結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)抗震課程教學(xué)改革的啟示

楊明飛 姜黎 宗翔

摘 要：以全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為基礎(chǔ)，針對(duì)現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)“卓越人才”的培養(yǎng)，結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)目前《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》課程的理論和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了探索。說(shuō)明抗震實(shí)踐教學(xué)是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力的重要手段，同時(shí)結(jié)構(gòu)大賽能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，促進(jìn)師生交流，加深學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的理解。

關(guān)鍵詞：卓越人才；結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)；實(shí)踐教學(xué)；結(jié)構(gòu)大賽；創(chuàng)新思維

The Revelation of Teaching Reform on Structural Seismic Design

Combined with the Structure Design Contest

Yang Mingfei Jiang Li Zong Xiang Ni Xiuquan Tang Qiong

（School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001）

Abstract： Based on the 8th national structure design contest for college students in 2014 and the excellent talents training， the theory and practice teaching of structural seismic design is discussed combined with the development of new technologies. The results show that the seismic practice teaching is an important means of improving the students' learning interest and handing ability. Meanwhile， the innovation thinking can be developed， the communication between teachers and students can be promoted and the students' understanding of structural seismic design can also be deepened.

Keywords： Excellent talents； structural seismic design； practice teaching； structure design contest； innovation thinking

《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》是一門綜合學(xué)科，其研究以彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等為基礎(chǔ)，主要內(nèi)容包括建筑材料與地基的動(dòng)力特性，構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性、結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)（重點(diǎn)和難點(diǎn)是非線性或彈塑性反應(yīng)），結(jié)構(gòu)物的彈塑性與脆性破壞機(jī)制，以及結(jié)構(gòu)可靠性理論和工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[1]。由于課程涉及的內(nèi)容廣、難度大，因此對(duì)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課的要求較高。而結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目的是掌握抗震的基本知識(shí)、基本理論、基本技能，了解抗震設(shè)計(jì)的一般規(guī)律；培養(yǎng)運(yùn)用規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)熟練程度；查閱技術(shù)資料的能力和抗震計(jì)算能力；了解結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的新理論、新方法及抗震理論、方法發(fā)展的新趨勢(shì)[2]。全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是由高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)和中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦，由高校輪流承辦。是土木工程學(xué)科培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、合作精神和工程實(shí)踐能力的學(xué)科性競(jìng)賽[3]。同時(shí)大賽為高等學(xué)校開展創(chuàng)新教育和實(shí)踐教學(xué)改革、加強(qiáng)高校與企業(yè)之間聯(lián)系、推動(dòng)學(xué)科創(chuàng)新活動(dòng)起到積極示范作用。

2014年第八屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽由長(zhǎng)安大學(xué)舉辦，比賽以古建筑閣樓為選題背景，采用竹子作為結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)要求，竹制模型需要經(jīng)受三次不同強(qiáng)度的地震考驗(yàn)，要求結(jié)構(gòu)不發(fā)生下列情況：（1） 任意構(gòu)件出現(xiàn)斷裂或節(jié)點(diǎn)脫開；（2） 配重脫落；（3） 變形測(cè)量點(diǎn)撓度超標(biāo)。安徽理工大學(xué)以作品“巋然”順利通過(guò)了三級(jí)加載，獲得了本次大賽的三等獎(jiǎng)，如圖1所示。作者以此次參賽經(jīng)歷作為基礎(chǔ)，結(jié)合目前的《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》課程理論和實(shí)踐教學(xué)方法，提出了自己的一些觀點(diǎn)和今后抗震課程教學(xué)改革的措施。

圖1 第八屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽

1 結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽對(duì)《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》課程理論教學(xué)改革

第八屆結(jié)構(gòu)大賽主要任務(wù)是要求學(xué)生運(yùn)用結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、工程力學(xué)和材料力學(xué)等知識(shí)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列的計(jì)算，初步確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件各截面的尺寸，同時(shí)利用ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值建模，利用時(shí)程分析的結(jié)論對(duì)手算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最后由初步確定的尺寸進(jìn)行模型制作，并對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試，同時(shí)利用測(cè)試結(jié)果對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證和改進(jìn)。這就要求首先學(xué)生應(yīng)該掌握《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》的基本知識(shí)，包括水平地震力的計(jì)算方法-底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法等；水平地震力在結(jié)構(gòu)中的分配方法-D值法、分層法，這樣能夠完成對(duì)模型在地震作用下的手算分析。

大賽題著重于邏輯組織和問(wèn)題分析能力，但要編程實(shí)現(xiàn)，離不開適當(dāng)?shù)臄?shù)值分析。在軟件方面，學(xué)生應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器和ANSYS等計(jì)算軟件有所了解，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下能夠完成模型的建立與地震作用下的力學(xué)分析。

安徽理工大學(xué)依托學(xué)科建設(shè)優(yōu)勢(shì)，引入科學(xué)研究新成果，對(duì)《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》課程的內(nèi)容體系進(jìn)行了全新的構(gòu)架。近幾年，逐漸形成了自己的特色，例如教學(xué)過(guò)程中把“抗”和“防”緊密結(jié)合，從建筑物的抗震設(shè)計(jì)慢慢過(guò)渡到建筑物以外，如橋梁、構(gòu)筑物等防災(zāi)減災(zāi)的范圍，擴(kuò)展了知識(shí)的廣度和深度，較好適應(yīng)目前對(duì)“卓越人才”培養(yǎng)的要求。以此次大賽為基礎(chǔ)，在今后的課堂教學(xué)中，應(yīng)盡量將抗震理論知識(shí)實(shí)用化，上課的同時(shí)盡量為學(xué)生們介紹一些和抗震相關(guān)的一些軟件信息，擴(kuò)大他們的知識(shí)面。讓同學(xué)們了解目前常用的運(yùn)動(dòng)方程的求解方法，以便在今后的工作和科研中能夠盡快學(xué)會(huì)使用各種計(jì)算軟件對(duì)地震作用下工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行求解。

2 結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽對(duì)《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》課程實(shí)踐教學(xué)改革

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽之所以成為一項(xiàng)具有創(chuàng)造性的比賽，主要原因主要有2個(gè)：第一就是賽題，近幾屆的賽題布置都較為靈活，尤其第八屆古建筑樓閣賽題，它給了學(xué)生足夠的想象空間，可以任意選擇結(jié)構(gòu)形式等；第二就是動(dòng)手能力方面，競(jìng)賽允許學(xué)生以各種工具（比賽規(guī)定以內(nèi)），因此可以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)作性思維，而這樣的思維過(guò)程可以說(shuō)是對(duì)學(xué)生的一個(gè)良好的鍛煉[4-5]。

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的指導(dǎo)，在《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》課程實(shí)踐教學(xué)方面得出以下一些經(jīng)驗(yàn)和啟示。

2.1 注重理論聯(lián)系實(shí)際

對(duì)于抗震知識(shí)的教學(xué)決不能停留在書本、圖片或者視頻當(dāng)中。雖然本科生在大三的上半學(xué)期有生產(chǎn)實(shí)習(xí)，在實(shí)習(xí)的過(guò)程中也會(huì)有一些抗震方面的實(shí)例進(jìn)行介紹，但有些時(shí)候并沒有引起指導(dǎo)教師足夠的重視，而導(dǎo)致實(shí)習(xí)效果不理想。因此建議在實(shí)習(xí)的過(guò)程中，應(yīng)將建筑的抗震設(shè)計(jì)方面的知識(shí)與實(shí)際工程的結(jié)合的內(nèi)容作為實(shí)習(xí)的一項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行考核。當(dāng)然更好的方法是在實(shí)習(xí)的場(chǎng)地安排方面，盡量安排到在建或已建成的抗震、隔震或減震房屋，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)未來(lái)的發(fā)展方向?qū)⑹欠课莞?、減震設(shè)計(jì)，而此項(xiàng)設(shè)計(jì)實(shí)際上在美國(guó)、日本的國(guó)家已經(jīng)是一項(xiàng)相當(dāng)成熟的技術(shù)，只是在我們國(guó)家的應(yīng)用還相對(duì)較少。通過(guò)抗震設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐相結(jié)合，才能鞏固學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識(shí)。

2.2 增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》課程具有較強(qiáng)實(shí)踐性，傳統(tǒng)的教學(xué)方式只能給學(xué)生感性的認(rèn)識(shí)，雖然在教學(xué)的過(guò)程中基本可以達(dá)到教學(xué)目的，但是隨著時(shí)間的增加所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)會(huì)逐漸被淡忘[6-8]，這種情況就是由于學(xué)生沒有主動(dòng)參與結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)造成的，對(duì)于這一點(diǎn)作者深有體會(huì)。在指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽之初，學(xué)生其實(shí)并不了解振動(dòng)臺(tái)測(cè)試技術(shù)-振動(dòng)測(cè)試的基本技術(shù)，這也從另一角度說(shuō)明在課堂上對(duì)于抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)上還有待進(jìn)一步提高。因此建議增加抗震設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，尤其是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試。由于振動(dòng)臺(tái)測(cè)試能夠模擬真實(shí)的地震波，讓學(xué)生參與到振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)必將會(huì)為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)教學(xué)帶來(lái)巨大的收獲。2012年，安徽理工大學(xué)購(gòu)置了一臺(tái)單自由度振動(dòng)臺(tái)，型號(hào)為ETP-500。主要是由液壓缸，液壓伺服閥，定量泵，蓄能器，溢流閥，傳感器，控制器等元件組成。通過(guò)傳感器的收集反饋信號(hào)到控制器，然后經(jīng)控制器輸出控制信號(hào)調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)。以框架結(jié)構(gòu)為例，為了能夠給學(xué)生一個(gè)直觀的震害現(xiàn)象、結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理等特征，可以讓學(xué)生制作模型，其材料可以選擇水泥砂漿、石膏甚至竹子進(jìn)行等強(qiáng)度替代，將模型固定在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行真實(shí)地震模擬。2012年，作者指導(dǎo)學(xué)生做了全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”的模型振動(dòng)試驗(yàn)，模型如圖2所示。2014年，作者指導(dǎo)第八屆全國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的模型振動(dòng)試驗(yàn)，模型如圖3所示。結(jié)果均表明振動(dòng)試驗(yàn)的確能夠增加了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)加深了對(duì)結(jié)構(gòu)抗震課程內(nèi)容的理解。

圖2 全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”比賽模型 圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽參賽模型

2.3 促進(jìn)師生交流

一個(gè)人的力量是有限的，很多事情必須通過(guò)合作才能成功。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽是以團(tuán)隊(duì)的形式參賽，目的正是要培養(yǎng)學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師之間的相互合作的能力。通過(guò)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)大賽，發(fā)現(xiàn)老師平時(shí)對(duì)于學(xué)生的認(rèn)識(shí)和學(xué)生對(duì)老師的理解方面仍然沒有配合完美。例如對(duì)大賽計(jì)算書中出現(xiàn)的問(wèn)題，老師和學(xué)生之間的思考都比較獨(dú)立，欠缺足夠的交流。在教學(xué)的過(guò)程中更應(yīng)該認(rèn)真借鑒，課堂知識(shí)講解結(jié)束可以適當(dāng)提出一些和教學(xué)難點(diǎn)相關(guān)的問(wèn)題給大家思考，讓學(xué)生來(lái)講解對(duì)該難點(diǎn)的理解，如何避免出錯(cuò)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生參與討論。另外，我們可以引入“競(jìng)賽”機(jī)制，將學(xué)生進(jìn)行分組，對(duì)于每組提出的見解進(jìn)行分析與反駁，老師可以根據(jù)每組的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分，并將該分?jǐn)?shù)記為平時(shí)成績(jī)，以此來(lái)考察學(xué)生對(duì)抗震知識(shí)重點(diǎn)和難點(diǎn)的掌握情況。

2.4 因材施教，創(chuàng)新培養(yǎng)

安徽理工大學(xué)代表隊(duì)作為為數(shù)不多的參賽隊(duì)，第一次參加全國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，能從一百支隊(duì)伍中脫穎而出，取得佳績(jī)，斬獲三等獎(jiǎng)，除了指導(dǎo)老師與學(xué)生的密切配合，以及學(xué)生之間的團(tuán)結(jié)合作之外，還與老師對(duì)學(xué)生的特長(zhǎng)了解有關(guān)。在大賽準(zhǔn)備階段，通過(guò)與三位學(xué)生的相處交流，發(fā)現(xiàn)他們各有自己的特點(diǎn)。A學(xué)生動(dòng)手能力較強(qiáng)，B學(xué)生軟件應(yīng)用嫻熟，C學(xué)生善于分析表達(dá)，因此在比賽的環(huán)節(jié)中，針對(duì)不同學(xué)生的自身優(yōu)勢(shì)，合理地分配他們相關(guān)的任務(wù)，最大化發(fā)揮整個(gè)團(tuán)隊(duì)的潛能。這種特色的培養(yǎng)方式值得鼓勵(lì)應(yīng)用于教學(xué)環(huán)節(jié)中，當(dāng)然，因材施教的前提是老師對(duì)學(xué)生有足夠的了解，而今眾多大學(xué)的教學(xué)模式大同小異，通常課堂都是老師的灌輸式教育，與學(xué)生缺乏互動(dòng)，從而也就難以了解各學(xué)生的長(zhǎng)短處。另外，由于某些高校教學(xué)資源有限，采用大班教學(xué)，整體上會(huì)降低課堂的教學(xué)效果，人數(shù)過(guò)多，老師想了解學(xué)生，也是心有余而力不足，這種現(xiàn)狀也是客觀條件所致。倘若條件允許，針對(duì)不同的學(xué)生，根據(jù)他們的興趣愛好，設(shè)置不同的教學(xué)目標(biāo)，從而達(dá)到因材施教的效果，在這樣教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生的創(chuàng)新能力才會(huì)得到激發(fā)和培養(yǎng)。

3. 結(jié)語(yǔ)

目前各高校都在提如何創(chuàng)新的問(wèn)題，儼然創(chuàng)新已經(jīng)成為決定一個(gè)個(gè)體良好發(fā)展的前提。尤其是我們當(dāng)代的本科生，確實(shí)在培養(yǎng)創(chuàng)新的方面應(yīng)該有所追求。作為學(xué)生的任課教師或者指導(dǎo)老師，應(yīng)注重采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，保持理論與實(shí)踐相結(jié)合，不斷提高自身的綜合素質(zhì)，開闊國(guó)際視野，為學(xué)生的進(jìn)步提供足夠的支持。

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