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Sonne, Wasser und Wind Einführung in die Nutzung ... · Funktionsweise dieser Systeme auf einem...

Date post: 17-Sep-2018
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Sonne, Wasser und Wind Einführung in die Nutzung regenerativer Energien Ziele Die Schüler/innen sollen: die Vorteile, Eigenschaften und Nutzungsmöglichkeiten ausgewählter Systeme zur Nutzung regenerativer Energiequellen kennen lernen, sie sollen Vorteile und Nachteile regenerativer Energiequellen erkennen und benennen können, zudem sollen Anwendungsmöglichkeiten und Funktion ausgewählter Systeme zur Nutzung regenerativer Energiequellen grundlegend erfahren und in ihrem groben Ablauf benannt und beschrieben werden, Ziel ist ein Lernzuwachs, der sich in einer ersten Kenntnis grundlegender Energieumwandlungsprozesse widerspiegelt. Unterrichtskonzept Schwerpunktmäßig beschäftigt sich diese Unterrichtseinheit mit grundsätzlichen Nutzungs- und Funktionsprinzipien ausgewählter Systeme zur Nutzung regenerativer Energiequellen, die anhand einer konkreten Fragestellung untersucht und beschrieben werden. Die Systeme werden in ihrer Anwendung untersucht. Dazu stehen folgende Modelle zur Verfügung: Oberschächtiges Wasserrad, Peltonturbine, Windkraftanlage, Solarhaus, Kollektormodell sowie ein Baukasten zum Thema Windenergie. An den verschiedenen Modellen können die verschiedene Betriebsumstände und Betriebszustände vorgenommen werden. Durch diese handlungsorientierte Auseinandersetzung können die Systeme ansatzweise in ihrer Funktion begriffen werden. Richtlinienbezug Richtlinien Sachunterricht Primarstufe NRW, Aufgaben- schwerpunkt: Luft, Wasser und Wärme – Die Bedeutung von Luft, Wasser und Wärme für das Leben von Menschen, Tieren und Pflanzen einschätzen, Klasse 3/4 (s. Richtlinien S. 30). Richtlinien Sachunterricht Primarstufe NRW, Aufgaben- schwerpunkt: Versorgung und Entsorgung – Sich der Abhängigkeiten von geregelter Ver- und Entsorgung bewusst werden. Güter und Dienstleistungen verantwortungsbewusst nutzen, Klasse 3/4 (s. Richtlinien S. 30). Richtlinien Sachunterricht Primarstufe NRW, Aufgaben- schwerpunkt: Natürliche und gestaltete Umwelt – die Abhängigkeiten des Menschen, der Tiere und Pflanzen von Umweltbedingungen (…) erkennen. Eingriffe in die Umwelt auf mögliche Folgen für Menschen, Tiere und Pflanzen bedenken; sich umweltbewusst verhalten, Klasse 3/4 (s. Richtlinien S. 30). Weiter mit Unterrichtsablauf Fachtipps f ü r Lehrer Medien und Material Briefkasten Anregungen, Tipps und Hinweise bitte an: [email protected] - muenster.de Autoren Philipp Linder – Wartburggrundschule Münster E-mail: [email protected]
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Sonne, Wasser und Wind Einführung in die Nutzung regenerativer Energien

Ziele

Die Schüler/innen sollen:

• die Vorteile, Eigenschaften und Nutzungsmöglichkeiten ausgewählter Systeme zur Nutzung regenerativer Energiequellen kennen lernen,

• sie sollen Vorteile und Nachteile regenerativer Energiequellen erkennen und benennen können,

• zudem sollen Anwendungsmöglichkeiten und Funktion ausgewählter Systeme zur Nutzung regenerativer Energiequellen grundlegend erfahren und in ihrem groben Ablauf benannt und beschrieben werden,

• Ziel ist ein Lernzuwachs, der sich in einer ersten Kenntnis grundlegender Energieumwandlungsprozesse widerspiegelt.

Unterrichtskonzept

Schwerpunktmäßig beschäftigt sich diese Unterrichtseinheit mit grundsätzlichen Nutzungs- und Funktionsprinzipien ausgewählter Systeme zur Nutzung regenerativer Energiequellen, die anhand einer konkreten Fragestellung untersucht und beschrieben werden. Die Systeme werden in ihrer Anwendung untersucht. Dazu stehen folgende Modelle zur Verfügung: Oberschächtiges Wasserrad, Peltonturbine, Windkraftanlage, Solarhaus, Kollektormodell sowie ein Baukasten zum Thema Windenergie. An den verschiedenen Modellen können die verschiedene Betriebsumstände und Betriebszustände vorgenommen werden. Durch diese handlungsorientierte Auseinandersetzung können die Systeme ansatzweise in ihrer Funktion begriffen werden.

Richtlinienbezug

• Richtlinien Sachunterricht Primarstufe NRW, Aufgaben-schwerpunkt: Luft, Wasser und Wärme – Die Bedeutung von Luft, Wasser und Wärme für das Leben von Menschen, Tieren und Pflanzen einschätzen, Klasse 3/4 (s. Richtlinien S. 30).

• Richtlinien Sachunterricht Primarstufe NRW, Aufgaben-schwerpunkt: Versorgung und Entsorgung – Sich der Abhängigkeiten von geregelter Ver- und Entsorgung bewusst werden. Güter und Dienstleistungen verantwortungsbewusst nutzen, Klasse 3/4 (s. Richtlinien S. 30).

• Richtlinien Sachunterricht Primarstufe NRW, Aufgaben-schwerpunkt: Natürliche und gestaltete Umwelt – die Abhängigkeiten des Menschen, der Tiere und Pflanzen von Umweltbedingungen (…) erkennen. Eingriffe in die Umwelt auf mögliche Folgen für Menschen, Tiere und Pflanzen bedenken; sich umweltbewusst verhalten, Klasse 3/4 (s. Richtlinien S. 30).

Weiter mit

Unterrichtsablauf Fachtipps für Lehrer Medien und Material

Briefkasten Anregungen, Tipps und Hinweise bitte an: [email protected]

Autoren Philipp Linder – Wartburggrundschule Münster E-mail: [email protected]

Unterrichtsablauf im Überblick

Zum Konzept

� In der vorliegenden Unterrichtseinheit beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit unterschiedlichen Systemen zur Nutzung von Sonnen-, Wasser- und Windkraft.

� Diese Unterrichtseinheit kann sich unmittelbar an eine verwandte Unterrichtseinheit zum Thema Strom und Stromkreis, Fahrrad und Dynamo anschließen. Wenn die im Sachunterricht behandelten Einheiten in dieser Form aufeinander aufbauend behandelt werden (Fahrrad � Stromkreis � Dynamo � Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe regenerativer Energiequellen � …) sollten die Schülerinnen und Schüler ein überaus vernetztes, detailliertes und ineinander übergreifendes Fach- und Überblickwissen entwickeln.

� In dieser Einheit werden Grundlagen bezüglich Strom und Stromkreis, Dynamo und Erzeugung elektrischer Energie, über die Auseinandersetzung mit Systemen zur Nutzung regenerativer Energiequellen, miteinander verknüpft.

� Die hier vorgestellten Stationen und die zugehörigen Arbeitsblätter können innerhalb einer zum Thema passenden Werkstatt, in einem Projekt oder in Stationsarbeit genutzt werden. Eine Bearbeitung in Einzelstunden ist auch möglich, kann sich aber negativ auf das übergreifende Lernziel dieser Unterrichtseinheit auswirken.

� Die Besichtigung einer modernen Windenergie-Anlage, einer Wasserturbine, eines oberschächtigen Wasserrades oder einer Windmühle eignet sich besonders im Anschluss an diese Einheit. Der Besuch einer Windmühle in Verbindung mit Besichtigung einer modernen Windkraftanlage eignet sich besonders gut, da den Schülerinnen und Schülern hier die technische Entwicklung vom „hölzernen Widerstandsläufer“ hin zum „Epoxyharz Auftriebsläufer“ überaus deutlich wird.

Organisation des Unterrichts

� Die vorgestellte Unterrichtseinheit wird im Rahmen eines offenen Unterrichts durchgeführt. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei in nicht festgelegter Reihenfolge an verschiedenen Stationen. Das methodisch didaktische Vorgehen ist in den Fachinformationen für Lehrer näher beschrieben.

� Für besonders wichtig halte ich, dass die Schülerinnen und Schüler bereits über Erfahrungen mit offenen Unterrichtsformen verfügen. Ansonsten scheint es mir für eine einzige Lehrkraft nicht möglich zu sein, diese Einheit erfolgreich zu absolvieren.

� Diese Unterrichtseinheit ist mit einem Zeitbedarf von etwa 2-4 Doppelstunden einzuplanen. Ein Projekttag würde sich in diesem Zusammenhang besonders gut eigenen, da die Schülerinnen und Schüler durchgängig arbeiten könnten und die kognitive Vernetzung der einzelnen Ergebnisse, Erkenntnisse usw. zu einem übergreifenden Lernziel einfacher ablaufen könnte.

� Für die Arbeit an den einzelnen Stationen sollte den SchülerInnen genügend Zeit zur Verfügung stehen.

Merkmale des Lernens an Stationen:

� Die Arbeitsblätter sollten möglichst in Gruppenarbeit mit etwa 4-5 Schülern pro Gruppe erarbeitet werden.

� Die Arbeitsergebnisse müssen diskutiert und bei Unstimmigkeiten innerhalb der Gruppe nochmals überprüft und eventuell verbessert werden.

Die Lernziele der einzelnen Stationen sind so angelegt, dass ein übergreifendes Lernziel des Unterrichts erreicht wird. In diesem Fall soll den Schülerinnen und Schülern auf einer grundlegenden Stufe u.a. verdeutlicht werden, dass unter bestimmten Rahmenbedingungen mit Hilfe regenerativer Energiequellen Wärme und elektrische Energie am Ende einer Energieumwandlungskette bereitstehen.

� Eine feste Reihenfolge für die Stationen gibt es nicht. Die Gruppen sollten sich untereinander über eine Reihenfolge verständigen.

Da beim Arbeiten an Stationen die gesamten Unterrichtsinhalte zeitgleich angeboten werden, können die Schülerinnen und Schüler über die Reihenfolge und die Arbeitszeit der einzelnen Stationen weitestgehend selbst bestimmen. Zudem ist beim Lernen an Stationen gut eine Leistungsdifferenzierung möglich. Beispielsweise können die unter 3. und 4. aufgeführten Aufgaben der Arbeitsblätter von Leistungsstarken Schülern gelöst und in der Gruppe diskutiert werden.

� Weitere Vorteile der Stationsarbeit äußern sich in ihrer Flexibilität und Breite von Einsatzmöglichkeiten. Hilfestellungen, Impulse sowie differenzierte Zusatzaufgaben können innerhalb des Unterrichts vergeben werden. Zudem wechselt die Lehrperson zunehmend in die Rolle eines Teammitglieds und gleichgestelltem Ansprechpartner.

Anforderungen an die Arbeitsweise der Schüler

� Selbständiges Lösen von Aufgaben � Jeder Schüler sollte in der Lage sein die Aufgabentexte sinnentnehmend zu erfassen und

Aufgabe in erstmal selbständig zu lösen. Weiter Fragestellungen und aufkommende Probleme sollten in der Gruppe bearbeitet und besprochen werden können.

Kontrollmöglichkeiten � Innerhalb der Gruppe können Ergebnisse diskutiert werden. Die einzelnen Gruppen können sich

auch untereinander bei Unstimmigkeiten beraten. Zudem kann bei Unsicherheiten die Lehrperson zu Rate gezogen werden.

Teilaufgaben Tätigkeiten Ausstattung

1. Einführung in die Aufgabenstellung

An der Tafel befindet sich die Abbildung eines Hauses, das noch von „herkömmlichen“ Energiequellen bzw. mit herkömmlichen Energieträgern versorgt wird.

Die Schülerinnen und Schüler sollen das Bild beschreiben und das Problem erkennen – ein Haus mit herkömmlichen Energiequellen produziert Schadstoffe und Abgase. Im weitern Unterrichtsgespräch erfolgt eine Hinführung zur alternativen aber auch letztlich nur eingeschränkt möglichen Nutzung regenerativer Energiequellen.

Tafelbild 1: Ein Haus, das mit herkömmlichen Energieträgern ausgestattet ist (siehe Fachinformationen Tafelbild)

Eventuelles Einzeichnen oder Ergänzen von Systemen zur Nutzung regenerativer Energiequellen.

2. Wind- und Wasserräder

(Turbinen)

Auf den Arbeitsblättern sind verschiedene Abbildungen von Wasserrädern und Wasserturbinen beziehungsweise von modernen Windkraftanlagen und Windmühlen. Die Schüler sollen sich die Abbildungen ansehen und erklären welche Systeme oder Anlagen sie bereits kennen. Das Vorwissen soll aktiviert werden und aufkommende Fragen können bereits eingeordnet und kanalisiert werden.

Arbeitsblatt: Wasserräder und Wasserturbinen, was kennt ihr was noch nicht? (Vorerfahrungen der Schülerinnen und Schüler feststellen)

Arbeitsblatt: Windräder und Windmühlen - (Vorerfahrungen der Schülerinnen und Schüler feststellen)

3. Windkraft • Die Schülerinnen und Schüler sollen das abgebildete System zur Nutzung einer regenerativen Energiequelle mit der richtigen Bezeichnung beschriften.

• Im anschließenden Lückentext müssen die im Text abgebildeten Hilfsbilder so gedeutet werden, dass ein themenbezogener logischer Text entsteht.

• Die im Lückentext abgebildeten Bilder müssen im nächsten Schritt in einer systemspezifischen Energieumwandlungskette geordnet werden.

• Letztlich müssen Betriebs- und Funktionsbedingungen festgestellt werden unter denen das System gut beziehungsweise nur unzureichend arbeitet.

Arbeitsblatt: Windkraft- Beschriftung des gezeigten Systems, Lückentext, Funktionsanalyse.

Windkoffer (siehe Medien und Material für die Stationen)

Modell einer Windkraftanlage, die mit verschiedenen Rotoren

ausgerüstet werden kann und im Betrieb elektrische Energie für ein Modellhaus liefern kann.

Material zur Nachbildung einer natürlichen Landschaft. (siehe Fachinformationen für Lehrer und Lehrerinnen)

4. Solarkollektor • Die Schülerinnen und Schüler sollen das abgebildete System zur Nutzung einer regenerativen Energiequelle mit der richtigen Bezeichnung beschriften.

• Im anschließenden Lückentext müssen die im Text abgebildeten Hilfsbilder so gedeutet werden, dass ein themenbezogener logischer Text entsteht.

• Die im Lückentext abgebildeten Bilder müssen im nächsten Schritt in einer systemspezifischen Energieumwandlungskette geordnet werden.

• In einem weiteren Arbeitsschritt werden die Temperaturen verschiedenfarbiger, bestrahlter Aluminiumbleche gemessen. Damit wird die Funktionsweise eines Kollektors weiter verdeutlicht.

• Letztlich müssen Betriebs- und Funktionsbedingungen festgestellt werden unter denen das System gut beziehungsweise nur unzureichend arbeitet.

Arbeitsblatt: Solarkollektor - Beschriftung des gezeigten Systems, Lückentext, Temperaturmessung, Funktionsanalyse.

Modell eines Solarkollektorsystems, das bei Bestrahlung über einen Wasserhahn heißes Wasser liefert.

Ein weiß und ein schwarz beschichtetes Aluminiumblech.

Digitales Thermometer

5. Solarzelle • Die Schülerinnen und Schüler sollen das abgebildete System zur Nutzung einer regenerativen Energiequelle mit der richtigen Bezeichnung beschriften.

• Im anschließenden Lückentext müssen die im Text abgebildeten Hilfsbilder so gedeutet werden, dass ein themenbezogener logischer Text entsteht.

Arbeitsblatt: Solarzelle- Beschriftung des gezeigten Systems, Lückentext, Funktionsanalyse.

• Die im Lückentext abgebildeten Bilder müssen im nächsten Schritt in einer systemspezifischen Energieumwandlungskette geordnet werden.

• Letztlich müssen Betriebs- und Funktionsbedingungen festgestellt werden unter denen das System gut beziehungsweise nur unzureichend arbeitet.

Modell eines Hauses, dass mit Solarzellen ausgestattet ist. Werden die Zellen bestrahl leuchten innerhalb des Hauses Lichter auf.

Solarkoffer (siehe Medien und Material für die Stationen)

Kleines Radio, Uhr

6. Wasserkraft • Die Schülerinnen und Schüler sollen das abgebildete System zur Nutzung einer regenerativen Energiequelle mit der richtigen Bezeichnung beschriften.

• Im anschließenden Lückentext müssen die im Text abgebildeten Hilfsbilder so gedeutet werden, dass ein themenbezogener logischer Text entsteht.

• Die im Lückentext abgebildeten Bilder müssen im nächsten Schritt in einer systemspezifischen Energieumwandlungskette geordnet werden.

• Letztlich müssen Betriebs- und Funktionsbedingungen festgestellt werden unter denen das System gut beziehungsweise nur unzureichend arbeitet.

Arbeitsblatt: Wasserkraft- Beschriftung des gezeigten Systems, Lückentext, Funktionsanalyse.

Modell eines oberschächtigen Wasserrades sowie Modell einer Peltonturbine. (siehe Medien und Material für die Stationen)

6. Auswertung der

Stationsarbeit

Die Stationsarbeit kann nach einem der folgenden Punkte ausgewertet werden:

� Einzelne Schüler oder Schülerinnen beziehungsweise eine Arbeitsgruppe fassen Ergebnisse, Erkenntnisse und entstandene Fragen in einem kleinen „Vortrag“ zusammen.

� Rückkoppelung zum Beginn der Einheit, indem erneut Bezug zum Tafelbild genommen wird. Die Schülerinnen und Schüler können nun Vorschläge zur Ausstattung / Versorgung des Hauses, mit Hilfe von Systemen zur Nutzung regenerativer Energieträger, machen.

� Weiter Reflexionsmöglichkeit über folgende Fragestellungen: � Was hat dir am besten gefallen? � Was war überall gleich? (Energieumwandlung) � Eine Auswertung der Stationsarbeit zur Notenermittlung sollte vor Beginn mit

Tafelbild 2: Ein Haus, das nur bzw. zusätzlich mit Systeme zur Nutzung regenerativer Energieträger ausgestattet ist. (siehe Fachinformationen Tafelbild)

den Schülerinnen und Schülern besprochen werden.

Beispiel: Ausgefüllte

Arbeitsblätter eines

Schülers der 3. Klasse.

Die innerhalb der Einheit vorgestellten Arbeitsblätter, wurden von einem Schüler zum Ende des 3. Schuljahres bearbeitet.

Arbeitsblatt: Ausgefüllte Arbeitsblätter eines Schülers (3. Klasse).

Fachtipps für Lehrerinnen und Lehrer:

Die für diese Unterrichtseinheit eingesetzten Modellsysteme zur Nutzung regenerativer Energiequellen wurden von mir in der Absicht entwickelt, den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit zu geben die Funktionsweise dieser Systeme auf einem grundlegenden Niveau, vom Aufbau der Modelle bis zur gezielten Veränderung verschiedener Funktionsparameter, zu erleben und zu erfahren.

Die Bau- und Schaltpläne für die hier vorgestellten Modelle sind zurzeit noch nicht fertig gestellt. Sie können aber mit ihrer Fertigstellung baldig über ein Download herunter geladen werden.

Während einiger Praxiseinsätze, in verschiedenen Jahrgangsklassen, sind mir verschiedenste Verbesserungsmöglichkeiten aufgefallen. Diese werde ich zu einem späteren Zeitpunkt in neue Modelle einfließen lassen.

Ansicht der Modelle zum Thema: Solar Wasser Wind

Modellhaus mit Solarzellen

Gesamtansicht des Hauses

Haus mit Pelton-Turbinenmodell

Haus mit Windgenerator

Verkabelung mit LED´s

Modelle von Wasserrädern

Modell einer Pelton-Turbine

Rückseite der Pelton-Turbine mit Kraftübertragung

Modell eines oberschlächtigen Wasserrades

Rückansicht des Wasserrades mit Wasserzuleitung

Modelle von Windrädern

zweiflügliger Windgenerator

dreiflügliger Windgenerator

vierflügliger Windgenerator

Innenansicht

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Seite 3 von 3Modelle von Windrädern

22.05.2006http://www.uni-muenster.de/Physik.TD/Uvortec/Versorgung/Sonne_Wind/Windphil/Wrad.htm

Medien und Material für die Stationen

Medien und Material Bezugsquelle

Solarkoffer

Energieversorgungsunternehmen oder Stadtwerke:

Herausgeber: Arbeitskreis Schulinformation Energie; Am Hauptbahnhof 12, 60329 Frankfurt / Main , Tel. 069 / 256 19-148, Fax: 069 / 23 27 21;

Herstellung, Vertrieb und Service: Maschinenhandelsgesellschaft Niebur mbH, Milchpfad 15, 45659 Recklinghausen, Tel: 02361 / 2 43 46 ; Fax: 02361 /1 55 17

Ähnliche Solarbausätze werden auch von verschiedenen Lehrmittelverlagen in den Katalogen angeboten.

Windkoffer

Energieversorgungsunternehmen oder Stadtwerke

Herausgeber: Arbeitskreis Schulinformation Energie; Am Hauptbahnhof 12, 60329 Frankfurt / Main , Tel. 069 / 256 19-148, Fax: 069 / 23 27 21;

Herstellung, Vertrieb und Service: Maschinenhandelsgesellschaft Niebur mbH, Milchpfad 15, 45659 Recklinghausen, Tel: 02361 / 2 43 46 ; Fax: 02361 /1 55 17

Ähnliche Bausatzsysteme werden von verschiedenen Lehrmittelverlagen angeboten.

RWE-Broschüre

Informationen zu regenerativen Energiequellen

Rheinisch-Westfälisches Elektrizitätswerk AG (Hrsg.): Die Nutzung regenerativer Energieträger. 1. Auflage. Heidelberg 1986.

Experimentieranleitungen zum Thema: Wärme von der Sonne

Franckh-Kosmos Verlag (Hrsg.): Geheimnissen auf der Spur. Experimentieranleitung Kosmos. Wärme und Sonne. 1. Auflage. Stuttgart 1997.

Basiswissen Schule Duden Technik

Paetec Verlag für Bildungsmedien, 1. Auflage 2000. Internet: www.schuelerlexikon.de ISBN 3-89818-040-9

Konstruktionsanleitungen zum Bau einfacher Windräder

Von König, Felix: Wie man Windräder baut. Berechnung, Konstruktion und Ausführung. 4. Überarbeitete Auflage. München 1980.

Informationsbroschüre zum Thema erneuerbare Energien

Der Bundesminister für Forschung und Technologie (Hrsg.):Erneuerbare Energien. Stand, Aussichten, Forschungsziele. 3. Auflage. Bonn 1992.

Erneuerbare Energien Heft 3

IZE, Am Hauptbahnhof 12, 60329 Frankfurt/ Main. Tel: 069/ 25619 148, Fax: 069/ 232721

Strom BASISWISSEN Strom aus Sonnenlicht (Photovoltaik) Nr.110

IZE PF 70 05 61, 60555 Frankfurt am Main, Tel: 069 / 63 04-411, Fax: 069 / 63 04-387

Internet: Praxis

Technikunterricht

www.uni-muenster.de/Physik/TD/matrix.htm

Die Welt der Regenerativen Energiewirtschaft

Im Internet: Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR) http://www.iwr.de

Wissenswertes über Windenergie und

Spitzentechnologie

Im Internet: ENERCON GmbH, Windenergie-Anlagenhersteller http://www.enercon.de/

Modellsysteme zur Nutzung regenerativer Energien

Die in diesem Entwurf vorgestellten Modelle zur Nutzung regenerativer Energiequellen, wurden in Eigenarbeit gefertigt. Baupläne und Beschreibungen zu den einzelnen Modellen folgen in naher Zukunft. Kontakt unter: [email protected]

Zwölf Unterrichts-methoden

Jürgen Wiechmann (Hrsg.): Zwölf Unterrichtsmethoden. Vielfalt für die Praxis. 2. Auflage. Weinheim und Basel 1999.

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