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人之病札记23
Mech 2020-10-21 20:06
又要负责新一轮《无处不在的力学》,如果没有记错是第二轮。我对这门课程其实有些打怵,管理协调的工作量太大。只好找研究生帮忙。虽然还有位青椒助课,但让青椒作那些管理协调工作还是成本太高,硕士生足够了。 把管理协调工作授权给助教和研究生后,我只负责讲两次课,这样就轻松多了。已经讲完了开场白第一课,包括简短的《课程简介》和《力学发展简史和研究现状》。课程简介部分基本上没有变化,只是在培养目标方面,结合力学课程的特点,由远及近分为“宇宙情怀,全球视野,家国梦想,社会责任,岗位意识”。 《力学发展简史和研究现状》部分较为突出历史,毕竟向零起点的学生解释研究现状不容易,而且后面有具体的专题。力学名家的介绍中,突出了力学发展的两种传统,思辨和工艺,可以认为是在古希腊罗马时代分别由亚里士多德和阿基米德所开创。力学发展史是思辨与工艺的双重变奏。 PPT 基本上没有变化。节奏控制似乎比第两次略好。 随便一提,系里希望助课教师听课,说是新教师进修提高的环节。当然,这门课都是学有所长的教授讲授,听课不无裨益。但我觉得还是自愿,不然就是勉强去听课,也没有什么收获。只是增加了课程的运行成本。再说通识课与其他课程教学方面还是有很大区别,青椒主要不是上通识课,因此作为教学观摩意义也不大。据说助教有 60% 的课程工作量,但完全可以让助教做些更有意义的事情。 人之病札记 1 人之病札记 2 人之病札记 3 人之病札记 4 人之病札记 5 人之病札记 6 人之病札记 7 人之病札记 8 人之病札记 9 人之病札记 10 人之病札记 14 人之病札记 11 人之病札记 12 人之病札记 13 人之病札记 15 人之病札记 16 人之病札记 17 人之病札记 18 人之病札记 19 人之病札记 20 人之病札记 21 人之病札记 22
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大师的足迹:从泰勒斯到桑格(公元前624—公元2013年)
nica 2020-9-3 11:41
手不释卷,读两千多年来文明路上的潮起潮落; 含英咀华,看大师巨匠的沉浮人生与绝代风骚。 在人类文明进化发展的数千年历程里,有这样一群人,他们对科学的发展、文化的进步或思想的启蒙起着巨大的推动作用。在这里,他们被称为大师。 还有一些人,他们具有卓绝的想象力、创造力和“力比多”(原生觉悟),他们横空出世,忽而在天空留下一抹惊艳。他们是天才。大师往往天赋极高,很多大师是天才。天才的创造力和想象力与生俱来,是无法通过学习得来的。但天才不一定成得了大师。除去天赋外,大师往往受过苦难与挫折,最后战胜困难,或开启一个门派,或创建一门学科,或登上顶峰一览众山。而天才往往像雨后的彩虹一样,美丽但短暂,昙花一现,受不了苦难甚至挫折。一旦遭遇苦难,大多夭折。 本书所描述的大师、巨匠或天才,只是那些为人类作出积极的、巨大的贡献,在某个或多个领域有重大创造,其作品、著作或研究成果对人类文明产生了重大而深远的影响,改变了一个领域的整体面貌或者在科学领域掀起革命的历史人物。 在文明的进程中,有的大师像路标,指引后人前进;有的像灯塔,照耀着文明进步的航道。本书无法叙述历史长河中多如牛毛的巨星,只选择了少数在思想、科学领域,特别是天文学、数学和物理学领域的大师或天才。 在这些大师或天才中,有的自成鼻祖,有的因为一个发现或发明照亮世界或挽救了无数人的生命;有的是少年成才,有的却大器晚成;有的信手拈来便是发现,有的靠坚定、坚持、坚韧作出发明;有的低调严谨,有的刻板孤僻;有的过得像花花公子,有的活得像苦行僧;有的衣冠楚楚、仪表堂堂,有的相貌猥琐、举止扭捏;有的性情温和、宽宏大度,有的敏感多疑、尖酸刻薄;有的门庭显赫、终生富有,有的家境贫寒、遍尝薄凉;有的慷慨大方,有的斤斤计较;有的好高骛远,有的安分守己;有的重道,有的专术……但他们都有一个共同之处,即他们都在所处的时代甚至整个文明史上登峰造极、踏石留痕。有些巨人的足印至今仍清晰可见,但随着时间的流逝,也有一些巨人的足印已经模糊不清。他们的贡献不应该被世人忘记,他们的足迹不应该被岁月抹掉。我们小心翼翼地把他们的足印拓下来,有的采下一步,有的载下一串,无论多少,都值得珍藏。 这些大师、巨匠或天才,像一颗颗璀璨的珍珠,静静地躺在历史长河的沙滩上。我们小心地、一颗一颗地将它们捡起来,捧在手里,却总要掉落。作者只好用一根绳子,永恒的时间的绳子,将它们串成一条珍贵的项链。这样,我们便可以把这串珍珠项链挂在脖子上,心满意足地带走了。 作者的愿望是使本书知识性、趣味性和探索性并存,力图写出大师间的恩怨情仇,以及他们受时代和社会的影响。这也决定了它不会是读起来轻松,读完后放松的一本书。在书中,描写各位大师的篇幅不一,长短不限。长的数千字,浓墨重彩;短的仅数百字,轻描淡写。有的仅按年序简单地记录大师们的生平,或贡献,或声音,或文字,有的却尽可能记述他们的时代以及彼此的关系和影响。众多历史事件或一些关联人物也尽可能附在最早出现的某位大师后面,如泰勒斯后面附上学派和古希腊七贤,希帕索斯后面附的是数学危机,王羲之后面附上颜真卿和柳公权,桑格后面附的是人工合成牛胰岛素等。书中人物众多,记述的大师和天才共 230 多位,出现的有名有姓者达 600 多。早期(古希腊和古罗马时期)的大师和天才,他们的生辰可能并不十分准确,但不影响他们的顺序。阅读时不妨分成一些有关联的人物群,如:①毕达哥拉斯、亚里士多德、欧几里得,②老子、孔子、庄子,③阿里斯塔克斯、喜帕恰斯、托勒密,④韩愈、刘禹锡、柳宗元,⑤欧阳修、王安石、沈括、苏东坡,⑥哥白尼、伽利略、开普勒,⑦胡克、牛顿、莱布尼茨,⑧欧拉、高斯、柯西,⑨普朗克、爱因斯坦、劳厄,⑩薛定谔、德布罗意、桑格等。这样可从看似散乱的众多人物中提纲挈领,也可从任一时期的某位大师开始阅读,不必拘泥前后顺序。 作者想象的读者可能是这样的。在一个下着小雨的下午,读者走进书店,有缘地从书架上抽出这本书。看着封底的介绍,感觉内容有点多,但不明就里,想知道到底有些什么内容,于是就买回了家。晚上开始阅读,觉得还有点意思,但不像一些休闲书籍读起来那么轻松,于是放下了。过几天后又想起本书,再次捧读,被大师们的事迹、言论或语录所吸引。
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通识课“混沌与非线性思维”建设
热度 1 Mech 2020-6-11 22:52
随着高等教育由精英教育向大众教育发展,人才培养的宽口径厚基础愈发成为社会要求。通识教育在满足这种要求中起着重要作用。通识教育通常具有基础性、整合性和普世性,具体课程既有经典学科的简要概述,也有新兴研究课题的通俗阐述。非线性动力学就属于后者。非线性动力学已经成为人类知识大厦中的重要结构,是理解多种自然现象和社会现象的必要工具,也是一些工程系统设计时需要考虑的因素,具有基础性。非线性动力学是数学、物理学、力学等多学科的交叉,提供了分析众多具体学科领域包括社科人文领域新的视角和方法,具有整合性。非线性动力学也是放之四海而皆准的客观知识,不局限于特定文化和族群,具有普世性。因此,具有基础性、整合性和普世性的非线性动力学已经成为通识,应该以恰当的方式进入通识课堂。 2011 年,配合上海大学大类招生,开设非线性动力学方面的通识课,课程名称自定为《混沌与非线性思维》。该课程力图满足学校对通识课程的要求。不预先假定学生学过任何大学课程 ( 零起点 ) ,由浅入深地展开;以学生为主体,课程设计考虑学生需要,学生的积极参与是课程不可或缺的部分;思考和分析现实生活问题,让学生有机会从各种角度进一步发展自身兴趣。该课程迄今共讲过 15 轮。每轮上课人数大多在 100 到 150 人之间,最多一次 232 人选课,总听课学生超过 1800 人。新生来自理工、社科、经管、艺术等大类,二年级以上学生来自上海大学各个学院,包括理学、通讯、计算机、机自、材料、环化、土木、生科、经济、管理、图书情报档案、社科、外语、文学、美术、影视、中欧等学院,几乎覆盖学校各专业。 本文分析总结 “ 混沌与非线性思维 ” 课程建设情况,包括课程内容、教学特点、学生参与和反馈影响几个方面。希望该课程建设的实践与思考不仅有助于向各专业本科生普及非线性动力学知识,也可供通俗处理其他力学新兴研究领域如散体力学、微纳米力学和力学信息学等借鉴参考。 1 课程内容 在繁杂丰富的非线性动力学知识中,本课程突出一个主题和一个副题。主题是混沌的科学概念及文化影响,副题是非线性从数学模型与思维模式。因此课程名称为 “ 混沌与非线性思维 ” 。混沌的相空间结构往往具有分形特性,系统随参数变化而出现混沌通常伴随着分岔。因此分形和分岔也是课程的教学内容。 本课程的教学目标是,阐述混沌、分形、分岔等科学概念及其历史演化和文化影响,强调非线性系统的本质特性,使得学生能从非线性的角度观察和思考广泛存在于自然和社会中的不可预测和不确定现象。 课程包括引言、虫口模型、混沌、分岔、分形、学术和文化影响和结束语。课程本身非线性展开,具有渐次放大细化的自相似结构。引言中最简明地提到混沌、分岔、分形和非线性。接着以虫口模型为例进一步说明非线性、稳定性、分岔和混沌,也涉及分形。随后较为详细地分别阐述混沌、分岔和分形,以及广泛影响。最后用结束语回顾总结全课程。 引言 2 学时,介绍课程主题副题,说明混沌概念和影响后,重点解释非线性,包括线性与非线性、线性模型的意义与局限、线性思维与非线性思维、追求简单性与探索复杂性。第一讲虫口模型 2 学时,简要说明模型建立后,重点分析中的周期点及其稳定性,说明稳定性概念和判据,引入倍周期分岔和混沌的概念。第二讲 6 学时,阐述混沌概念及其演化,具体内容有,中国和西方文化中的关于混沌的 “ 言 ” 与 “ 意 ” ;非线性动力学意义上的混沌,包括麦克斯韦 (James Clerk Maxwell, 1831-1879) 、迪昂 (Pierre Maurice Marie Duhem, 1861-1916) 等对初值敏感性的认识,庞加莱 (Jules Henri Poincaré, 1854-1912) 的开创性贡献,斯梅尔 (Steven Smale, 1930-) 马蹄,洛伦兹 (Edward Norton Lorenz, 1917-2008) 方程,上田 (Yoshisuke Ueda, 1936- ) 吸引子,混沌的李 ( 李天岩 , 1945-)- 约克 (James A. Yorke 1941-) 定义;混沌的物理实例与运动的几何表示。第三讲分形 4 学时,具体内容有,自相似性、维数与分形;几何中的分形,包括康托 (Georg Cantor, 1845-1918) 集及其空间推广、科克 (Niels Fabian Helge von Koch, 1870-1924) 曲线、谢尔宾斯基 (Wacław Sierpiński, 1882-1969) 三角形和地毯、门格尔 (Karl Menger, 1902-1985) 海绵和非规则几何体维数分析;动力学中的分形;以及曼德布罗特 (Benoît Mandelbrot, 1924-2010) 集。第四讲 2 学时,说明分岔与混沌,包括分岔概念、静态分岔、动态分岔和进入混沌的几种典型路径。第五讲 2 学时,概述物理和工程系统中的混沌,及混沌对社科和人文的影响。最后结束语 2 学时是全课的总结与回顾,并再次说明非线性思维,包括非线性系统的特性,及其对现实世界中不确定性的认识和应对。 教学素材大多数取自较为国际上较为流行的通俗读物 1-6 ,其中多数用的是汉译本 2-5 。这些书也是本门课程的主要参考书。 2 课程特点 本通识课程用通俗易懂的方式介绍现代非线性动力学的基本概念,使得学生对这一蓬勃发展的研究领域有初步的了解。同时说明非线性动力学的文化影响,以开阔视野活跃思路,提供学生思考问题的新视角。具体有下列主要特色。 首先是通俗地阐述非线性动力学的核心概念。本课程围绕非线性动力学的核心概念混沌展开,同时也涉及与分形和分岔概念,特别是两者与混沌概念的关联,即奇怪吸引子和进入混沌路径。所需要基础知识不超过听课学生正在学习的微积分和大学物理。讨论两类典型系统中的周期和混沌运动,离散时间系统虫口模型和连续时间系统非线性振子;用直观的几何表示包括时间历程、相平面图和庞加莱映射区分周期性运动和混沌运动;突出混沌的初值敏感性、非周期性和长期不可预测性。分形着重说明自相似性和分数维数,计算了规则几何结构的维数,并说明这些计算方法向非规则结构的推广。用物理实例说明分岔,包括静态分岔和动态分岔;从动态分岔的角度解释生活和工程中的动力学现象,例如荡秋千和绳系卫星的子星减振。 其次是说明非线性动力学的文化影响。非线性不仅是数学模型,也是种思维模式。在课程中说明现实世界的多样性和不确定性。线性世界里 “ 种瓜得瓜,种豆得豆 ” 、 “ 一分耕耘,一分收获 ” 。习惯于整体为部分之和、投入产出成比例就落入了线性思维的窠臼。现实世界有时候呈现非线性的特征, “ 播下的是龙种,收获的却是跳蚤 ” 、 “ 失之毫厘,差以千里 ” 。非线性思维也许难以概括为具体的规则,最重要的是时刻保持开放的心态,以应对各种可能性。除思维模式外,混沌等非线性概念也对文学艺术有一定影响。例如倍周期分岔图用于时装设计,分形图用于美术装饰,一些小说和电影中也有 “ 蝴蝶效应 ” 等概念。 第三,强调概念的历史演化过程。本课程同时具有科学史的属性。在历史与逻辑的双重变奏中,让学生理解非线性动力学的核心概念。对于混沌概念,详尽地分析了其历史演化过程,揭示不稳定性、非周期性、不可预测性和初值敏感性是如何逐渐成为其内涵。对于分形概念,说明了数学工具分数维的起源以及曼德布罗特的开创性贡献。对于分岔概念,说明了最早的分岔问题,压杆屈曲。在教学中介绍了非线性动力学开创者如庞加莱 , 斯梅尔 , 洛伦兹 , 费根鲍姆 (Mitchell Feigenbaum, 1944-), 曼德布罗特等的生平和贡献,并且推荐他们的经典论文 7-12 、评论性文章 13 或者回顾性文章 14 供学生课外阅读。 第四,注重用经典和文学语言帮助学生理解科学概念。讲解混沌概念时,从中外典籍中引用了亚里士多德《论天》中的 “ 在起点中微不足道的东西在终点中就会变得举足轻重。 ” 《礼记 · 经解》中的 “ 差若豪厘,谬以千里 ” ,《尚书 · 盘庚上》中的 “ 若火之燎于原,不可向迩,其犹不可扑灭 ” ,《五灯会元》中的 “ 毫厘有差,天地悬隔 ” ,苏轼的诗句 “ 竹中一滴曹溪水,涨起西江十八滩。 ” 为对字面意思有更清晰的认识,分别借助《辞源》和《牛津大字典》解释 “ 混沌 (chaos)” 的词义,并引征《庄子 · 应帝王》、《三五历记》、《白虎通 · 天地》和唐诗中有 “ 混沌 ” 的内容,还引征了《神谱》、《变形记》、《圣经》等中英文译本中有 “ 混沌 (chaos)” 的内容。讲解分形概念的自相似性时,布莱克 (William Blake) 诗《天真的预言 (Auguries of Innocence) 》的片段, “ 一花一世界,一沙一天国,君掌盛无边,刹那含永劫。 ” 讲解分岔概念时,引用《易传 · 系辞上》中的 “ 易有大极,是生两仪,两仪生四象,四象生八卦 ” 类比倍周期分岔。 最后,重视信息技术应用,收集相关视频使抽象的概念可视化。我们制作了基于磁耦合双摆的玩具体操运动员 15 的视频和一种复合摆教具 16 的视频,形象地展示了混沌运动。还在网络上收集自由双摆、洛伦兹水轮等混沌运动视频在课堂或课件播放。为提高学生的兴趣,还从影视作品如《侏罗纪公园》和《生活大爆炸》中截取部分视频,让剧中人物解释混沌概念。 3 学生参与 学生的投入与参与是课程取得良好效果的重要因素。在课程开始时,就引用先贤名言说明该课程的特点和注意事宜。 “ 人皆知有用之用,却不知无用之用也。 ” 提醒学生注重知识及其增长方式,不过早、过分地纠结于所学知识的具体用处。 “ 读书切戒在慌忙,涵泳工夫兴味长。未晓不妨权放过,切身须要急思量。 ” 建议学生积极尝试新的学习方式。关注受到的启发和能够理解的内容,而不郁闷于不明白的内容。针对班上文理科学生都有的情况,倡导 “ 两脚踏中西文化,一心评宇宙文章。 ” 保持开放心态,不执着于现有已知的界限,文理之分、对错之分、中外之分等。 考察和考核也是调动学生积极性的手段。期末成绩按学校要求用五分十三等计分。课程成绩由 3 部分构成。一个读书报告,占 40% ;一个学习总结,占 45% ,课堂上 5 分钟的 PPT 分享与讨论,占 10% 。提交的读书报告或学习,如果与书刊网络文献重合过 20% 又无引用说明不计分。尽管教师反复强调这一原则,几乎每轮都有学生因重复率过高而挂科。读书报告和学习总结评分取决于内容、结构、提交时间等。 除了前两轮读书报告为自由阅读外,后面几轮都要求阅读参考书或者推荐读物的指定部分,一般是数页到十余页。全班通常分 6 到 8 组,按学号的同余数确定组别,每组有中英文材料任选其一。读书报告结构统一为内容概述、观点评论和阅读体会三部分,在第八周结束之前提交电子版。 学习总结限制篇幅在一千汉字之内。总结要求有过程回顾、内容概述和收获体会三部分,也可以有与成绩无关的建议意见部分。第 10 周上课时提交纸质版,作为学校要求归档的试卷。 课堂上的 PPT 分享,要求与课程相关,浅显具体生动。后来要求学生提前一周提交,教师审阅通过后安排报告。报告通常安排在最后三周。有些分享还是比较有趣。例如通讯专业学生介绍他人的研究工作,用混沌算法的敏感性和遍历性进行图像加密,特别是由于遍历性,加密图像损坏后,均匀地降低解密后图像的质量,但仍然可以辨认。 4 反馈影响 该课程受到选课学生的欢迎。因教室限制班级人数只能在 100 人或 150 人时,选课人数都超出上限。有些学生在实名的课程总结或匿名的网上评论中,对该课程教学给予正面评价。 教学内容及其处理得到同行肯定,他们多次邀请笔者开设讲座。利用本课程的素材,准备了一或两学时的报告《混沌的科学概念和文化影响》,在十所高校为本科生或研究生讲授。这些学校和报告时间为上海应用技术学院 (2012) 、南京理工大学 (2012) 、沈阳航空航天大学 (2013) 、大连民族大学 (2013) 、苏州科技学院 (2013) 、清华大学 (2013) 、绍兴文理学院 (2014) 、上海大学钱伟长学院 (2014) 、厦门理工大学 (2015) 和哈尔滨工业大学 ( 深圳 ) (2017) 。在本课程素材基础上,增加部分周期运动的内容,形成两学时讲座《周而复始与杂乱无章 — 浅谈混沌与周期运动》,在辽宁科技大学 (2015) 和福州农林大学 (2016) 报告;并成为上海大学核心通识课 “ 无处不在的力学 ” 中的一讲,在 2019 年首次讲授。应用这些素材的两学时讲座《从单摆的等时性谈起:周期、非线性与混沌》,作为上海交通大学致远学院课程 “ 科学思想背后的小故事 ” 中的一讲,在 2017 和 2018 年两次讲授。 在课程进行过程中,笔者对教学内容和方法进行总结思考,并在国内外学术会议上交流和在国际期刊上发表。 2012 年,在第 23 届国际力学家大会的力学教育分会场,笔者做了题为《教大学新生混沌的通识课》的 口头报告 17 。刚开课时,前两届听课的学生主要是一年级学生。这是我们期待的情况,但后来高年级学生更有选课经验,只有少数新生选修该课。前述 口头报告 17 的内容加以充实后, 2013 年发表于《 机械工程教育国际期刊 》 18 。 2013 年底,在高校力学课程教学系列报告会 ( 即全国力学课程报告论坛 ) 上,应邀做了题为《 “ 混沌与非线性思维 ” 通识课建设》的大会报告 19 。 基于对该课程的通俗化处理,形成一些科普性文章,固化教学内容。例如通俗阐述混沌概念的《 混沌浅释 》 20 和通俗解释稳定性概念的《 稳定性漫谈 》 21 。把从古代典籍中收集的有关 混沌和初态敏感性的描述 整理成文 22 ,以便于其他同行在教学或科普中引用。此外,对教学中建议学生动手的一个混沌摆教具进行了建模和仿真 21 。 5 总结 以上是 “ 混沌与非线性思维 ” 通识教育课程建设情况。该课程的教学聚焦于混沌、分形、分岔的科学概念和文化影响。课程特点的特点包括通俗地阐述科学概念、展现科学概念的文化影响、注重逻辑历史统一、提升文化品位和追求生动形象。除听课外学生以课外阅读、课堂分享和学习总结的方式参与教学过程。 参考文献 1 Smith LA. Chaos: a Very Short Introduction . Oxford University Press, 2007 2 格莱克 J ( 张淑誉译 ). 混沌 : 开创新科学 . 上海译文出版社 , 1990 Cleick J. Chaos: Making a New Science . Viking Penguin, 1988 (Chinese translation) 3 洛伦兹 EN ( 刘式达等译 ). 混沌的本质 . 北京 : 气象出版社 , 1997 Lorenz EN. The Essence of Chaos . The University of Washington Press, 1993 (Chinese translation) 4 吕埃勒 D ( 刘式达等译 ). 机遇与混沌 . 上海科技教育出版社 , 2005 Ruelle D. Chance and Chaos . Princeton University Press, 1991 (Chinese translation) 5 斯图尔特 I ( 潘涛译 ). 上帝掷骰子吗? -- 混沌之数学 . 上海远东出版社 , 1995 Stewart I. Does God Play Dice? The New Mathematics of Chaos . Penguin, 1990 (Chinese translation) 6 Smith P. Explaining Chaos . Cambridge University Press, 1998 7 Lorenz EN. Deterministic nonperiodic flow. Journal of the Atmospheric Sciences , 1963, 20(2): 130-141 8 Mandelbrot B. How long is the coast ofBritain? statistical self similarity and fractional dimension. Science , 1967,156(3775): 636-638 9 May RM. Biological populations with nonoverlapping generations: stable Points, stable cycles, and chaos. Science , 1974, 186(4): 645-647 10 Li TY, Yorke J. Period there implies chaos. American Mathematics Monthly , 1975, 82(10): 985-992 11 Hénon M. A two-dimensional mapping with a strange attractor. Communications in Mathematical Physics , 1976, 50(1): 69-79 12 Feigenbaum MJ. Universal behavior in nonlinear systems.  Los Alamos Science 1980: 4-27 13 May RM. Simple mathematical models with very complicated dynamics. Nature , 1976, 261: 459-467 14 S. Smale, Finding a horseshoe on the beaches of Bio, Math. Intel. 1998, 20 (1): 39-44 15 刘延柱 , 彭建华 . 磁耦合双摆的混沌运动 . 力学与实践 , 2008, 28(5): 76-77 ( 原文无英文 ) 16 唐有琦 , 陈立群 . 混沌摆的建模和仿真 . 力学与实践 , 2014, 36(4): 493-496 Tang YQ, Chen LQ. Modeling and simulations of a chaotic pendulum. Mechanics in Engineering , 2014, 36(4): 493-496 (in Chinese) 17 Chen LQ. Teaching chaos for freshmen as a liberal education course. XXIII International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (19-24 August 2012, Beijing, China) Abstract Book (Yilong Bai, Jianxiang Wang, Daining Fang, eds., China Science Literature Publishing House, ISBN 978-988-16022-3-7): 260 18 Chen LQ. Teaching nonlinear dynamics at the freshman level. International Journal of Mechanical Engineering Education , 2013, 41(2): 93-98 19 陈立群 . “ 混沌与非线性思维 ” 通识课建设 . 高校力学课程教学系列报告会 , 上海 , 2013 ( 原文无英文 ) 20 陈立群 . 混沌浅释 . 系统与控制纵横 , 2016, 3(1): 46-53 Chen LQ. Introductory explanation of chaos. All About Systems and Control , 2016, 3(1): 46-53 (in Chinese) 21 陈立群 . 稳定性漫谈 . 力学与实践 , 2015, 37(1): 148-151 Chen LQ. Informal explanation of stability. Mechanics in Engineering , 2015, 37(1): 148-151 (in Chinese) 22 陈立群 . 中国古籍中的初态敏感性和混沌 . 力学与实践 , 2014, 36(5): 680-681 Chen LQ. Sensitive dependence on initial states and chaos in Chinese classics. Mechanics in Engineering , 2014, 36(5): 680-681 (in Chinese) 发表于: 力学与实践 , 2020, 42(1): 75-79
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周期与混沌运动通识课设计
Mech 2019-5-21 13:07
新开设 40 学时的核心通识课“无处不在的力学”。这个标题其实有些浮夸,我个人不欣赏。我所建议的英文名称试图做些修正, Mechanics in All Directions ,不知最后是否采用。课程分入门篇、自然篇、生活篇、工程篇和实践篇几个部分。工程篇最多,占 60% 。自然篇只有 4 次,占 20% 。 我讲自然篇中的一次, 2 学时。我报的题目是《周而复始与杂乱无章 — 浅谈周期运动与混沌》。两个学时分别是“温故”和“知新”。前者是主要以单摆为例说明周期运动,后者主要以双摆为例说明混沌运动的基本性质,非周期性、初态敏感性和不可预测性。要阐述的核心概念是周期、混沌和初态敏感性。 具体提纲如下: 1 开篇视频:双节棍的有招与无招 2 单摆的运动 3 斗转星移 4 从单摆到复摆再到双摆 5 失之毫厘差以千里 6 古人说混沌 7 影视中的混沌 8 结束语:混沌与人生 第 1 节只是一个视频,说明周期和非周期运动。主要科学内容在第 2 节,包括伽利略和惠更斯对单摆周期的推导,用单摆动力学方程的能量积分求单摆周期,说明线性、非线性和线性化。第 3 节简要说明天体运动。第四节是过渡,解释了复摆和双摆,特别强调了数学模型。第 5 节科学内容也比较多,有非周期性、初态敏感性和不可预测性的的实验展示,也有算例说明,还简介了庞卡莱和洛伦兹的工作。第 6 节有些休闲性了,介绍中外典籍中关于混沌和初态敏感性的说法。第 7 节更有娱乐性。最后的结束语偏向教化,这是华夏传统,虽然我个人并不太欣赏。 课程是新开,素材基本现成,属于组合创新。大部分混沌相关素材是当年开设 20 学时通识课《 混沌与非线性思维 》所收集。一个小时的介绍混沌讲座,在 20 余所高校讲过。为平衡周期与混沌,也为降低起点温故知新,尝试增加周期运动的内容。周期运动相关素材,最初是为苏州中学钱伟长班的初中生讲座收集。《 给初中生讲周期运动和混沌 》,那是两个学时的讲座。后来补充更多的推导内容,用于上海交通大学致远学院的两学时课《 科学思想背后的“小”故事( 2 ) 》,“从单摆的等时性谈起:周期、非线性与混沌”。后来也把周期与混沌整合成 1 学时讲座,在少数大学中讲过。整合成两学时通识课程,将是首次尝试。
个人分类: 教学行思|2840 次阅读|0 个评论
《混沌与非线性思维》课程结束
热度 2 Mech 2017-6-29 22:42
从 2011 年以来,《混沌与非线性思维》共讲过 15 轮,总选课学生近 2000 。当时是为应对学校的大类招生,仓促间设计并开设了这门课程。无论是过去还是现在,我个人 都 相信该课程对一些有志于学的学生有帮助。尽管如此,我还是决定停掉这门课程。有下面几个方面的考虑。 就课程内容来说,学生似乎缺少门周期性的先修课。 俊峰教授听我关于《混沌与非线性思维》介绍的报告后曾评论,周期性更普遍。这无疑正确。因此理想的情形是学生先学周期性的相关知识,但事实并非如此。这样会不会揠苗助长?我有些疑虑。 就课程的思想方式而言,这门课程更强调发散性,突出不确定,具有解构的特点。对学生而言,可能建构更重要。最需要学的其实是线性思维。等线性思维已经形成模式,才有必要破除。先是看山是山看水是水,然后在看山非山看水非水,就是由肯定到否定。未经肯定的否定,或未经建构的解构,会不会让学生无所适从? 上面两点本质上还属于“度”的问题,可以在教学中加以调控。更重要的是,这门课最初的设计,是真正意义上的通识课,也就是没有直接用处的课程。目前校方的倾向,似乎更强调实用性。不论是与校方还是学生,兴趣点都在“有用”,这与我有所不同。“道不同不相为谋”。因此我还是主动停了,大家都方便。 还有些比较现实的考虑。最初花费大量精力准备开设这门课程,是为应对大类招生,希望能帮力学系吸引优秀生源。当然我自己从来没有在课堂上做过广告,我看这有违职业操守。最初几轮多少有些正面效果。后来往届生比例远远高于新生比例,基本没有这方面的效果了。另外,通识课学生来自全校各学院,无法调课,需要出差就要求人代课。非常不方便。而且我现在的精力,好像也不胜任每年近 200 学时的本科 纯课堂 教学时数。通识课研讨课和专业课,到底放掉那边,犹豫有一年了,也与有些同事讨论过。现在决定放掉通识课等,还是收敛精力,讲好理论力学、振动力学等。 虽然这门课程不会再讲了。但在这门课的素材基础上的讲座,已经在十余所高校讲过。这些讲座,有机会估计会继续讲下去。 顺便一提,新生研讨课《工程中的振动问题》我也准备永久性地停掉。那个课程本身没有什么问题。主要是吸引学生的作用很有限,而且也是无法调课。 停了这两门课,很有如释重负的感觉。 “轻轻的我走了,正如我轻轻的来;我轻轻的招手,作别西天的云彩。”
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《混沌与非线性思维》第15轮结束
热度 2 Mech 2017-6-21 11:01
考卷上交,成绩登陆打印签字,这一轮的《混沌与非线性思维》第 15 轮正式结束。因为课程将停,避免学生重修等麻烦,对不及格的比例严格控制。本轮与第 14 轮持平,只有约 4% 。第 13 轮高达 17% 。另有缺考等约 8% ,是第 14 轮的两倍。 总体上,本轮课程波澜不惊。 PPT 已经成熟,讲授内容定型,考核方式也具有可操作性。如果说有问题,就是除第一讲外,可能没有达到学生期待的生动活泼,大量的视频图片等。从课程性质看,这大概也是个不可能的任务。 或许值得一记的是,有位不及格同学提出查分。在整个 15 轮教学中,这是第二位学生对不及格提出异议。当然,更常见的是有同学询问一下为什么不及格。上次查分的是询问后仍不能接受。这次是否询问过助教我不知道。我不介意这种事情,按正常程序走就是了。虽然是通识课,但还是有明确清晰的评分标准。或许有应该不及格的最后及格了,但给不及格的肯定是货真价实。 尽管课程讲起来已经轻车熟路,但反而对开设的必要性有了怀疑。现在倾向于无限期地停了课。
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《混沌与非线性思维》评分标准
Mech 2016-11-29 10:06
总成绩由一个电子版阅读报告 ( 第八周交 ) 和一个纸质版学习总结 ( 第十周课堂交 ) 评定。不区分平时成绩和考试成绩。按学校要求,用 5 级 11 等评分。 阅读报告写 6 至 10 组指定阅读材料 ( 组 a 、 b 、 c 、 d 、 e 、 f 、 (g 、 h、i、j) ) 中的一组,每组阅读材料陆续在课堂上宣布。学习总结中,具体教学内容的总结只做课程的一部分,课程分为 5 或 6 部分 ( 第 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 (6) 部分 ) 。具体的分组和部分划分与学号的对应规则在课堂上宣布。两个分组彼此独立,互不关联,请注意避免混淆。 阅读报告和学习总结都有特定的要求和格式,主要是把内容摘要、评价和体会不同的客观和主观的部分严格区分清楚。这些要求也在课堂上宣布。 如果阅读报告和学习总结完全按要求完成,基本分数是 B 。看具体内容下调或者上调 1 到 2 个等级,即为从 C+ 到 A- 。特别优秀的,可以上调 3 个等级。例如,读书报告,不仅总结了阅读的指定部分,而且通过阐述该部分在全书中的作用,表明完成全书并有较好理解,可以给 A 。 如果阅读报告答错组或学习总结写错部分 ( 但仍是本学期的划分框架内 ) ,基本分数是 C 。如果两个都错了,基本分数是 D 。上调、下调规则同上。 准备课堂 PPT 报告的,视报告内容和效果成绩上调 1 到 3 个等级。 阅读报告和学习总结,每个报告每出现 1 次下述问题下调 1 个等级: 1 格式不对, 2 迟交 ( 迟交 1 周含 1 周之内算 1 次,例如迟交 10 天为两次 ) , 3 学习总结加了封面, 4 学习总结字数超过规定上限 ( 每超过 20% 含 20% 之内算 1 次,例如超过 30% 为两次 ) , 5 学习总结上没有说明阅读报告组别, 6 学习总结上没有说明要总结哪部分, 7 混淆纸质和电子版, 8 不清楚分组向助教询问。其中 2 、 4 和 8 可以累积下调。 有下述情况,成绩记为 F : 1 读书报告内容与网上资源重复超过 20% 。 2 阅读报告或总结报告没有按分组要求 ( 不是写错组了,而是根本不知道分组这件事情,或者按非本学期的分组 ) 。 3 阅读报告或学习总结没有核心内容,即没有对要求内容概括摘要的。
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《混沌与非线性思维》第13轮结束
热度 1 Mech 2016-11-23 09:53
考卷看完,还没有上交。因此实际上已经结束,虽然还没有正式结束。这轮课教学时间比较紧。放假停了次课,到南京开会请人代了次课。 从第 12 开始的考试“新政”起作用了。这一轮有近 20% 的人不及格。那些没有理解本门课程表面上低标准、实际上严要求的学生,或许不负责任地误导了学弟学妹。虽然认真参与很容易拿到个体面的分数,但只是想混个及格其实也不容易。 第 12 轮时我已经注意到,用板书宣布分组规则时,有些学生在拍照,这些照片很可能被后届学生所用。这次我口头宣布了分组规则,结果有些学生还是用 12 轮时的分组规则。对于答错题的学生,如果总结中没有强调每次来听课,我基本上还是照顾一下。但如果自称每次听课,还不知道分组的,我就给不及格了。 如果误伤了真正听课的学生,我也没有办法了。在课堂上出现本身并不是目的,重要的参与课程的学习。如果真有对内容感兴趣到忘记了分组这种琐事的学生,他们应该也学到了知识、享受了过程。就算最后没有及格,也是“求仁而得仁,又何怨?” 下一轮课,更明确地宣布评分标准,更严格地按标准打分。希望不及格率上升、选课人数下降,但选课的学生都认真参与,并对教学内容能产生某种兴趣。严格打分是为了以后不打分。如果都是真正感兴趣的学生选课,分数本来也是无所谓的。
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《混沌与非线性思维》第十轮结束
Mech 2015-6-16 14:22
昨天上交了考卷,第十轮教学正式结束。 这门课大概在第三、四轮的时候,大的框架就基本成形,虽然内容的微调一直在进行。第八轮时曾经有次相对比较大的调整。增加了混沌相关的影视视频,补充了更多的有混沌词语或者含义的文学作品。 后面几轮主要的问题是成绩的考核。现在应该也很成熟。按照目前学校用的五等十一级的计分方法,我估计成绩的误差应该在一级之内。也就是说,应该是 B 的成绩,可能给 B- 或 B+ ,但绝不会给 C+ 或 A- 。主要是把读书报告和学校总结都格式化,保证格式要求所有内容都涉及并且是按时提交独立完成,最少是 B- 。当然,特别好的不按格式写也没有关系,依然可以得高分。不及格的 F 给的特别慎重。主要是非独立完成,或者严重跑题 ( 例如读书报告不仅没有在教师指定的书籍和论文中选择,而且是与混沌或非线性完全不相关的 ) 。每次都有些学生认为,才从网络上大段摘录,教师不会发现。我宣布的标准是非直接引语,如果与网络上有的文献重 复20%以上,成绩就是F 。 目前还有问题的是学生课堂的 PPT 报告。近几轮都在报告前增加了教师预览和退回修改的环节, PPT 的质量有所改进,时间控制也比较好。但 PPT报告 后多数情况仍没有讨论。我初步观察,对教学比较感兴趣的坐在前排的同学,往往对同学的 PPT 不太感兴趣。有人在教学建议中就提出,不要安排同学的 PPT 报告。当然,多数同学喜欢这个环节。 还有些同学建议加强网上教学。这有个最根本的问题,教学用的素材很多并没有版权。课堂上用用就算了,放到网上可能就不合适了。 另有问题是每周一次的课太约束人。每年开三轮,有 30 周出差可能受到限制。近几轮都有一次课需要找人代课。还好,学校搞混沌的教授比较多。是不是有可能把课程升级为核心通识课。学时虽然增加一倍,但团队教学,灵活性反而更大。
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通识课教什么?
Mech 2015-4-1 09:03
新一轮通识教育课已经讲过第一次课。如果我没有记错,正好是第十轮。虽然教学内容至少是框架基本成形,但教学目的仍在思考中。 我服膺韦伯在《以学术为职业 (Wissenschaft als Beruf) 》的说法:科学的目的是技术的基础 (Kenntnisseueber die Technik) 、思维的方法 (Methoden des Denkens, das Handwerkszeug und dieSchulung dazu) ,并让人清楚明白 (zur Klarheit ) 。 具体到“混沌及非线性思维”这门课,知识就是混沌的基本概念,获得知识的方法体现在混沌开创者的原创性工作中。但这门课程对学生还能有什么帮助? 我个人理解,比传授具体知识重要的是,要说清楚混沌及其相关概念和理论成为“通识”的历史过程。知识的创造和发现,只是第一步,虽然是无比重要的一部。但有了这些新知识之后,人们可能认为不正确、不重要甚至不新鲜。以各种手段,让人们接受这些新知识的正确性、重要性和独特性,也是成为“通识”的重要一步。科学史上无数重新发现的例子,说明这一步也很关键,否则新知识就湮没而不会成为通识。 因此,通识课的重点,不仅是具体的通识及其发现过程,而是要促使学生有开放的心态。随时审视现有的所谓“通识”,准备接受新的“通识”。只有正确并及时地更新观念,人们才能活得清楚明白。
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“中国可持续发展”通识课-水资源与水环境部分
热度 1 watersci 2012-11-23 22:25
这学期客串了“中国可持续发展”这门课,是给留学生开设的一门英文课。 这些学生来自不同的国家、不同的专业背景,所以不可能讲的太深入。 我的“水”一共安排了三次:中国水资源,水环境,水处理。 前面两次课还好,宏观的东西,比较容易跟可持续发展挂钩; 第三次课,我准备一个晚上没睡觉,一直在思考一个问题:水处理跟可持续发展如何结合? 最终决定,就从中国目前水处理技术单元入手,对每种技术的优势和劣势从可持续行的角度进行分析: 混凝法:残余铝问题?混凝剂中的重金属残留问题?污泥问题?能耗问题? 氧化法:药剂的副作用?腐蚀问题? 吸附法:和混凝一样,只是实现了污染物的分离,而没有从根本上对污染物进行分解转化。吸附剂的再生问题和最终处置问题? 人工湿地:也有类似问题。另外还有占地问题,负荷问题。 生化法:曝气的能耗问题?污泥问题?脱氮、除磷、有机物降解与物质能源回收的关系?
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Teaching Chaos for Freshmen as a Liberal Education Course
Mech 2012-8-26 10:28
Summary “Chaos and Nonlinear Thinking” is a liberal education course for freshmen of all three categories, namely, science and technology, economics and management, as well as humanities, in Shanghai University. The course is devoted to the scientific concept of chaos and its cultural impacts. Nonlinearity is treated not only as a mathematical model but also a thinking mode. The course helps the students to understand the diversity, the uncertainty , and the unpredictability in the real world. INTRODUCTON Chaos theory emerges in the last four decades. Its impacts are beyond the physical sciences or even natural sciences. Chaos theory provides engineers, social scientists and humanists with new views and tools. Some of the vocabulary such as chaos and nonlinearity has evolved from the specific terminology to a part of common language of the publics. Therefore, chaos theory has become a part of general human knowledge. In the fall of 2011, all freshmen in Shanghai University no longer settle a definite field such as physics or mechanical engineering as they enrol in the university. Instead, they belong to one of three categories, science and technology, economics and management, and humanities and choose the fields in the second year. New liberal education courses are designed to satisfy the various needs of the freshmen. “Chaos and Nonlinear Thinking” is such a course. The following presentation will account for the pedagogical features and technical contents of Chaos and Nonlinear Thinking. Its course’s details and the students’ feedback are also briefed. PEDAGOGICAL FEATURES The course is accessible for students of science and technology, economics and management, and humanities . Therefore, no much mathematical is physical sophistication is assumed. Actually, most of the students are studying calculus and university physics that are helpful but not necessary. As its prerequisites are rather limited, the course is taught in an informal style. Many pictures are adopted to visualize mathematical arguments and scientific concepts and to rouse students’ interests. Mathematics is kept in the minimum, while necessary equations are used to clarify the exactness and the soundness of the knowledge. The course is essentially interdisciplinary among sciences, engineering, and humanists . It provides the students with a broad version beyond mathematics and science. In fact, the course is involved in not only engineering applications but also history, sociology and methodology of science. Some impacts of chaos theory on philosophy, aesthetics and literature are also concerned. TECHNICAL CONTENTS The total course consists of7 lectures. Lecture 1 is an introductory description of the concept of nonlinearity that the ratio of input and output is not constant. Meanwhile, the mathematical definition of linearity is also presented, and the significances and the limits of linear models are discussed. Lecture 2 focuses on the logistic map. It begins with the derivation of the map as a model of biological populations with nonoverlapping generations. Then period-1, period-2, and period-4 point are located, and their stabilities are analyzed. Chaos in the map is introduced with the properties of recurrence without periods, sensitiveness to initial states, as well as bifurcation diagram with self-similarity and periodic windows. Lecture 3 elucidates the conceptual evolution of chaos with the culture background, the historical developments, and an illustrative example. The word “chaos” has been found in western classics such as The Theogony of Hesiod (translated by Huge G. Evelyn-White), The Metamorphoses of Ovid (translated by Horace Gregory), Holy Bible (King James Version), as well as Chinese classics such as Zhuang Zi. Some old sayings regarding the importance of initial steps have been collected. The rudiment of chaos in the sense of nonlinear dynamics can be traced back to James Clerk Maxwell’s Cambridge speech referring instability in 1873, Jacques Hadamard’s paper on the geodesic flow on a surface of negative curvature in 1898, and Pierre Duhem’s interpretation of Hadamard’s idea in 1906. Then Henri Poincaré founded chaos theory mathematically by discovering transverse homoclinic points in 1890 and conceptually by revealing chance due to the sensitiveness to initial values. The contributions of other pioneers such as Steve Smale, Edward Norton Lorenz, Yoshisuke Ueda, Tien-Yien Li and James A. Yorke, are presented. The lecture ends with the demonstration of chaotic motion of a forced mass-(nonlinear) spring oscillator, which was first studied by Ueda, via the time histories, the phase trajectories, and the Poincaré map. Lecture 4 deals with the geometrical structure of chaos. Chaos is represented by a trajectory that never closes and repeats and the trajectory locates in a bounded region due to the recurrence of the motion. T he Poincaré map of chaos is a set of infinite points that do not fill any loops or tori. Fractal dimension is introduced with some classic examples such as the Cantor set, the Koch curve, the Koch snow, the Sierpinski triangle and the Sierpinski carpet. The relations between the fractals and the self-similarity as well as the fractals and the sensitive dependences are discussed. Lecture 5 is concerned with the routs to chaos. The emerging process of chaos is investigated with the variation of a system parameter. Period-doubling cascade with the Feigenbaum constants, intermittency, quasiperiodic torus breakdown, and crisis are presented with some examples. Lecture 6 is devoted to demonstrating the ubiquity of chaos. There are examples with the backgrounds of physics, chemistry, biology, astronomy, engineering, sociology, and economics. The influences of chaos on philosophy, aesthetics and literature are briefly commented. Lecture 7 concludes the course with the tentative expatiation on nonlinear thinking. The linear view of the world is based on two assumptions that the whole is the sum of its parts and the production is proportionate to the investment. The two assumptions somehow have become a part of common sense. Nonlinear thinking overthrows the linear view. It emphasizes the diversity, the uncertainty, and the unpredictability. COURSE’S DETAILS The course lasts ten weeks, 2 class periods once a week. Each lecture needs 2 class periods except that lecture 3 needs 6 class periods. The students in the class are required to read one of references as they choose, at least some part of one. They are also recommended to read some historically significant but not too technically difficult papers, such as . In the eighth week, all students should submit either a reading report or a project report, or both if they like. The reading report surveys some materials related to chaos, for example, a reference book or a chapter or even a section of it, a paper. Students select the reading materials themselves. The project report discusses the possible applications of chaos to the fields in which the students are going to major. At the end of the quarter, all students should submit a sum-up report less than 1000 Chinese characters to summarize their acquirements in the subject and to give some suggestions to the instructor if applicable. STUDENDTS’ FEEDBACK Most of students found the course novel and stimulating and experienced the happiness of pursing new knowledge. Even so, some of them, especially those majoring inhumanities, felt it too abstruse or even too obscure. The historical stories and the popular images are attractive, but mathematical terms and operations are hard to understand. A few students are very interested in the subject. CONCLUDING REMARKS The course i ntroduce s in formally the basic of chaos theory with the historical developments and highlight s the essential characteristics of nonlinear systems . It makes students observe, analyze, and understand unpredictable and uncertain phenomena in the natural or the society via nonlinear thinking. References Smith L . A. : Chaos: a V ery S hort I ntroduction. Oxford University Press, Oxford 2007 . Gleick J.: Chaos: Making a New Science. Viking Press, NY 1987. Lorenz E.N.: The Essence of Chaos. University of Washington Press, Seattle 1993. Ruelle D.: Chance and Chaos. Princeton University Press, Princeton 1991. Stewart I.: Does God Play Dice? The New Mathematics of Chaos. Blackwell Publishing, Oxford 1989. Smith P. : Explaining Chaos. Cambridge University Press, Cambridge 1998 . Lorenz E . N .: Deterministic Nonperiodic Flow . J. Atmos. Sci. 20 : 130-141 , 19 63 . May R.M.: Biological Populations with Nonoverlapping Generations: Stable Points, Stable Cycles, and Chaos. Science 186 : 645-647, 1974. Li T.-Y., Yorke J.: Period There Implies Chaos. Amer. Math. Monthly 82 : 985-992. Hénon M.: A Two-dimensional Mapping with a Strange Attractor. Commun. Math. Phys. 50 : 69-79, 1976. May R. M.: Simple Mathematical Models with Very Complicated Dynamics. Nature 261 : 459-467, 1976. Smale S.: Finding a Horseshoe on the Beaches of Bio. Math. Intel. 20 : 39-44, 1998. Presented in Session on FS12: Education in Mechanics, the 23rd International Congress of Theoretical and Applied, Room 208A+B of CNNC, 16:45-17:05, Thursday, 23 August 2012
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