智慧型代理人之課程物件順序推薦系統

An Agent-Based Recommender System for Course Sequences

楊錦潭*  林錦泓**  伍石能***

*臺灣高雄師大學共同科  E-mail:yangdav@nknucc.nknu.edu.tw

**臺灣高雄師大資訊教育研究所  E-mail:tombo@icemail.nknu.edu.tw

***臺灣中山大學資訊管理研究所  E-mail:wukurtis@yahoo.com

论著选摘

本研究的目的在於運用智慧型代理人技術, JADE 作為開發平台而建構一套根據SCORM 標準化的課程物件順序之推薦系統,以降低教師在網路上編撰教材的負擔。在 SCORM 標準化課程物件單元是選用計算機概論作為本研究試驗的教材。本系統中共有兩個代理人,一為使用者介面代理人(User Interface AgentUIA),另一為課程推薦代理人(Course Recommender AgentCRA),而兩個ontology分析輔助代理人分別作為「人與代理人」和「代理人與SCORM化教材」的溝通介面。前者作為接受教師的操作指令,而後者則是CRA推薦課程物件所需要用到的動作和資料屬性定義在ontology中,而代理人之間的溝通即透過此ontology而明白對方代理人的要求。本研究僅作為開端性引導結合代理人與SCORM標準化課程物件在教育方面的研究。

關鍵詞:SCORM 多代理人系統 課程物件 本體論

1  引言

隨著科技融入教學與網際網路的普及,教學方式不斷地創新,在網路上收集新知應用到教學變得相當重要。由智慧型代理人自動化的進行收集資料、整理資料,而後應用於教學,這是代理人系統在教育上所追求的目標之一。然而,目前做的最好卻是由教師上網而來進行編撰,因為就網路內容方面而言,目前網路內容無語意層次(Semantic Web),縱然收集到的教材亦無法在現有的編輯器如:Authorware 6.0上自動化進行編撰(Authorware公司對外宣稱是全世界最具有組合物件化課程的軟體廠商),除非目前網路上的課程物件化具有標準化的描述機制,而此標準化具有語意功能,同時由智慧型代理人自動化來負責,方能降低教師編撰教材的負擔。

基本上,課程順序的安排應該是教師的責任,由教師來決定怎麼教。由代理人來扮演教材管理者的角色,依據其與教師的互動中,再適時推薦適當份量的教材給教師。由資訊科技對於教育上的發展來看,從許多文獻整理出發現,網路教學的方向可以明顯看出三個方向。(1)課程物件化;2)網路教學的標準化;與(3)智慧型代理人的應用。

1.1 課程物件化

嚴格來說,全球在教育界投入課程軟體的製作的經費不可謂不多,但是由於早期缺乏課程物件化與制式規格,以致於教材難以整合,換言之,課程元件無法發揮重複使用的目的。所謂的課程物件是由資料物件(Data Object)指的是文字、圖形、聲音,視訊…等媒體,它是實際課程內容(Content)的最小單位。資訊物件(Information Object)則整合了不同資料物件於本文(Context)內。隨著上下文義的不同,同一個資料物件可能表示不同的含意。相關的資訊物件可進一步組合成為頁物件(Page Object)。至於章物件(Chapter Object)是定義課程資料階層架構的主要機制,它可包含子章節或頁物件而成一樹狀結構,如圖1所示。而位於整個課程架構的根節點的是課程物件。圖1中除了資料物件外,其他類型的物件都是屬於容器物件(Container Objects),主要用來劃分資料的階層關係。


 


1  課程物件化的架構圖

依據Schlichter(2000)的模型,課程物件實際上是經由組織整理後的資訊物件所組成。當這些資訊應用於問題解決時,實際上便屬於知識(Knowledge)的部分子集。然而如何在課程設計時,有效地組合此物件知識,可說是一重要課題。

1.2 網路教學標準化

目前教學網站亦如雨後春筍紛紛設立,問題也因此滋生。主要在於網路教學的課程結構需要標準化,現有網路教學課程的缺失有二即:(1) 課程物件製作規格不統一;(2) 缺乏後設資料,而造成課程物件之可重複使用性極低。

1)課程物件製作規格不統一:課程物件製作時是依據教材製作者的喜好、慣用的工具來製作。然而,教材製作方式種類眾多,製作者通常考量的是使用者與製作者的方便性。

2)缺乏後設資料(Metadata):由於缺乏後設資料,造成課程物件組合時之偶合性低,無法由機器來扮演組合功能。

因此,ADL(Advanced Distributed Learning)致力發展網路上課程物件的後設資料(XML方式儲存),讓網路課程物件架構成為一項標準。ADL所提出的標準為IMS Global Learning ConsortiumIEEELTSCLearning Technology Standards Committee)組織所建立。

1.3 智慧型代理人技術

Nwana & Ndumu 把代理人定義為「是軟體和/或者硬體的一個部分。它能夠嚴格地扮演著代表其使用者完成任務」[9]Huhns & Singh 把代理人定義為積極、穩定(軟體)的部分,它能夠感知、推理思考、行動扮演、通訊[8]Wooldridge & Jennings 提供代理人「薄弱」和「強烈」的兩個定義。前者是指代理人係硬體或者(更通常)是以軟體為基礎的電腦系統,滿足以下的性質:自治、 社會能力、回應、積極性;而後者是指包括薄弱定義加上如同人類感情的性質等概念[14]

至於「多代理人系統」(Multi-Agent System; MAS)係指多種代理人所形成的分散式環境,在多代理人系統環境中各種類型的代理人可協同其個別技術、知識、目標和計劃來解決分散式問題,完成整體多代理人的目標。

2  SCORM 的標準

SCORMTMShareable Content Object Reference Model)由美國國防部所提出的先進分散學習計畫(Advanced Distributed Learning)中的課程物件結構標準。在SCORM的理念有二:即 課程物件透過其標準化過程,課程物件形成有如電影標準影片規格; 播放課程內容系統,其功能有如放映機。因此不同之影片可置於同一部的放映機中來播放。如此一來,標準化的課程物件即可由智慧型代理人來進行課程物件組合。本研究是運用SCORM的「課程物件內容整合模式」(Content Aggregation Model)的來描述課程物件,以下說明「課程物件內容整合模式」:


2.1 課程物件內容整合模式

SCORM 的課程物件內容整合模式是為了呈現教學的設計者與教學者對課程物件組合所產生的教學中間模糊地帶所訂出的一個模式。一個教學活動是由一些電子式與非電子式的教學資源所組合成的活動,而這個活動是由一些被創造、收集或是組合在一起的簡單教學資源元件或是複雜的教學資源,根據所預先設計好的順序來組合出教學資源後,放置到教學中。所以 SCORM 的課程物件內容整合模式是支援此種元件式教學模組並由下列三種方式所組成: 內容模式(Content Model):定義出課程物件資源的內容。 後設資料(Meta-data):描述所定義出的課程物件資源內容的制式規格。 內容包裹(Content Packaging):定義出如何呈現教學活動的行為與如何移植到不同的環境中。

1)內容模式:包括三種型態,AssetSCOShareable Content Object)、內容組合。Asset 是課程物件內容最基本的型態,可以由不同的電子資料的檔案所組合,包括文字、圖片、聲音、網頁與其他可以被瀏覽器所讀取的檔案格式。一個 SCO 是一個或多個 Asset 的組合,包括可與 SCORM 的執行環境溝通的元件。內容組合則是敘述內容的架構,以方便組合成一個教學資源。

2)後設資料:這個部分是參考 IEEE LTSC 組織與 IMS 的學習資源兩個組織的 XML 後設資料連結規格書所訂定出來的。實體資料上有三種形式分別是針對內容模式中的三種型態來訂定。然而不管是哪一種型態全是參考同一種後設資料規格。而這些規格可以分成九類,每一類都是 XML 的一個標籤,一共定出80 XML 標籤:

一般(General):這是針對整個教學資料來描述一般性的資訊,如標題、架構。

生命週期(Lifecycle):這是用來描述這個教學資料在教學進行中時狀態。

後設資料(Meta-metadata):用來說明後設資料的項目。

技術(Technological):描述這個資源的技術與特性的資料,如格式、大小、位置、名稱等等。

教育(Educational):描述這個資源的教育或是教學的資料,如互動型態、互動等級、教學資源型態等等

版權(Rights):描述這個資源的理智適合的版權與使用的時機。

關係(Relation):描述這個資源與其他資源的關係。

註釋(Annotation):這個項目是為教育分類所提供的備註,讓引用課程物件者可以更瞭解此份課程物件的意義與用途。

分類(Classification):如果有多種分類系統同時進行時,這個分類可以應付一般分類的不足,描述多種分類的關係。

3)內容包裹:這個功能的主要目的在於提供一個標準化課程物件電子交換的方式,內容包括定義了課程物件內容的架構與課程物件資源所囊括的意向行為。

總之, SCORM 是目前遠距學習中,對課程物件格式規定最嚴謹的標準,而且這個標準是將課程物件分割成若干物件或元件後,再以代理人的推薦系統,如此一來可以提供教師自動化課程物件推薦系統。

3  研究方法

本研究的研究主軸為代理人、系統分析、課程物件內容。分別從這三個部分來尋找需要的工具與方法。在代理人部分採用 JADE 的開發平台,在系統分析的部分採用 UML 的格式,依據 RUP 的方法來發展本系統,在課程物件管理部分採用 SCORM 的標準。

3.1  系統發展

本研究的目的在於設計與實作出一套個人化 SCORM 課程物件順序推薦系統。同時採用 JADE 作為開發平台。在 SCORM 課程物件方面,選用計算機概論為本研究試驗的課程物件。


3.2  系統架構

                   2 系統架構圖

3  Protégé-2000 製作ontology過程

本研究之系統架構圖如圖2所示。使用者先啟用使用者介面代理人,當使用者介面代理人確定使用者後,可以引入使用者的喜好設定。使用者介面代理人會先與課程物件推薦代理人詢問課程物件單元,而課程物件推薦代理人會去課程物件資料庫索取單後設資料,使用者開始告訴使用者介面代理人使用者的需求,使用者介面代理人知道使用者的需求,經過 ontology 的確認與調整,使用者介面代理人與課程物件推薦代理人溝通,開始進行課程物件的推薦。當課程物件推薦代理人發現達到使用者的要求有困難時,課程物件推薦代理人再將訊息告訴使用者介面代理人轉予使用者,再由使用者更改需求或是改變決定,再次由使用者介面代理人與課程物件推薦代理人溝通,進而完成課程物件推薦程序。

4  ontology 圖示

Ontology在系統中扮演極重要的角色,由於在此系統中共有兩個代理人,一為使用者介面代理人(User Interface AgentUIA),另一為課程推薦代理人(Course Recommender AgentCRA),而兩個ontology輔助代理人分別作為「人與代理人」和「代理人與SCORM化課程物件」的溝通介面。前者作為接受教師的操作指令,而後者則將課程物件推薦所需要用到的動作和資料屬性與狀態定義在ontology中,而代理人之間透過此ontology就可清楚明白對方代理人現在要做甚動作,而需要的資料有哪些,都可以透過ontology的定義讓代理人可以瞭解。由圖4可以清楚的知道有關一個課程的屬性有必要的名稱、授課基本時間、屬於哪一個單元主題及他的學習階段。由於此系統之課程架構是以SCORM的課程為標準,所以本研究依據SCORM的內容整合模式的規格以及代理人的行為來制訂ontology,這些內容的意義都會定義在課程的相關XML中,如圖5所示,讓代理人透過ontologySCORM達到跨平台與元件化的目的。

 

CRA的動作形為有以上五種,分別是新增、移除、置換課程單元、重新設定課程單元時間和建立整個課程物件推薦架構,透過這些定義在ontology的動作,可以讓接收的代理人明確的知道要進行甚麼樣的動作。圖6中為部份ontology的程式碼,在此使用Protégé-2000,來製作ontologyProtégé-2000使用過程簡單,只需輸入定好的ontology的關係與資料型態,之後再下載jade bean generator for Protégé-2000的套件,則可自動轉成jade的格式,如圖6所示的程式碼即是由Protégé-2000jade bean generator自動產生的。不過,有一點必須注意,因為jade有版本上的差異,所以下載bean generator時必須吻合所使用jade版本,如此才能產生相對應的程式碼。

<relation>

  <kind>

    <source>

      <langstring>LOMv1.0</lanstring>

    </source>

    <value>

      <langstring>IsBasedOn</lanstring>        //定義將與之關連課程物件的關係

    </value>

  </kind>

  <resource>

    <catalogentry>

      <catalog>TCP_IP Protocol</catalog>

      <entry>

        <langstring>Introduction TCP_IP Protocol</lanstring>  //定義所關連課程物件的名稱

      </entry>

    </catalogentry>

  </resource>

</relation>

 

5  SCORM描述relation的程式碼範例

 

import jade.content.*;

import jade.util.leap.*;

import jade.core.*;

/** file: CATALOGENTRYPREF.Java           此為由bean generator 自動產生的程式碼

 * @author ontology bean generator

 * @version 2002/02/19

 */

public class CATALOGENTRYPREF implements Concept{

  //  Collection  catalogentrys

  private List catalogentrys = new ArrayList();

  public void addCatalogentrys(CATALOGENTRY o) { catalogentrys.add(o); }

  public boolean removeCatalogentrys(CATALOGENTRY o) {return catalogentrys.remove(o); }

  public void clearAllCatalogentrys() {catalogentrys.clear(); }

  public Iterator getAllCatalogentrys() {return catalogentrys.iterator(); }

  public List getCatalogentrys() {return catalogentrys; }

  public void setCatalogentrys(List l) {catalogentrys = l; }

}

6  CRA 中的ontology程式碼範例


4  系統實作與成果

4.1  系統展示

 

7 系統執行狀況

8  課程選擇過程

 

本系統啟動狀況如圖7。本系統為了可以讓代理人發揮其功用,以簡單的方式來與使用者溝通,讓大部分的工作由代理人來處理,課程的順序的安排先由代理人來處理,而使用者則是最後決策者的角色,決定代理人所安排的順序是否合乎要求。所以一開始使用者只需跟系統說明單元名稱與總時間,代理人根據使用者這些的要求,與課程物件資料庫溝通,根據課程物件的特性安排課程的順序。

藉由 SCORM 的標準,課程物件推薦代理人與課程物件資料庫中課程物件的後設資料,來瞭解課程物件的屬性、內容特徵甚至是一些特殊的要求如,呈現方式、課程物件困難度等等。如果使用者一開始的選擇即可完成一個課程,則課程物件推薦代理人不會再出現任何與使用者溝通的介面。如果使用者的一開始的選擇無法完成一個課程,課程物件推薦代理人會出現與使用者溝通的介面,如圖8與圖9

8顯示使用者所選擇的單元中有那些課程物件內容,顯示內容名稱讓使用者決定使用那些課程物件,而課程物件推薦代理人則會將與使用者溝通的訊息呈現在如圖4-3所呈現的訊息溝通視窗中。而與課程物件推薦代理人溝通時,總時間是一個很重要的因素,可以決定是否停止推薦的工作。每一個課程物件中的後設資料中都有描述此課程物件所應教授的時間,當所有課程物件的時間與總時間相差小於總時間的百分之十則課程物件推薦代理人則會停止推薦的動作,詢問使用者是否可以完成推薦作業了。

假設某教師要上120分鐘的課程,請代理人推薦。如圖7所示,首先設定課程時間為120,單位已經設定為分鐘,於標示1的輸入列位置。系統會出現目前所有的課程物件單元名稱,先由使用者選定一些想要教學的單元,於標示2的多重選單中,選下一步後則會顯示單元內容的細目資料,如單元的名稱、所需講授時間、課程物件內容等等均會顯示在視窗上,如圖4-2所示。此時標示1的視窗中標示之前所預選的的課程物件範圍,如果我選擇網路通訊協定的課程物件,課程物件內容中有簡單介紹何謂TCP/IP的通訊協定、IPX/SPX通訊協定、NETBUI通訊協定等等目前最常見的幾種通訊協定。一開始中標示234的位置均為空的,當我們在標示1的地方選定一個範圍的課程物件時,如TCP_IP Protocol,標示2的位置則會呈現此範圍中有哪些單元課程物件,展開此範圍課程物件,點選任一份單元課程物件,則可以在標示4的位置預覽課程物件內容,而想要選取這範圍中的課程物件,只需從標示2中的單元課程物件,使用滑鼠選取後拖曳至標示3的位置即可,反之從標示的地方拖曳至標示2的位置上則是刪除選取的單元課程物件。如果這些選完後,尚不足系統可以容忍的時間,容忍時間為總時間的10%,換言之總時間120分鐘的課程,容忍時間為108分鐘到132分鐘。


 

9  代理人完成課程推薦中訊息的溝通

10  完成課程推薦後的結果

代理人會通知使用者,請使用者再選定一些課程物件,如圖9所示。請使用者再加入一些課程物件,此時使用者加入新的課程物件。如果使用者所選取的課程物件超過所設定的時間,代理人也會在訊息視窗中通知使用者,「超過設定的總時間,請減少幾個課程」。使用者回到課程物件視窗後刪除一些選定的課程物件後,課程物件推薦代理人告知使用者,「所選定的課程符合限制」,當所選課程物件的時間數在容忍時間範圍內時,課程物件推薦代理人將會進行課程物件順序的推薦,此將會在下一節詳細介紹。例如,在選完有關網路協定的三份課程物件後,代理人通知尚有剩餘時間未使用,請在多選一些課程,此時,使用者只需回到課程細目視窗中,選擇一些想要增加的課程內容,或是更動已選擇的課程物件授課時間,來調整整個授課時間以達到容忍時間的允許範圍,相對的,如果想要刪減課程物件,也是利用滑鼠將課程拖曳出選定的課程單元範圍即可。系統將所選定的課程物件依據SCORM的標準包裝成一個課程,如圖10所示,如此一來教師可以依據這份推薦完成的課程物件來進行教學。

4.2  課程物件推薦代理人模組說明

 

11  課程物件推薦代理人模組

課程物件推薦代理人為本系統的核心,此代理人上與使用者的代理人溝通,瞭解使用者的需求,下與課程物件資料庫互動,讓使用者知道目前課程物件資料庫中課程物件的資訊。如圖11所示,課程物件推薦代理人可以分成三個模組。 Context User Model:此為記錄目前使用者喜好的模組,主要在記錄使用者使用過程的資料,並且回饋Lesson Planer模組的資料。 Communication Tool Kits:此為與使用者介面代理人溝通的工具模組,主要在轉換由使用者介面代理人所傳遞過來的訊息。 Lesson Planner:此為計畫安排課程物件的模組,主要功能在安排課程物件順序,也是整個課程物件推薦代理人的核心,而在安排順序過程中發生衝突時,亦是由此模組來處理。

整個課程物件推薦代理人的服務是由此三個模組所組成,一開始先由使用者介面代理人驅動通訊工具模組,將使用者的資料傳送過來,如總時間等,並且啟動使用者內容模組記錄使用者的資料。開始進行課程物件的推薦動作時,啟動課程計畫模組,當發生課程時間數不足或是超過總時間數,再與使用者溝通變動課程物件數,進而完成課程物件推薦的動作。

4.3  課程物件推薦過程

為了可以節省教師連貫課程物件的時間,課程物件推薦代理人會依據課程物件的特性先完成課程物件建議性的順序。SCORM的課程物件內容整合模式中,本研究利用後設資料來建立所有課程物件的關連性,如表4-1所示。利用關連(Relation)分類所描述課程物件之間的關係。例如: (1) 讓代理人可以瞭解哪一個課程物件應該先教,哪一份課程物件應該後教? (2) 要教一個單元時,是否有其他的單元必須先學會? (3). 教完某一個單元後,有哪些課程物件是延伸的單元?IsBasedOn為例,它用來代表這一份課程物件是延伸課程物件。這是課程物件後設資料中一項很重要的特性,當然,除了這一項外,還有其他很重要的,如General分類的TitleEntryTechnical分類的DurationEducational分類的Difficulty等等,由於SCORM的後設資料規定的項目多達80項,有許多部分是很少被使用。本研究從中挑選一些需要的後設資料做為代理人的ontology作為代理人可以瞭解整份課程物件的內容與格式,再依據使用者的需求依據課程物件的特性來為使用者完成一份課程課程物件的順序。

1  Relation分類中 kind 的功能

IsPartOf

IsFormatOf

IsBasedOn

HasPart

HasFormat

IsBasisFor

IsVersionOf

References

Requires

HasVersion

IsReferencedBy

IsRequiredBy

 

當使用者選定一些課程物件單元後,代理人會依據ontology所得知課程物件的屬性,將課程物件依據章節的方式,會先粗分課程物件的順序。例如,假設目前資料庫中有下列七份課程物件ABCDEFG,使用者選了CEFG四份課程物件,使用者設定時間為100分鐘,課程物件的資料如表2所示。其中Duration代表內定課程物件教授時間,單位為分鐘;Kind代表課程物件之間的關係,A課程物件中的關係為IsBasisFor E,表示AE的基礎單元;Taxon代表章節的分類,目前Taxon的分類比較粗糙只有章沒有節,數字相同者代表同一章。

2  所假設課程物件的屬性

Course Material

Duration

Kind

Taxon

A

10

IsBasisFor  E

1

B

5

 

2

C

20

IsBasedOn  B

2

D

12

 

1

E

15

 

3

F

25

References  A

2

G

20

Requires  D

3

 

代理人依據課程物件中的屬性,先將課程物件的順序排成C FEG,這是依據課程物件屬性中Taxon來區分,課程物件CF是一類,課程物件EG為另一類。決定好分成兩類後,代理人會在依據其他的屬性來區分,如難易度與內容的級別來決定每一類中的順序。然而本設定的實驗並沒有其他的屬性(不是每一個課程物件的屬性都是必須的,編修課程物件的人可以視情況來決定要定哪些屬性,然而有一些屬性是一定要放入課程物件中,如Title,這些內容可以從SCORM的規格書中得知),所以代理人會再檢查其他的限制。此時代理人發現目前的授課時間為80分鐘,不在容忍時間可以接受的範圍內(90~110分鐘),而且課程物件E需要課程物件A來引導,課程物件F也會引用到課程物件A,另外,課程物件G需要課程物件D,所以代理人會先建議加入課程物件A與課程物件D,讓課程物件時間數到達容忍時間範圍以方便推薦課程物件順序。此時,使用者認為本次的課程為進階課程無須使用課程物件A,另外在預覽課程物件G時發現缺少課程物件D,可能會讓學習者無法瞭解課程物件內容,因此使用者選擇加入課程物件G。然而動作完後,授課時間變更為92分鐘,此時代理人完成推薦動作,課程順序以DCFEG的方式呈現。

5結論與建議

5.1  結論

傳統的網路課程物件開發不考慮課程物件重複使用性。本研究藉由SCORM的方式,將課程物件以「後設資料」的方式來描述,使得課程物件不再是機器無法解讀。智慧型代理人可以瞭解課程物件中的後設資料所記載之資訊,來完成自動化的動作以降低教師編撰課程物件的負擔。

5.2  對未來研究的建議

本研究的課程物件製作方式尚有許多改良空間。首先,本研究採用ADL自行開發的MetadataGenerator,此項工具雖有SCORM後設資料的線上說明,然而使用上不夠方便,也無法對已經完成後設資料文件進行修改。因此,本研究中課程物件轉換的方式不夠靈活,若要對大量課程物件進行SCORM標準的轉換,而需要一些可以自動化的工具或應用程式。

其次,在本研究中尚未完全表現出SCORM課程物件的多元性,所採用的後設資料中也只有發揮出關聯(Relation)這一項的特色,還有其他的可以展現出SCORM課程內容的豐富性,如教育(Education)的關聯,可以描述課程物件的難易度,課程物件適用的程度等等,都未在本研究呈現出,因此若要結合代理人與SCORM在教育方面的研究是有相當寬廣的空間,本研究僅作為開端性引導而已。

參考文獻

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[16]  Yang J. T. & Hsiao C. F., An Implementation of Message Agent for Web-based Learning Environment,

p. TAAI2001, 2001

The purpose of this paper is to construct an agent-based recommender system for course sequences. Based on the SCORM-based standardized course objects, this system will be used to reduce teachers’ overload in terms of course editing from Web. The course we choose in this paper is “Introduction to computer science” as trial course content. In this multi-agent system, there are two agents: User Interface Agent (UIG) and Course Recommender Agent (CRA). The former is in charge of teacher and agent communication. In contrast, the latter plays planning course sequences,keeping user model, and communication with UIG. Also, two ontologies play as semantic  level communication for teachers vs. UIA and UIA vs. course object library.  This paper strats to explore how to use intelligent agent technology and the SCORM-based course objects in educational research.

Key words: SCORM  Multi-Agent System  Course Object  Ontology

 

 

 

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