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Development and Application of Meta-cognition-based App for Students with Learning Disabilities
Development and Application of Meta-cognition-based App for Students with Learning Disabilities
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2015. Mar, 19(3): 689-696
Copyright © 2015, The Korean Institute of Information and Commucation Engineering
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : September 17, 2014
  • Accepted : February 17, 2015
  • Published : March 31, 2015
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성태 곽
Seoul Woljung Elementary School, Seoul 157-010, Korea
우천 전
Department of Computer Education, Seoul National University of Education, Seoul 137-742, Korea
wocjun@snue.ac.kr

Abstract
본 연구에서는 학습장애학생들이 메타인지(Meta-cognition)를 효과적으로 활용하여 학습 중에 일어나는 문제를 스스로 해결하려는 습관을 만들어 줄 수 있도록 스마트 러닝을 기반으로 한 학습시스템을 제안한다. 본 연구에서 제안한 스마트 시스템의 특징은 다음과 같다. 첫째, 스마트기기 및 교육시스템을 활용하여 학생의 개별화 학습이 가능하다. 둘째, 학생의 지속적인 반복학습이 가능하다. 셋째, 애플리케이션을 활용한 학습을 통해 학생의 학업성취도 향상이 가능하다. 이처럼 메타인지를 활용한 스마트러닝 시스템을 학습장애학생들에게 적용한 결과는 다음과 같다. 첫째, 학생들이 수학 학습에 대한 흥미를 가지게 되고, 자신감이 향상되었다. 둘째, 학생들의 수학 문제 해결 능력이 향상되었다. 셋째, 학생의 자기주도적인 개별화 학습이 이루어졌다.
Keywords
Ⅰ. 서 론
여러 과목에 걸쳐 보통의 학생보다 현저히 낮은 학업성취도를 보이는 학생들을 ‘학습장애학생’ 이라고 한다. 본 연구에서는 발달장애, 청각장애 및 환경적인 부분 등 외부적 요인이 아닌 학생 내부적 요인에 의해 학습에 장애를 보이는 학생들을 ‘학습장애학생’으로 간주하였다. 이렇듯 학생들 간에 학습 속도나 수준의 차이가 학년을 거듭할수록 심화되고 이로 인해 학교 내에서 부적응하는 모습으로 낙인찍히고 마는 학습장애학생의 수 또한 늘어나고 있는 실정이다. 일반적인 아동과 비교했을 때 학습장애학생들이 가지는 공통적인 특징은 첫째, 인지적인 결함으로써 이 중 언어적인 결함은 특히 학생의 교과학습을 어렵게 하는 가장 큰 원인이 되고 있다. 둘째, 문제해결의 과정에서 깊이 생각해보려 하지 않고 즉흥적이고 충동적으로 처리하는 특징이 있다. 셋째, 지속된 학습에서의 실패로 자기효능감 (Selfefficacy)이나 자아개념 (Self-concept)이 매우 낮은 편에 속한다 [1] . 따라서 교수자는 학습장애학생들의 이러한 문제점을 근본적으로 해결해 줄 수 있는 방안을 모색해야할 필요성이 있는 것이다.
메타인지는 ‘인지에 대한 인지’라고 하며 학생들이 학습과정에 대한 점검, 조절, 평가하는 과정을 일컫기도 하고 학습 중에 어떤 전략을 선택해서 사용할 것인지를 결정하는 것을 뜻하기도 한다. 학습장애학생들은 이러한 메타인지 조절에 어려움을 느끼는 경우가 많기 때문에 이 학생들에게 학습을 자기 스스로 통제할 수 있는 능력을 길러주는 것이 필요한 실정이다.
따라서 본 논문에서는 학습장애학생의 학습권을 보장하고 정상적인 학습이 이루어질 수 있도록 하는 데에 주안점을 두었다. 또한 메타인지를 활용하여 학습이 이루어지는 전반적인 과정에 대해 학습자 스스로 인지하며 학습할 수 있는 방안을 제시한다. 메타인지를 활용하여 학습할 경우, 자신이 무엇을 배우고 있으며 어떻게 해결해야하는지에 대한 생각을 끊임없이 하여 궁극적으로는 자기주도적인 학습이 가능하게 된다. 또한 스마트 교육시스템을 활용하여 학생의 학습에 대한 즉각적인 피드백이 가능하며 언제 어디서나 원하는 정보를 습득, 가공하여 처리하는 학습이 가능하다. 뿐만 아니라 학습장애학생들에게 반드시 필요한 수준에 따른 개인별 맞춤 학습이 가능해지며, 이는 학습장애학생들에게 내재되어 있는 학습된 무기력을 극복하고 새로운 자아개념과 자아효능감을 발전시켜 자신감있게 학습에 임할 수 있는 발판이 될 것이다.
본 연구의 목적은 다음과 같다.
첫째, 메타인지를 활용한 학습이 학습장애학생의 학업성취도 향상에 끼치는 효과를 연구한다. 둘째, 스마트러닝을 활용한 개별화학습이 학습장애학생의 학습동기부여에 끼치는 효과를 연구한다. 셋째, 메타인지기반 학습이 학습자의 자기 주도적 학습 능력에 미치는 효과를 연구한다.
Ⅱ. 관련 연구
- 2.1. 학습장애학생
학습장애에 관한 국제합동위원회 (National Joint Committee on Learning Disabilities. NJCLD)에 따르면, 학습장애란 듣기, 말하기, 쓰기, 읽기, 추론하기 또는 수학적 능력을 습득 또는 사용시 심각한 장애가 발생하는 이질적인 장애군을 일컫는 용어이다 [2] .
국내의 정의들을 살펴보면 특수교육법에는 개인의 내적 요인으로 인하여 듣기, 말하기, 주의집중, 지각, 기억, 문제 해결 등의 학습 기능이나 읽기, 쓰기, 수학 등 학업 성취 영역에서 현저하게 어려움이 있는 사람을 학습 장애로 정의했다. 또한 한국특수교육학회에서는 개인 내적 원인으로 인하여 일생 동안 발달적 학습 (듣기, 말하기, 주의집중, 지각, 기억, 문제해결 등) 이나 학업적 학습 (읽기, 쓰기, 수학 등)영역들 중 하나 이상에서 심각한 어려움을 겪는 것이라고 정의했다. 이 장애는 다른 장애조건 (감각장애, 정신지체, 정서장애 등)이나 환경실조 (문화적 요인, 경제적 요인, 교수적 요인 등)와 함께 나타날 수 있으나 이러한 조건이 직접적인 원인이 되어 나타나는 것은 아니라고 하였다 [3] .
- 2.2. 메타인지
인지 (Cognition)는 ‘어떤 대상을 인정하여 아는 것’이라고 정의할 수 있으나 그 의미는 매우 다양하며 복합적으로 존재한다. 인지의 의미는 첫째, 정적인 의미의 아는 것, 즉 지식의 습득, 발견, 의식, 재발견, 정보의 재인식 등이고 둘째, 동적인 의미인 아는 것의 활용, 지식의 사용, 인지적 활동의 대상을 고양하는 정신활동이나 그 과정까지를 포함한다. 또한 인지과학적인 입장에서는 기억 속에 있는 정보 자체와 그 정보를 획득, 파지, 활용하는 과정으로 본다. 이처럼 인지가 가지는 의미는 학자에 따라 그리고 상황에 따라 다양하게 해석된다 [4] .
메타인지는 ‘인지에 대한 인지 (Cognition about Cognition)’ 라고 불리기도 하며 ‘생각하는 것에 대해 생각하는 능력 (Thinking about Thinking)’ 이라고 정의하기도 한다. ‘meta’라는 접두사를 사용하는 용어들에는 메타기억, 메타이해, 메타언어, 메타인지 등이 존재하며 메타와 관련된 개념들에 대해 다양한 논의가 있음을 알 수 있다. 하지만 기억, 이해, 집중, 의사교환, 언어 등은 인지의 한 유형으로 간주될 수 있기 때문에 메타용어들 중에서 가장 포괄적이며 상위개념으로서의 의미를 지니고 있는 것은 ‘메타인지’ 라고 볼 수 있다 [5] .
- 2.3. 메타인지와 스마트러닝
메타인지를 스마트러닝에 적용한 연구결과는 현재까지 없는 실정이다. 다만 [6] 의 연구에서는 전반적인 온라인 환경에서의 메타인지가 학습에 미치는 효과를 조사하고 분석하였다. 구체적으로 이 연구에서는 온라인 학습에서 콘텐츠의 제시유형과 제시수준, 또한 메타인지가 학습에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 온라인 학습 과정 분석을 통해 학습자의 메타인지가 콘텐츠의 결점과 결핍을 보안하여 학습을 실행하게 하는 중요 요인임을 보여주었다.
Ⅲ. 시스템 설계
- 3.1. 메타인지 활용 학습을 위한 교수 설계 전략
본 연구에서는 학생의 학습에 직접적으로 관련된 요소를 학습 주체, 학습 과제, 학습 구조라는 세 가지 요소로 분류하고 선행연구를 참고하여 학습장애학생에게 적합한 학습 시스템이 제공될 수 있도록 학습을 구성하였다. 각 요소별로 추출한 내용은 다음과 같다.
- 3.1.1. 학습 주체
학습의 주체인 학습장애학생의 공통적인 특성에 맞게 시스템을 구성하여 학습자 스스로 과제를 해결하고 전략을 점검하며 학습해 나갈 수 있도록 고려하였다.
[7] 의 연구에서는 자기 규제 학습 (Self Regulatory Learning: SRL) 은 학습자가 스스로 학습에 대한 욕구를 느끼고 학습 상황을 통제하려는 책임감을 가지며 학습 목표에 도달하기 위해 적합한 학습 전략들을 적용함으로써 자신에게 고유하고 의미 있는 학습 과정과 결과를 산출해 내는 과정이라고 하였다.
자기규제학습은 학습자 스스로가 자신의 학습에 대한 통제권을 가지고 주도적으로 학습해 나가는 것을 의미하므로 이는 학습에 어려움을 겪고 있는 학습장애학생들에게 필요한 학습방법이라고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 자기규제학습을 메타인지 전략과 유사한 개념으로 간주하고자 한다.
- 3.1.2. 학습 과제
학습 과제의 측면에서는 Polya의 문제 해결 이론을 적용하였다. 그의 이론에 의하면 학습의 최선은 스스로 발견해내는 것이다. 효과적인 학습이 이루어지기 위해서는 학습자 스스로 생각할 시간을 충분히 주어 관련 내용을 발견해내도록 해야 하며, 교사는 이를 돕는 발문과 안내를 통해 조력자 역할을 해야 한다. 교사는 학습이 흥미 있고 노력할만한 가치가 있음을 학생들에게 명확하게 인식시켜줄 의무를 가진다. 학생의 경험과 관련이 있으며, 학생에게 의미가 있는 문제를 선정, 제시함으로써 학생이 학습 그 자체에서 오는 기쁨과 발견했을 때의 성취감을 맛볼 수 있도록 해야 한다. 학습 내용에 대해 학생이 가지는 흥미는 학습을 위한 가장 좋은 동기이며, 몰입과 집중으로 나타나는 정신적 활동의 즐거움은 그러한 행동에 대한 최고의 보상이다. 결과를 추측해보고 발표하게 하는 것은 학습동기를 유발하고 지속시키는 하나의 방법이 될 수 있을 것이다. 이와 같은 Polya의 문제 해결 과정의 4단계는 아래의 그림 1 과 같다 [8] .
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Polya의 문제 해결 과정 Fig. 1 Polya's Problem-solving Process
- 3.1.3. 학습 구조
학습의 구조적인 측면에서는 자기 주도적 학습을 적용하였다. 자기 주도적 학습 능력이란 학습자가 스스로 학습을 조절하며 진행해 나갈 수 있는 것이라고 정의할 수 있다. 학습을 지속할 수 있는 노력과 능력, 동기부여가 필요하고, 따라서 학습자에게 자기 주도적 학습 능력을 길러주는 것은 매우 중요한 일이다 [9] .
- 3.1.4. 추출 요소에 따른 교수 전략 설계
위에서 분석한 선행연구를 고려하여 학습 주체면에서는 학습자 중심 학습을, 학습 과제면에서는 문제 해결 학습을, 학습 구조면에서는 자기 주도적 학습의 요소를 지향하여 이에 추출된 수업의 요소를 도식화하면 다음의 그림 2 와 같다 [10] .
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추출 요소에 따른 교수 전략 설계 Fig. 2 Instructional Strategy Design Depending on Extracted Elements
- 3.2. 시스템 설계
- 3.2.1. 설계의 기본 방향
본 연구는 ADDIE 모형을 기반으로 한 스마트러닝을 설계하되 학습장애학생의 학습능력을 향상시키고자 하는 목적이 있다. 설계의 기본 방향은 다음과 같다.
첫째, 학습장애학생의 특성을 고려하여 교육목표와 관련된 지식 습득과 반복 연습이 가능하며 지식을 습득하는 과정에 대해서도 생각해볼 수 있도록 설계한다. 둘째, 아동들이 자신의 현재 수준에 맞게 학습할 수 있도록 진단 평가 실시 및 개별화 학습이 가능하도록 설계한다. 셋째, 아동의 자기 주도적 학습이 가능하며, 평가와 피드백이 즉각적으로 이루어질 수 있도록 설계한다.
- 3.2.2. 설계의 기본 구성
ADDIE 모형은 많은 교육과정 개발자들이 선택할 정도로 기본적이며 핵심적인 내용으로 교수-학습과정이 설계되어 있다 [11] . 학습장애학생에게도 체계적이고 단계적인 교육이 필요하다고 보았을 때, ADDIE 모형은 스마트러닝에서 활용할 수 있는 최적의 교육과정 설계 모형 중 하나라는 것을 알 수 있다. ADDIE 모형이 가지는 특성은 다음의 세 가지로 말할 수 있다. 첫째, 학습자의 현재 상태와 미래에 도달할 상태 간의 격차를 분석하고 학습자가 가지는 문제를 진단함으로써 문제를 해결하는 데 필요한 것을 얻을 수 있다. 둘째, ADDIE 모형은 일단 교수 자료의 초안을 개발한 후, 형성평가를 실시하여 그 결과를 바탕으로 초안을 수정하며 제작한다는 점을 들 수 있다. 셋째, ADDIE 모형은 총괄 평가를 통해 프로그램의 적절성을 판단한다. 학습자에게 적용한 교수-학습 프로그램의 유용성과 가치를 판단하여 단점을 보완하고 더욱 향상된 교수-학습 프로그램으로의 개선이 가능하다는 장점이 있다.
ADDIE 모형의 다섯 단계 과정에 따라 구성한 학습장애학생을 위한 교육과정 설계는 표 1 과 같다.
ADDIE 모형에 기초한 교육과정 설계 과정Table. 1 Curriculum Design Process based on ADDIE Model
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ADDIE 모형에 기초한 교육과정 설계 과정 Table. 1 Curriculum Design Process based on ADDIE Model
Ⅳ. 시스템 구현
- 4.1. 시스템 개발 환경
본 연구에서는 우리나라 스마트 기기에서 주로 사용되는 안드로이드 환경에서의 어플리케이션 개발을 선택하였다. 개발 환경은 다음의 표 2 와 같다.
개발 환경Table. 2 Development Environment
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개발 환경 Table. 2 Development Environment
- 4.2. 메뉴 구조
애플리케이션을 구성하는 메뉴 구조는 그림 3 과 같이 알고리즘으로 나타낼 수 있다.
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사용자 흐름도 Fig. 3 User Flow Chart
애플리케이션의 메인 화면에서는 진단평가를 선택하여 학습을 시작할 수 있으며 약속하기, 기본문제, 도전! 수학왕 의 메뉴가 제시된다. 각각의 단계를 차례대로 학습하고 나면 다음 단계의 학습이 가능하게 되며 이미 학습을 완료한 단계는 언제든지 선택해서 복습을 진행할 수 있다.
약속하기 단계에서 기본 개념을 형성한 후, 기본문제 단계에서 학습한 개념을 반복적인 문제 풀이로 습득하는 과정을 거친다. 기본문제에서 80% 이상의 성취도를 보이면 도전 문제의 단계로 진행할 수 있으며, 문제를 다 풀고난 후 학생의 점수에 따라 학습을 종료할 것인지의 여부를 결정하게 된다. 기본 문제와 도전문제 (도전! 수학왕)의 단계에서는 애플리케이션 안에 내재되어 있는 문제은행에서 각각 10문제씩이 무작위로 선택되어진다. 이는 학생에게 다양한 유형의 문제를 제공할 수 있고, 같은 유형의 다른 문제를 다양하게 제공할 수 있어서 학생의 학습 경험을 늘려주는데 효과적이다. 또한 학생이 각 단계마다 반복적으로 문제를 풀어볼 수 있기 때문에 복습의 기회를 많이 만들어줄 수 있다. 마지막으로 답을 외워서 문제의 답만 맞추고 지나가는 부작용을 방지할 수 있다.
Ⅴ. 시스템 적용
- 5.1. 적용 대상 및 특성
본 연구에서 대상으로 선정된 학생들은 서울 소재 ○○초등학교 5학년에 재학중이며, 특히 수학 과목에 대해 학습장애 특징을 가지고 있다. 현재까지 학습장애학생을 판별하는 보편적인 평가도구가 존재하지 않기 때문에 학교에서 내부회의를 통해 정한 기준에 따라 진단평가 점수를 기준으로 학습장애학생 여부를 판별하였다. 진단평가에서 60점 미만의 학생을 통상적으로 학습부진학생으로 판단하므로, 그 학생들 중 학습장애를 가지고 있다고 판단되는 학생들을 선정하였다. 해당 학생들의 특성은 다음의 표 3 과 같다.
ADDIE 모형에 기초한 학습장애아동을 위한 교육과정 설계 과정Table. 3 Curriculum Design Process for Students with Learning Disabilities based on ADDIE Model
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ADDIE 모형에 기초한 학습장애아동을 위한 교육과정 설계 과정 Table. 3 Curriculum Design Process for Students with Learning Disabilities based on ADDIE Model
- 5.2. 적용 도구
- 5.2.1. 진단평가
학교에서 3월마다 자체적으로 실시하는 진단평가를 학습장애학생을 선발하는 1차적 기준으로 삼았다. 본 진단평가는 5학년 학생을 대상으로 하며, 학교 내부회의를 거쳐 선정된 문제들을 평가도구로 사용한다. 4학년 때 학습한 내용을 평가대상으로 하며 전체적인 평가문제의 수준은 기본 개념에 대한 이해도를 되묻는 수준의 간단한 문제들로만 구성이 되어 있다. 여기에서 60점 미만의 점수를 받은 학생들 중 학습장애가 있다고 판단되는 학생들을 대상으로 선정하여 본 연구를 진행하였다. 학습장애대상학생이 적고 장애학생특성상 공개모집을 할 수 없어 학교내부 4명의 학생으로 진행하였다.
- 5.2.2. 사전평가
학생들의 현재 실력을 객관적으로 파악하기 위해 사전평가지를 개발하였다. 사전평가지에는 각 단원에서 기본적인 개념에 대한 이해도를 묻는 문제 및 응용문제약간을 추가하여 20 문제를 구성하였다. 문제들의 난이도는 본 연구에서 사용하는 애플리케이션에 활용되는 문제와 비슷한 수준으로 출제하였으며, 학생들의 문제 푸는 속도도 함께 측정하여 정답률과 풀이 속도에 대한 향상을 파악하려고 하였다.
- 5.2.3. 사후평가
본 연구에서 개발한 시스템을 적용한 후 그 효과를 보다 정확하게 도출해내기 위해 사후평가도 사전평가와 유사한 유형과 수준의 문제로 구성하였다. 사후평가도 사전평가와 마찬가지로 20문제로 구성하였으며, 각 단원의 차시별로 내용이 고르게 분포하도록 고려하였다.
- 5.3. 적용 결과
학생들에게 본 교육시스템을 2013년 9월 2일~9월 13일까지 하루 평균 20분 이상씩 2주간, 2013년 12월 9일~12월 20일까지 하루 평균 30분 이상씩 2주간, 총 4주간 적용시켜 보았다. 학생들의 사전검사와 사후검사의 결과를 비교한 내용은 다음의 표 4 와 같다.
사전검사 및 사후검사 결과 비교Table. 4 Results Comparison of Pretest and Posttest
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사전검사 및 사후검사 결과 비교 Table. 4 Results Comparison of Pretest and Posttest
Ⅵ. 결론 및 향후 연구과제
본 연구의 목적은 학습장애학생들의 학습 능력 향상을 위한 스마트교육시스템을 설계, 개발 및 적용하는 것이다. 본 스마트교육시스템을 학습장애학생들에게 적용하여 얻은 결과는 다음과 같다.
첫째, 학생들이 수학 학습에 대한 흥미를 가지게 되고, 자신감이 향상되었다. 지금까지 학습에 관해서는 실패 경험이 대부분이었던 학생들이 종전과는 다른 새로운 방식으로 학습을 하면서 학습에 대한 흥미를 가지게 되었다. 또한 반복학습을 통해 문제 푸는 능력 및 속도가 향상되어 이전보다 학습에 대한 자신감이 높아지는 결과를 가져왔다.
둘째, 학생들의 수학 문제 해결 능력이 향상되었다. 위에서 제시한 연구 결과와 같이 학생들의 문제 해결 능력이 향상되었다.
셋째, 학생들의 자기주도적 학습 능력이 향상되었다. 애플리케이션을 활용한 학습을 진행하면서 학생들은 자신들이 잘하는 내용과 어려워하는 내용을 파악할 수 있게 되었다.
본 연구와 관련한 향후 연구 과제는 다음과 같다.
첫째, 학습자의 특성을 고려한 사용자 인터페이스 및 디자인이 고려되어야 한다. 학생들이 본 연구에서 구현한 애플리케이션에 대해 아쉬움을 표현했듯이 학생의 흥미를 이끌어 낼 수 있는 설계가 필요하다.
둘째, 스마트기기의 장점을 살려 애플리케이션 사용자 간의 상호작용성을 활용해야 한다. 예를 들어 다른 친구들과 함께 학습하고 경쟁할 수 있는 요소를 도입하여 상호작용성을 극대화시킬 필요성이 있다.
셋째, 학습 내용, 방법의 범위를 확대하여 학습에 대한 다양성을 확보해야 한다. 본 시스템에서 학생의 학습은 기본 개념을 학습하고 문제를 단계별로 풀어나가는 형식으로 이루어진다. 또한 학습 내용의 범위가 한정적이기 때문에 원하는 내용의 학습을 진행할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 다양한 영역의 학습 내용을 추가할 필요성이 있다.
넷째, 본 연구의 시스템의 효용성 검증을 위해 향후 다양한 학교를 대상으로 넓혀서 연구를 진행할 필요가 있다.
BIO
곽성태(Sungtae Kwak)
2008년 서울교육대학교 컴퓨터교육과 졸업(학사)
2014년 서울교육대학교 교육전문대학원 초등컴퓨터교육과 졸업(석사)
2008년~현재 서울월정초등학교 교사
※관심분야 : 초등컴퓨터교육, 학습부진학생교육, 정보통신윤리, 스마트교육, etc.
E-mail : nobleracer@sen.go.kr
전우천(Woochun Jun)
1985년 서강대학교 전산학과 졸업(학사)
1987년 서강대학교 대학원 전산학과 졸업(석사)
1997년 School of Computer Science, University of Oklahoma 졸업(박사)
1998년~현재 서울교육대학교 컴퓨터교육과 교수
※관심분야 : 장애인정보화교육, 정보영재, 정보통신윤리, etc.
E-mail : wocjun@snue.ac.kr
References
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