)教育課程、專業(yè)實(shí)踐課程和個(gè)性化教育課程四部分構(gòu)成，土木工程應(yīng)用軟件是專業(yè)實(shí)踐課程中的重要一門。通過(guò)課程改革，探索從課程建設(shè)到學(xué)科建設(shè)的具體方案，為提高土木工程教育質(zhì)量做出貢獻(xiàn)。從技術(shù)層面，通過(guò)對(duì)多個(gè)軟件的操作練習(xí)，獨(dú)立完成具有一定工程背景的課程大作業(yè)，大幅提高畢業(yè)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和工作技能；從綜合能力和素質(zhì)方面，為繼續(xù)深造的學(xué)生養(yǎng)成良好的科研素質(zhì)做好前期準(zhǔn)備，為培養(yǎng)能解決實(shí)際問(wèn)題的復(fù)合型科技人才打下基礎(chǔ)；從課程體系建設(shè)方面，通過(guò)課程改革，推進(jìn)上海交通大學(xué)土木專業(yè)課程體系向國(guó)際工程教育認(rèn)證方向發(fā)展。

三、課程教學(xué)改革目標(biāo)和主要內(nèi)容

（一）教學(xué)改革的目標(biāo)

通過(guò)教學(xué)改革，土木工程應(yīng)用軟件課程形成了以典型工程案例為導(dǎo)向，以典型工程問(wèn)題為核心的教學(xué)模式。通過(guò)項(xiàng)目組成員的協(xié)同努力，運(yùn)用土木工程應(yīng)用軟件，把學(xué)生零散的知識(shí)體系推向互聯(lián)互通的境界。通過(guò)面向工程問(wèn)題的教學(xué)改革，提高學(xué)生的科研能力和綜合素質(zhì)。從基本技能、團(tuán)結(jié)協(xié)作、解決問(wèn)題和思維方式等方面，提升上海交通大學(xué)土木專業(yè)學(xué)生“卓越工程師”方面的綜合素質(zhì)。

（二）教學(xué)改革的內(nèi)容

教學(xué)改革以面向工程問(wèn)題為首要任務(wù)。教改的主要內(nèi)容有如下幾點(diǎn)：

（1）重新調(diào)整教學(xué)目的，重新編排教學(xué)內(nèi)容，梳理教學(xué)大綱，修改后的教學(xué)大綱如圖1所示。

（2）重新設(shè)計(jì)和優(yōu)選教學(xué)項(xiàng)目，完善講義和典型工程案例。課程選擇的工程案例，基本涵蓋了剛度分析與強(qiáng)度分析、殼體結(jié)構(gòu)線性與非線性穩(wěn)定分析、高層結(jié)構(gòu)抗震分析、反應(yīng)譜分析與時(shí)程分析等幾個(gè)方面的典型工程問(wèn)題。

（3）改革傳統(tǒng)教學(xué)模式和教學(xué)方法，引入教學(xué)互動(dòng)、工程師進(jìn)課堂等豐富多彩的教學(xué)形式。課程共32學(xué)時(shí)，一般是16周的教學(xué)安排，從教學(xué)的角度來(lái)看，時(shí)間是比較合理的。其中，6周講基本理論，即講解土木工程結(jié)構(gòu)分析的基本概念和模型、軟件運(yùn)行的基本特征和軟件框架體系等，2周用于模型演示與過(guò)程操作，在設(shè)計(jì)院工程師的輔助下，針對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行講解。8周的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)專題，結(jié)合某一軟件的操作過(guò)程進(jìn)行講解，然后有針對(duì)性地開展上機(jī)實(shí)習(xí)與訓(xùn)練。

（4）提升任課教師自身綜合素質(zhì)。教師解決工程問(wèn)題的能力直接影響課程的教學(xué)質(zhì)量，通過(guò)課程小組與課題科研活動(dòng)，以及橫向項(xiàng)目的交流活動(dòng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，豐富教學(xué)內(nèi)容，提升教師的實(shí)踐水平和教學(xué)能力。任課教師一定要與設(shè)計(jì)院多交流，貼近實(shí)際工程項(xiàng)目，才能不斷更新課堂內(nèi)容。

（三）教學(xué)改革方案

（1）成立了以軟件應(yīng)用與開發(fā)為大背景的綜合教學(xué)團(tuán)隊(duì)，以教學(xué)促科研，從科研成果及遇到的問(wèn)題反推教學(xué)課程的改革。

聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)中具有軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師，豐富課堂內(nèi)容，把與軟件應(yīng)用有較強(qiáng)聯(lián)系的科研課題作為教學(xué)案例。在學(xué)生的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文、創(chuàng)新實(shí)踐以及科研創(chuàng)新活動(dòng)中，軟件應(yīng)用也作為一項(xiàng)基本技能來(lái)培訓(xùn)和要求，加強(qiáng)學(xué)生的科研和創(chuàng)新綜合能力。

（2）改革土木工程應(yīng)用軟件的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)教育部“卓越計(jì)劃”的要求和國(guó)際工程教育評(píng)價(jià)體系的設(shè)置，重新梳理教學(xué)大綱。

通過(guò)匯總土木工程應(yīng)用軟件的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、開發(fā)思路、編程模式以及軟件的開發(fā)模型，結(jié)合土木工程中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式和典型工程問(wèn)題有針對(duì)性地進(jìn)行軟件原理介紹和軟件操作訓(xùn)練。首先，通過(guò)介紹軟件工程的相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生對(duì)軟件的運(yùn)行和開發(fā)原理有基本的了解，然后，介紹目前市場(chǎng)上主流的土木工程相關(guān)分析和設(shè)計(jì)軟件，讓學(xué)生對(duì)土木工程應(yīng)用軟件的發(fā)展歷史有個(gè)清晰的輪廓。結(jié)合結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與分析，讓學(xué)生通過(guò)結(jié)構(gòu)分析軟件的一般步驟和流程，掌握軟件使用的一般規(guī)律。簡(jiǎn)單回顧與介紹矩陣位移法與線彈性有限元的基本方法，過(guò)渡到計(jì)算機(jī)軟件的算法實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生對(duì)軟件背后的力學(xué)原理有清晰的了解。通過(guò)空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形式介紹，結(jié)合軟件的實(shí)現(xiàn)方法，為學(xué)生在軟件建模和復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題的分析方面建立明確的概念。通過(guò)介紹典型工程問(wèn)題，如鋼結(jié)構(gòu)和混凝土框架結(jié)構(gòu)線彈性分析、幾何非線性穩(wěn)定分析、地震分解反應(yīng)譜方法、地震時(shí)程分析方法、滿應(yīng)力優(yōu)化分析方法等，讓學(xué)生對(duì)問(wèn)題求解和計(jì)算結(jié)果分析有正確的認(rèn)識(shí)，并能基本解決類似的實(shí)際工程問(wèn)題，為今后走上工作崗位，奠定良好的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用基礎(chǔ)，養(yǎng)成運(yùn)用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的綜合素質(zhì)。

（3）通過(guò)教學(xué)實(shí)踐和素材積累，逐步形成內(nèi)容豐富且具有針對(duì)性的土木工程應(yīng)用軟件講義，針對(duì)典型工程問(wèn)題制作PPT課件，與課程培養(yǎng)目標(biāo)相呼應(yīng)。

（4）改革傳統(tǒng)教學(xué)模式和方法，把經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師請(qǐng)進(jìn)課堂，與學(xué)生面對(duì)面交流，搭建大學(xué)課堂與土木實(shí)踐的無(wú)障礙交流通道。通過(guò)上機(jī)實(shí)踐操作和面向工程問(wèn)題的課程大作業(yè)訓(xùn)練，強(qiáng)化學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

課程的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，以MIDAS、SAP2000兩款軟件應(yīng)用為主，并邀請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)院的一線工程師為學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)講解實(shí)際工程問(wèn)題的軟件解決方案和具體處理方法。通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)拓寬了學(xué)生視野，加深了對(duì)軟件應(yīng)用的理解和掌握，提升學(xué)生靈活處理各種問(wèn)題的能力。通過(guò)探討ANSYS和ABAQUS的高級(jí)應(yīng)用，并在課堂上結(jié)合工程案例作系統(tǒng)性介紹，讓學(xué)生全面了解復(fù)雜工程問(wèn)題的多途徑解決方法，了解軟件各自的特長(zhǎng)。

（5）加強(qiáng)理論基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合。所有課程大作業(yè)中計(jì)算內(nèi)容都必須是以實(shí)際工程為背景的算例。

考核環(huán)節(jié)采取分組大論文的形式。針對(duì)每個(gè)學(xué)生的愛(ài)好和特長(zhǎng)，任課教師與學(xué)生討論并制定有特色的大論文題目，既讓學(xué)生發(fā)揮自己的專業(yè)愛(ài)好和興趣，又可以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。該環(huán)節(jié)使學(xué)生真正動(dòng)手建立復(fù)雜的實(shí)際工程軟件模型，并通過(guò)計(jì)算分析得到計(jì)算結(jié)果，結(jié)合專業(yè)知識(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果作專業(yè)性的判定，總結(jié)計(jì)算結(jié)果的變化規(guī)律，掌握模型的修正方法，形成盡可能貼近實(shí)際工程問(wèn)題的解決思路。

四、結(jié)語(yǔ)

課程教學(xué)改革，結(jié)合土木工程的特點(diǎn)，探索更好的教學(xué)模式和教學(xué)方法，提高學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力和所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)化程度。通過(guò)對(duì)軟件開發(fā)原理和計(jì)算模型的介紹，結(jié)合具體工程分析案例讓學(xué)生真正掌握專業(yè)知識(shí)與實(shí)際軟件應(yīng)用之間的關(guān)系，并做到專業(yè)知識(shí)的靈活運(yùn)用，激發(fā)學(xué)生對(duì)土木工程專業(yè)的熱愛(ài)，達(dá)到學(xué)以致用、舉一反三的目的，可得心應(yīng)手地運(yùn)用所學(xué)軟件對(duì)常見(jiàn)的工程問(wèn)題進(jìn)行處理。加強(qiáng)土木工程專業(yè)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)和實(shí)際工程應(yīng)用間的銜接，建立聯(lián)系理論知識(shí)與專業(yè)實(shí)踐的橋梁。

課程改革使知識(shí)體系、理論與實(shí)踐、課堂內(nèi)外實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，達(dá)到提升能力的目標(biāo)，通過(guò)靈活多樣的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)新精神。培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考、探索式學(xué)習(xí)、解決實(shí)際問(wèn)題等綜合素質(zhì)，使土木專業(yè)的學(xué)生逐步意識(shí)到，能力培養(yǎng)在大學(xué)課程體系中的關(guān)鍵作用，也使學(xué)生在踏入工作崗位之前，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。大學(xué)課程不是學(xué)習(xí)的結(jié)束，而是畢業(yè)后面向社會(huì)的下一個(gè)學(xué)習(xí)階段的開始，是承前啟后的重要環(huán)節(jié)。

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