《虚拟机器人》校本课程活动教案.docx
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《虚拟机器人》校本课程活动教案
《虚拟机器人》校本课程活动教案
活动内容：
一、初识虚拟机器人
活动地点：
机房
课时：
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、通过观看相关视频，了解虚拟机器人的原理。
、完成账号的注册和登陆。
、初步掌握萝卜圈虚拟仿真软件平台的基本功能及使用方法。
活
动
过
程
课时：
课时
一、欣赏仿真机器人
同学们应该对机器人都有所了解了，那么虚拟机器人又是怎么一回事情呢？
因特网上有许多关于虚拟仿真机器人的视频，请大家来欣赏一下。
（一）、打开XX搜索，在视频页面中输入“虚拟仿真机器人”，搜索机器人视频。
（二）、挑选自己喜欢的视频进行观看。
（三）、了解虚拟机器人和实体机器人的异同点。
二、认识仿真平台
通过视频的赏析，同学们应该清楚了，虚拟机器人其实就是使用电脑客户端通过网络连接到仿真平台，在虚拟环境下模拟出来的机器人，其本质和实体机器人无异，机器人的搭建、程序的设计、各类场景任务的完成都可以在虚拟环境下进行。
我们今天开始要接触的是“”虚拟机器人，它是由杭州萝卜圈公司研发的一款虚拟仿真机器人平台，我们利用它进行机器人的各种学习，首先就让我们来认识一下这个平台。
（一）、注册成为会员
、在桌面上双击“”快捷方式，启动“萝卜圈三维机器人在线仿真平台”，在登录窗口中单击“注册”，在浏览器中显示注册网页。
、如实并负责地填写个人信息，单击“立即注册”成为会员。
提醒同学们，账号的密码应设置成自己容易记忆的字母、数字或特殊符号的组合。
为了账号的安全，设定的密码的位数应长一些，一般至少在位以上，如：
。
、登陆仿真平台
完成注册后，请同学们在登陆界面输入刚才注册的用户名和密码，登陆萝卜圈虚拟机器人平台。
三、练一练
我们很多的仿真任务都是在本地模式中完成的，接下来请大家点击左上方的“本地模式”，进入到本地模式界面，让我们一起来了解一下界面中各个板块的功能。
小组合作交流，汇报探索结果，教师补充。
四、小结
通过这次学习，同学们已经基本了解了虚拟机器人的原理并熟悉了虚拟机器人软件平台的使用方法，下节课我们就可以开始搭建属于自己的机器人啦，大家千万不要忘记这节课注册的账号和密码哦。
活动内容：
二、搭建机器人
活动地点：
机房
课时：
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、熟悉机器人搭建界面的各个功能。
、掌握视角切换的方法。
、会使用模板来提高搭建速度。
、发挥想象力构思设计机器人。
活
动
过
程
课时：
课时
展示范例机器人激发学生搭建兴趣。
师：
同学们，上节课我们初步了解了虚拟机器人的平台，这节课，我们来试试搭建属于我们自己的第一个机器人。
一、进入操作界面
首先请大家陆平台，然后点击“搭建机器人”选项，进入机器人搭建操作界面。
老师先来带着大家了解一下这一界面的基本功能划分。
l模型面板：
包含机器人所有模型，有控制器、驱动、安装块、传感器和其它大类。
l模型列表：
列出各个模型分类中所有模型。
l模板列表：
用户创建的模板，模板可保存经常使用的模型组合。
l菜单工具栏：
有文件、功能和操作个菜单，菜单下有相应的工具栏命令。
l属性面板：
在属性面板中设置直流电机、伺服电机、传感器的属性。
l机器人信息：
查看机器人零部件的数量，机器人的重量、尺寸等信息。
l机器人编辑区：
用于构建机器人的操作区，完成机器人零部件的安装等操作。
l视角控制面板：
调整查看编辑区的视角，完成视角旋转、缩放、移动等操作
二、探索尝试
通过老师的介绍后，大家应该对这些功能区有所了解了。
现在请同学们动动脑，动动手，从模型面板中选择自己喜欢的模型，放到机器人编辑区，注意视角的控制和安装点的点选，看谁能组装出属于自己的第一台机器人！
三、问题解决
（一）、机器人搭建首先需要选择好控制器，这是机器人的主体，没有控制器，其他的零件是无法起作用的。
（二）、控制器安放是有方向的，编辑区蓝色坐标轴的方向为机器人前方，学生容易出现错误。
（三）、在旋转视角时，切忌用鼠标左键进行拖动，这会改变机器人零件的实际位置。
而应该使用视角控制按钮或者鼠标的右键和滚轮来进行视角切换。
（四）、轮子是和电机安装在一起，电机再和控制器连接起来，而不是直接把轮子安装到控制器上。
教师在巡视指导过程中，发现问题，适时引导讲解。
四、拓展延伸
其实在机器人搭建的过程中，我们还可以使用一些小技巧来提高搭建的效率。
教授“模板”的使用方法，把一些多次使用的零件组合创建为模板，可以直接拖出来重复使用。
五、秀一秀
通过电子教室“学生演示”的功能，请同学们来展示一下自己的个性机器人，大家来评评谁最有想象力和创造力。
学生点评，教师总结。
活动内容：
三、机器人直行任务
活动地点：
机房
课时：
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、掌握机器人搭建后电机的命名和端口设置；
、掌握简单直行程序的编写
、学会场景任务的仿真调试。
活
动
过
程
一、观看机器人直行效果
通过观看范例，大家已经明确了我们要完成的任务，就是让机器人从起点出发经过拱门到达终点。
二、搭建任务相应的机器人
（一）讨论机器人搭建设想
针对这样一个直行任务，我们需要搭建一个相应的机器人，那么大家觉得什么样的机器人比较适合这个场景呢，既简单又能快速完成任务？
学生小组讨论，汇报结果，形成共识，搭建一辆四轮汽车比较合适。
（二）尝试搭建
根据讨论结果，学生尝试搭建一辆四轮汽车。
选择合适的控制器、电机、轮子进行搭建。
（三）问题解决
学生可能会出现的问题：
、直接将轮子连接到控制器上的现象，要让他们明白轮子是靠电机进行驱动的，一定要把轮子和电机先进行连接，然后再安装到控制器上。
、在对电机进行命名的时候会出现混乱的现象，导致后期编程的麻烦
对学生进行规范，按照从左往右，从前往后的顺序对四个电机进行命名。
二、初识程序设计
那么如何才能让机器人往前走呢？
这就需要我们编写程序来控制机器人了。
请大家进入“编写程序”界面，我们一起来学习一下如何进行虚拟机器人的程序设计。
新授虚拟机器人模块化编程的基本使用方法。
三、探索尝试
初步了解程序设计的基本方法后，我们来尝试编写一个最简单的机器人直行前进的程序。
学生进行探索尝试。
教师巡视。
这里会出现一个问题，就是程序编写界面中，学生在设置四个电机速度的时候会发现列表中没有电机可选择，引出端口设置。
四、机器人端口设置
同学们在编写程序的时候发现电机列表中没有电机可选，也就无法进行速度的设置了，这是什么原因呢？
（老师讲授机器人端口设置和程序编写的关系）。
讲授完毕，请学生返回到机器人搭建界面来完成四个电机的端口设置。
进而完成机器人直行前进的程序编写。
五、仿真调试
有了机器人和相应的程序，接下来我们就可以去前进任务场景中进行仿真了。
请大家跟着老师一起进入到精彩的虚拟仿真世界吧。
（教授场景仿真的方法）
学生在前进任务的仿真过程中会出现一个问题，就是明明设置了四个电机一样的速度前进，结果机器人一直在原地打转。
教师通过在机器人搭建界面中的实际演示，让学生明白左右两侧的电机是对称安装的，其旋转方向就会刚好相反，因此为了让机器人能够直行前进，应该把左侧电机进行反转设置。
问题解决，学生继续操作，完成场景任务，并通过不断地调试提高仿真成绩。
六、展示、小结
通过电子教室软件进行作品展示，学生点评，教师补充小结。
活动内容：
四、机器人向左走任务
活动地点：
机房
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、初步掌握程序流程分析。
、掌握延时模块的使用方法。
、会对不同速度进行延时匹配。
活
动
过
程
课时：
课时
一、观看机器人向左走任务视频
通过视频的观看，大家可以明确我们要完成的任务，就是让机器人从起点出发经过拱门后左转再直行经过终点。
二、搭建任务相应的机器人
小组交流讨论，这一任务的机器人应该如何搭建，汇报。
得出结论，这一任务在本质上其实和前一章的机器人直行任务是一样的，只是在经过拱门后多了左转的动作，因此我们不需要重新搭建新的机器人，可以直接使用直行任务中搭建的机器人。
二、程序设计
那么如何才能让机器人经过拱门后进行左转呢？
小组交流讨论、汇报。
教师补充：
要进行左转的前提就是左侧轮子速度要慢于右侧轮子速度，且两侧速度相差越多，左转的幅度也就越大。
因此为了让车子快速完成左转，可以让左侧轮子反转，右侧轮子正转。
三、探索尝试
初步了解程序设计的基本方法后，我们来尝试在原有直行程序基础上添加做左转程序，完成任务。
学生进行探索尝试。
教师巡视。
五、问题解决
学生在尝试的过程中可能出现的问题：
（一）车子过拱门后什么时候开始左转，这个时间点很多学生掌握不好。
这里要引入一个延时模块，进行时间的设置，并进行多次调试
（二）同样的左转需要花多少时间，不同速度要搭配不同的时间，还要考虑到物理引擎中的惯性问题。
让学生明白，速度越快，所需时间也越少，要根据自己设置的速度进行调试。
问题解决，学生继续操作，完成场景任务，并通过不断地调试提高仿真成绩。
六、展示、小结
通过电子教室软件进行作品展示，学生点评，教师补充小结。
活动内容：
五、传感器机器人的“感觉器官”
活动地点：
机房
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、了解各类传感器的功能与用途
、明确传感器的工作原理及其检测到数据的意义。
活
动
过
程
课时：
课时
同学们，我们通过这段时间的学习，已经可以让自己的机器人动起来了，不过，现在的机器人都是我们来控制它运动的。
为了让我们的机器人更加智能，我们今天就要来给机器人安装上“感觉器官”，也就是传感器。
一、什么是传感器
传感器是机器人的“感觉器官”，是一种电子元件或装置，能响应或感知被测量的物理量或化学量，并按一定规律转换成电信号，以供机器人核心识别。
它就像人的眼睛、耳朵、鼻子一样，能够感应到周围环境的信息，并把这些信息传递给机器人的“大脑”。
有了传感器，机器人就变得更加聪明了。
一般包括以下几种类型：
.距离传感器
.障碍传感器
.灰度传感器
……
教师结合视频演示，简单介绍几种常见的传感器的功能。
二、探索尝试
传感器可以在仿真场景中检测到各种相应的数据。
请同学们来尝试安装几个不同类型的传感器，并结合前两节课的内容，选择一个场景来进行仿真测试，观察传感器返回的数据。
别忘了和身边的伙伴交流探讨哦，团队合作才能更好地完成任务！
（学生在安装传感器的时候可能又会忘记端口设置，教师根据实际情况进行引导解决。
）
同时，传感器的安装是有方向要求的，需要学生明确所安装的传感器是用来检测什么的，以及检测的方向是什么。
三、虚拟机器人传感器数据的意义
结合学生场景仿真中各类传感器检测返回的数据，教师可以简单介绍一下虚拟机器人中各类传感器的设置以及返回数据的意义。
、距离传感器：
用于检测传感器前方与物体之间的距离，返回值为的整型数值。
距离传感器最大检测距离为，超出其检测范围时返回。
、障碍传感器：
用于判断在指定的检测距离内有无障碍物，检测到障碍时返回，没检测到障碍时返回。
障碍传感器默认的检测距离为，最大检测距离为，最小检测距离为。
、灰度传感器：
将检测到的各种颜色转换为灰度值，使用的数值表示，其检测距离固定为。
转换方式按照计算机图像学公式进行转换，纯白色的灰度值为，纯黑色的灰度值为。
……
四、说一说
通过老师的介绍，请学生来说一说自己的机器人在场景中通过各个传感器检测到了什么数据，分别代表什么意义。
活
动
反
思
本课内容的学习对学生要求稍高，因此三年级段相对掌握有困难，四年级段学生之间差距也比较大，教师可以多设置几个简单的应用任务，让学生在运用的过程中发现问题，收获知识。
活动内容：
六、机器人循迹踢球
活动地点：
机房
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、学会如何根据任务选择传感器，并进行针对性安装。
、运用逻辑思维来分析任务。
、掌握判断模块的使用方法。
活
动
过
程
课时：
课时
一、观看范例，明确任务
学生观看范例视频，分组讨论明确循迹踢球任务。
让车子从起点出发沿着一条形黑色路线到达终点并碰到足球为完成任务。
那么我们如何让沿着黑线前进呢？
小组讨论得出结果，需要使用灰度传感器。
二、搭建机器人
我们可以在原有车子的基础上进行加装灰度传感器。
基本思路：
在车头左右各安装一个灰度传感器，根据路面的灰度值不同进行检测，然后控制电机转速实现循迹转弯……
三、程序设计
请大家来根据搭建的车子以及任务要求尝试设计循线程序。
小组讨论交流，探索尝试。
教师根据学生尝试结果进行补充：
对于地面颜色的区分，我们可以使用判断来判别，当灰度左检测到黑线时，车子应该向左调整，当灰度右检测到黑线时，车子应该向右侧调整。
其中循环模块和判断模块在指令库的控制类中寻找，小于模块在逻辑类中寻找！
学生继续探索尝试。
四、仿真调试
在尝试过程中，我们会发现，车子向左或者向右调整时，速度不可以太快。
请大家认真调试程序，来让车子顺利完成任务。
学生调试，并展示最终效果
教师点评。
活动内容：
七、智能前进
活动地点：
机房
课时：
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、掌握距离传感器的使用方法。
、逻辑分析智能前进程序设计思路。
活
动
过
程
课时：
课时
一、观看范例明确任务
看了视频（汽车总动员实例视频），同学们有什么疑问吗？
.汽车是怎样保持在赛道内行驶的？
.飞车是怎么实现的？
.道路两旁的得分物怎么去拿到？
……
我们首先来解决第一个问题，如何让汽车智能地沿着赛道内行驶而不会碰撞两侧的围栏？
小组探讨交流，得出需要使用距离传感器来检测车子离赛道左右两侧的距离。
三、机器人搭建
为了让车子能沿着赛道走，我们需要安装两个距离传感器来分别检测车身离两侧围栏的距离，由于车子前进有一定的速度，所以需要有一个检测的提前量，两个距离传感器检测的方向应该为斜前方。
可以给两个传感器设置一定的角度。
例如左侧距离传感器为度，右侧距离传感器为度。
学生尝试搭建，教师补充完善。
四、程序设计
为了让车子进行智能调整，我们需要一定的条件判断，并且进行循环。
学生小组交流探讨编程思路，教师补充。
当左侧距离大于右侧距离，车子应该向左侧调整，左侧电机速度要小于右侧电机速度。
当右侧距离大于左侧距离，车子应该向右侧调整，右侧电机速度应该小于左侧电机速度。
同学们可以通过多次的仿真测试来得出合理的速度搭配。
学生尝试，教师巡视指导。
五、仿真调试
仿真过程中，大家会发现车子可以智能沿着赛道前进了，但是在行进过程中，车身摇晃得很厉害，这是什么原因呢？
其实通过观察程序可以发现，一旦距离左和距离右不相等，车子就会进行调整，而在车子行进过程中距离左和距离右完全相等的情况几乎是不存在的，所以车子会一直调整，就会出现摇晃的现象。
请同学们开动脑筋来试试改良一下程序解决这个问题！
活动内容：
八、捡红外得分物
活动地点：
机房
课时：
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、掌握红外检测器的使用方法。
、配合红外检测器和伺服手臂编写捡得分程序
活
动
过
程
课时：
课时
一、看一看，想一想
大家通过范例演示可以发现汽车在赛道上行驶过程中，有一些得分物在靠近赛道两侧边缘位置，汽车无法碰触到得分物，这样就会漏掉很多得分。
那么如何才能拿到这些得分呢？
学生小组讨论，发表想法。
二、任务分析
为了让车子能捡到赛道两侧边缘的得分物，我们首先需要让车子能够检测到赛道两侧的得分物，而根据场景规则知道，得分物是会发射红外线的，所以我们可以使用红外探测器，把红外探测器安装在车头朝向两侧的位置。
同时，为了能碰触到赛道边缘的得分，需要让车身加宽，但同时为了增加汽车的通过性，最好能让车子在需要捡得分的时候可以瞬间加宽，没有得分的时候车身变窄，大家有没有什么好想法？
学生交流讨论，教师补充，通过伺服电机和安装块搭建一个可以甩动的得分手臂。
三、机器人搭建
展示伺服手臂范例，请学生观察，并进行尝试搭建。
教师巡视，个别指导。
四、程序设计
通过对红外探测器原理的了解，我们可以试试编写得分程序。
学生尝试，展示，教师补充。
得出：
当左侧红外探测值大于某个数值时，伺服电机设置为度即手臂往左边顺时针转度，当右侧红外探测值大于某个数值时，伺服电机设置为度即手臂往右边逆时针转度，当左右红外探测值都比较小时，则伺服电机设置为度即保持原位不动。
通过循环模块和判断模块完成捡得分程序的编写
五、仿真调试
对于伺服手臂左右甩动的红外检测触发数值该设置多少，请同学们通过调试来得出经验，并说说数值的大小对手臂状态的影响。
学生调试，交流讨论，分享结果，教师补充。
活动内容：
九、子程序设计
活动地点：
机房
课时：
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、了解子程序设计的意义。
、改变原有程序，将智能前进和捡得分封装成两个子程序。
活
动
过
程
一、看一看，想一想
展示使用了子程序后的主程序，请学生对比有什么区别？
学生：
更加精简且一目了然
师：
由于汽车总动员是一个综合性的场景任务，为了完成这个任务我们还需要编写多个和智能前进、捡得分类似的功能性小程序，为了让我们的程序不显冗长，同时方便灵活调用，我们可以使用子程序来封装各个功能性小程序。
二、子程序的编写方法
师：
子程序的编写可以在控制类指令库中点选子程序模块，并对子程序进行命名，想要编写几个子程序就点选和命名相应数量的子程序。
学生尝试把原有的智能前进和捡得分封装成子程序。
教师巡视指导。
三、子程序的调用
师：
以原有的程序为例，更改为子程序后，可以在把鼠标移动到永远循环模块的对号处，按住鼠标下拉，然后松掉鼠标就会出现快捷选项，选择流程中的调用子程序，然后点选想要调用的子程序名即可。
学生尝试采用子程序调用的形式修改主程序。
教师对于子程序调用中的格式问题进行指导。
四、拓展延伸
教师展示几个特殊的子程序，请学生观察，和我们刚编写的子程序有什么区别？
生：
这些子程序里还有子程序。
师：
对的，根据需要，子程序里面还可以调用其他的子程序，大家在以后的编程中可以进行尝试。
活动内容：
十、坡道飞车
活动地点：
机房
课时：
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、逻辑分析飞车程序设计思路。
、配合距离传感器、延时模块设计完成飞车子程序。
、通过仿真调试来合理调整具体参数。
活
动
过
程
一、看一看，想一想
展示飞车范例，请学生想一想，如何才能让车子在经过飞车路段时脱离赛道往前跃行一定的距离呢？
学生小组讨论交流、汇报。
二、任务分析
师：
为了让车子能在顺利飞车，首先我们要能对飞车路段进行识别。
由于飞车路段是拱起状的，根据这一特点，我们可以在车头朝正前方方向安装一个距离传感器来进行识别。
当识别车子已经非常接近飞车路段的时候，可以让四个轮子的速度保持一致并持续一段时间来规避距离传感器检测方向脱离赛道围栏的问题，同时为了让车子可以进行跃行，则四个轮子的速度要保证车子能脱离路面一段时间。
此外，在没有检测到飞车路段的时候则循环执行智能前进和捡得分。
三、机器人搭建
在车头左右距离传感器中间位置安装一个朝前方的距离传感器，命名为距离传感器前，用来检测车子与飞车路面之间的距离。
学生尝试搭建，教师巡视指导。
四、程序设计
在控制类指令库中选择条件循环，条件设置为距离前大于某个数值，当条件满足时循环执行子程序智能前进和捡得分，当条件不满足时说明车子接近飞车路段，则设置四个电机速度均为，并延时一定时间来完成飞车动作，完成后停止电机。
五、仿真调试
对于前距离传感器条件设置为大于多少数值，以及飞车延时持续多长时间，请学生自行调试，以能成功飞车，且能顺利执行飞车以后的程序为准。
调试完毕，学生展示，并交流自己调试的数据，教师补充。
活动内容：
十一、路口转弯
活动地点：
机房
课时：
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、会使用灰度传感器判断路口
、学会分析路口转弯程序流程。
、通过仿真调试合理设置各个参数。
活
动
过
程
一、看一看，想一想
展示车子经过路口的范例。
请学生观看后想一想，当车子经过如图所示的路口时，如何控制车子向左或者向右进行转弯呢？
学生小组交流探讨，汇报。
二、任务分析
师：
为了让车子能在够在路口顺利转弯，首先我们要能对路口进行识别。
从图中可以看到接近路口的四个方向的路面都会有一条白线进行标识，大家有没有什么想法呢？
学生继续讨论交流，汇报。
教师补充：
我们可以在车头朝下对着路面的位置安装一个灰度传感器来进行路面颜色识别。
当灰度传感器检测到白线（灰度值测量方法在循迹踢球一课已经学习过）的时候，说明车子已经非常接近路口了，这个时候可以停止四个电机，让车子靠着惯性停止在路口中间，然后再进行左转或者右转。
没有检测到白线的时候就循环执行智能前进和捡得分。
三、机器人搭建
在车头距离传感器下方的安装块处安装一个方向朝向路面的灰度传感器用来检测路面颜色。
学生尝试搭建，教师巡视指导。
四、程序设计
师：
经过取颜色值工具对白线路面的检测，得出白线路面的灰度值为，大家试试看，根据这一条件结合前面几章学习过的左转指令，能否编写出路口左转的程序？
学生尝试，教师补充：
在控制类指令库中选择条件循环，条件设置为灰度不等于，当条件满足时循环执行子程序智能前进和捡得分，当条件不满足时说明车子到达白线路口，则设置停止所有电机，然后进行左转并延时。
路口右转则只要把右侧电机反转，左侧电机正转即可，完成后停止所有电机。
五、仿真调试
对于转弯时候的速度以及延时，需要进行反复的调试才能得到正确的匹配。
学生进行调试，成功后进行展示，教师补充。
活动内容：
十二、计时分段
活动地点：
机房
课时：
活动
准备:
网络教室、范例
活动
目标：
、掌握使用计时模块对赛道进行分段程序设计的方法。
、会根据不同弯度的赛道调用不同速度的只能前进程序。
活
动
过
程
一、看一看，想一想
展示车子计时分段，不同段不同速度的范例。
请学生观看后想一想，为什么范例中的车子速度在不同路段都不一样呢？
学生交流探讨，汇报。
二、任务分析
师：
为了让车子能在够在不同路段调用不同的速度，我们首先需要编写几种不同速度的智能前进子程序，例如可以分为低速、中速、高速。
然后从起点出发开始计时，通过时间来进行分段，比如第一段路比较直，我可以用高速跑个秒，秒后赛道变得有点弯了，那就开始跑中速秒，秒以后赛道变得急弯了，那就跑个秒的低速，就这样一段一段接下去，配合捡得分、飞车、路口转弯来到达终点完成任务。
那么具体应该如何进行程序设计呢？
三、程序设计
师：
从驱动指令库中选取开始计时模块，循环条件设置为计时小于某个设定值，然后执行智能前进（高速、中速或者低速）和捡得分。
通过修改计时数值和调用不同速度的智能前进程序就能对赛道进行合理分段。
请学生尝试编写，教师巡视指导。
学生对于条件容易搞错大于和小于，需要进一步强调。
其中，智能前进低速、智能前进中速、智能前进高速三个子程序只需要在复制智能前进子程序后对速度进行修
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