LE IMPLICAZIONI DELLA RICERCA IN DIDATTICA DELLA FISICA SULL'INSEGNAMENTO ALLE SCUOLE SUPERIORI E ALL'UNIVERSITA

 

Jenaro Guisasola Aranzabal

Department of Applied Physics I, Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea

wupguarj@sp.ehu.es

 

1.  INTRODUZIONE

La preoccupazione rispetto all'insegnamento-apprendimento della Fisica è fondata sulla differenza osservata tra ciò che viene insegnato e quanto lo studente impara.  Questa discrepanza è stata evidenziata in molte ricerche riguardanti l'apprendimento della Fisica alle scuole superiori e all'università [1-3].  Fortunatamente, queste ricerche hanno reso possibile trasformare questo problema da argomento del quale si parla fra insegnanti al caffè, dove prevalgono gli aneddoti e le osservazioni soggettive, in informazioni documentate dalle quali si possono fare nuove proposte.  Perciò, le nuove proposte hanno bisogno di essere fondate sulla teoria in modo da evitare qualche cosa che abbiamo già visto; innovazioni basate sulla buona volontà che hanno prodotto confusi entusiasmi senza però avanzamenti effettivi.

 

Durante gli ultimi venti anni c'è stato un movimento che riconosce il bisogno di creare e condurre ricerche riguardanti proposte innovative per l'insegnamento della fisica.  La nostra posizione/convinzione è di sviluppare un modello che vada bene per l'attuale struttura universitaria, che prevede corsi introduttivi di fisica per molti studenti, ma basato sui principi educativi emersi come un'alternativa ai fallimenti prodotti nella scuola negli ultimi decenni e che sono estesamente riportati in letteratura [4-7].  L'applicazione di questi principi ad un corso introduttivo standard produce un risultato che è molto diverso da quello dei corsi tradizionali.

Lo scopo di questo articolo è di proporre in modo succinto, gli obiettivi e le basi teoriche della nostra proposta per corsi introduttivi di Fisica negli ultimi anni della scuola secondaria (età 16-18 anni) e per i primi corsi all'università.  Una proposta che tiene conto dei risultati recenti della ricerca in didattica della Fisica.

 

2.  OBIETTIVI E BASE TEORETICA DELLA PROPOSTA

L'obiettivo di qualunque progetto didattico è di trasformare il livello delle abilità intellettuali degli studenti da uno stato iniziale ad uno finale.  Considereremo i tre problemi fondamentali che dobbiamo risolvere per raggiungere questo obiettivo:

1) Che cosa conoscono e come ragionano gli studenti di Fisica mentre sono nello stato iniziale precedente all'istruzione universitaria?

2) Qual è lo stato finale desiderato di sviluppo intellettuale dopo l'istruzione, e quale è la conoscenza basilare e i processi cognitivi necessari ad ottenere il risultato desiderato?

3) Quali sono i metodi per implementare del modello che renderà possibile per lo studente di riuscire passando dallo stato iniziale a quello finale?

 

2.1.  Qual è lo stato iniziale dello studente?

Come abbiamo fatto cenno nell'introduzione, c'è un corpus continuamente crescente di ricerche che evidenziano le concezioni difformi e i processi iniziali della conoscenza che gli studenti portano con loro nei corsi di Fisica [8].  Quando gli studenti ascoltano una lezione, studiano il libro di testo o osservano una esperienza di fisica, interpretano queste informazioni sulla base della struttura della conoscenza che possiedono.  Queste strutture spesso includono concetti intuitivi o "concezioni difformi" che risultano essere molto resistenti ad essere cambiate.  Negli studenti sono anche presenti procedure e maniere di ragionamento che la letteratura chiama "senso comune" e che si caratterizzano perché sono alternative alle procedure usate in campo scientifico.  Questa metodologia del 'senso comune' ha fra le sue caratteristiche un trattamento qualitativo di casi particolari dai quali vengono tratte conclusioni generali, senza ricercare la coerenza fra i diversi casi.  Ma la nascita della Fisica come scienza è una manifestazione di una conoscenza diversa dal "senso comune." La Fisica significa una rottura con una struttura conoscitiva basata su trattamenti qualitativi, su evidenze emotive invece di affermazioni definitive e certe [9-10].  Inoltre, la letteratura segnala che la maggior parte studenti ha concezioni erronee sia riguardo alla natura della conoscenza scientifica che sui processi di apprendimento delle scienze [11]. 

 

Riassumeremo qui in modo molto conciso alcune delle idee messe in evidenza nella letteratura sui problemi menzionati:

A. Gli studenti considerano la conoscenza scientifica come una raccolta fissa e immutabile di fatti e formule senza relazioni tra loro e con scarsi collegamenti col mondo reale.

B. Il loro ruolo come studenti consiste nel memorizzare i fatti e le formule per poi ripeterle all'esame.  Così, gli studenti tendono ad apprendere in modo passivo.

C. Le loro strategie di apprendimento pongono un'enfasi eccessiva sulle abilità di basso livello, quali la memorizzazione, l'uso acritico di modelli matematici, ..., invece che su quelle di alto livello quali analisi, sintesi e auto-valutazione.

D. Gli studenti non usano la loro conoscenza concettuale della Fisica per analizzare il problema in modo qualitativo, non pianificano la possibile soluzione prima di iniziare le manipolazioni numeriche ed algebriche delle equazioni, non ragionano sulla strategia da seguire nella soluzione, o valutano il risultato ottenuto.

 

2.2.  Qual è lo stato finale che desideriamo lo studente raggiunga?

Per determinare un appropriato stato finale di conseguimento intellettuale per gli studenti nel nostro corso introduttivo di Fisica, abbiamo tenuto in considerazione l'abbondante letteratura relativa agli obiettivi da raggiungere nei corsi introduttivi di Fisica durante i primi anni di Università.  Gli obiettivi principali per gli studenti sono:

1) Apprendere i principi fondamentali della Fisica (cioè le leggi riguardanti la forza, la conservazione dell'energia, la conservazione del momento, le leggi di Maxwell).

2) Apprendere le abilità generali di problem solving cosicché potranno poi applicare i concetti appresi in situazioni nuove.  Ciò significa che dovrebbero usare le procedure usate dai fisici e dagli ingegneri nella soluzione dei problemi e sulle questioni scientifiche.

 

Per raggiungere questi obiettivi, gli studenti hanno bisogno di ristrutturare la loro conoscenza pre-esistente cosicché i concetti fondamentali e i principi della fisica possano essere interpretati in modo significativo e usati per risolvere situazioni problematiche.  Per giungere a questo livello, devono potere produrre una descrizione del problema che ne faciliti la sua soluzione, fare delle scelte assennate per raggiungere una soluzione e poi controllare e valutare la soluzione.  Come accade in altri contesti, le abilità procedurali sono acquisite e perfezionate attraverso la loro pratica.  Dire che devono definire il problema o eseguisce un'analisi qualitativa prima di scrivere qualche equazione, non è sufficiente.  Svolgere delle attività mirate a praticare queste procedure in classe è un dovere e nella prossima sezione vedremo le implicazioni di tali considerazioni.

 

2.3.  Quali processi didattici rendono possibile agli studenti il progresso dallo stato iniziale allo stato finale?

La ricerca sulle concezioni difformi ha rivelato il basso livello della conoscenza concettuale e procedurale raggiunta dagli studenti.  Questi risultati rivelano le maniere di ragionare che di solito apprendono dal nostro insegnamento e il tipo di abilità cognitive che sono privilegiate nei corsi di Fisica.  Noi insegnanti dovremmo essere consapevoli dei risultati ottenuti dalla ricerca sull'educazione scientifica e, più concretamente, del fatto che una delle difficoltà principali dell'insegnamento per trasmissione è che non si insegna agli studenti come ragionare nelle scienze, ma piuttosto esso mostra come usare procedure specializzate e il linguaggio scientifico per argomentare coerentemente usando quella base di conoscenza.  Come conseguenza l'approccio tradizionale che usa la soluzione di problemi come un mezzo per insegnare la Fisica è ostacolato dal fatto che molti studenti sono incapaci di risolvere i problemi ("capisco la teoria, ma non posso risolvere i problemi" o "capisco i problemi riportati come esempi nel testo ma quelli nell'esame sono molto diversi").

 

Questo ha dato origine a proposte che—trascurando alcune piccole differenze—adottano fondamentalmente una concezione dell'apprendimento come costruzione attiva della nuova conoscenza da parte dello studente, che la costruirà necessariamente sulla sua conoscenza precedente.  Possiamo parlare così della comparsa di un modello costruttivista di apprendimento delle scienze che consideriamo essere un utile punto di partenza per progettare un insegnamento che fa avanzare gli studenti dal loro stato iniziale di conquista intellettuale fino al livello finale desiderato [12].  Ovvero, un tipo nuovo di insegnamento che permetta di spostare gli schemi concettuali dello studente verso le concezioni scientifiche attualmente accettate come corrette.  Queste concezioni costruttiviste dell'apprendimento hanno condotto al progetto di vari modelli istruttivi che condividono l'interesse nel promuovere un cambiamento concettuale (andando da uno stato iniziale ad uno finale desiderato).  Più precisamente, la strategia dell'apprendimento che possiamo chiamare cambiamento concettuale ha i seguenti importanti elementi che la differenziano: l'identificazione delle idee che studenti già hanno e la creazione di conflitti cognitivi che generano insoddisfazione verso queste idee.

 

Ancora, nuovi contributi della Storia e Filosofia della Scienza sottolineano che i cambiamenti scientifici, o rivoluzioni, non solo trasformano la vecchia teoria ma avvengono cambiamenti anche nella maniera di vedere il mondo (componente ontologica), nelle forme del ragionamento (componente epistemologica), nei metodi (componente metodologica) e nei valori propri e negli scopi della teoria nuova (componente assiologica).  In particolare, i cambi che avvengono nella teoria "accettata" —cambiamenti "morbidi" se paragonati ai cambiamenti paradigmatici o rivoluzioni scientifiche— sono graduali, per il fatto che la teoria da cambiare ha a suo credito molti risultati positivi e  che esistono stadi di modificazione parziale mentre una teoria nuova che promette buoni risultati viene esplorata.  È solo dopo avere risolto un numero sufficiente di "nuovi" problemi che questa fase esplorativa può condurre alla sua reale "accettazione".  Nel frattempo, elementi nuovi vengono incorporati nella vecchia teoria senza che essa sia abbandonata.  Inoltre, questo cambiamento è un processo collettivo influenzato non solo dai criteri interni di validità rispetto al proprio corpus teoretico, basato sulla logica deduttiva, ma anche da criteri esterni di validità, come valori personali, contesto sociologico della comunità scientifica, pressioni politiche, ecc.  Perciò quando uno di questi cambiamenti avvengono, ci sono anche trasformazioni epistemologiche e assiologiche, oltre alle trasformazioni dei concetti della vecchia teoria.

 

In accordo con questo, il cambiamento concettuale non può avvenire se noi teniamo in considerazione solo le concezioni precedenti; questo deve essere invece accompagnato da cambiamenti metodologici, assiologici e ontologici profondi [13-15].  Le maniere di ragionare associate alla 'metodologia del senso comune' degli studenti sarà una delle difficoltà principali del cambiamento concettuale e possono essere identificate dalle loro caratteristiche come quelle descritte nella sezione 2.1 e riguardanti lo stato iniziale degli studenti.  Le considerazioni precedenti implicano che gli studenti saranno capaci di superare solo la metodologia del 'senso comune' e di conseguenza di costruire la conoscenza attraverso la pratica, guidati dall'insegnante, di aspetti essenziali della metodologia scientifica come immaginare soluzioni di problemi sotto forma di ipotesi, ideare esperimenti per la verifica delle ipotesi, ecc.  Perciò, diciamo che una strategia d'insegnamento focalizzata sull'affrontare situazioni del problema più o meno aperte, che hanno qualche interesse e in una maniera che sia coerente con la natura del lavoro scientifico col quale vogliamo che lo studente si familiarizzi.

 

Il modello dell'insegnamento/apprendimento della Fisica come ricerca orientata che proponiamo consiste nel mettere gli studenti nella situazione di "ricercatori inesperti" che hanno l'appoggio dell'insegnante come esperto.  Questa proposta inspirata dal periodo di addestramento dei ricercatori, durante il quale divengono familiari con le caratteristiche del lavoro scientifico mentre affrontano problemi conosciuti a quelli che dirigono la ricerca.  In questo processo, i direttori della ricerca possono orientare correttamente il lavoro dei ricercatori inesperti e facilitare il loro rapido progresso.  In accordo con questa metafora, l'insegnante (che agisce come direttore della ricerca) aiuta gli studenti a porre le domande convenienti e cogliere le sfumature, o riformulare i risultati ottenuti dagli studenti (che agiscono da tirocinanti)

 

3. INSEGNARE E IMPARARE LA FISICA SECONDO LA METODOLOGIA SCIENTIFICA

Sono state sviluppate delle strategie didattiche (lavoro in gruppo, soluzione di problemi in collaborazione) e sono state usate con successo nel livello Secondario e in classi poco numerose (25-35 studenti) per insegnare concetti e risolvere problemi [16-19].  Gli elementi di una classe di scienze con un orientamento costruttivista come quello schematizzato in precedenza, tenterà di dare priorità a quei fattori che hanno dato prova che possono migliorare l'apprendimento.  A questo scopo, in figura 1 abbiamo rappresentato i tre componenti principali del modello chiamato insegnamento/apprendimento come ricerca orientata.

 

 

Figura 1. Elementi essenziali di una classe secondo il modello di insegnamento/apprendimento come ricerca orientata.

 

3.1.  Cambiamenti nel lavoro

Il primo elemento (compiti) risponde allo scopo cognitivo già spiegato, secondo il quale l'apprendimento è aumentato quando lo studente deve affrontare da solo argomenti contenuti nel curriculum della scuola utilizzando appropriate, interessanti situazioni problematiche aperte.  Questi compiti sono preparati dall'insegnante o dal gruppo d'insegnanti precedentemente alle lezioni, sotto forma di programmi di attività che tentano di prevedere lo sviluppo del programma e di tenere in considerazione prima che accadono, le deficienze concettuali e procedurali degli studenti, così spesso collegate alle loro idee difformi.  Questa nuova percezione del curriculum, centrata maggiormente su quello che lo studente deve fare, viene fortemente sostenuta da esempi basati sulla pratica costruttivistica.  In questo senso Millar e Driver [20] evidenziano che dobbiamo tendere verso una nuova idea di curriculum, che dovrebbe spostarsi dal prescrivere i contenuti e le abilità che lo studente deve acquisire, a un’idea centrata sulle attività del programma attraverso le quale quella conoscenza può essere ricostruita e quelle abilità possono essere acquisite.

 

Nel definire il programma delle attività per ogni studente, viene seguita la continuità negli argomenti per determinare i contenuti specifici, i diversi contesti per ogni concetto, la focalizzazione su concetti cruciali e principi, l'uso di strategie esplicite di problem-solving, e di situazioni problematiche ben inserite nel contesto, e utilizzando metodi di valutazione per rinforzare il comportamento desiderato nello studente [21].  L'adattamento del modello ad una classe numerosa di Fisica introduttiva richiede la ristrutturazione del corso.  Questo sarà basato su un programma di attività, in modo tale che quanto fatto in classe abbia le seguenti caratteristiche:

 

A. Proporre situazioni problematiche interessanti che favoriscono la costruzione di un corpo coerente di conoscenza.

B. Approccio qualitativo alle situazioni problematiche allo scopo di renderle più precise e così definirle come problemi.  In questo stadio gli studenti devono rendere espliciti i loro schemi concettuali.

C. Affrontare la soluzione del problema delimitato nel punto precedente in modo scientifico.  Uno stadio complesso che richiede l'introduzione di concetti, il proporre delle ipotesi, l'elaborazione di strategie per realizzare o eseguire un progetto per una sperimentazione e l'analisi dei risultati.

D. Proporre l'uso della nuova conoscenza in situazioni differenti, e più precisamente, attribuire una importanza speciale alle relazioni Scienza/Tecnologia/Società e a situazioni problematiche nuove per continuare la ricostruzione della conoscenza ad un livello più profondo.

 

3.2.  Cambiamenti nella struttura

La struttura organizzativa della classe deve tenere presente il carattere sociale della costruzione della conoscenza scientifica.  Organizzare la classe in piccoli gruppi di studenti in modo simile ai gruppi di ricerca, che lavorano sulle attività sotto la direzione e la guida dell'insegnante, può favorire la costruzione della conoscenza. 

 

3.3.  Cambiamenti nel funzionamento delle classi

Un terzo elemento cruciale in questo tipo di classi è la convinzione che il funzionamento di questi gruppi non è autonomo, ovvero, le interazioni all'interno dei gruppi e tra i gruppi e la comunità scientifica rappresentata dall'insegnante, dal libro di testo, ecc. sono tali che le situazioni presentate dal problema possono essere modificate da suggerimenti (feedbacked), completate, convalidate o confutate.

Nel nostro corso introduttivo di Fisica viene dato molto spazio alla discussione nelle classi durante la soluzione delle questioni.  Una sessione dedicata alla discussione, di solito si compone di tre parti: introduzione, compito (un problema) per l'attività di lavoro cooperativo e conclusione.  Per primo, l'insegnante delinea brevemente lo scopo della lezione.  I gruppi vengono formati in modo informale, tra studenti che occupano posti vicini nella classe.  L'insegnante esorta i gruppi di studenti ad eseguire il compito.  Agli studenti di solito viene lasciato un pò di tempo per pensare ad ogni attività, che deve essere aggiunto al tempo speso nelle ore fuori dalle classi, sia individualmente che con l'insegnante durante le ore di tutoraggio.  L'insegnante osserva i gruppi, fa una diagnosi dei problemi ed interviene per guidare un gruppo solo quando da soli non avanzano abbastanza.  Alla fine di ciascuna attività l'insegnante scrive sulla lavagna i risultati trovati dagli studenti e riformula i problemi allo scopo di correggere questioni concettuali.

 

Per aumentare l'efficienza nel problem solving dei gruppi cooperativi, si possono formare gruppi di lavoro più stabili e questi gruppi lavorano insieme sia alla risoluzione dei problemi che nelle esperienze di laboratorio.  Questi gruppi devono scrivere sei relazioni durante il corso, dove devono includere la soluzione di sei "problemi aperti" che vengono a loro assegnati durante il corso.  Queste relazioni sono corrette dall'insegnante e contribuiscono al voto finale.  La formulazione, la soluzione e la discussione di questi problemi viene eseguita in sei le sessioni di 2 ora ciascuna, che corrispondono alle sessioni tutoriali.

Se abbiamo modificato il compito, la struttura della classe, e abbiamo organizzato contatti tra gli studenti e la comunità scientifica, e, se oltre agli obiettivi concettuali, abbiamo intenzionalmente cercato di instillare nei nostri studenti le capacità procedurali e metodologiche, il sistema di valutazione da usare deve essere coerente con le caratteristiche del modello seguito, ovvero:

La valutazione deve includere tutti gli aspetti dell'apprendimento (concettuale, procedurale e attitudinale.

La valutazione deve essere condotta con criteri trasparenti che rinviano agli obiettivi fissati e sui contenuti svolti.

La valutazione avviene durante tutto il processo di apprendimento, essendo le attività di valutazione integrate in esso.

La valutazione deve aiutare gli studenti nella conoscenza e nella regolazione dei loro progressi.

 

4.  CONCLUSIONI PROVVISORIE

Nell'ambito della struttura della proposta che stiamo praticando in classe utilizzando questi 'programmi di ricerca' o 'programmi di attività' possiamo dire, provvisoriamente, che gli studenti che hanno lavorato in essi, non solo apprendono i concetti insegnati ma che anche usano argomenti e forme di ragionamento che sono più elaborate e sviluppate.  I risultati ottenuti dagli studenti che apprendono secondo questo esperimento sono significativamente migliori per quanto riguarda l'apprendimento.  Il progetto sperimentale come pure i risultati che otteniamo sono materia di studio in diverse tesi di dottorato in Didattica della Fisica che sto seguendo nel Dipartimento di Fisica Applicata I dell'Università del Paese Basco (Spagna) [22].  Dopo alcuni anni di utilizzo dei nostri materiali, stiamo ora sviluppando una nuova ideazione di questi strumenti allo scopo di controllare la comprensione raggiunta dagli studenti.  Questi strumenti mirano ad analizzare l'efficacia del programma di attività sviluppato e per questo scopo abbiamo messo a punto una serie di questionari per analizzare il grado di comprensione dei concetti insegnati e la maniera di ragionare quando devono affrontare situazioni problematiche differenti.

 

Come esempio dei risultati ottenuti, viene riportata la percentuale di studenti iscritti all'esame (vedi grafico 1) nella nostra materia iniziando da due anni prima che abbiamo introdotto il cambiamento nel nostro metodo d'insegnamento.  Viene anche riportata la percentuale di studenti che hanno superato l'esame durante i primi tre anni di questa esperienza (vedi grafico 2) nel 1° anno di Ingegneria Tecnica Industriale.  Vogliamo puntualizzare che gli esami proposti vengono prima controllati da altri insegnanti nel nostro Dipartimento, che garantiscono che il livello scientifico degli esami sia adeguato.

 

 

Grafico 1.  Percentuale di studenti iscritti che provano l'esame.

 

 

Grafico 2.  Percentuale di studenti iscritti che superano l'esame.

 

Possiamo concludere che questi risultati mostrano uno straordinario miglioramento dell'efficacia dell'insegnamento, benché ci sia spazio per migliorare ancora.  Come esempio dell'accettazione da parte degli studenti di questa maniera di insegnamento, riportiamo i risultati di un questionario completato dagli studenti del 1° anno di Ingegneria alla fine dell'anno accademico 99/00.  Il questionario ha quattro sezioni: contenuti, maniera di lavorare in classe, atteggiamento verso la materia e sistema di valutazione.  Agli studenti è stato chiesto di manifestare su una scala da 0 a 10 il loro accordo o disaccordo con una serie di affermazioni contenute nel questionario.

 

Questione studiata

 

Valor medio ( )

1. Argomenti trattati

 

1.1 La quantità di argomenti era adeguata

 

7,2 (0,3)

1.2 Gli obiettivi erano definiti

 

7,1 (0,4)

1.3 Gli obiettivi perseguiti erano interessanti

 

7,2 (0,4)

1.4 La difficoltà delle attività era adeguata

 

7,5 (0,4)

1.5 I concetti erano connessi

 

8,3 (0,4)

2. Maniera di lavorare

 

2.1 Il metodo era adatto rispetto ai contenuti

 

7,5 (0,5)

2.2 Esistevano le condizioni necessarie per imparare

 

7,7 (0,4)

2.3 Le attività erano conformi all'argomento da apprendere

 

7,2 (0,4)

2.4 Idee adeguate provenivano dal lavoro in classe

 

8,0 (0,5)

2.5 Ambiente della classe adatto per lavorare

 

7,7 (0,4)

3. Coinvolgimento personale

 

3.1 Le lezioni erano interessanti

 

7,2 (0,5)

3.2 Partecipavo malvolentieri alla lezione

 

4,2 (0,7)

3.3 Sostengo il lavoro dell'insegnante

 

7,7 (0,4)

3.4 Clima di cooperazione

 

7,4 (0,4)

4. Sistema di valutazione

 

4.1 Il sistema di valutazione è adeguato

 

7,8 (0,3)

4.2 Era possibile riflettere e fare commenti durante l'esame

 

8,2 (0,4)

 

Tabella 1. Risultati del questionario completato dagli studenti del 1° anno di Ingegneria Tecnica Industriale

 

I risultati dell'innovazione che stiamo intraprendendo sostengono la nostra convinzione che individualmente le persone possono fare la differenza nella riuscita o meno dell'innovazione.  Questa convinzione non nasce da un sentimento altruistico o romantico, ma è corroborata da molte esperienze d'innovazione che la comunità scientifica ha riconosciuto come benefiche nel dominio della didattica della Fisica.

 

Per molto tempo, la conquista della qualità in didattica è stata una sfida sia per gli insegnanti che per i ricercatori, ma i piccoli investimenti nella ricerca didattica hanno fatto si che gli insegnanti erano lasciati alla propria buona volontà e intuizione.  I recenti cambiamenti nelle politiche educative e la ricerca incipiente nel campo specifico della scienza dell'educazione svolta da insegnanti competenti nella loro disciplina (Fisica, Chimica, Biologia, Geologia, ...) dà a noi insegnanti la possibilità di contribuire con innovazioni sempre più efficienti.  Perciò, per avanzare verso una didattica di qualità, la nostra innovazione deve fondarsi sulle ricerche riconosciute come valide dalla comunità dei ricercatori di scienza dell'educazione e abbiamo bisogno di condividere la conoscenza acquisita con altri colleghi.

 

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