资源简介

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第二单元《仿生》大单元整体教学设计
教材版本 苏教版 单元（或主题）名称 仿生
单元主题 本单元围绕 “仿生” 这一主题，引导学生了解生物的独特结构、功能对人类发明创造的启示，探索人类如何模仿生物进行技术创新，培养学生对生物与技术之间联系的认知，激发学生的创新意识和科学探究精神。
课标要求 核心概念 地球上生活着不同种类的生物，生物具有区别于非生物的特征；技术与工程是依据科学原理设计和制造产品、解决实际问题的实践活动。 学习内容 知道一些生物的结构和功能是如何启发人类发明创造的，了解仿生学的概念。 认识常见生物的特殊结构和功能，如蛋壳的拱形结构、海豚的回声定位等，并理解其在仿生学中的应用。 了解仿生学在日常生活、科学研究、工程技术等领域的广泛应用。 学业要求 能够举例说明生物的结构和功能对人类发明创造的启示，解释仿生学的概念。 分析具体生物结构和功能的特点，阐述其与相应仿生应用之间的关系。 基于对仿生学的理解，尝试提出一些简单的仿生设计思路或改进方案。
教材分析 本单元教材以仿生学为线索，编排了四课内容。第一课《生物的启示》通过呈现大量生物对人类发明产生启发的实例，如鲁班根据茅草发明锯子等，让学生初步感知生物与发明之间的联系，引出仿生学的概念。第二课《蛋壳与拱形建筑》聚焦于蛋壳的拱形结构，深入探究其力学原理以及在建筑领域的应用，引导学生从生物结构特性深入理解仿生学的应用原理。第三课《海豚与声呐》以海豚的回声定位功能为切入点，介绍声呐技术的原理及应用，进一步揭示生物特性在科学技术发明中的重要作用。第四课《我们来仿生》则鼓励学生运用所学的仿生学知识，开展创意设计和实践活动，培养学生的创新思维和实践能力。教材内容由浅入深，从感知到理解再到应用，逐步引导学生认识仿生学，符合学生的认知规律。
学情分析 五年级学生已具备一定科学知识基础和探究能力，对生物世界充满好奇，有观察生物现象的经验，但对生物特征与人类发明的联系认识较浅，抽象思维能力有待提高。理解仿生学原理并将其应用于设计实践，对部分学生有难度。学生可能认为生物与科技联系不大，学习时难以将已有生物知识与新技术建立关联，对一些复杂仿生原理理解困难，在实践设计中可能受思维局限，创新不足。
单元目标 科学观念： 学生能认识到生物的结构、功能为人类发明创造提供了灵感，建立生物与技术相互关联的观念。 理解仿生学在改善人类生活、推动科技进步方面的重要作用，体会科学技术对社会发展的影响。 科学思维： 通过分析生物特征与人类发明的对应关系，培养逻辑思维能力。 在探究拱形结构特点等活动中，发展基于证据进行推理、分析和归纳的能力。 能运用类比、想象等思维方法，设计仿生方案，培养创新思维。 探究实践： 经历观察生物特征、实验探究结构特点、调查仿生实例等活动，提高观察、实验、调查等科学探究能力。 能在小组合作中设计并实施探究方案，培养团队协作和解决实际问题的能力。 尝试将所学仿生知识应用于设计制作活动，增强实践操作能力。 责任态度： 激发对仿生学的探究兴趣，培养热爱科学、勇于探索的精神。 认识到仿生学发展对人类社会和环境的双重影响，树立合理利用仿生技术的意识，培养社会责任感。
单元结构化活动 活动一：生物启示大发现（结合第一课《生物的启示》） 活动目标：引导学生发现生物与人类发明之间的联系，初步感知仿生学概念。 活动过程： 教师展示一系列生物图片和对应的人类发明图片，如鸟与飞机、鱼与潜水艇等，让学生观察并猜测它们之间的联系。 学生分组讨论，分享自己所知道的生物对人类发明的启示实例，每组选派代表发言。 教师讲解仿生学的概念，让学生对仿生学有初步的认识。 活动二：探秘蛋壳与拱形（结合第二课《蛋壳与拱形建筑》） 活动目标：探究蛋壳的拱形结构及其力学原理，理解拱形结构在建筑中的应用。 活动过程： 学生观察蛋壳的外形，用手捏鸡蛋感受其抗压能力，提出关于蛋壳结构与抗压能力关系的问题。 分组进行实验，用硬纸板制作不同形状（拱形、平面等）的结构模型，测试它们的承重能力，记录实验数据并分析。 教师讲解拱形结构的力学原理，展示拱形结构在建筑中的应用实例，学生讨论拱形结构在建筑中的优势。 活动三：海豚声呐之旅（结合第三课《海豚与声呐》） 活动目标：了解海豚回声定位原理和声呐技术，认识生物特性与科学技术的关联。 活动过程： 播放海豚在海洋中活动的视频，引导学生思考海豚如何在黑暗环境中定位和捕食，引出回声定位概念。 学生分组查阅资料，了解海豚回声定位的具体过程，制作简单的科普海报展示。 教师讲解声呐技术的工作原理，对比海豚回声定位和声呐技术，组织学生讨论声呐技术在不同领域的应用。 活动四：创意仿生设计秀（结合第四课《我们来仿生》） 活动目标：运用仿生学知识进行创意设计，培养创新思维和实践能力。 活动过程： 回顾前三课所学的仿生学知识，展示一些优秀的仿生设计作品，启发学生的设计灵感。 学生独立思考，结合生活实际需求，构思一个基于仿生学原理的创意设计方案，可以是一件产品、一种技术或一个系统等。 学生将自己的创意设计以绘画、文字描述或简单模型的形式呈现出来，并在小组内进行交流分享，其他小组成员提出评价和改进建议，共同完善创意设计。最后进行全班展示。
达成评价 围绕课时学习目标 课堂表现评价：观察学生课堂参与度，包括回答问题、小组讨论、实验操作中的表现，评价其对知识的理解和探究能力。 作业评价：布置课后作业，如绘制生物特征与仿生发明关系图、分析某一仿生产品原理等，评价学生对知识的掌握和应用能力。 实践作品评价：依据仿生作品设计创新性、功能合理性、制作工艺等方面，评价学生实践能力和创新思维。 单元测试评价：设计单元测试题，涵盖生物启示、结构与功能仿生知识及设计应用，全面评价学生单元学习成果。
第7课时《海豚与声呐》教学设计
一、教学目标
科学探究能力
能够通过查阅资料、观察视频等方式，收集关于海豚回声定位和声呐技术的信息，学会整理和分析这些信息。
设计并进行简单的模拟实验，探究声音在不同介质中的传播特点以及回声定位的原理，掌握控制变量法在实验中的应用，准确观察和记录实验现象与数据。
能用多种方式（如撰写报告、制作海报、展示模型等）表达探究成果，并与他人进行交流和讨论，根据反馈改进探究过程。
科学思维能力
通过对海豚回声定位和声呐技术的研究，分析两者之间的联系与区别，归纳出利用声音进行定位和探测的一般原理，培养逻辑思维能力。
运用类比、联想等思维方法，从海豚的生理特性联想到声呐技术的发明与应用，理解仿生学的思维过程，发展创造性思维。
在探究过程中，对不同的观点和实验方案进行批判性思考，评估其合理性与可行性，提升科学批判思维能力。
科学素养
了解海豚的身体结构和回声定位功能，知道海豚如何利用回声定位在海洋中导航、捕食和交流。
理解声呐技术的工作原理、组成部分及其在军事、海洋探索、渔业等领域的广泛应用。
掌握声音传播的相关知识，包括声音的产生、传播介质、传播速度等，明白这些知识与回声定位和声呐技术的关系。
责任态度
对海豚与声呐之间的关系产生浓厚兴趣，激发探索海洋生物奥秘和科学技术的热情。
在探究过程中，培养严谨认真、实事求是的科学态度，尊重实验数据和事实，勇于面对困难和挫折。
意识到仿生学在推动科技进步和人类对海洋认识中的重要作用，增强对科学技术的热爱和为科学事业贡献力量的责任感。
二、教学重难点
教学重点
探究海豚回声定位的原理和声呐技术的工作原理。
理解海豚回声定位对声呐技术发明的启示以及声呐技术在不同领域的应用。
教学难点
从物理学角度深入理解声音在回声定位和声呐技术中的传播、反射及接收原理，并能清晰阐述海豚回声定位和声呐技术的关联。
培养学生运用所学原理进行创新思考，提出基于声呐技术的改进或新应用设想的能力。
三、教学过程
学习活动 设计意图
（一）情境导入 教师播放一段海豚在海洋中自由游动、捕食的视频，视频中着重突出海豚在黑暗或浑浊水域中精准定位猎物的场景。播放结束后，提问学生：“同学们，海豚在这样复杂的海洋环境中，没有良好的视觉条件，却能如此准确地找到猎物，你们知道它是依靠什么本领做到的吗？” 组织学生进行小组讨论，鼓励学生大胆猜测海豚定位猎物的方式，引导学生结合生活中对声音等知识的了解展开思考。 每组选派一名代表发言，分享小组讨论的猜测结果。教师对学生的猜测进行简要点评，不直接给出答案，从而引出本节课要探究的主题 —— 海豚与声呐。 通过精彩的视频展示，吸引学生的注意力，将学生带入神秘的海洋世界，激发学生对海豚特殊本领的好奇心和求知欲，为学习新知识营造积极的氛围。 小组讨论为学生提供交流和思考的平台，培养学生的合作学习能力和独立思考能力，同时让教师了解学生对海豚回声定位的已有认知和想法，以便后续教学更有针对性。 教师的点评和引出主题，既保护了学生的探究热情，又自然地过渡到本节课的教学内容，为后续探究活动做好铺垫。
（二）探究活动 探究活动一：了解海豚的身体结构与回声定位 教师展示海豚的身体结构图片和模型，引导学生仔细观察海豚的头部结构，特别是它的口鼻部、耳朵等部位，提问学生：“这些部位可能与海豚的回声定位功能有什么联系呢？” 学生分组讨论，结合图片和模型，推测海豚身体结构在回声定位中的作用，例如海豚的前额可能有助于聚焦声音，耳朵用于接收回声等。 每组选派一名代表发言，阐述小组讨论的观点。教师对学生的观点进行总结和补充，讲解海豚身体结构与回声定位功能的实际联系，如海豚通过头部的额隆发出高频声音，声音遇到物体反射回来，由耳朵接收回声，从而实现定位。 探究活动二：探究声音传播的特性 教师讲解声音传播的基本知识，包括声音是如何产生的，以及声音可以在固体、液体和气体中传播等内容。 学生分组进行声音传播实验： 实验一：声音在固体中的传播：一名学生在桌子一端轻敲桌面，另一名学生将耳朵贴在桌子另一端，感受声音的传播，比较与在空气中听到声音的不同。 实验二：声音在液体中的传播：在水槽中放入一个发声的小物体（如小铃铛），学生将耳朵贴近水槽壁，听声音在水中的传播情况。 实验三：声音在气体中的传播：敲响音叉，学生在不同距离感受声音的传播，观察声音大小与距离的关系。 学生记录实验现象，分析声音在不同介质中的传播特点，如传播速度、传播效果等。 各小组汇报实验结果和分析，共同总结声音传播的特性：声音能在不同介质中传播，且在不同介质中的传播速度不同，一般在固体中传播速度最快，气体中最慢。 探究活动三：模拟海豚回声定位实验 教师引导学生思考如何模拟海豚回声定位的过程，讲解实验思路：利用超声波发生器模拟海豚发出声音，用反射物模拟海洋中的物体，用超声波接收器模拟海豚接收回声。 学生分组，根据教师提供的材料（超声波发生器、不同形状的反射物、超声波接收器、示波器等），设计并搭建模拟实验装置。 学生操作实验装置，让超声波发生器发出超声波，调整反射物的位置和角度，观察超声波接收器接收到的回声信号，并通过示波器显示回声信号的波形，记录回声信号的特点，如时间延迟、强度变化等。 分析实验数据，思考回声信号与反射物位置、距离之间的关系，讨论海豚如何根据回声判断物体的位置和距离。 各小组汇报实验结果和讨论结论，共同总结海豚回声定位的原理：海豚发出的声音遇到物体反射回来，通过分析回声的时间、强度等信息，判断物体的位置、距离、大小等特征。 探究活动四：认识声呐技术 教师展示不同类型声呐设备的图片和视频，如军事上的反潜声呐、海洋科考中的测深声呐、渔业中的鱼群探测声呐等，介绍声呐技术在不同领域的应用场景，让学生直观感受声呐技术的多样性和重要性。 教师讲解声呐技术的基本工作原理：声呐设备通过换能器发射声波，声波在水中传播，遇到目标物体后反射回来，换能器接收反射波，将其转换为电信号，经过处理后显示目标物体的相关信息。 学生分组，用简单的材料（如小型超声波传感器、Arduino 开发板、电脑等）搭建一个简易的声呐模型，模拟声呐的工作过程。在模型中，超声波传感器发射和接收超声波，Arduino 开发板对信号进行处理，通过电脑软件显示目标物体的距离信息。 各小组展示并操作自己搭建的声呐模型，向全班介绍模型的工作原理和实现过程，分享在搭建过程中的收获和遇到的问题。 探究活动五：对比海豚回声定位和声呐技术 教师引导学生回顾海豚回声定位和声呐技术的原理、工作过程等内容，提出问题：“海豚回声定位和声呐技术有哪些相似之处和不同之处呢？” 学生分组讨论，从信号发射、信号接收、定位方式、应用场景等方面对比海豚回声定位和声呐技术，用表格或思维导图的形式整理两者的异同点。 每组选派一名代表展示小组整理的结果，并进行讲解。教师对各小组的结果进行点评和总结，强调海豚回声定位和声呐技术在本质上都是利用声音的反射来获取信息，但在具体实现方式和应用上存在差异，进一步强化学生对两者关系的理解。 探究活动六：声呐技术的创新应用设想 教师引导学生思考声呐技术在现有应用领域的不足，以及随着科技发展可能拓展的新应用领域，鼓励学生发挥想象力，提出基于声呐技术的创新应用设想。 学生独立思考，构思一个基于声呐技术的创新应用方案，可以是改进现有声呐设备的功能，也可以是开拓全新的应用场景，如利用声呐技术监测地下空洞、设计智能水下救援声呐系统等。 学生将自己的创新应用设想以绘画、文字描述或简单模型的形式呈现出来，并标注出设计思路、工作原理以及预期效果等内容。 学生在小组内展示自己的创新应用设想，进行交流分享，其他小组成员提出评价和改进建议，共同完善创新应用方案。 过展示图片和模型，让学生直观地了解海豚的身体结构，培养学生的观察能力。 小组讨论激发学生的思维，培养学生的逻辑推理能力和合作学习能力，使学生主动思考身体结构与特殊功能之间的关系。 代表发言和教师总结，加深学生对海豚身体结构与回声定位联系的认识，为后续深入探究回声定位原理打下基础。 教师讲解为学生提供理论基础，使学生对声音传播知识有初步的认识。 小组实验让学生亲身体验声音在不同介质中的传播，培养学生的动手操作能力、观察能力和实验探究能力。 分析实验结果和小组汇报，培养学生的逻辑思维能力和表达能力，帮助学生深入理解声音传播的特性，为理解回声定位和声呐技术原理做铺垫。 引导学生思考实验设计，培养学生的创新思维和科学探究能力，让学生理解科学实验的设计思路。 分组搭建实验装置和操作实验，锻炼学生的动手能力、团队协作能力和解决实际问题的能力。 分析实验数据和讨论结论，培养学生的逻辑思维能力和对科学原理的理解能力，帮助学生深入理解海豚回声定位的原理。 展示多种声呐设备及其应用，拓宽学生的视野，激发学生对声呐技术的兴趣，让学生认识到声呐技术在现代社会中的重要地位。 教师讲解使学生初步理解声呐技术的工作原理，为搭建模型做好知识铺垫。 分组搭建声呐模型，培养学生的动手实践能力、创新能力和团队协作能力，让学生通过亲身体验加深对声呐技术原理的理解。展示和介绍模型锻炼学生的表达能力和沟通能力。 通过对比，培养学生的分析归纳能力和逻辑思维能力，让学生清晰地认识到海豚回声定位和声呐技术之间的联系与区别。 用表格或思维导图整理异同点，帮助学生系统地梳理知识，提高学生的知识整合能力。 代表展示和教师总结，加深学生对两者关系的理解，使学生对仿生学中生物特性与技术应用的关系有更深入的认识。 启发学生思考，培养学生的创新思维和将科学技术应用于解决实际问题的能力，激发学生对科学技术发展的探索欲望。 独立构思和呈现设想，锻炼学生的想象力、创造力和表达能力，将所学的声呐技术知识与创新思维相结合。 小组交流和评价改进，促进学生之间的思想交流和相互学习，培养学生的批判性思维和团队协作能力，提升学生的创新能力和方案可行性。
（三）生活应用 教师展示一些生活中与声呐技术相关的实际问题或场景图片，如港口船只的导航、水下管道的检测、海洋生物监测等。 学生分组，针对这些生活场景，讨论声呐技术在其中的具体应用方式和优势，分析如果没有声呐技术，这些场景可能会面临哪些困难。 每组选派一名代表发言，向全班分享小组讨论的结果，重点阐述声呐技术如何解决这些生活场景中的问题，以及声呐技术应用带来的改变。教师进行总结，强调声呐技术在生活中的重要性，并引导学生思考还有哪些生活场景可以进一步应用或改进声呐技术。 通过展示生活场景图片，让学生认识到声呐技术在生活中的广泛应用，培养学生用科学眼光观察生活的习惯，体会科学技术与生活的紧密联系。 小组讨论培养学生的合作学习能力和分析问题的能力，加深学生对声呐技术应用原理和优势的理解，提高学生运用科学知识解释生活现象的能力。 代表发言和教师总结，强化学生对声呐技术在生活中重要性的认识，激发学生对科学技术应用于生活的思考和探索欲望，培养学生的创新意识。
（四）知识总结 教师引导学生回顾本节课所学内容，包括海豚的回声定位功能、声音传播的特性、声呐技术的工作原理、海豚回声定位和声呐技术的对比，以及声呐技术的创新应用设想等方面。 让学生以小组为单位，制作一份思维导图或知识框架图，梳理本节课的知识体系，突出各知识点之间的逻辑关系。 每个小组推选一名代表，向全班展示并讲解小组制作的思维导图或知识框架图，其他小组可以提出补充或修改意见。 教师对各小组的展示进行评价，总结本节课的重点知识，强调海豚与声呐之间的仿生关系以及声呐技术在科技发展中的重要意义，帮助学生完善知识体系，鼓励学生在今后的学习和生活中继续关注仿生学和科学技术的发展。 回顾所学内容，帮助学生巩固知识，强化记忆，梳理知识脉络，加深对本节课知识的整体理解。 制作思维导图或知识框架图，培养学生的归纳总结能力和知识整合能力，有助于学生构建系统的知识体系，提升学习效果。 代表展示与交流环节，锻炼学生的表达能力和团队协作能力，通过小组间的互动，进一步完善知识体系，教师的评价与总结加深学生对知识的整体把握和对科学技术发展的认识，激发学生对科学的兴趣和探索精神。
四、作业设计
（一）、填空题
海豚通过（额隆）发出高频声音进行回声定位。
声音传播的介质有固体、（液体）和气体。
声呐技术是利用（声波）的反射来探测目标物体的信息。
声呐设备中的（换能器）负责发射和接收声波。
（二）、判断题
海豚只能在清澈的海水中利用回声定位，在浑浊的海水中就无法使用。（×）解析：海豚的回声定位功能不受海水清澈与否的限制，在各种海洋环境中都能发挥作用。
声呐技术只能用于海洋领域，在其他领域没有应用。（×）解析：声呐技术除了在海洋领域广泛应用外，在一些特殊的地质探测、水下工程等领域也有应用。
海豚回声定位和声呐技术的原理完全不同。（×）解析：海豚回声定位和声呐技术本质上都是利用声音的反射来获取信息，原理有相似之处。
（三）、选择题
声呐技术在军事上主要用于（ ）
A. 气象预报 B. 反潜探测 C. 导航定位 答案：B
海豚回声定位发出的声音主要是（ ）
A. 超声波 B. 次声波 C. 可听声 答案：A
声音在下列哪种介质中传播速度最快？（ ）
A. 空气 B. 水 C. 钢铁 答案：C
以下关于声呐的说法正确的是（ ）
A. 声呐只能发射声波，不能接收声波
B. 声呐是模仿海豚回声定位发明的
C. 声呐在陆地上也能像在水中一样准确探测 答案：B
（四）、简答题
1、声呐技术除了在军事、海洋探索、渔业方面，还可能在哪些领域有应用？请举例并简述原理。
答案：在水下工程领域，比如检测水下桥梁、大坝等建筑结构的完整性。声呐设备发射声波，声波遇到建筑结构的缺陷部位会产生不同的反射信号，通过分析这些反射信号的特征，如强度、频率变化等，就可以判断建筑结构是否存在裂缝、空洞等问题。在地质勘探领域，用于探测地下隐藏的地质结构和矿产资源。向地下发射声波，根据不同地质层或矿体反射回来的声波特性差异，来推断地下地质构造和矿产分布情况。
2、对比海豚回声定位和声呐技术在信号处理方面的异同。
答案：相同点在于两者都需要对反射回来的信号进行处理，以获取目标物体的信息，如位置、距离等。不同点是海豚依靠自身高度进化的听觉和神经系统处理回声信号，这种处理是基于生物本能和生理结构，其信号处理系统高度集成且适应生物生存需求。而声呐技术通过电子设备和算法对反射的声波信号进行处理，信号处理过程更依赖于电子技术和计算机编程，能够更精确地分析信号的各种参数，并且可以根据不同的应用场景进行针对性的算法优化。
3、如果要提高声呐技术在深海探测中的准确性，你认为可以从哪些方面进行改进？
答案：首先，可以改进声呐的发射和接收装置。采用更先进的材料和设计，提高换能器的性能，使其能发射更稳定、更强的声波信号，并更灵敏地接收反射回来的微弱信号。其次，优化信号处理算法。考虑深海复杂的环境因素，如温度、压力对声波传播的影响，通过算法对信号进行更精准的校正和分析，去除干扰信号，提高目标信号的分辨率。再者，增加声呐的探测频段。不同频段的声波在深海中的传播特性不同，使用多频段探测可以获取更全面的目标信息，从而提高探测准确性。最后，提高声呐设备的抗干扰能力。通过采用屏蔽技术、滤波技术等，减少深海中其他噪音源对声呐信号的干扰。
（五）、科学探究题
题目：设计一个实验探究不同频率的声波在海水中传播时能量衰减的规律，以此为基础思考对声呐技术频率选择的影响。
答案：
实验目的：探究不同频率的声波在海水中传播时能量衰减的规律，为声呐技术选择合适的频率提供依据。
实验材料：超声波发生器（可发出不同频率声波）、声波接收器、功率计、海水水槽（模拟海水环境）、计时器、不同长度的声波传播管道（用于改变传播距离）。
实验步骤：
将超声波发生器、声波接收器安装在海水水槽中，确保二者位置相对固定，且声波传播路径在海水中。连接功率计到声波接收器，用于测量接收到的声波能量。
设置超声波发生器发出频率为 f1 的声波，开启超声波发生器和计时器，让声波在海水中传播一段固定距离 L1 （通过声波传播管道控制），用功率计测量并记录此时接收到的声波功率 P1 。
保持其他条件不变，仅改变超声波发生器发出声波的频率，依次设置为 f2 、f3 …… 重复上述步骤，分别记录不同频率 fn 下对应的接收功率 Pn 。
改变声波传播距离，如设置为 L2 、L3 ……，重复上述实验过程，记录不同传播距离下，各频率声波对应的接收功率。
变量控制：
保持海水水槽中的海水性质稳定，包括温度、盐度等，每次实验前测量并记录海水的温度、盐度，确保其在实验误差范围内保持一致。
固定超声波发生器和声波接收器的相对位置和方向，保证声波传播路径不变。
使用相同的功率计测量声波功率，避免因测量仪器不同导致的误差。
预期结果：随着传播距离的增加，不同频率声波的能量（以功率表示）都会衰减。高频声波在相同传播距离下，能量衰减可能比低频声波更快。通过分析实验数据，可以得出不同频率声波在海水中传播时能量衰减与频率、传播距离的关系。基于此结果，在声呐技术用于深海探测时，如果需要探测较远的目标，可能选择相对低频的声波，以减少能量衰减，保证信号能够有效传播并被接收；如果对目标的分辨率要求较高，可能需要综合考虑，在能量衰减可接受的范围内选择相对高频的声波，因为高频声波能提供更详细的目标信息。
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