CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA À LUZ DE UMA ESTRATÉGIA INSTRUCIONAL MULTIMODAL

## CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA À LUZ DE UMA ESTRATÉGIA INSTRUCIONAL MULTIMODAL

Cristiane A Corrêa , Carlos Eduardo Laburú 1 2*

1 Universidade Estadual de Londrina (UEL)/Mestranda pelo Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Ensino de Ciências e Educação Matemática/ cristianefisica@hotmail.com

## Resumo

O presente trabalho parte da relevância e da potencialidade do referencial de Multimodos e Múltiplas Representações para a construção do conhecimento científico. Em seu sentido mais amplo, consiste na utilização de uma estratégia instrucional multimodal que contempla diferentes formas e modos representacionais para abordar o conteúdo de Conservação da Energia Mecânica. Apresenta resultados iniciais de um estudo maior desenvolvido no Programa de Desenvolvimento Educacional - PDE. O foco do trabalho se deu na integração de várias representações multimodais de um mesmo conceito. Nossa hipótese é que essa integração possa favorecer significados aos conteúdos propostos, viabilizar a participação ativa e permitir ao aluno expressar seu aprendizado por meio de diferentes representações. Os resultados apontam que uma estratégia baseada na pluralidade representacional atende as circunstâncias específicas de uma sala de aula, composta por uma heterogeneidade de alunos, pois possibilita ao professor promover e gerenciar as ações pedagógicas que contribuam para compreensão do conceito físico.

Palavras-chave : multimodalidade representacional, semiótica, estratégia didática e aprendizagem.

## Introdução

É comum no ambiente escolar ouvir questionamentos sobre a aprendizagem da Física: professores constantemente reclamam que os alunos apresentam dificuldades de compreensão e falta de interesse durante as aulas. Por outro lado, alunos associam a disciplina de Física com cálculos matemáticos e fórmulas, julgamse incapazes de compreender essa ciência, pois a consideram extremamente difícil, complexa e para gênios.

Tendo isso em vista, é preciso repensar os encaminhamentos metodológicos que permeiam a aprendizagem da Física, pois muitas vezes preconiza-se a aprendizagem mecânica de fórmulas e conceitos, isso faz com que o estudante passe a considerar a disciplina de Física como algo distante e sem significado.

A proposta deste trabalho está embasada em uma estratégia instrucional multimodal, que combina vários modos e formas de representação de um mesmo conceito. Pretendemos, com a referida estratégia multimodal, favorecer significados aos conteúdos propostos, viabilizar a participação ativa e permitir ao aluno expressar seu aprendizado por meio de diferentes representações.

* Bolsista do CNPq - Brasil

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26 a 30 de janeiro de 2015

Em síntese, este estudo tem como objetivo constatar de que forma a integração de diferentes modos e formas representacionais possibilita identificar lacunas na compreensão do conceito de Conservação da Energia Mecânica e quais representações são mais apropriadas para aprendizagem desse conceito nas circunstâncias específicas de uma da sala de aula.

## O papel dos Multimodos e Múltiplas Representações no ensino de Física

No cotidiano escolar, encontramos professores e alunos insatisfeitos com o ensino e aprendizagem da Física. É comum na abordagem de conceitos físicos utilizar signos, por exemplo, símbolos, equações, fórmulas, tabelas, gráficos, diagramas, imagens, esquemas, representações matemáticas e experimentais, porém, muitas vezes, os alunos não conseguem estabelecer relações entre estas diferentes formas representacionais.

Neste trabalho, consideramos a definição de signo com base em dois referenciais que nos parecem pertinentes. Com base na semiótica, Santaella (2012, p. 83) define que '[...] tudo em nós é signo, qualquer coisa que se produz na consciência tem o caráter de signo', qualquer objeto, som, palavra que representa outra coisa denomina-se signo. Para Vygotsky, 'signo é alguma coisa que significa outra coisa', as palavras são signos linguísticos, e o signo é uma ferramenta para estudo do pensamento e desempenha grande importância na formação do indivíduo, eles não modificam o objeto, e, sim, agem internamente no indivíduo (MOREIRA, 2012, p. 112-113).

A fim de quebrar este círculo vicioso e adaptar as exigências do ensino contemporâneo, propomos o uso de diferentes modos representacionais para abordagem de um mesmo conceito físico, tendo em vista que '[...] não há verdades pedagógicas únicas, aplicáveis a todo e qualquer indivíduo' (LABURÚ; CARVALHO, 2005, p. 83).

Partimos do pressuposto que uma pluralidade representacional tem potencial para favorecer a compreensão de fenômenos físicos e fazer como que o aluno perceba que um mesmo conceito físico pode ser representado por diferentes registros, ou seja, atende às diferentes formas de aprender de cada aluno. Na visão de Laburú e Silva, '[...] tais modos levam à estimulação de processos cognitivos específicos para a construção dos significados ensinados, com reflexos para a produção do entendimento conceitual' (LABURÚ; SILVA, 2011).

A integração de diferentes modalidades representacionais potencializa a aprendizagem significativa, uma vez que cada modo representacional carrega propriedades específicas e pode preencher lacunas deixadas durante o processo de aprendizagem. A aprendizagem significativa caracteriza-se, pois, por uma interação de uma nova informação com uma estrutura de conhecimento específica, denominada por Ausubel de 'subsunçor', o qual pode ser um conceito, uma ideia ou uma proposição já existente na estrutura cognitiva do aprendiz (MOREIRA, 1999).

A título de esclarecimento, dos termos Multimodos de Representação e Múltiplas Representações, referenciados neste trabalho, faz-se uma breve descrição. De acordo com Prain e Waldrip (2006, apud LABURÚ; SILVA, 2011), os termos são definidos da seguinte forma:

[...] quando fazem alusão à multimodalidade representacional, estão querendo dizer que o discurso científico tem a propriedade de integrar

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diferentes modos de representar o raciocínio, processos e descobertas científicas. A referência dos autores ao termo múltiplas representações designa a prática de representar um mesmo conceito ou processo científico de diferentes maneiras.

Neste contexto, percebe-se que '[...] um ensino plural em termos representacionais é compatível com o princípio pedagógico contemporâneo, que atenta para as necessidades e preferências individuais cognitivas, quando se pensa numa aprendizagem efetiva' (LABURÚ; SILVA, 2011). Porém, cabe ao professor propor atividades que privilegiem determinados modos e formas de representação em detrimento do contexto. De acordo com Laburú, Zompero e Barros (2013, p.14), '[…] cada sistema semiótico encerra propriedades específicas que limitam intrinsecamente suas possibilidades de representação'.

Tendo em vista a relevância desta última colocação, pretendemos com este trabalho atentar para a heterogeneidade de uma sala de aula e promover ações pedagógicas que contribuam para aprimorar a aprendizagem com mais significação no ensino da Física, por meio de representações semióticas adequadas à situação de estudo, para, assim, satisfazer as necessidades do ensino e suas tendências com coerência. Pois, no dizer de Laburú e Silva (2011), um modo representacional pode se comportar com um 'andaime conceitual', visto que funciona como um apoio para o aluno construir determinado conceito.

## Metodologia

Este trabalho relata parte dos resultados obtidos em outro estudo, intitulado 'Energia e Conservação da Energia Mecânica à luz de uma Metodologia Multimodal', desenvolvido no Programa de Desenvolvimento Educacional - PDE, cuja implementação contou com uso de uma metodologia multimodal para abordagem do conceito de Energia e Conservação da Energia Mecânica.

Os dados descritos neste trabalho foram coletados durante a implementação do PDE. A pesquisadora também é professora da turma, composta de 30 alunos que cursam o primeiro ano do Ensino Médio de uma escola pública do Paraná. O desenvolvimento da pesquisa se deu a partir de uma sequência didática, de sete aulas que abordam o conceito de Energia e Conservação da Energia Mecânica. Entretanto, por ora nesta pesquisa, fazemos um recorte da sequência didática e selecionamos três aulas que nos pareceram representativas, as quais denominaremos respectivamente de intervenção 1, intervenção 2 e intervenção 3 . As aulas ministradas foram organizadas a partir do referencial de Multimodalidade Representacional, assim contemplam diferentes representações para abordagem do conteúdo de Conservação da Energia Mecânica. A dinâmica do trabalho envolve resolução de problemas clássicos de conservação de energia mecânica, exploração de simuladores virtuais e atividade experimental, as quais foram desenvolvidas individualmente, em dupla ou em pequenos grupos.

A unidade de análise desta pesquisa conta com as observações e anotações da professora-pesquisadora e também com os registros das atividades propostas aos alunos. Os aspectos considerados na análise consistem em avaliar o desempenho individual e em grupo dos alunos, os avanços e as tentativas de superar as dificuldades encontradas nas diferentes representações do conceito, bem como a compreensão da Conservação da Energia Mecânica com base nos registros das atividades.

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## Resultados e discussão

Conforme já explicitado, este trabalho apresenta resultados iniciais de uma pesquisa que se encontra em fase de implementação, porém não mencionamos todas as atividades da sequência didática.

A seguir, os resultados são apresentados em conjunto com a análise realizada, assim foi desenvolvida a partir da seguinte estruturação: primeiramente, apresentamos atividade proposta em cada aula, relatos da professora-pesquisadora a respeito da intervenção e seus resultados; em seguida, apresentamos de forma geral os resultados referente à utilização da estratégia instrucional multimodal.

## Intervenção 1

Consiste em uma abordagem expositiva sobre a Conservação da Energia Mecânica por meio de resolução de problemas clássicos de nível fácil, como: a) a solicitação de determinação da velocidade de um menino em um escorregador; b) qual altura atingirá uma pedra se for lançada para cima com certa velocidade.

A fim de exemplificar a situação, a professora resolveu com os alunos um problema que tinha como objetivo determinar a velocidade de uma esfera que foi solta de uma rampa no seu ponto mais baixo. O trecho a seguir traz impressões da professora-pesquisadora a respeito da atividade proposta:

Durante a explicação, a impressão que se tinha era que os alunos haviam entendido o conteúdo; no entanto, quando foram desafiados a realizar as atividades propostas, sozinhos, muitos não conseguiram aplicar a equação da Conservação da Energia Mecânica. Nessa atividade, fica evidente a dificuldade com os cálculos, pois percebe-se que eles tentam resolver o problema de forma mecânica com base na resolução da professora; entretanto, qualquer alteração no enunciado faz com que ele não consiga prosseguir. Considero falta domínio de interpretação e interesse pela aula.

De acordo com a professora-pesquisadora, vários alunos não conseguiram aplicar equações da Conservação da Energia Mecânica. Nos registros das atividades isso fica evidente, pois, da amostra de 6 alunos tomada para análise, somente o aluno 6 conseguiu resolver os dois problemas propostos; no entanto, solicitou por várias vezes o auxílio da professora. Os alunos 1, 4, 3 e 5 conseguiram resolver somente o primeiro problema, que abordava uma situação muito semelhante ao problema resolvido pela professora-pesquisadora. O aluno 2 não conseguiu resolver nenhum dos dois problemas propostos.

Os resultados desta intervenção sugerem que a representação simbólica com base em fórmulas da Conservação da Energia Mecânica não é atrativa aos alunos. Uma possível razão é que a dificuldade com os cálculos gere desinteresse e falta de ação para realizar as atividades propostas. Esta hipótese parece ser corroborada pelos resultados e pelas atitudes dos alunos quando das outras duas Intervenções, descritas a seguir.

## Intervenção 2

Refere-se ao uso dos simuladores virtuais que abordam o conceito de Conservação da Energia Mecânica, como: 'montanha russa e looping, ora bolas!' e 'o desafio do looping', ambos os objetos de aprendizagem do RIVED. Esta aula ocorreu no laboratório de informática e foi desenvolvida em dupla, pois o número de

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computadores não era suficiente para cada aluno da turma. Os alunos foram orientados a explorar os recursos dos simuladores e a responder a algumas questões. Nossa hipótese é que os simuladores em combinação com as outras representações multimodais poderiam potencializar o aprendizado, bem como aumentar o nível de interesse pela disciplina de Física. Os comentários iniciais da professora-pesquisadora nesta intervenção foram:

[...] a atividade que vamos fazer hoje tem como o objetivo dar continuidade aos estudos da Conservação da Energia Mecânica. Vamos explorar dois simuladores no 'Montanha russa e looping, ora bolas!', vocês deverão encontrar qual a altura mínima de lançamento para bolinhas de diferentes massas para que ela realize o looping completo. No segundo simulador, 'O desafio do looping', vocês deverão encontrar a altura mínima de lançamento para que esfera complete o looping sem sair do trilho.

Com esta atividade, esperava-se que o aluno compreendesse que todas as bolinhas lançadas a partir de uma altura mínima independentemente de sua massa completariam o looping e que altura mínima de lançamento está relacionada com o raio do looping , pois ele precisa ter velocidade suficiente para completá-lo. E também que em sistemas conservativos a energia mecânica total se conserva. A professora-pesquisadora as relata as seguintes impressões sobre aula:

[...] percebi a participação ativa e maior interesse dos alunos, até mesmo os mais falantes colaboraram e participaram, manipularam os recursos do simulador, responderam ao roteiro da atividade com base nas situações apresentadas no simulador. Entretanto, muitos questionamentos surgiram, por exemplo: por que a massa não altera o movimento? de onde surgiu a fórmula h = 2,5.R para determinar a altura? Isso foi importante, pois pude aproveitar os questionamentos dos alunos para retomar alguns conceitos e também para trabalhar novos conceitos que ainda não haviam sido estudados, o que possibilitou mostrar aos alunos a origem de tal equação para a determinação da altura mínima de lançamento por meio das equações da Conservação da Energia Mecânica e de Newton.

A análise da amostra evidencia que, das cinco duplas, apenas a dupla 4 apresentou uma resposta equivocada para a questão ' a bolinha pode ser lançada de qualquer altura para completar o looping ? ' Esta escreveu que

Não, porque, se altura máxima é de 10 m, no mínimo ela terá que ter a metade da altura para ter a velocidade certa, que no caso é 5m.

Essa situação mostra que eles entenderam que quanto maior a altura, maior a velocidade, mas eles não conseguem estabelecer relações entre a altura e raio do looping de forma adequada.

As situações acima caracterizadas sinalizam que o simulador auxilia na construção do conhecimento científico, possibilitando, de forma interativa, a elaboração e ressignificação do conhecimento físico. O uso dos simuladores intensificou a relação entre a professora e os alunos, possibilitando a professora trabalhar conceitos físicos de forma mais efetiva do que na sala de aula. Essa prática propiciou maior participação dos alunos na aula e oportunidades de esclarecimentos de dúvidas que oportunizaram ganchos para retomada ou discussão de novos assuntos; isso reforça nossa hipótese de que cada modalidade representacional possui propriedades específicas e que, aliadas a outros modos, favorecem a aprendizagem significativa.

Intervenção 3

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Corresponde à realização de atividade experimental, desenvolvida em grupo. No total, foram cinco grupos, pois não havia equipamento suficiente para formação de mais grupos com menos integrantes. O equipamento consiste em um looping didático, utilizado para abordar o conceito de Conservação da Energia Mecânica; a atividade tem como objetivo fazer com que os alunos relacionem objetos aos acontecimentos e busquem as causas dessa relação. A proposta de utilização de experimentos neste trabalho está focada na ideia de que esse modo representacional (3D) aliado a outras representações possa fornecer maior significação, complementar e auxiliar à construção do conhecimento físico. Para Laburú e Silva (2011), a prática experimental é considerada um '[...] modo representacional fundamental a se destacar para auxiliar e complementar a construção dos processos e conceitos científicos'.

Nesta intervenção, a professora-pesquisadora iniciou a atividade falando a respeito do objetivo da atividade. Seus comentários foram os seguintes:

[...] vamos estudar a Conservação da Energia Mecânica com auxílio do looping didático. Na aula anterior, trabalhamos com o looping virtual, hoje faremos estudos por meio desse aparato. Para isso, vocês deverão seguir o roteiro da atividade. Então, vocês deverão encontrar a altura mínima de que a bolinha deverá ser abandonada para conseguir fazer o looping completo, por meio de tentativas; em seguida, vocês deverão determiná-la por meio de equações da energia mecânica, as quais foram trabalhadas na aula do simulador virtual. Depois vocês deverão comparar os resultados teóricos com o experimental, formular possíveis hipóteses, argumentações para os resultados encontrados.

Os resultados esperados eram que os alunos relatassem: que a velocidade depende da altura a que a bolinha é solta no trilho (quanto mais alta for solta, mais velocidade terá ao sair do trilho); que a distância alcançada pela bolinha depende da velocidade com que ela sai do trilho (assim, quanto maior a sua velocidade ao sair, mais longe irá); que, quando a bolinha está a certa altura, ela possui determinada quantidade de energia potencial e à medida que a bolinha desce pelo trilho, a energia potencial vai se transformando em energia cinética, no ponto mais baixo ela tem energia cinética máxima, ou seja, a energia mecânica do sistema se conserva; então, em um sistema conservativo, se a energia potencial for maior no início (altura maior), consequentemente a energia cinética será maior no final do trilho (velocidade maior); assim, para que a bolinha consiga fazer o looping completo, ela precisa de uma velocidade mínima, a qual é determinada pela altura de lançamento.

Seguem relatos observados pela professora-pesquisadora durante a realização da atividade:

[...] os alunos participaram de forma efetiva, mostrando-se interessados a realizar o desafio proposto, porém se mostraram dependentes do professor para colocar no papel aquilo que tinham observado. Passei pelos grupos, fiz questionamentos sobre as respostas apresentadas, dei várias orientações e também solicitei explicações de algumas situações, a fim de instigá-los a formularem hipóteses e argumentos científicos. Observei que as considerações as quais se esperava que os alunos fizessem sobre a altura de lançamento, velocidade e massa da bolinha, para realização do looping e Conservação da Energia Mecânica estavam de acordo com o discurso científico. No entanto, vejo que ainda existe um problema que se apresenta para entendimento do conceito. Notei isso no momento em que os alunos tentavam responder uma questão do roteiro que pedia para determinar a velocidade da bolinha no alto do looping , por meio de fórmula; nesta atividade ainda é possível perceber uma grande dificuldade dos alunos.

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Assim, optei por explorar conceitos teóricos e, posteriormente, a matematização.

Isso evidencia que a atividade anterior do simulador contribui para a construção do conhecimento científico. Mas é evidente a dificuldade de utilização de fórmulas e cálculos para resolução de problemas. Vemos nesta situação que as dificuldades perpassam a compreensão do conceito e, possivelmente, estão associadas a uma defasagem matemática. Pode-se dizer, então, que os subsunçores existentes na estrutura cognitiva desses alunos podem ser pouco desenvolvidos, pois não serviram de 'âncora' para novas informações (MOREIRA, 1999). Sendo assim, é preciso trabalhar modos representacionais que possibilitem desenvolver habilidades com cálculos e equações da Física, a fim de tornar os subsunçores preexistentes na estrutura cognitiva mais abrangentes e elaborados.

Nesta intervenção, analisamos as atividades dos cinco grupos; dessa forma, percebemos que, diante das cinco questões propostas, três apresentaram divergência de respostas. Em relação à questão 1, a qual questionava se a massa da bolinha influencia na realização do looping , os grupos 1, 3, 4 e 5 responderam que os fatores que influenciam é o tamanho da bolinha e altura que é solta; entretanto, o grupo 2 respondeu que é o raio, não especificando se é do looping ou da bolinha. A questão 4 refere-se à força peso da bolinha no alto da curva: se a manobra for realizada na sua velocidade mínima, ela será maior, igual ou menor. Os grupos 3, 4 e 5 responderam que será igual; o grupo 2, que será maior; e o grupo 1, menor. Na questão 5, todos os grupos apresentaram problemas com cálculo.

Os resultados apresentados nos remetem a concluir que atividade experimental contribuiu para formulação do conceito científico e potencializou a participação e interesse dos alunos; no entanto, ainda existem lacunas a serem preenchidas. Alguns conceitos e, principalmente, a utilização de cálculos precisam ser reforçados.

Com base nos registros das atividades e observações da professorapesquisadora, podemos dizer que os diferentes modos representacionais utilizados na intervenção oportunizaram aos alunos maior interação nas atividades, interesse e participação mais efetiva dos alunos. Além disso, possibilitaram à professorapesquisadora levar em consideração o desempenho individual e em grupo dos alunos, os avanços e a tentativa de superar as dificuldades encontradas nas diferentes representações do conceito. É preciso acrescentar que, nas intervenções 2 e 3, as representações utilizadas foram mais abrangentes e eficazes, diante das dificuldades da turma. Dessa forma, a integração entre as formas e os modos representacionais possibilitou sanar lacunas deixadas por outras representações e ampliar o nível de compreensão do conceito de Conservação da Energia Mecânica.

Assim, a pluralidade de modos e formas representacionais permitiu à professora-pesquisadora condições de verificar a compreensão do aluno e, dessa forma, repensar, reorganizar, modificar as atividades, ou seja, rever seu planejamento.

## Considerações

Nossos resultados, ainda que incipientes, apontam que essa ação pedagógica, a qual abrange o campo da representação semiótica, pode despertar interesse dos alunos de forma a engajá-los na discussão e, com isso, ampliar a

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compreensão do conceito científico, bem como permitir ao professor identificar lacunas de compreensão de conceitos científicos.

Embora existam outros fatores que influenciam a aprendizagem significativa, a integração de diferentes modalidades representacionais contribui para o preenchimento de lacunas deixadas por uma ou outra representação; sua integração constitui uma estratégia valiosa para professor, pois, por meio dela, se pode repensar, replanejar as ações pedagógicas e intervir no processo de aprendizagem. Isso ficou evidenciado em nosso trabalho, pois cada representação multimodal permitiu identificar diferentes conceitos que não são coerentes ao discurso científico, ou seja, lacunas conceituais referentes à Conservação da Energia Mecânica, para diferentes alunos.

Observamos, por meio dos relatos da professora-pesquisadora e dos registros das atividades dos alunos, que as intervenções 2 e 3, diferentemente da intervenção 1, proporcionou maior interação e participação dos alunos, bem como maiores oportunidades de trabalhar o conceito de Conservação de Energia Mecânica, a partir de situações reais que surgiram durante a atividade. A combinação das atividades não possibilitou sanar deficiências em relação aos cálculos, mas permitiu evidenciá-las e identificar qual forma e modo representacional é mais apropriado à turma. Consideramos que houve uma ampliação conceitual do conteúdo, porém ainda permaneceram dificuldades com matemática; no entanto, estas poderão ser sanadas por meio de outras representações mais específicas do conceito.

Os resultados apresentados reforçam que a pluralidade representacional atende às circunstâncias específicas de uma sala de aula que é composta por uma heterogeneidade de alunos. Assim, uma estratégia instrucional multimodal possibilita ao professor promover e gerenciar as ações pedagógicas que auxiliem a construção do conhecimento científico.

## Referências

LABURÚ, C. E.; CARVALHO, M. Estratégia Pluralista. In: \_\_\_\_\_\_ Educação Científica: controvérsias construtivistas e pluralismo metodológico . Londrina Eduel, 2005. p. 73-91.

LABURÚ, C. E.; SILVA, O. H. M. O laboratório didático a partir da perspectiva da multimodalidade representacional . Ciência & Educação, v. 17, n. 3, p. 721-734, 2011.

LABURÚ, C. E.; ZOMPERO, A. F.; BARROS, A. B. Vygotsky e Múltiplas Representações: leituras convergentes para o ensino de ciências . Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 30, n. 1, p. 7-24, 2013.

MOREIRA. M. A. A teoria da mediação de Vygotsky. In:\_\_\_\_\_\_ Teorias de aprendizagem. São Paulo: EPU, 1999. p. 109-122.

MOREIRA. M. A. Aprendizagem significativa . Brasília. Universidade de Brasília. 1999. 130p.

SANTAELLA, L. O que é Semiótica . 32 reimpr. da 1 ed. de 1983. São Paulo: Brasiliense, 2012 (Coleção Primeiros Passos, n. 103).

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