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3.7 设计和制作"过山车"
【教科版 三年级上册 科学】
课题 3.7 设计和制作"过山车"
单元 第三单元 物体的运动
课型 新授课（工程设计与制作课）
课时 1课时（40分钟）
教材版本 教科版三年级上册科学
教学方法 探究法、讨论法、工程设计法、动手操作法
教学用具 塑料积木套件（或塑料软管/泡沫保温管）、小球（玻璃珠或塑料小球）、绳子、白纸、铅笔、直尺、剪刀、胶带、秒表
教材分析 本节是第三单元"物体的运动"中的第七课，也是单元的综合实践课。前六课依次学习了运动位置描述、运动形式、运动路线、相同距离比时间、相同时间比距离等内容。本节作为单元的应用环节，要求学生综合运用前面的知识——尤其是"直线运动与曲线运动""运动的速度与路线"——来完成一个工程设计任务：用给定材料设计和制作一个能让小球自动滚完全部轨道的"过山车"模型。这是本单元知识从"学习"到"应用"的关键跨越，体现了"做中学"和STEM教育理念。
学情分析 三年级学生对过山车有浓厚兴趣，多数学生具有乘坐或观看过山车的经历，对过山车的坡度、弯道有直观印象。经过前六课的学习，学生已经能够识别直线运动和曲线运动，理解坡度与运动快慢的关系——坡度大则运动快（上坡慢、下坡快）。本节的主要挑战在于：(1)从"知识学习"到"工程设计"的思维转换；(2)在设计图纸上准确表达三维轨道路线的空间想象能力；(3)将设计图纸变为实物模型过程中的动手操作和问题解决能力。因此教学设计采用"先观察→再设计→后搭建"的工程实践流程，给学生充分的思考时间和操作空间。
学习目标
● 了解过山车的基本结构和运动特点，能说出过山车由底座、轨道、车厢（小球）等部分组成。
● 能根据任务要求，设计并绘制过山车轨道路线图，包含直线轨道和曲线轨道。
● 能用给定的材料（积木/软管/泡沫管等）搭建过山车模型，让小球从高处自动滚完全部轨道且不脱轨。
● 体会工程设计中"设计→制作→测试"的基本流程，培养合作意识和解决问题的能力。
教学重点与难点
重点：根据设计方案用给定材料搭建过山车模型，使小球能自动滚完全部轨道。
难点：在方案设计阶段准确规划轨道总长（2米以上）、合理设置直线和曲线轨道、利用坡度让小球获得足够的动力滚完全程。
一、聚焦——走进过山车的世界（约6分钟）
导入：你见过或玩过过山车吗？
【教师活动】同学们，老师先给大家看一张刺激的图片——游乐园里最受欢迎的项目之一：过山车！你们有谁坐过过山车吗？或者在电视、视频里看到过？谁能来说一说，过山车给你留下最深刻的印象是什么？
【学生活动】学生回忆过山车体验并回答：
生1：我坐过游乐园的过山车！最刺激的是从最高点猛地冲下来的那一下——心都提到嗓子眼了，风呼呼地吹！
生2：我在电视上看到过山车还会倒过来转圈，人都是头朝下的。不过妈妈说那是大人的过山车，小朋友坐的没有倒着转的。
生3：我觉得过山车最厉害的是它不用发动机——车是被拉到最高点然后自己往下滑的，一溜烟就跑完全程了！
【教师活动】大家说得真好！有的同学感受到了过山车"冲下来"的速度感，有的同学注意到了过山车的轨道会"翻转"，还有的同学发现了过山车不需要发动机就能跑——这是非常了不起的观察！过山车是靠什么力量从高处滑下来的呢？是靠重力——地球对它的吸引力。今天我们就来一起研究过山车的秘密，然后亲手做一个属于我们自己的"过山车"模型！
【知识点】1：过山车是一种依靠重力和惯性运动的游乐设施。过山车没有自带发动机——它先被提升到轨道最高点（爬升段），储存了重力势能；然后沿轨道滑落，势能不断转化为动能（运动的速度）。这就是过山车能"自动"跑完全程的原因。在三年级的认知水平上，我们可以简单理解为：从高处往下滑→高度差产生速度→速度快到能冲过弯道。
游乐园中的过山车
过山车科普：构造与运动
【教师活动】过山车还有一个别名，叫"云霄飞车"——形容它像在云端飞行一样刺激。我们来看一下过山车的基本构造：完整的过山车包含爬升段（慢慢升到最高处）、滑落段（快速俯冲下来）和弯道段。大型过山车还有倒转段（翻转），但在儿童游乐区的小型过山车通常没有倒转，因为要保证安全。此外，过山车的轨道设计不一定是一个完整的"回圈"——也就是说，终点不一定回到起点。有些过山车是在两个山头之间来回移动的。了解了这些，请同学们思考：我们今天的过山车模型应该怎么设计？——要从高处出发，利用坡度让小球自动滚下，而且轨道要有直线部分还要有曲线部分，最后小球要顺利滚完全程不能脱轨。
【知识点】2：过山车的基本构造包括爬升段、滑落段和弯道段。爬升段（上坡）需要外力将车厢提升到最高点，这个过程较慢；滑落段（下坡）是车厢在重力作用下加速下滑，速度快；弯道段是轨道的曲线部分，车厢借助从滑落段获得的惯性速度冲过弯道。儿童过山车通常不设倒转段，以保障安全。轨道不一定形成封闭的回圈——可以是线性的来回轨道。联系生活：我们在玩滑滑梯时也有类似的体验——从高处滑下来时越来越快，到底下时速度最大。
聚焦：三个关于过山车的关键问题
【教师活动】在动手设计和制作之前，我们先要弄清楚三个问题。请大家仔细看图，思考并回答：第一个问题——过山车由哪几部分组成？第二个问题——过山车有哪些运动形式？第三个问题——过山车运动有什么特点？先同桌互相讨论一分钟，然后我们来交流。
【学生活动】学生观察图片并讨论后回答：
生1：我看出过山车有"底座"——就是撑住轨道的大架子，还有弯来弯去的"轨道"，还有一节一节的"车厢"——就是人坐的位置。这三样是最基本的。
生2：运动形式的话——轨道是直的地方，小球就走直线；轨道是弯的地方，小球就拐弯走曲线。所以过山车既有直线运动，也有曲线运动，是两种运动形式都有。
生3：关于运动特点，我发现过山车在不同的坡度速度不一样——上坡的时候慢悠悠的（坡度大上坡慢），下坡的时候嗖嗖地冲（坡度大下坡快）。这个我们在之前几节课已经学过了！
【教师活动】三位同学的回答配合得太好了——把三个问题一网打尽！第一位同学梳理了结构：底座（支撑轨道）、轨道（小球跑的路线）、车厢（载人的部分）。第二位同学分析了运动形式：既有直线运动（轨道直的部分），也有曲线运动（轨道弯的部分），过山车是直线运动和曲线运动的结合体。第三位同学发现了运动特点——坡度与速度的关系：上坡慢、下坡快。这正是我们做"过山车"模型的关键——一定要有坡度，而且坡度越大，下坡时小球滚得越快！
【知识点】3：过山车的三要素——①底座：提供支撑，使轨道离地、形成高低落差；②轨道：小球运行的路线，包含直线轨道和曲线轨道（也叫弯道）；③车厢：载人（模型中为小球）。运动形式：过山车同时包含直线运动和曲线运动——直线轨道上走直线运动，曲线轨道上走曲线运动。运动特点：过山车的速度随坡度变化——坡度大时，上坡速度慢（动能转化为势能），下坡速度快（势能转化为动能）。这和生活中骑车上下坡的体验一致——上坡费力蹬得慢，下坡不用蹬却飞快。
【过渡语】弄清楚了过山车的结构、运动形式和运动特点，接下来我们要面对真正的挑战——用桌上这些材料，亲手设计并制作一座"过山车"模型！
二、探索——设计并制作"过山车"模型（约28分钟）
（一）深入分析：过山车的结构与运动规律
【教师活动】现在我们仔细看看过山车两个关键部分的细节。先看第5页——注意看"底座"是怎么支撑着弯弯曲曲的"曲线轨道"的。曲线轨道上的车厢做的是曲线运动。还有一个重要现象：看坡度——上坡的时候，车厢速度明显慢下来了。再看第6页——这一段是"直线轨道"，车厢走的是直线运动。和曲线段不同的是，直线段中间没有转弯，小球跑得又快又直。注意坡度大时下坡速度明显加快。想一想：为什么我们要在设计过山车时既要有直线轨道又要有曲线轨道？
【学生活动】学生观察并分析轨道设计原理：
生1：直线轨道可以让小球积累速度——没有转弯的阻力，速度越来越快，这样后面遇到曲线弯道时才有足够的速度冲过去！
生2：曲线轨道是为了让过山车"拐弯"——光有直线轨道的话只能直着走，没有趣味也没有挑战。弯道是过山车的灵魂！就像赛车也要有弯道一样。
生3：坡度最大的地方应该是出发点——一定要放在最高的位置！因为小球需要从最高处滚下来获得速度，这样才能跑完后面那些爬坡和弯道。如果起点不够高，小球跑到一半就没力气了（速度不够），就停下来或者脱轨了。
【教师活动】三位同学的分析非常精准——直线轨道用来"加速"，曲线轨道用来"转弯"，坡度的起点必须足够高才能让小球获得跑完全程的动力。这些就是过山车设计的基本原理，也是我们今天要遵循的设计思路。接下来我们要明确任务——用给定的材料，按照一定要求，做一个真的过山车模型。
【知识点】4：过山车的轨道设计原理——①直线轨道让小球在不受转弯阻力的情况下加速，为后续弯道储备速度（惯性运动）；②曲线轨道实现行进方向的改变，丰富轨道线路、增加趣味性；③坡度是速度的来源——最高点在起点处，利用高度差产生速度（重力势能转化为动能），坡度越大→下坡越快。三条原则相辅相成：有直线加速段→有曲线转弯段→有足够的起点高度。三者缺一不可——缺直线则速度不够，缺曲线则没有弯道乐趣，缺高度则小球跑不动。
【过渡语】设计原理弄清楚了，心里就有了底。但"想"和"做"之间还隔着一座桥——那就是"方案"。先来看看我们有什么材料可用，任务的具体要求是什么。
（二）明确任务：材料、轨道与结构
【教师活动】老师为每个小组准备了以下材料——请大家看一看：我们有两种套件可供选择，一种是用塑料积木（或塑料软管）搭轨道，一种是用卡纸来搭轨道。每种套件都包含三样东西：轨道（小球滚动的路线）、车厢（用小球代替）、支架/底座（把轨道撑起来制造坡度）。请各组先讨论：你们组打算用什么材料？为什么选择这种材料？
【学生活动】各组观察材料并讨论选择：
生1：我们组选塑料积木套件——因为积木有现成的轨道槽，小球放在里面不容易掉出来（防脱轨），而且积木搭高比较容易，可以做出很明显的坡度。
生2：我们组想试试卡纸套件——虽然要自己折出轨道槽，但卡纸轻、可以任意裁剪形状，能做出更复杂的曲线。而且卡纸便宜，万一做错了换一张也不心疼。
生3：我们觉得塑料软管最好——软管本身就是一根管子，小球在里面滚不会脱轨，而且软管可以任意弯曲成各种曲线形状（S形、大弯道都可以），灵活性最强！
【教师活动】每种材料各有优势——积木稳当防脱轨，卡纸灵活可裁剪，软管弯曲性好。不管选哪种材料，关键是用好三样核心部件：轨道（小球跑的路径）、车厢（小球）、支架（制造坡度和支撑轨道）。选好材料后，我们来看制作的具体要求。
【知识点】5：过山车模型的三大核心部件——①轨道：小球滚动的路径，可用积木槽、软管或卡纸折成，是过山车的"路线图"；②车厢：模型中用小球（玻璃珠或塑料球）代替，让小球在轨道上自动滚动模拟车厢的运动；③支架（底座）：支撑轨道、制造高度差，是产生坡度的关键结构。三种材料的对比：积木稳定性好但弯曲受限、卡纸可塑性强但强度较低、软管弯曲自由但需要额外支架固定。选择材料时要同时考虑制作难度和最终效果。
三种搭建材料对比：
材料 优点 不足 适用情况
塑料积木 结构稳固、轨道槽防脱轨、搭建直观 弯曲程度有限、大弯道较难实现 追求稳定可靠、不易脱轨
塑料软管 可任意弯曲、防脱轨效果极好 需要额外支架固定、接口处需防卡 追求灵活多变的曲线线路
卡纸 轻便、可裁剪、材料成本低 强度较低、需自制轨道槽、不够稳固 创意造型、愿意多花时间制作
【过渡语】材料选好了，接下来是任务的具体要求——老师对大家的过山车有三个硬指标，达不到可是要返工的哦！
（三）明确任务：三项具体要求
【教师活动】请大家仔细看这三条具体要求——这是评判大家作品是否合格的标准：第一，轨道总长必须在2米以上——注意是"轨道路线的总长度"不是直线距离。如果你设计了弯道，那么弯道的长度也要算进去。需要的总长度可以将多根短轨道拼接起来达到，就像拼积木一样把短的接成长长的路线。有谁想到，为什么要规定轨道2米以上？
【学生活动】学生思考轨道长度的意义：
生1：轨道太短的话小球一下子就滚完了，看不出什么运动过程——就像坐过山车刚上去就下来，一点都不过瘾。长轨道才能展示出过山车的"旅行"效果。
生2：轨道长了才能既有直线又有曲线——如果太短，刚拐一个弯就到头了，没法同时包含两种轨道类型，这不是真正的过山车。
生3：我觉得还有一个原因——长轨道可以考验小球能不能"坚持"跑完全程。轨道越长，越能看出设计的好坏：设计得好小球一路顺畅、设计不好可能中途就停了或飞出轨道了。
【教师活动】大家都说到了点子上！2米以上的长度要求保证了轨道足够展现直线和曲线两种运动，也能检验设计的合理性。好，再看第二条：轨道必须有直线轨道和曲线轨道。这一点我们刚才已经分析过了——直线用来加速，曲线用来转弯，两者缺一不可。第三条最重要：小球要能滚完全部轨道，而且不能脱轨。这意味着什么呢？——你的坡度要够（起点够高），弯道不能太急（小球会被甩飞），接缝处要平滑（卡住就停了），这些都是我们要在实际搭建中去解决的问题。
【知识点】6：过山车模型的三项制作标准——①轨道总长≥2米：保证轨道线路足够长，使直线段和曲线段都能充分展开，同时检验小球持续运行能力；②必须同时包含直线轨道和曲线轨道：体现"两种运动形式结合"的设计要求；③小球能滚完全部轨道且不脱轨：这是最核心的验收标准，要求轨道有足够的坡度（起点高度够）、弯道曲率合理（不过急）、接缝处平滑（无障碍）、轨道有防护边缘（防脱轨）。三条标准是递进关系：有足够长度→能容纳两种轨道→小球顺利跑完全程。
【过渡语】任务明确了，材料准备好了，接下来进入最关键的环节——方案设计。好的设计是成功的一半，让我们一起思考怎么把想法变成图纸上的路线！
（四）制定方案：设计过山车轨道路线
【教师活动】动手之前必须先动脑——请大家围绕三个问题来思考你的设计方案：第一，你选什么材料来制作？不同材料有不同的搭建方式。第二，你怎么制造坡度？坡度从哪里开始，最高点设在哪里？第三，整个过山车设计成什么形状？轨道线路怎么布局？现在给每组两分钟时间讨论，把初步想法在小组内交流一下。
【学生活动】各组讨论后分享初步方案：
生1：我们组用塑料积木。坡度从一张桌子的高度开始——把起点架在桌面上，然后轨道斜着往下延伸到地面。整体形状是一个"之"字形——先来一个大下坡加速，然后一个大转弯，再来一个波浪形起伏。
生2：我们组打算用软管。用几本书摞起来做支架，软管搭在上面形成坡度。形状设计成"S"形——起点最高，然后S形弯来弯去，让小球在里面绕好几个弯。因为软管里面是空的，小球完全不会脱轨！
生3：我们组用卡纸。先把卡纸裁成长条，两边折起来做成轨道槽（像水槽一样），然后搁在高低不同的书本上形成坡度。形状设计成一个"8"字形——不过"8"字中间交叉处要处理好，一个轨道在上面、一个在下面，不然小球会撞车。
【教师活动】三组的方案各有特色！从大家的发言中我听到了很好的工程设计思维——都在考虑怎么用现有条件实现"起点高、有直线、有曲线、不脱轨"的目标。现在老师教大家两种把方案画出来的方法。
方法1：用绳子摆出轨道路线
【教师活动】第一种方法最简单直观——用一根绳子在桌上摆出你想要的轨道路线。绳子可以任意弯曲，S形、波浪形、环形都可以。摆好后你就清楚地看到了轨道的全长和整体形状——这是"实物草图"。可以随时调整，不满意就重新摆。
【知识点】7：方案设计方法1——"绳子摆线法"。优点：直观、可随时调整、不需要画图能力、全组成员都能一目了然地看到整体布局。绳子长度可直接对应轨道全长（2米以上），方便检查是否达标。适合动手能力较强但绘画基础较弱的小组。
用绳子摆出的过山车轨道路线
方法2：在纸上设计轨道路线
【教师活动】第二种方法更正式——在白纸上画出过山车的轨道路线。画出设计图需要注意以下几点：①如果轨道有交叉，用不同的线型区分——交叉处，上面的轨道画实线，下面的轨道画虚线（因为视线被挡住了）。②特殊位置（如最高点、大弯道、交叉处）要配上简短文字说明——比如写"起点（最高处）""大弯道——此处需加固""交叉点：上层轨道"。③用箭头在轨道旁标注小球的运动方向。从起点画一个箭头，沿着轨道一直画到终点。④起点和终点要明确标注——起点和终点可能是同一个地方（回圈式），也可能不在同一个地方（开放式）。⑤最后要检查：路线是否保持封闭连续——起点→沿轨道→终点，中间不能"断路"。
【学生活动】学生理解设计图绘制要点：
生1：交叉处实线虚线这个很关键——如果不区分，搭建的时候就不知道哪个在上哪个在下，可能会搭错。就像城市规划时立交桥的上层下层也要标注清楚一样。
生2：箭头的方向就是小球运动的方向——从起点往终点。这告诉我们起点必须比终点高（最起码和终点一样高），因为小球是靠重力从高往低滚的，不能从低处往高处自动滚。
生3：检查"封闭连续"就是看轨道有没有断头路——如果轨道中间有一段是没有连接的，小球滚到那儿就掉下去了。这就像道路不能有断头路一样，轨道路线必须是连通的。
【教师活动】三位同学的补充非常到位！交叉处线型区分、起点高于终点（坡度方向）、路线连续不断——这三点是一张合格的过山车设计图的基本要求。好，两种方法都教给大家了，现在各组用三分钟完成你们的方案设计图，然后开始搭建！
【知识点】8：方案设计方法2——"纸面设计法"。绘制轨道路线图要注意的五个要点：①交叉处用实线（上方轨道）和虚线（下方轨道）区分上下层；②关键位置加文字说明（最高点、弯道、交叉处），图文结合更清晰；③用箭头标注小球从起点到终点的运动方向；④明确标注起点和终点位置；⑤路线必须保持封闭连续——起点→轨道→终点全程连通，没有断头。方法1（绳子）和方法2（纸面）可以结合使用，先用绳子摆出大致形状，再画到纸上细化。
在纸上设计的过山车轨道路线图（含示意图和文字说明）
【过渡语】方案设计完成了，真正的"施工"阶段开始了。请大家按照刚才画好的设计图来搭建——记住，搭建过程也要遵守几条规则哦！
（五）实施方案：搭建你的过山车模型
【教师活动】正式搭建之前，有三条搭建要求请大家牢记：第一，严格按刚才画好的设计图来搭建——设计图就是你的"施工图纸"，不要边搭边改。如果搭建过程中发现设计有问题，应该在图纸上先修改再施工。第二，搭建完成后到老师这里领取小球进行测试——先自己测试，发现问题及时调整。第三，全班总用时为15分钟——时间有限，各组要合理分工、高效合作。建议每组选出一名"总工程师"负责对照图纸指挥搭建，其他成员分别负责支架搭建、轨道铺设和质量检查。开始吧！
【知识点】9：搭建过山车模型的三大施工要求——①按设计图搭建：图纸先行，施工在后。如有修改先改图纸——培养"先设计后施工"的工程意识；②完成搭建后领取小球测试：测试是检验设计的唯一标准——小球能否顺利滚完全程？是否脱轨？速度是否合适？发现问题回到图纸分析原因并调整；③总用时15分钟：有限的时间要求各组高效协作、合理分工——这是在模拟真正的工程实践中的"时间管理"，也是STEM教育中"工程实践"能力的重要体现。
搭建要求示意图
参考示例一：塑料积木搭建的过山车
【教师活动】这里给大家展示几种不同材料搭建的过山车成品图，供参考——先看第一种：用塑料积木搭建的过山车。可以看到积木柱子作为支架撑起了不同的高度，轨道槽卡在柱子上形成了从高到低的坡度，弯道部分用弧形积木连接——整个结构稳固、轨道线清晰。你们也可以参考这种搭建方式。
参考示例二：塑料软管搭建的过山车
【教师活动】第二种：用塑料软管搭建的过山车。软管的优势在于可以随意弯曲成各种曲线——S形、大回环都可以实现。但软管比较软，需要用支架（积木、书本、重物等）在不同位置把软管撑起来。注意软管的接口处要用胶带缠紧，防止小球滚到接头时被卡住。
塑料软管搭建的过山车成品
参考示例三：泡沫保温管做成的过山车
【教师活动】第三种：用泡沫保温管做成的过山车。泡沫保温管轻便、容易切割和拼接，也是一种很好的搭建材料。泡沫管的管壁比较厚，小球在管道内滚动时不容易脱轨，但泡沫管的表面摩擦力比较大，小球可能减速较快——因此用泡沫管搭建时需要把起点设得更高一些，以补偿摩擦带来的能量损失。
【知识点】10：不同材料的搭建特点——①塑料积木：结构稳固、轨道槽防脱轨、弧度拼接灵活；②塑料软管：弯曲自由度最高，可做各种曲线，但需支架固定和接口防卡；③泡沫保温管：轻便易切割，不易脱轨但摩擦力较大——需提高起点高度补偿能量损失。选择材料时要综合考虑搭建难度、防脱轨效果和材料的物理特性。不论用哪种材料，核心原则不变：起点高、坡道顺、弯道合理、接口平滑。
泡沫保温管做成的过山车成品
【教师活动】各组的搭建进入最后阶段——提醒大家：一定要保留好自己的过山车模型，不要拆除不要弄坏——下节课我们要对每组作品进行测试和评比！到时候每个组都要展示自己的过山车，让小球真实滚动，全班一起观察和评价。所以请小心保管，课后放在教室指定位置。
保留好过山车，下节课进行测试！
三、课堂练习（约3分钟）
选择题
1. 过山车模型中，小球能自动从高处滚下来的原因是（ ）。
A. 有发动机推动
B. 从高处滑下，受重力作用
C. 轨道有磁力吸引
2. 关于过山车轨道设计，下列说法正确的是（ ）。
A. 只需要直线轨道就可以做出过山车
B. 只需要曲线轨道就可以做出过山车
C. 需要同时有直线轨道和曲线轨道
3. 过山车模型中小球脱轨最可能的原因是（ ）。
A. 轨道总长超过了2米
B. 弯道太急或轨道边缘没有防护
C. 轨道中包含了直线轨道
答案：1.B 2.C 3.B
四、课堂小结
● 过山车由底座（支架）、轨道（路线）、车厢（小球）三部分组成。
● 过山车同时包含直线运动和曲线运动：直线轨道上走直线，曲线轨道上拐弯。
● 过山车运动的特点：坡度大时上坡慢、下坡快——重力是最重要的"动力来源"。
● 制作过山车模型的三项标准：①轨道总长≥2米 ②包含直线轨道和曲线轨道 ③小球滚完全程不脱轨。
● 工程设计的基本流程：分析需求→选择材料→设计方案（绳子或纸面）→搭建模型→测试改进。
● 保留好自己的过山车模型，下节课进行全班测试和评比交流。
五、板书设计
课题 3.7 设计和制作"过山车"
过山车结构 底座（支架）+ 轨道（路线）+ 车厢（小球）
运动形式 直线运动（直线轨道） + 曲线运动（曲线轨道）
运动特点 坡度大→上坡慢、下坡快（重力驱动）
制作标准 ①轨道总长≥2米
②有直线轨道和曲线轨道
③小球滚完全程不脱轨
设计方法 绳子摆线法 / 纸面设计法（实线虚线交叉、箭头指向、起点终点标注）
工程流程 分析→选材→设计方案→搭建→测试→改进

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