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1. 개요 □ 연구목적

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Academic year: 2022

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1. 개요

□ 연구목적

귀뚜라미는 여름철부터 가을철까지 우리 주변에서 쉽게 채집될 수 있는 곤충으로 소리를 생성하기 위한 특징적 구조를 가지고 있다. 귀뚜라미 소리가 청소년의 인지․정서적 감성에도 영향을 줄 수 있다는 생각을 바탕으로 귀뚜라미 날개 구조를 이용한 악기 제조와 이 악기를 이용한 음악이 청소년 의 인지․정서적 감성에 어떠한 영향을 줄지에 대한 연구를 통하여 다음과 같은 연구 목적을 이루고자 한다.

첫째, 고등학고 정규 교육과정인 물리, 화학, 생명과학, 수학, 음악, 미술을 통합한 연구 과제 를 선정하여 학생들이 융합적인 연구 활동 능력을 기를 수 있도록 하여 향후 연구 활 동의 역량을 강화하도록 한다.

둘째, 기초과학원리에 대해 그 응용 및 적용 등에 대한 첨단 과학·기술·공학의 다양성을 학 생 수준과 눈높이에서 제시하여 학생들이 적극적으로 연구 활동에 참여하도록 한다.

셋째, 학생들로 하여금 탐구력과 문제해결력 증진 및 자기 주도적 학습이 가능할 수 있는 토 대를 마련해 준다.

넷째, 학생들이 생명체가 살아가는 환경의 중요성을 인식하고 생물과 환경과의 관계 속에서 인간의 삶을 돌아보고 생명 소중함과 지구자원의 지속가능한 개발 필요성을 일깨울 수 있도록 한다.

다섯째, 연구주제에 대한 체계적인 탐구능력과 함께 사회성, 협동성, 리더십, 서로를 배려하고 소통하는 능력을 키움에 따라 훌륭한 인성을 가진 창의성과 실무능력을 가진 과학·

기술·공학자를 육성하는 토대가 되도록 한다.

□ 연구범위

본 STEAM R&E 연구 활동의 주제인 <귀뚜라미 날개 구조 패턴을 이용한 악기 제조와 이 악기 소리의 청소년 인지∙정서적 청감에 미치는 영향 탐구>을 연구하기 위하여 생물학적 접근을 통하여 귀뚜라미 발성기관의 구조 분석과 함께 소리 분석 작업이 이루어졌다. 또한 소리를 통한 음악의 형성 과정을 이해하기 위하여 음악의 구성 요소에 대한 학습이 이루어졌고 귀뚜라미 발성 기관의 구조학적 분석을 통한 악기 제작을 위하여 악기에 대한 다양한 디자인 작업이 이루어졌다. 구제척인 연구의 범위는 다음과 같다.

가. 고등학교 1, 2, 3학년 교과내용이 적용될 수 있는 주제

나. 특정 학년, 특정 학생이 아닌 모든 학생들의 선택권을 줄 수 있는 주제 다. 수학, 물리, 화학, 생명과학, 미술, 음악 분야가 서로 융합될 수 있는 주제

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2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

(1) 곤충의 소리 내는 방식

메뚜기의 울음소리는 날개나 다리와 같은 몸의 일부를 서로 문질러서 내는 마찰음이다. 이 러한 울음소리는 청음기관(tympanum)으로 감지하는데, 청음기관은 여치아목인 경우 앞다리의 종아리마디 밑 부분에 있고, 메뚜기아목의 경우 제1배마디의 측면에 있다. 메뚜기목은 소리를 앞다리나 배로 듣는 셈이 된다. 메뚜기목이 소리를 내는 기작을 조금 더 자세히 알아보면 귀 뚜라미과(Gryllidae)나 여치과(Tettigoniidae)는 양쪽 앞날개의 밑 부분에 있는 빨래판과 같은 기관을 서로 문질러 소리를 낸다. 귀뚜라미류에서는 오른쪽 날개가 위쪽에, 그리고 여치류에 서는 왼쪽 날개가 위쪽에 위치하며, 긁히는 판(file)이 항상 더 길고 윗 날개에 위치하며, 긁히 는 판(scraper)이 아래 날개에 위치한다. 소리를 낼 때에는 날개를 펼칠 때 소리가 나지 않고, 오므릴 때에만 날개를 비벼 소리를 내게 되는데. 날개를 1회 비비는 동작을 파동(pulse)이라 하며, 파동 수는 온도와 관계가 있다. 종에 따라 파동이 다르며, 1초당 4-5회인 종에서부터 200회를 넘는 종도 있고, 대개 고온에서는 파동이 빨라진다. 특히 귀뚜라미류는 파동이 규칙 적이므로 마치 음악소리같이 들리며. 주파수는 1500~10000Hz 정도이다. 여치류는 파동이 일정 하지 않기 때문에 마치 잡음처럼 들리며. 어떤 종은 10000~20000Hz에 이르기 때문에 사람이 감지하지 못하기도 한다. 풀무치아과(Oedipodinae)의 경우 날아갈 때 뒷날개를 부딪쳐 소리를 내기도 하고, 메뚜기아과(Acridinae)는 뒷다리를 앞날개에 비벼 소리를 낸다. 이러한 메뚜기류 는 뒷다리의 넓적다리마디에 긁히는 판과 같은 기관을 가진다. 일부 암컷이 작은 소리를 내는 종류도 있지만, 소리를 내는 종류는 거의가 수컷이며, 귀뚜라미류와 여치류가 정지 자세에서 소리를 내는 반면, 메뚜기류는 옮겨 다니며 소리를 낸다.

메뚜기목의 많은 종류가 상황에 따라 특이한 소리를 낼 수 있는데. 일부 귀뚜라미와 여치류 가 두가지 이상의 소리를 내는 것으로 알려져 있다. 이들이 평상시 내는 규칙적인 소리는 암 컷을 부르는 소리이며, 주위에 다른 수컷이 있을 경우에는 다른 형태의 경고음을 내기도 한 다. 수컷 매미의 배판의 모습으로 매미의 우는 기관은 뱃속에 있다. 수컷 매미이 배는 텅 비 어 있으며 이 텅 빈 배로 소리를 울리게 하여 울음소리를 크게 한다. 수컷 매미의 배에는 배 판이 있는데 이것이 배를 지켜준다. 수컷 매미의 배에는 대부분 공명실이라고 하는 큰 공기 주머니가 있다. 이 소리가 배덮이 안쪽의 공명실을 울린다. 공명실인 배의 위쪽에서 v자형 근 육(발음근)이 뻗어 발음판에 이어져 있는데, 이 소리는 약하지만, 공명실에 전달되어 배 전체 의 공기를 진동시켜서 큰 소리로 된다. 매미의 암컷은 울지 않으므로 배판이 없다. 그러나 암 컷의 뱃속에도 큰 막이 있어서, 이것으로 같은 종류의 수컷의 울음소리를 느낄 수는 있다

(2) 선행 연구

본 연구 활동을 수행하기에 앞서 교사와 연구에 참여하는 학생들은 관심을 가지고 있던 동물인 귀뚜라미의 소리에 대한 선행 연구와 현악기의 소리 생성 방법과 음향학적 분석을 수행한 선행

(3)

동일종의 귀뚜라미 내에서도 공격, 유인, 교미할 때의 소리가 서로 다르다는 연구 결과를 제시하였다.

2004년 조완호 등의 <매미의 발음 기재를 묘사한 음향 발생 장치의 설계에 관한 연구>에서는 매미가 작은 면서도 광대역의 소리를 낼 수 있는 원리를 파악하여 음향 발생 장치에 이용하기 위한 연구를 수행하였다. 1984년 김동기는 <Violin 활의 변천과정과 이에 따른 violin tone에 관한 고찰>에서 바이올린을 켤 때 사용하는 활에서 말총과 모양의 패턴 변화에 따라 바이올린 소리가 어떻게 변해왔 는지에 대한 연구 결과를 제시하였다. 2001년 진경진은 <서양 현악기의 목형 발달에 관한 연구>에서 서양 현악기의 목형 발달에 따른 소리의 변화에 대해 연구하였으며 또한 2010년 심영섭은 <현악기의 소리전달 방법 연구 : 거문고의 주파수 대역과 마이킹(Miking) 중심으로>에서 거문고에서의 소리 전달 방법에 대한 연구 결과를 제시하였다.

○ 선행 연구와의 차별성

선행 연구에서는 귀뚜라미 종에 따른 소리 파형의 차이점과 행동 유형별 소리 차이점만을 연구 결과로 제시하였으나 본 연구에서는 소리를 발생시키는 기관에 대한 구조학적인 분석을 통하여 악기 제작에 대한 동기를 얻었으며 실질적인 악기 제작을 위하여 선행 연구에서 이루어진 현악기에 대한 여러 음향학적 연구 결과를 바탕으로 공학적 설계를 통하여 새로운 유형의 악기 제작이 이루어질 수 있도록 산출물을 고안하였다.

□ 연구주제의 선정

연구 주제 선정을 위한 회의와 세미나에서 연구의 기본 방향과 함께 특정 교과에 국한한 연구 주제 보다는 과학, 예술, 인문 사회 과목과도 연관이 될 수 있는 주제를 선정하기 위하여 노력하였다.

귀뚜라미는 여름철부터 가을철까지 우리 주변에서 쉽게 채집될 수 있는 곤충으로서 소리를 생성하 기 위한 구조적 특징이 있으며 귀뚜라미 소리가 청소년의 인지적 정서적 감정에도 영향을 줄 수 있다는 생각을 바탕으로 『귀뚜라미 날개 구조 패턴을 이용한 악기 제조와 이 악기 소리의 청소년 인지∙정서적 청감에 미치는 영향 탐구』라는 연구를 주제를 선정하였다. 본 연구 주제의 서브 주제는 다음과 같다.

가. 귀뚜라미 소리 패턴 분석과 소리 형성 기관의 구조 탐색-생명과학과 물리학의 융합 나. 귀뚜라미 소리와 현악기 소리의 음향학적 소리 비교 분석-생명과학, 물리학과 음악의 융합 다. 음악에서의 음계 구성의 원리 탐색-수학, 음악의 융합

라. 귀뚜라미 날개 구조의 구조학적 분석 및 이를 이용한 악기 디자인-수학, 물리학과 미술의 융합 마. 귀뚜라미 날개 구조 패턴을 이용한 악기 제조-미술과 디자인 공학의 융합

바. 귀뚜라미 악기 소리의 청소년 인지∙감성에 미치는 영향 조사- 인문학, 자연과학과 예술의 융합

(4)

일 정

수행내용

추 진 일 정

연구비

(천원) 비고

4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월

주제 탐색 500 협의회-자문교수

협동 시스템 구축 및 운영 200 협의회-참고문헌

STEAM 요소 추출 200 협의회

STEAM 아이템 개발 100 협의회

귀뚜라미 소리 패턴 분석과 소리 형성 기관의 구조 탐색

8,600

생명과학과 물리학의 융합

귀뚜라미 소리와 현악기 소리의 음향학적 소리 비교 분석

생명과학, 물리학과 음악의 융합

음악에서의 음계 구성의 원리 탐색 수학, 음악의 융합

귀뚜라미 날개 구조의 구조학적 분석 및 이를 이용한 악기 디자인

수학, 물리학과 미술의 융합

귀뚜라미 날개 구조 패턴을 이용한 악기 제조

미술과 디자인 공학의 융합

귀뚜라미 악기 소리의 청소년 인지∙감성에 미치는 영향 조사

인문학, 자연과학과 예술의 융합

설문지 조사 200 학생 설문

최종보고서 초안 100 협의회

인쇄본 제출 100 인쇄본제작

연구 진도(%) 10 20 40 60 70 80 90 100

연구비 집행 계획 (천원) 500 200 200 100 8,600 200 100 100 10,000

□ 세부계획

○ 월별 연구 추진 일정

○ 시설 활용 및 외부 전문가 자문 내역

가. 귀뚜라미의 분양 및 자문-농촌기술과학원 유용곤충과 (http://goodinsect.niast.go.kr/) 나. 귀뚜라미의 생활사 및 분류 자문-국립생물자원관 김태우

다. 주자전자현미경 사용방법 및 장비 사용-인천교육과학연구원 과학교육부

라. STEAM 교육의 학생에의 적용 및 교육적 효과에 대한 자문-부산대학교 서혜애 교수

○ 협동 시스템 구축

가. STEAM 교사 연구팀 구성 ( 과학, 수학, 미술, 음악 선생님의 협동 작업 및 자문 )

나. STEAM 연구 활동 조직 운영 방안 및 시스템 구축 (연구 참여 학생들을 3팀으로 만들 어 각각 2개의 소주제 연구에 참여하도록 하며 주기적으로 세미나를 통해 서로의 연구 활동에 대한 심층적 이해를 갖도록 한다.)

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□ 연구 방법

1. 귀뚜라미 울음소리 형성 기관의 구조 탐색 및 소리 패턴 분석 가. 귀뚜라미 서식 지역 파악 및 채집

1) 먼저 사전조사를 통하여 중부지역 일대에서 귀뚜라미가 서식하는 지역에 대한 조사를 실시하 여 연구의 틀을 짜고, 채집 대상 귀뚜라미에 대한 기초 자료를 수집한다.―국립생물자원관 김태우 박사 자문

2) 기존 연구 자료와 논문을 조사하여 귀뚜라미에 대한 연구가 어떻게 진행되었는지 문헌 조사를 실시하고 본 연구 활동과 관련성이 깊은 연구가 어떻게 진행되었는지 탐색하여 연구 활동이 원활히 진행될 수 있는 기틀을 마련한다.

3) 귀뚜라미에 대한 채집은 학교 주변의 백운산을 중심으로 채집한 다음 암수가 구별된 상태로 구분하여 보관하고 채집된 장소와 시간 및 기타 사항에 대한 내용을 탐구일지에 기록한다.

―농촌진흥청 곤충자원과 협조 요청 나. 귀뚜라미 소리 생성방식 분석

1) 귀뚜라미 소리 생성방식을 확인하기 위하여 채집한 왕귀뚜라미 (Teleogryllus emma)와 사육종 인 쌍별 귀뚜라미(Gryllus bimaculatus) 및 농촌진흥청에서 분양 받은 방울벌레(Meloimorpha japonicus)를 이용한다.

2) 귀뚜라미가 소리를 내는 방식을 확인하기 위하여 고속카메라(model:redlake masd inc.

pci 1000s, lens : sigma f/# 2.8-4. zoom:24-135mm, speed:1000 frame/s, shutter:1/2000s, f/#:4, focus:100mm)로 귀뚜라미가 소리를 낼 때의 모습을 한 개체 당 10초간 촬영하며 동일종에 대하여 3개체를 촬영한다.

3) 촬영된 영상을 바탕으로 귀뚜라미의 소리 내는 방식이 마찰, 사물 타격, 진동음 인지에 대해서 조사한다.

다. 귀뚜라미 날개 형태의 관찰

1) 귀뚜라미는 종에 따라 발성기관의 구조와 청각기의 구조가 다르기 때문에 이들의 외부형태에 대한 정확한 동정을 위하여 발성기관과 청각기관을 실체현미경으로 찍는다.

2) 귀뚜라미 암수 형질 차이를 구별하기 위하여 쌍별 귀뚜라미, 왕귀뚜라미, 방울벌레를 가지고 암컷과 수컷의 외부형질을 관찰한다.

3) 세 종류의 귀뚜라미에서 두 쌍의 날개 중 외부에 있는 날개를 채취하여 암수를 구분하고 오른쪽 날개와 왼쪽 날개를 조사한다.

4) 귀뚜라미의 청각기관을 확인하기 위하여 관찰 대상 귀뚜라미를 냉동실에 급속히 냉동시킨 다음 현미경을 통해서 귀뚜라미의 청각기관을 실체 현미경을 통해 관찰한다.

라. 귀뚜라미 울음소리 발생기관의 위치 탐색

1) 귀뚜라미 3종의 오른쪽 날개와 왼쪽 날개의 배열 패턴을 관찰한다.

2) 실체 현미경을 통하여 암컷과 수컷의 날개에서 소리를 발생시킬 수 있는 구조가 있는지 조사한다.

마. 귀뚜라미의 행동에 따른 소리분석

1) 귀뚜라미가 상황에 따라 어떤 울음소리를 내는지를 확인하기 위하여 두 가지 상황을 조

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성해 놓고 귀뚜라미 사이의 울음소리를 녹음 및 분석한다. 귀뚜라미의 상황에 따라 어 떻게 소리가 다른지를 확인하기 위하여 왕귀뚜라미와 방울벌레, 그리고 외래종인 쌍별 귀뚜라미를 이용하며 방울벌레의 경우 예민하기 때문에 암소에서 실험을 실시한다. 각 각의 실험에서 소리를 녹음 할 때 소리분석 프로그램인 cool edit pro를 이용한다.

2) 페트리디시에 암컷 3마리와 수컷 1마리를 넣고 구멍 뚫린 뚜껑으로 덮은 후 어떤 개체 가 소리를 내는지 관찰한다.

3) 페트리디시에 수컷 3마리와 암컷 1마리를 넣고 구멍 뚫린 뚜껑으로 덮은 후 어떤 개체 가 소리를 내는지 관찰한다.

4) 녹음 된 소리는 컴퓨터에서 변환하여 wav파일을 생성하고 소리분석 프로그램인 cool edit 2000을 이용하여 분석한다. 이 때 각 울음소리의 시간(call), 울음소리와 울음소리 사 이의 시간 간격(call duration), 울음소리에서 소리가 높아지는 횟수(chirp)을 분석하여 상 황에 따라 귀뚜라미 울음소리가 어떻게 달라지는지를 알아본다.

< 유인행동시의 소리를 녹음하기 위한 설계 >

왕귀뚜라미 쌍별귀뚜라미 방울벌레

2. 귀뚜라미 날개 구조의 구조학적 분석 및 디자인 가. 귀뚜라미의 날개 줄(File Teeth) 수와 분포 양상 탐색

1) 귀뚜라미 종 사이의 날개 패턴 차이를 학인하기 위하여 국립생물자원관의 도움을 얻어 10종의 귀뚜라미를 대상으로 소리 발생기관의 차이를 확인한다.

2) 각 종에서 소리를 발생시키는 개체를 대상으로 각 날개의 오른쪽 날개와 왼쪽 날개의 줄(File)을 광학현미경을 통하여 분석한다.

3) 귀뚜라미 File 크기와 File 간격 크기를 측정한다.

4) 귀뚜라미 줄(File Teeth) 수와 분포 양상을 탐색한다.

나. 귀뚜라미 날개 file 구조 디자인

1) 여러 귀뚜라미 날개의 현미경 자료를 바탕으로 File Teeth의 모양을 디자인 한다. 디자 인 할 때에는 File Teeth의 높이와 간격, 수를 다양하게 하도록 한다.

2) file 구조 디자인을 바탕으로 이를 이용하여 악기를 제작하기 위해 재료에 대한 탐색을 실시한다. 탐색을 할 때에는 기존 악기에 사용되는 재료를 참고한다.

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3. 소리와 음악의 관계 탐색 가. 소리 음계 탐구

1) 다양한 악기의 소리 생성 방법에 대해 조사하고 토의한다.

2) 음악이 이루어지기 위한 음악의 3요소 및 7음계에 대해 조사하고 세미나를 실시한다.

나. 피타고라스 순정율 학습

1) 음악이 성립되기 위한 피타고라스의 순정율과 수학과의 관계에 대해 조사하고 세미나를 거쳐 음악을 이루기 위한 소리의 관계에 대해 학습한다.

2) 진동수와 7음계 사이의 관계에 대해서 학습한다.

4. 귀뚜라미 날개 구조 패턴을 이용한 악기 제작 가. 악기 디자인

1) 스위스 전통 악기인 오르골의 작동 원리를 알아보고 오르골이 어떻게 제작되는지에 조사한다.

2) 귀뚜라미 소리 생성 기관의 구조에 대해서 토론하고 이 구조물을 이용한 악기에 대한 디자인을 연구 참여 학생들이 각자 디자인 한다.

3) 각자가 디자인 한 악기에 대해 발표하고 연구 참여 학생들의 의견을 조율한다.

4) 발표가 모든 끝난 후 발표한 악기 각각에 대한 장단점을 토론한다.

5) 토의가 끝나면 의견이 모아진 악기 디자인에 대한 장단점을 바탕으로 최종 악기 디자인 을 구상한다.

나. 악기 제작

1) 악기 제작을 위해 필요한 물품이 무엇인진 결정하고 악기 제작에 필요한 도구에 대해서 도 토의한다.

2) 준비한 악기 제작 물품을 확인하고 악기 제조에 필요한 전동공구의 사용법과 사용상 유 의점에 대해서는 지도교사가 지도한다.

3) 악기를 제작학고 제작된 악기를 이용하여 연주하고 소리를 분석한다.

4) 제작된 악기의 장단점에 대해서 전체 토의하고 개선점을 반영하여 악기를 최종 완성한다.

5. 귀뚜라미 악기 소리의 청소년 인지∙감성에 미치는 영향 조사 가. 청감 실험실 구성

1) 귀뚜라미 악기를 이용한 연주 소리에 학생들이 어떠한 반응을 보이는 지를 연구하기 위 하여 연구에 대해 전혀 모르는 고등학교 1학년 학생 60명(남학생 45명, 여학생 15명)을 선발한다.

2) 외부 소리가 차단된 방의 각 모서리에 스피커를 설치해서 최고음압레벨과 최저음압레벨 의 차이가 0.6dBA인 비교적 고른 음장을 형성하는 청감 실험실을 구성한다. 20명의 좌 석 배치는 고르게 한다.

나. 명상 방해 실험

실험실에서 60명의 학생들을 대상으로 명상을 하도록 한 후 20dBA의 귀뚜라미 악기로 연 주된 음악을 들려주고 나서 설문지 조사를 한다.

(8)

다. 인지과제 수행 방해 실험

청감 실험실에서 60명의 학생들을 대상으로 미리 제작된 수학 문제를 풀게 하면서 20dBA 의 귀뚜라미 악기로 연주된 음악을 들려주고 나서 설문지 조사를 한다.

라. 귀뚜라미 악기로 연주한 음악에 대한 반응 실험

청감 실험실에서 60명의 학생들을 대상으로 미리 녹음된 귀뚜라미 악기 연주 소리를 들려 주고 미리 제작된 설문지 조사를 한다.

□ 연구 활동 및 과정

1. 귀뚜라미 울음소리 형성 기관의 구조 탐색 및 소리 패턴 분석 가. 귀뚜라미 날개 형태

1) 세 종류 모두 오른쪽 날개와 왼쪽 날개 사이에는 외관상 거의 차이가 없었으나 암수에서는 날개에 차이가 있다.

2) 수컷의 날개는 암컷의 날개에 비해 컸으며 타원형 모양을 하고 있으나 암컷의 날개는 약간 길쭉하며 작았다.

<귀뚜라미 암수 날개>

왕귀뚜라미 수컷 날개 쌍별귀뚜라미 수컷 날개 방울벌레 수컷 날개

왕귀뚜라미 쌍별귀뚜라미 방울벌레

나. 귀뚜라미 청각기관 형태

1) 고막은 세 쌍의 다리 중 앞다리에 있으며 그 위치는 두 번째 관절이 시작되는 부위에 다리 마다 바깥쪽과 안쪽에 하나씩 모두 4개가 있다.

2) 세 종류 귀뚜라미 모두 암컷의 고막이 수컷에 비해 상대적으로 크기가 크다.

3) 안쪽 고막은 작고 둥근데 반해 바깥쪽 고막은 좀 더 크고 길다. 다리의 색에 비해 고막의 색은 연하고 수컷에 비해 암컷의 고막이 더 발달되어 있다.

(9)

<귀뚜라미 청각 기관>

왕귀뚜라미 쌍별귀뚜라미 방울벌레

수컷 암컷 수컷 암컷 수컷 암컷

다. 귀뚜라미 울음소리 발생기관의 위치 탐색

1) 날개는 모두 등을 따라 겹쳐져 있으며 오른쪽 날개가 왼쪽 날개를 거의 덮고 있다.

2) 수컷의 경우 양 날개에는 각각 날개맥의 줄(File)과 마찰편(Scraper)이 발달되어 있다.

3) 반면 암컷의 경우에는 날개맥(File)과 마찰편(scraper)이 발견되지 않는다.

4) 수컷의 오른쪽 날개에서 가로축 방향으로 발달한 날개맥(File)이 왼쪽 날개의 가로축 방 향으로 발달한 마찰편(scraper)이 서로 겹쳐져 있다.

<귀뚜라미 울음 발생기관의 위치>

왕귀뚜라미 쌍별귀뚜라미 방울벌레

라. 귀뚜라미의 행동에 따른 소리분석 1) 유인 행동시의 소리 분석

가) 귀뚜라미의 행동에 따른 울름소리 분석을 위한 요소로 chirp, call duration, call을 설정한다.

나) chirp의 경우 방울벌레가 평균적으로 524번, 왕귀뚜라미가 39번, 쌍별귀뚜라미가 3번 으로 수컷 방울벌레가 암컷을 유인할 때 지속적으로 우는 반면 쌍별귀뚜라미가 비고 적 적게 우는 경향이 있다.

다) call time의 경우 방울벌레가 7.130초로 0.1311초의 왕귀뚜라미나 0.2159초의 쌍별귀뚜 라미에 비해 우는 시간이 길었다.

라) call duraation의 경우도 방울벌레가 울음소리 사이의 시간간격이 14.4356초로 가장 길 었으며 왕귀뚜라미가 0.2103초 , 쌍별귀뚜라미가 0.4889초로 나타났다.

마) 유인행동시의 소리를 분석한 결과 세 귀뚜라미의 소리의 패턴이 달랐으며 다른 귀뚜 라미에 비해 방울벌레가 한번 울 때 길게 울며 우는 사이의 시간 간격도 길었다.

바) 왕귀뚜라미와 쌍별귀뚜라미는 상대적으로 우는 패턴이 비슷한 경향이 있다.

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<귀뚜라미 유인행동시의 소리파형>

귀뚜라미 소리파형

왕귀뚜라미

쌍별귀뚜라미

방울벌레

<귀뚜라미 울음소리 분석의 세 가지 요소 >

<귀뚜라미 유인행동시의 chirp>

(11)

<귀뚜라미 유인행동시의 지속시간(call)>

<귀뚜라미 유인행동시의 call duration>

2) 구애 행동시의 소리 분석

가) 구애행동시의 Chirp수의 경우도 유인행동시의 Chirp수와 같이 방울벌레, 왕귀뚜라미, 쌍별귀뚜라미 순 이었다.

나) 방울벌레가 평균적으로 94번, 왕귀뚜라미가 56번, 쌍별귀뚜라미가 3번으로 수컷 방울 벌레가 암컷을 유인할 때 지속적으로 우는 반면 쌍별귀뚜라미가 비교적 적게 우는 경향이 있다.

다) call time의 경우 방울벌레가 6.5309초로 2.4288초의 왕귀뚜라미나 0.0394초의 쌍별귀 뚜라미에 비해 우는 시간이 길었다.

라) call duration의 경우도 방울벌레가 울음소리 사이의 시간간격이 13.3598초로 가장 길 었으며 왕귀뚜라미가 0.3824초 , 쌍별귀뚜라미가 0.3829초로 나타났다.

(12)

마) 구애행동시의 소리를 분석한 결과 세 귀뚜라미의 소리의 패턴이 유인행동시의 마찬 가지로 달랐으며 다른 귀뚜라미에 비해 방울벌레가 한번 울 때 길게 울며 우는 사이 의 시간 간격도 길었다. 왕귀뚜라미와 쌍별귀뚜라미는 상대적으로 우는 패턴이 비슷 한 경향이 있다.

<귀뚜라미 구애행동시의 소리파형>

귀뚜라미 소리파형

왕귀뚜라미

쌍별귀뚜라미

방울벌레

<귀뚜라미 구애행동시의 chirp>

(13)

<귀뚜라미 구애행동시의 지속시간(call)>

<귀뚜라미 구애행동시의 call duration>

2. 귀뚜라미 날개 구조의 구조학적 분석 및 디자인 가. 귀뚜라미의 날개맥의 줄 (File Teeth) 현미경 관찰

1) 귀뚜라미의 날개맥의 줄 (File Teeth)을 현미경 관찰한 결과는 아래와 같다.

2) Chirp수를 기준으로 Chirp수가 증가함에 따라 날개맥의 줄 (File Teeth)사이의 간격이 좁 아진다.

3) Chirp수의 변화는 File 크기가 작을수록, File 간격 크기가 작을수록 커짐을 알 수 있다.

4) 귀뚜라미 소리의 특성을 결정 짖는 요소는 소리 파형의 Chirp 수이며 이 Chirp수를 결 정하는 요소에는 File 크기와 File 간격 크기와 관계가 있음을 알 수 있다.

5) File 크기와 File 간격 크기가 작을수록 귀뚜라미 울음소리는 길게 이어진다.

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<귀뚜라미 날개맥의 줄 (File Teeth) 관찰 Ⅰ>

귀뚜라미 날개맥의 줄 (File Teeth) ×100 관찰 평균 Chirp수

쌍별귀뚜라미 3

왕귀뚜라미 39

방울벌레 524

<귀뚜라미 날개맥의 줄 (File Teeth) 관찰 Ⅱ>

귀뚜라미 날개맥의 줄 (File Teeth) ×400 관찰 File 크기

간격 크기

쌍별귀뚜라미 1.0 ㎛ 0.8 ㎛

왕귀뚜라미 0.5㎛ 0.1㎛

방울벌레 0.4㎛ 0.2㎛

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나. 귀뚜라미의 날개맥의 줄(File Teeth) 분포 양상 탐색

1) 쌍별귀뚜라미, 왕귀뚜라미 경우는 오른쪽 날개와 왼쪽 날개의 File이 좌우 대칭적으로 발달되어 있다.

2) 방울벌레의 경우 오른쪽 날개와 왼쪽 날개의 File이 비대칭 구조를 하고 있다. 이는 이 들 귀뚜라미 왼쪽날개의 File이 퇴화된 것으로 추정된다.

3) 10종의 귀뚜라미에서 오른쪽 날개 File 수와 왼쪽날개의 File 수가 증가함에 따라 Chirp 수도 증가하는 경향을 보인다.

4) Chirp수는 오른쪽 날개의 File수와 밀접한 관계를 가지고 있다. 즉, File수가 증가할수록 평균 Chirp수가 증가하는 경향을 가지고 있다. 이는 오른쪽 날개의 File수가 증가할수록 평균 Chirp수도 증가하고 한번 울 때 지속적으로 울음소리를 낸다는 것을 의미한다.

<귀뚜라미 날개맥의 줄(File Teeth)>

귀뚜라미 날개맥의 줄(File Teeth) 분포

왕귀뚜라미 오 른 쪽

왼 쪽

쌍별귀뚜라미 오 른 쪽

왼 쪽

방울벌레 오 른 쪽

왼 쪽

3. 소리와 음악의 관계 탐색 가. 피타고라스 순정율

1) 현악기에서 현의 길이가 간단한 정수비로 표현 될수록 어울리는 소리가 나고, 복잡할수록 어울리지 않는 소리가 난다.

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2) 피타고라스의 음정에서는 1도, 4도, 5도, 8도 음정만을 완전 어울림 음정이라고 한다.

3) 현을 튕겼을 때 현의 길이가 짧을수록 진동수는 커지고, 현의 진동수가 클수록 높은 음이 나온다.

4) 음의 높이는 현의 길이에 반비례하고 진동수에 비례한다.

5) 순정율에 따른 C장조 음계에서 각 음에 대응하는 진동수와 인접한 진동수 사이의 비를 보면 음정의 합과 진동수의 비의 곱이 멋지게 대응한다.

나. 평균율

1) 순정율에서 원래의 조에서는 아름다운 조화를 이루지만 일단 조를 바꾸면 그 조화가 깨 진다.

2) 평균율에서는 언제든지 조바꿈을 할 수 있다.

3) 평균율은 한 옥타브를 12개의 반음으로 나눈 음률이다. 균율은 어느 조성에서도 모든 음이 동일한 음정을 갖는다.

4) 평균균율에서는 완전 8도를 제외한 어떤 음정도 완전한 협화음이 되지 않기 때문에 순정 율만큼 사람의 귀에 아름답게 들리지 않는다.

5) 평균율은 모든 장조와 단조로 연주가 가능한 실용적 음악이며, 자유로운 조바꿈과 조옮 김은 물론 화음 진행을 원활하게 한다는 장점이 있다.

4. 귀뚜라미 소리 생성 구조물을 이용한 악기 제작

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한 학생들이 각자 자신이 생각하는 악기에 대한 디자인을 하도록 한다.

나. 고안된 악기에 대한 디자인을 PPT 발표 자료로 만들어 발표하고 연구 활동에 참여한 학 생 및 교사와의 세미나를 실시한다.

1차 세미나 후의 귀뚜라미 악기 모형도 2차 세미나 후의 귀뚜라미 악기 모형도

3차 세미나 후의 귀뚜라미 악기 모형도

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4차 세미나 후의 귀뚜라미 악기 모형도

5차 세미나 후의 귀뚜라미 악기 모형도

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나. 악기 제작 1) 1차 악기 제작

(가) 건반을 이용하기 위하여 기존에 시판되는 멜로디언에서 건반만을 드라이버를 이용 하여 분리한다.

(나) 십자드라이버를 이용하여 스위치를 분리시킨다.

(다) 스위치와 건반을 결합시킨다. 건반의 크기에 맞도록 쇠를 가위를 이용하여 자르고 건반과 분리한 스위치의 쇠 부분을 글루건을 사용하여 연결한다. 건반 뒷부분에 있 는 쇠 부분과 피복을 벗긴 에나멜선을 연결시킨다.

(라) 글루건을 이용하여 전선과 판을 연결시킨다. 앞에서 만들었던 스위치와 결합한 건 반을 다시 끼워 넣는다.

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2) 2차 악기 제작

(가) 판에 있는 부속품들을 모두 제거하고 돌출되어 있는 것들을 모두 제거한다.

(나) 납땜기와 납을 이용하여 너트와 (피복을 벗긴)에나멜 선을 납땜한다.

(다) 앞에서 제작한 너트+에나멜선을 건반 뒷면에 그림과 같이 부착하여 총 7개를 만든다.

(라) 스위치에서 분리시킨 전선과 너트를 납땜기를 이용하여 연결한다.

(마) 연결한 전선을 판에 글루건을 이용하여 부착한다. 이때 글루건이 너트 위로 올라오지 않을 정도로 만든다. 7개의 전선을 연결시키고 건반을 원래 상태대로 맞추어 끼워 넣는다.

(바) 건반은 도레미파솔라시 총 7개의 흰색건반을 사용한다. 모든 건반에 회로를 연결시켜

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3) 귀뚜라미 악기 제작

(가) 도면과 같은 길이로 합판에 실선을 그린다. 모터가 위치하는 부분이므로 MDF를 사용한다.

(나) 전기톱을 이용하여 실선을 따라 합판을 절단한다. 양쪽의 7mm를 남긴 채 34mm 간격으 로 구멍을 드릴을 이용하여 8개를 뚫는다.

(다) 상판과 측판으로 총 2개의 나무에 같은 간격으로 구멍을 뚫는다. 글라인드를 이용하여 완성된 상자의 면을 매끈하게 만든다. 특히 바닥 부분이 평평하게 다듬는다.

(라) 글라인드를 이용하여 쇠 막대의 양 끝을 총 길이가 31cm 되도록 절단시킨다. 마지막으 로 끝 부분을 둥글게 처리한다.

(마) 모터가 위치하는 상자와 전지를 연결하기 위하여 1.5V AA형 건전지를 소켓에 끼운 후, 소켓을 상자 Ⅱ에 글루건을 이용하여 부착한다. 소켓의 양 끝에 연결되어 있는 전선을 하나는 상판의 구멍으로, 또 다른 하나는 측판의 구멍으로 넣어 밖으로 빼 낸다.

(바) 상판으로 빼낸 실선과 모터를 납땜기를 이용하여 연결시킨다. 에나멜 선의 양쪽 코팅을 칼로 긁어 벗겨낸 후 납땜을 하여 연결시킨다. 지저분하게 놓여있는 에나멜 선과 전선 을 테이프를 통해 고정시킨다.

(사) 상자와 건반을 연결하기 위하여 미리 제작한 건반과 상자를 연결한다. 상자의 에나멜선 은 건반과 연결된 집게 전선과 연결하고, 건반에 연결되어 있는 에나멜선은 상자의 전 선과 납땜을 하여 연결시킨다. 건반에 연결되어 있는 에나멜선은 상자의 전선과 납땜을

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하여 연결시킨다.

(아) 건반에 있는 집게 전선은 아래쪽으로 내려 보내 나란히 붙인다. 필요한 건반 부분 이외 에 불필요한 양쪽 부분을 톱을 이용하여 제거한다.

(자) 울림통에 조각칼을 이용하여 홈을 두 줄 판는데 앞 홈의 깊이가 뒤의 홈 보다 깊게 하 여 홈을 판다.

(차) 칼림바의 쇠 부분 역할을 할 부분으로 길고 둥근 나무 막대를 홈에 끼워 맞춘다. 안정 감을 위해 목공용 접착제를 이용하여 고정시킨다. 칼림바의 쇠 막대 부분 역할을 하는 부분을 두 나무 사이에 얹어 놓는다.

(카) 니스가 완전히 마른 후에 악기를 놓으며 악기의 길이는 각각 다르게 하여 8가지의 음계 를 낼 수 있도록 한다. 앞에서 글라인딩 작업을 거친 쇠를 악기 위에 올려 고정시킨다.

5. 귀뚜라미 악기 소리의 청소년 인지∙감성에 미치는 영향 조사 가. 명상 방해 실험 결과

60명의 남녀 학생을 대상으로 한 명상 방해 실험에서 다음과 같은 결과가 나왔다.

설문 내용

만 족 도 매우

그렇다그렇다 보통 이다 그렇지

않다 매우 그렇지

않다 잘 모르 겠다.

새롭게 만든 악기로 연주한 음악은 나의 명상을 방해한다. 3 5 17 24 8 3 명상을 방해한다고 응답한 학생은 전체의 14%이고 그렇지 않다고 응답한 학생은 54%로 전

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나. 인지 과제 수행 방해 실험

60명의 남녀 학생을 대상으로 한 인지 과제 수행 방해 실험에서 다음과 같은 결과가 나왔다.

설문 내용

만 족 도 매우

그렇다그렇다 보통 이다 그렇지 않다

그렇지 매우 않다

모르잘 겠다.

새롭게 만든 악기로 연주한 음악 때문에 수학 문제 풀이에

곤란을 겪었다. 13 7 13 16 8 3

수학 문제를 푸는 과정을 방해한다고 응답한 학생은 전체의 34%이고 그렇지 않다고 응답한 학생은 40%로 전체적으로 비슷한 응답이 나와 처음 들어보는 귀뚜라미 악기 소리가 학생에 따라 다른 양상을 나타냈다.

다. 귀뚜라미 악기로 연주한 음악에 대한 반응 실험

60명의 남녀 학생을 대상으로 귀뚜라미 악기에 대한 실험에서 다음과 같은 결과가 나왔다.

설문 내용

만 족 도 매우

그렇다그렇다 보통 이다 그렇지

않다 매우 그렇지 않다

잘 겠다.모르

새롭게 만든 악기로 연주한 음악은 리듬감이 있으며

아름답게 들린다. 7 10 17 6 2 16

귀뚜라미 악기로 연주한 음악에 대해서 리듬감이 있으며 아름답게 들린다는 반응은 전체의 28%이고 그렇지 않다는 반응을 보인 학생은 13%이며 나머지 학생은 보통이다와 잘 모르겠 다는 반응을 보였다.

명상 방해 실험, 인지 과제 수행 방해 실험을 통하여 새롭게 만든 귀뚜라미 악기 소리에 대 해 전체적으로는 긍정적인 답변이 부정적인 답변보다 많이 나왔으며 연주된 음악의 음악으 로서의 가능성에 대해서는 긍정적인 반응이 부정적인 반응보다 더 많이 나오기는 하였으나 유보적인 답변도 상대적으로 비슷하게 마와 새로운 악기로서의 가능성은 더 많은 실험을 통하여 개선되어야 한다고 생각된다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 암컷 귀뚜라미는 수컷 귀뚜라미에 비해 고막이 더 발달되어 있으며 수컷 귀뚜라미만이 울음소리를 발생시킬 수 있는 구조인 File 구조를 가지고 있다.

○ 왕귀뚜라미, 쌍별 귀뚜라미, 방울벌레를 이용한 귀뚜라미의 행동별 울음소리를 분석한 결과 방울벌 레가 다른 두 종류의 귀뚜라미에 비해 Chirp수가 대단히 많았다. 또한 한번 울 때 울음소리 사이의

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시간 간격도 다른 귀뚜라미에 비해 긴 시간차를 두고 울음소리를 내는 특성이 있었다. 왕귀뚜라미 나 쌍별 귀뚜라미가 여러 상황에서 비교적 울음소리 패턴이 비슷한 반면 방울벌레는 암컷이 있을 때 내는 소리와 수컷이 있을 때 내는 소리가 상당히 차이가 있었다. 즉 암컷이 있을 때 내는 유인소리와 구애소리가 공격소리에 비해 Chirp수, call time, call duration 이 많거나 길었다.

○ 귀뚜라미의 상황에 따른 행동에서 소리 분석의 세 가지 요소인 울음소리의 시간(call), 울음소리와 울음소리 사이의 시간 간격(call duration), 울음소리에서 소리가 높아지는 횟수(Chirp)수 중에서 가장 큰 차이를 보이는 것은 Chirp수로 Chirp수에 따라 귀뚜라미를 구분할 수 있다는 알 수 있다.

○ Chirp수의 변화는 File teeth 크기가 작을수록, File teeth 간격 크기가 작을수록 커짐을 알 수 있다. 이는 귀뚜라미 소리 발생에 File teeth 크기와, File teeth 간격 크기가 관련되어 있다는 것을 의미한다. 즉 귀뚜라미 소리의 특성을 결정 짖는 요소는 소리 파형의 Chirp수이며 이 Chirp수 를 결정하는 요소는 File teeth 크기와 File teeth 간격 크기라는 것을 알 수 있다.

○ 귀뚜라미 울음소리 차이는 결국 수컷의 오른쪽 날개에 있는 File과 왼쪽 날개에 있는 File의 teeth 수, teeth의 크기, teeth 사이의 간격에 의해서 결정된다. 즉, teeth의 개수가 많을수록, teeth의 크기가 작을수록, teeth 간격의 거리가 짧을수록 울음소리가 길게 나며 울음소리 사이의 시간간격 의 차이나 나타난다.

○ 귀뚜라미의 teeth 구조를 이용한 악기 제작에 있어 7음계를 이용한 악기 제작을 위해서는 7음계 각각에 해당되는 teeth 구조를 이용하기 위하여 기어를 사용하는 것이 적당하다는 판단을 내렸다.

○ 기존의 오르골은 소리는 아름답지만 이미 만들어진 틀 내에서의 음악만이 연주되는 반면 본 R&E 연구 활동을 통하여 고안된 귀뚜라미 악기는 건반을 이용하여 다양한 음악의 연주가 가능하 다.

○ 명상 방해 실험, 인지 과제 수행 방해 실험을 통하여 새롭게 만든 귀뚜라미 악기 소리에 대해 전체적으로는 긍정적인 답변이 부정적인 답변보다 많이 나왔으며 연주된 음악의 음악으로서의 가능성에 대해서는 긍정적인 반응이 부정적인 반응보다 더 많이 나오기는 하였으나 유보적인 답변도 상대적으로 비슷하게 나왔다.

□ 시사점

1. 학생 측면

가. STEAM R&E 연구 활동을 통해 학생들은 융합적 시각을 가질 수 있게 되었고, 창발적 산출물을 만드는 계기가 되었다.

나. 우리 주변에서 쉽게 접하는 문제를 해결할 때 융합적 사고를 적용시킬 수 있게 되는데 도움을 주었으며 협동 정신을 함양하고 서로를 존중하고 배려하는 인성을 기를 수 있 게 되었다.

다. 학생들의 융합적 사고 능력이 길러지고, 자발적이고 창발적인 창의성 향상에 이바지 하 였으며, 더불어 살아가는 가치를 이해하는 인재가 나올 수 있는 교육환경을 조성하는 데 도움이 되었다.

2. 교사 측면

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나. 기존의 단순하게 조립된 혼합물로서의 R&E 활동 지도가 아닌, 진정한 의미로 용해된 화 합물로서의 R&E 활동을 지도함으로써 연구 활동지도 능력을 기르는데 도움이 되었다.

다. 적극적인 교과간 학문적, 활동적 교류를 통해 공교육의 발전을 위한 교류 관계를 가지 고, 이를 통한 양성적 이점을 인정하여 더욱 활발한 교사 활동을 기대해볼 수 있게 되 었다.

라. 교사 자원을 하나로 묶을 수 있는 여건과 방법 제시를 통해 시너지 효과를 만들 수 있 으며 공교육을 더욱 내실 있게 다질 수 있는 환경을 조성시킬 것으로 기대된다.

4. 홍보 및 사후 활용

개발된 R&E 결과는 다음과 같이 수정, 보완 및 활용할 계획이다.

○ 건반을 눌렀을 때 건반에 연결된 스위치를 통하여 모터의 회전속도가 정확하게 조절되도록 한다.

○ 가변저항기를 이용하여 모터의 회전 속도를 조절함으로서 학생들이 요구하는 속도와 강도로 모터를 회전하게 하도록 고안한다.

○ 7음계에 해당되는 소리가 나오기 위하여 금속판의 길이를 다르게 하고 각각의 금속판의 위치를 조절하고 소리를 내게 했을 때 7음계에 해당되는 진동수가 나오도록 한다.

○ 본 STEAM R&E에서 개발된 자료를 바탕으로 교수학습지도안을 제작하고 실제 교육활동에 투입함 으로서 학생들의 융합과학에 대한 이해와 활용의 폭을 넓히도록 한다.

○ 본 STEAM R&E에서 개발된 자료를 STEAM 교사연구회를 통하여 다른 교사들에게 공개함으로서 교사들의 STEAM 교육에 대한 이해와 활용의 폭을 넓히는데 기여할 수 있도록 한다.

○ 본 R&E 활동 결과를 보완하여 한국교육개발원에서 주관하는 국제청소년 논문대회에 출품하여 다른 학생들과 과학적 성과에 대해 공유한다.

○ 분자적 측면에서의 후속 연구를 통하여 귀뚜라미 날개 표면의 미세구조가 우리의 실생활에 어떻게 이용될 수 있는지 고찰한다.

□ 참고 문헌

[1] 진경진, 2001, 서양 현악기의 목형 발달에 관한 연구, 청주대 석사 논문

[2] 조완호 외 1명, 2004, 매미의 발음 기재를 묘사한 음향 발생 장치의 설계에 관한 연구, 한 국음향학회 논문집 제23호

[3] 명두식, 1993, 귀뚜라미과 5종의 소리 유형과 음향학적 특성에 따른 행동 비교 연구, 한국 교원대 석사 논문

[4] 김동기, 1984, Violin 활의 변천과정과 이에 따른 violin tone에 관한 고찰, 한양대 석사 논문 [5] 심영섭, 2010, 현악기의 소리전달 방법 연구 : 거문고의 주파수 대역과 마이킹(Miking) 중심

으로, 용인대학교 석사 논문

참조

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