摘 要:基于案例式教學(xué)觀對“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”的課程教學(xué)改革方式進(jìn)行研究,從課程性質(zhì)、學(xué)情分析、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)設(shè)計(jì)等四個模塊對該課程進(jìn)行剖析,將教學(xué)過程分為課前導(dǎo)學(xué)、新課實(shí)施和課外能力提升等三個方面。對課程內(nèi)容進(jìn)行重新建構(gòu)和編排,優(yōu)化為更加合理的教學(xué)內(nèi)容。采用目標(biāo)問題導(dǎo)向教學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中,能夠熟練掌握不同類型受力構(gòu)件的計(jì)算方法和構(gòu)造要求。結(jié)合工程實(shí)例,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工程結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)件的計(jì)算理論和構(gòu)造要求。
關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu);案例式教學(xué);建構(gòu)性教學(xué)觀;教學(xué)設(shè)計(jì)
Abstract:Based on the casebased teaching perspective,the teaching reform of the course \"Design Principles of Concrete Structure\"was studied.Four modules,course nature,learning situation analysis,teaching objectives,and teaching design,were analyzed.The teaching process is divided into three aspects:preclass guidance,new course implementation,and extracurricular ability improvement.Reorganize the course content and construct more reasonable teaching content.Adopting a goal oriented teaching method,guiding students to master and apply the calculation methods of different types of stress components in the course learning process.By combining engineering examples,help students master the calculation theory and construction requirements of components related to engineering structures.
Keywords:Concrete structure;casebased teaching;constructive teaching philosophy;instructional design
土木工程專業(yè)屬傳統(tǒng)工科專業(yè),以工程應(yīng)用為主要特色,專業(yè)課程中理論性和實(shí)踐性并重。專業(yè)課程中的相關(guān)計(jì)算理論發(fā)展比較成熟較為穩(wěn)定,工程實(shí)踐特點(diǎn)與現(xiàn)行規(guī)范結(jié)合緊密,反映出與時(shí)俱進(jìn)的特點(diǎn)。
“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”是土木工程專業(yè)的核心課程,知識體系中理論性和實(shí)踐性并行。理論知識中不同受力狀態(tài)的各類受力構(gòu)件承載力計(jì)算公式,以半經(jīng)驗(yàn)半理論公式為主,理論公式部分各版本規(guī)范基本不變,經(jīng)驗(yàn)公式部分各版本規(guī)范變化幅度也不大,可以認(rèn)為相關(guān)的計(jì)算理論發(fā)展已進(jìn)入比較穩(wěn)定階段。該課程的實(shí)踐性主要體現(xiàn)在對各類構(gòu)件的截面尺寸要求、材料選用、鋼筋構(gòu)造要求等方面。
針對不同類型的知識特點(diǎn),在課程教學(xué)過程中應(yīng)采取不同的教學(xué)手段和教學(xué)方法。在課程講授過程中,針對理論性較強(qiáng)的知識點(diǎn),課堂講授需注重對理論思想、研究手段、研究方法的介紹,讓學(xué)生對科學(xué)研究體系形成初步印象。在此基礎(chǔ)上,通過工程應(yīng)用案例,掌握相關(guān)計(jì)算理論的應(yīng)用。針對實(shí)踐性知識點(diǎn),需要引導(dǎo)學(xué)生從專業(yè)角度嘗試去解答相關(guān)問題,從而鍛煉學(xué)生逆向思維能力。在課堂教學(xué)方法的選擇上,應(yīng)注重案例式教學(xué)方式的融入,采用目標(biāo)問題導(dǎo)向式[1]的建構(gòu)性教學(xué)方法,鍛煉學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識分析問題和解決問題的能力。案例式教學(xué)即情景案例教學(xué)模式,是全球公認(rèn)的最行之有效的教學(xué)方法之一,該方法通過設(shè)置具體的實(shí)踐場景,將理論知識進(jìn)行挖掘,從而達(dá)到將知識顯性化的目的。建構(gòu)式教學(xué)是基于學(xué)生已具備的專業(yè)知識,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并應(yīng)用相關(guān)知識解決問題的教學(xué)模式,教師在教學(xué)過程中,主要承擔(dān)提供問題解決策略的角色,幫助學(xué)生建立團(tuán)隊(duì)合作意識。
1 課程性質(zhì)
“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”是土木工程專業(yè)的核心課程之一,該課程教學(xué)內(nèi)容(見圖1)包括鋼筋和混凝土兩種建筑材料的物理力學(xué)性能、工程結(jié)構(gòu)基本受力構(gòu)件在彎、壓、拉、剪、扭等受力狀態(tài)下的承載力計(jì)算理論和構(gòu)造要求、變形及撓度計(jì)算等三部分[2]。在學(xué)習(xí)該課程前,學(xué)生需要掌握高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和土木工程材料等相關(guān)專業(yè)課程知識。該課程中涉及大量的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)公式,而且與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密。在教學(xué)過程中,不僅需要學(xué)生熟練掌握不同受力構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和計(jì)算方法,還要具備熟悉相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的能力。對該課程的學(xué)習(xí)掌握程度,會直接影響后續(xù)專業(yè)方向課程的學(xué)習(xí),這也是“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”這類專業(yè)核心課程與專業(yè)基礎(chǔ)課程存在的區(qū)別。
2 學(xué)情分析和教學(xué)目標(biāo)
由于該課程的教學(xué)內(nèi)容相對抽象,且計(jì)算理論復(fù)雜煩瑣,而該課程需要學(xué)生掌握混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法,能夠?qū)緲?gòu)件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì),為后續(xù)的“橋梁工程”“高層建筑結(jié)構(gòu)”等專業(yè)課程提供理論基礎(chǔ)[3]。通過該課程的課堂教學(xué),目前該課程存在的痛點(diǎn)問題如下[4](見圖2)。
(1)該課程教材內(nèi)容計(jì)算理論較多,在有限的學(xué)時(shí)情況下,教師在理論知識的講解和應(yīng)用部分需要花費(fèi)大量時(shí)間,而對理論計(jì)算與工程實(shí)踐相結(jié)合的工程應(yīng)用思維模式的培養(yǎng)重視不足。針對該問題,需要注重在課程教學(xué)過程中,將信息化教學(xué)手段引入教學(xué)流程,依托信息化技術(shù)手段,提升學(xué)生對理論知識的認(rèn)知,課堂中通過視頻、動畫和圖紙等多種方式,讓學(xué)生深入理解不同構(gòu)件的受力特點(diǎn)、計(jì)算理論、計(jì)算方法和構(gòu)造要求,是很多教師應(yīng)對該問題采取的方法,而該方法對學(xué)生認(rèn)知的提升作用相對有限。
(2)學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程前,學(xué)習(xí)的其他專業(yè)課程都是思維模式單一且具有唯一解的專業(yè)課程,如在學(xué)習(xí)“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”和“結(jié)構(gòu)力學(xué)”時(shí),求解相關(guān)工程應(yīng)用問題的答案都具有唯一性,且使用的計(jì)算理論相對固定。如果將力學(xué)課程的學(xué)習(xí)模式和思維模式代入“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”,往往會限制學(xué)生的創(chuàng)造性思維的建立。這主要是因?yàn)閷?shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能會受到材料性能、截面形狀、配筋方法等各種因素影響,因此在相同受力條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),得到的答案是十分寬泛的,這需要學(xué)生從各種答案中尋求最優(yōu)解,這也是學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程過程中必須適應(yīng)的思維過程。在該課程學(xué)習(xí)之后,學(xué)生應(yīng)理解對于相同條件下構(gòu)件的配筋方式往往不唯一,只要滿足規(guī)范要求,并且符合構(gòu)造和經(jīng)濟(jì)性要求,就能用于應(yīng)用。
(3)教材內(nèi)容的編排與工程實(shí)踐應(yīng)用存在差異?!痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》教材內(nèi)容主要是對構(gòu)件在不同受力條件下的計(jì)算理論和構(gòu)造要求的介紹,也就是對截面抗力的計(jì)算。而實(shí)際的工程實(shí)踐過程需要先對結(jié)構(gòu)在各種作用下的荷載效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算,并以此為基礎(chǔ)對截面進(jìn)行設(shè)計(jì)。荷載效應(yīng)的計(jì)算需要參考相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范,在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的教材內(nèi)容中是不介紹的,需要教師在教學(xué)過程中專門講解。有些學(xué)校為解決該弊端,開設(shè)有專門的“工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計(jì)原理”課程,對構(gòu)件的荷載效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。然而增設(shè)課程對于很多高校并不切實(shí)可行,主要原因在于通識教育類課程在人才培養(yǎng)方案中的比例逐年升高,這很大程度上壓縮了專業(yè)課程的學(xué)時(shí),不可避免地刪除部分專業(yè)課。因此,對于未開設(shè)“工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計(jì)原理”課程的高校,在教學(xué)過程中如何妥善處置荷載效應(yīng)計(jì)算問題需要認(rèn)真考慮。
3 教學(xué)設(shè)計(jì)
通過對該課程的課程性質(zhì)、課程目標(biāo)和學(xué)情情況的分析,對該課程存在的問題已有全面認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上,開展后續(xù)教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),基于信息化教學(xué)平臺開展創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì),課堂采用豐富的教學(xué)模式提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,課后注重學(xué)生對于理論知識的應(yīng)用和綜合能力的提升。針對學(xué)情痛點(diǎn)問題的解決和教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),對教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提出具體的改進(jìn)措施。
3.1 課前教學(xué)設(shè)計(jì)
基于信息化教學(xué)平臺的智慧化教學(xué)方式是伴隨信息化浪潮而出現(xiàn)的新型教學(xué)模式。教學(xué)模式應(yīng)與時(shí)代發(fā)展情況相適應(yīng),學(xué)生作為教學(xué)服務(wù)對象,其學(xué)習(xí)效果對人才培養(yǎng)至關(guān)重要。目前,教學(xué)信息化是高校教學(xué)模式創(chuàng)新的重要組成部分,合理充分運(yùn)用信息化教學(xué)手段,可以極大地提高學(xué)生課堂的抬頭率,還能提升課堂教學(xué)效率。
在學(xué)期課程開始前,教師可以借助雨課程、超星等信息化教學(xué)平臺建立課程學(xué)習(xí)群,在課程群中提前植入教學(xué)需要使用的相關(guān)教學(xué)材料,如《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》等現(xiàn)行相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范指南。在每次課程開始前,通過建立的信息化教學(xué)平臺,提前發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)和自學(xué)PPT、慕課等教學(xué)資源,讓學(xué)生帶著任務(wù)去學(xué)習(xí),提升學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性。
教師在課前教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),除了要注重學(xué)生的自學(xué)情況,還需要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新編排和設(shè)計(jì),即進(jìn)行建構(gòu)性教學(xué),對課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新構(gòu)建,使得課堂教學(xué)內(nèi)容更符合學(xué)生的思維模式和專業(yè)知識儲備。例如,在進(jìn)行受彎構(gòu)件正截面受彎承載力計(jì)算的內(nèi)容教學(xué)前,以生活中建筑結(jié)構(gòu)物中存在的受彎構(gòu)件作為切入點(diǎn),通過對結(jié)構(gòu)整體的受力特點(diǎn)和傳力路徑進(jìn)行分析,引導(dǎo)學(xué)生找出結(jié)構(gòu)中存在的受彎構(gòu)件。在此基礎(chǔ)上,教師針對受彎構(gòu)件的特點(diǎn)進(jìn)行介紹,讓學(xué)生嘗試回答受彎構(gòu)件中鋼筋的種類、鋼筋的作用,從而引出本次課程的任務(wù),對受彎構(gòu)件的正截面承載力計(jì)算。通過對受彎構(gòu)件適筋梁進(jìn)行三分點(diǎn)加載試驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)試驗(yàn)現(xiàn)象,分析試驗(yàn)結(jié)果,對受彎構(gòu)件的鋼筋類型和構(gòu)造要求進(jìn)行歸納,讓學(xué)生掌握受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力設(shè)計(jì)的完整流程。
3.2 課堂教學(xué)實(shí)施
在課堂教學(xué)過程中,將教學(xué)過程劃分成三部分,分別為新課導(dǎo)入、新課學(xué)習(xí)和工程應(yīng)用等模塊。新課導(dǎo)入時(shí),以典型的工程案例作為切入點(diǎn),幫助學(xué)生初步了解構(gòu)件與結(jié)構(gòu)兩者之間的關(guān)系,主要包括結(jié)構(gòu)由哪些種類構(gòu)件組成、構(gòu)件在結(jié)構(gòu)體系中有何作用、結(jié)構(gòu)在荷載作用下的傳力機(jī)制等問題。通過工程圖紙幫助學(xué)生認(rèn)識構(gòu)件中存在的鋼筋類型,讓學(xué)生談?wù)劜煌芰?gòu)件的特點(diǎn),不同類型鋼筋在結(jié)構(gòu)中所起到的作用。構(gòu)件中各類型鋼筋的強(qiáng)度等級、直徑、根數(shù)、間距等構(gòu)造措施,應(yīng)如何進(jìn)行確定。以此引入課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容。在新課講授過程時(shí),實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)思想,教師拋出問題,以學(xué)生的回答結(jié)果作為引導(dǎo),幫助學(xué)生認(rèn)識不同受力構(gòu)件的特點(diǎn)及其在結(jié)構(gòu)中的作用。在進(jìn)行受力構(gòu)件承載力計(jì)算內(nèi)容學(xué)習(xí)時(shí),以現(xiàn)行規(guī)范中的受力構(gòu)件承載力計(jì)算公式講解作為切入點(diǎn),向?qū)W生闡述半經(jīng)驗(yàn)半理論公式各項(xiàng)代表的意義。公式中經(jīng)驗(yàn)項(xiàng)目是以模型試驗(yàn)結(jié)果歸納總結(jié)出的部分,通過對學(xué)生介紹模型試驗(yàn)的相關(guān)流程和試驗(yàn)方法,幫助學(xué)生建立科學(xué)研究采用的方法。通過試驗(yàn)掌握影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能的相關(guān)因素,得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件不同的破壞模式,在此基礎(chǔ)上,引入數(shù)學(xué)模型并結(jié)合力學(xué)知識,建立不同受力構(gòu)件的承載力計(jì)算公式,對公式中不同計(jì)算系數(shù)的意義進(jìn)行分析,對公式中不同部分代表的意義進(jìn)行講解,讓學(xué)生理解半經(jīng)驗(yàn)半理論計(jì)算公式形成的過程。
在新課教學(xué)過程中,應(yīng)采用多樣化的教學(xué)方式,避免滿堂灌的教學(xué)方法。目前常用的教學(xué)方式有線上答題、小組討論、選人答題等方式,調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提升學(xué)生的課堂參與情況。通過上述教學(xué)方式,教學(xué)過程中應(yīng)實(shí)時(shí)注意與學(xué)生互動的情況,此外還可設(shè)置線上題目,通過學(xué)生的答題情況,及時(shí)了解學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果,也可掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,形成有效的課堂互動。
在工程應(yīng)用時(shí),對教材中的例題進(jìn)行重新編寫,完善題目中的工程背景,讓學(xué)生自行查閱相關(guān)規(guī)范,對構(gòu)件的荷載效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算,并根據(jù)所學(xué)習(xí)承載力計(jì)算知識,得到鋼筋面積并配置鋼筋,從而幫助學(xué)生理解配筋存在很多的可能性,引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)規(guī)范,了解受力構(gòu)件的相關(guān)構(gòu)造要求,包括混凝土強(qiáng)度等級、鋼筋強(qiáng)度等級和直徑,鋼筋間距和凈距等相關(guān)要求。
3.3 課外能力提升
土木工程作為傳統(tǒng)的工科應(yīng)用型專業(yè),提升學(xué)生的問題分析能力、實(shí)踐操作能力和綜合應(yīng)用能力至關(guān)重要。課外能力提升是銜接理論知識與工程實(shí)踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié),需構(gòu)建多層次、多維度的實(shí)踐體系,實(shí)現(xiàn)“學(xué)用結(jié)合”的閉環(huán)培養(yǎng)。
學(xué)科競賽驅(qū)動創(chuàng)新能力培養(yǎng)是有效的提升路徑。以全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽為載體,引導(dǎo)學(xué)生將課程知識點(diǎn)融入實(shí)際工程問題。在競賽設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí),學(xué)生需綜合運(yùn)用抗震構(gòu)造措施、內(nèi)力組合等知識,通過盈建科等軟件進(jìn)行受力分析,結(jié)合有限元模擬優(yōu)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。另外競賽過程中設(shè)置 “方案答辯”“模型制作”和“現(xiàn)場加載” 等環(huán)節(jié),既鍛煉了學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力,又提升了團(tuán)隊(duì)協(xié)作與表達(dá)能力。
搭建模塊化實(shí)踐平臺是課外能力提升的基礎(chǔ)。依托學(xué)校實(shí)驗(yàn)室,設(shè)計(jì)“構(gòu)件設(shè)計(jì)—制作—加載” 三階訓(xùn)練模塊:學(xué)生分組完成簡支梁、柱等基本構(gòu)件的參數(shù)設(shè)計(jì),使用CAD或BIM軟件繪制施工圖后制作縮尺模型,最終通過結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性。這種從虛擬設(shè)計(jì)到實(shí)體驗(yàn)證的過程,能讓學(xué)生直觀理解混凝土強(qiáng)度、配筋率等參數(shù)對結(jié)構(gòu)性能的影響,強(qiáng)化“概念設(shè)計(jì)”意識。同時(shí),開放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng),鼓勵學(xué)生自主開展創(chuàng)新性試驗(yàn),如不同養(yǎng)護(hù)條件對混凝土強(qiáng)度發(fā)展的影響研究,培養(yǎng)科學(xué)探究能力。
校企協(xié)同拓展工程視野是課外能力的延伸方向。與建筑設(shè)計(jì)院、施工企業(yè)建立合作,開發(fā)“工程師進(jìn)課堂+學(xué)生進(jìn)項(xiàng)目”雙向機(jī)制,學(xué)生應(yīng)深入到工地現(xiàn)場,了解實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作過程和相關(guān)要求,熟悉理論知識應(yīng)用于工程實(shí)際的過程:企業(yè)工程師定期開展專題講座,解析實(shí)際工程中混凝土裂縫控制、耐久性設(shè)計(jì)等難點(diǎn)問題;組織學(xué)生參與在建項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)巡檢,觀察模板支護(hù)、鋼筋綁扎等施工工藝與設(shè)計(jì)圖紙的銜接要點(diǎn)。
通過上述課外能力提升體系的構(gòu)建,讓學(xué)生掌握將專業(yè)理論知識應(yīng)用于工程實(shí)踐的過程,培養(yǎng)學(xué)生分析和解決一般和較為復(fù)雜工程問題的能力。這里以安徽科技學(xué)院為例,采用以賽代練、以練代學(xué)的方式,近三年參加安徽省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽的成績,有了顯著提升。除此之外,也可讓學(xué)生參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目,從項(xiàng)目立項(xiàng)書的書寫、項(xiàng)目的實(shí)施到最終的項(xiàng)目結(jié)題,學(xué)生可以熟悉科學(xué)研究的方法、流程和意義,培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和科研潛力。
結(jié)語
“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”作為土木工程專業(yè)的核心課程,承擔(dān)著不可替代的重要作用,在課程教學(xué)過程中,需要重視對教學(xué)方法的持續(xù)改進(jìn)。課堂教學(xué)前,基于信息化教學(xué)平臺發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù),調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新編排和設(shè)計(jì),需要建立適應(yīng)學(xué)生知識儲備和思維習(xí)慣的教學(xué)內(nèi)容,形成建構(gòu)性教學(xué)方法;課堂教學(xué)實(shí)施過程中,體現(xiàn)以學(xué)生為中心,通過信息化教學(xué)平臺和學(xué)生互動情況,掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,形成有效的課堂互動,新知識講授注重對科學(xué)研究方法的介紹,建立科學(xué)研究的意識;課程能力提升環(huán)節(jié),注重提升學(xué)生的分析和解決問題的能力,通過工程實(shí)踐鍛煉、學(xué)科競賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題等多種途徑,不斷推動學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力。
參考文獻(xiàn):
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作者簡介:袁玲(1986— ),女,漢族,河南商丘人,碩士研究生,講師,主要從事土木工程專業(yè)課程教學(xué)研究工作。