探究式教學(xué)法在工程抗震課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：工程抗震課程是土木工程專業(yè)的主干課程。文章結(jié)合大量工程抗震案例，按因問(wèn)設(shè)景和因勢(shì)利導(dǎo)兩個(gè)步驟進(jìn)行探究式教學(xué)法的實(shí)踐探索。根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)將其引入場(chǎng)景，并層層推進(jìn)探尋問(wèn)題，使學(xué)生從觀者轉(zhuǎn)變?yōu)閰⑴c者，并按教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行串聯(lián)式和并聯(lián)式場(chǎng)景轉(zhuǎn)換，在互動(dòng)中強(qiáng)化教師的主導(dǎo)性和學(xué)生的主動(dòng)性，使新型的認(rèn)知結(jié)構(gòu)同化于心、順應(yīng)于物。

關(guān)鍵詞：工程抗震；探究式教學(xué)；課程教學(xué)；教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G6420；TU352文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2015）06010206近年來(lái)地震特別是強(qiáng)震頻繁發(fā)生，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，工程抗震課程教學(xué)的重要性日益突出。各高校相繼將工程抗震課程作為土木工程專業(yè)的主干課程，并加強(qiáng)了課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[1-3]。工程抗震課程教學(xué)目的是使學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的專業(yè)技能，掌握國(guó)家有關(guān)建筑工程防震減災(zāi)的法律法規(guī)和以預(yù)防為主的方針，在工程建設(shè)中對(duì)建筑進(jìn)行有效的抗震設(shè)防，減輕結(jié)構(gòu)的地震破壞[4]。然而在學(xué)習(xí)中，學(xué)生經(jīng)常被枯燥的規(guī)定條款、繁瑣的專業(yè)術(shù)語(yǔ)、艱澀的力學(xué)公式、生硬的構(gòu)造措施所困擾。為幫助學(xué)生消除學(xué)習(xí)中的困擾，在該課程教學(xué)中筆者進(jìn)行了探究式教學(xué)法實(shí)踐的嘗試，以期破解這一傳統(tǒng)教學(xué)中的難題。

探究式教學(xué)法（Inquiry Teaching）是美國(guó)哲學(xué)家John Dewey提出的，在20世紀(jì)50年代得到廣泛應(yīng)用[5]。探究式教學(xué)法是指針對(duì)某工程實(shí)例，遵循由質(zhì)疑、分解、辨析到檢驗(yàn)循序漸進(jìn)的分析方法，獲取探究對(duì)象演化運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。探究式教學(xué)法對(duì)教師而言不僅僅是把知識(shí)帶給學(xué)生，更重要的是把學(xué)生引向知識(shí)的海洋[6]。探究式教學(xué)法分因問(wèn)設(shè)景和因勢(shì)利導(dǎo)兩個(gè)步驟，而且這兩個(gè)步驟反復(fù)貫穿于工程抗震課程教學(xué)的全過(guò)程。

一、探究式教學(xué)的第一步：因問(wèn)設(shè)景

因問(wèn)設(shè)景是根據(jù)探究的問(wèn)題設(shè)置場(chǎng)景，是探究式教學(xué)的第一步。場(chǎng)景（Situation）是某一特定事物在一定時(shí)空條件下所處的情境。教學(xué)場(chǎng)景包括5W1H組成要素，即時(shí)間（When）、空間（Where）、事物（Who）、情境（What）、事因（Why）、方式（How）。其中事物是指探究的對(duì)象，即教學(xué)內(nèi)容；情境是指與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的某一特定情形和境況；事因是指探究對(duì)象演化運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，即教學(xué)目標(biāo)；方式是指展現(xiàn)情境的表達(dá)形式，如文字、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫、視頻等。通過(guò)場(chǎng)景的設(shè)置將學(xué)生和事物之間建立起認(rèn)知與被認(rèn)知的聯(lián)系，讓學(xué)生入情入境。這些情感的投入將有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的激發(fā)和創(chuàng)新觀點(diǎn)的碰擊，使其認(rèn)知水平達(dá)到一定的理性高度。問(wèn)題（Questioning）是探究式教學(xué)活動(dòng)的觸發(fā)器，能促使學(xué)生探究情境背后的事因。在課堂教學(xué)中應(yīng)以學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，以探尋問(wèn)題層層遞進(jìn)為主線，通過(guò)場(chǎng)景引入和場(chǎng)景轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)，以多樣方式使所研究的事物更為形象，能更好地聚焦學(xué)生的注意力，從而有利于揭示出事因。

（一）場(chǎng)景引入

“接知如接枝”。新的知識(shí)是建構(gòu)（Constructivism）在人們?cè)姓J(rèn)知結(jié)構(gòu)上的。認(rèn)知結(jié)構(gòu)是人們感知、加工、推理外界信息的知識(shí)結(jié)構(gòu)。認(rèn)知結(jié)構(gòu)是人們現(xiàn)實(shí)生活（Real Life）和過(guò)往經(jīng)驗(yàn)（Past Experience）的累積和重組。因此，學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)是場(chǎng)景引入前需要考慮的重要因素，也是場(chǎng)景引入后能否取得良好教學(xué)效果的重要前提條件。工程抗震課程是在大四開設(shè)的。大四學(xué)生已完成大部分基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，具有通過(guò)閱讀、觀察、實(shí)驗(yàn)、思考、討論、聽講等途徑探究問(wèn)題的能力。同時(shí)也要注意到，學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)會(huì)在課程學(xué)習(xí)的各階段有所變化。在課程的學(xué)習(xí)初期學(xué)生大多觀而不語(yǔ)，扮演觀者（Viewer）的角色，而在課程學(xué)習(xí)中后期學(xué)生參與問(wèn)答的能力有所提高，轉(zhuǎn)變?yōu)閰⑴c者（participant）的身份。在同一情境下，由于參與者與觀者存在認(rèn)知結(jié)構(gòu)的差異性，使得對(duì)事物觀察的角度、剖析的尺度會(huì)有明顯的差別，因此需要基于學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容來(lái)設(shè)定難度合適的問(wèn)題。教學(xué)中筆者常以地震事件作為場(chǎng)景。這是因?yàn)榈卣鹗录粌H是師生共同的認(rèn)知點(diǎn)，而且也蘊(yùn)藏著豐富的問(wèn)題，適合于不同層次教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容的需要。地震是地球積聚能量的突然釋放，并以波的形式引起地表隨機(jī)振動(dòng)。強(qiáng)烈地震導(dǎo)致山崩地裂、房塌橋斷、家破人亡、社會(huì)振蕩。教學(xué)場(chǎng)景可通過(guò)收集各種素材如新聞報(bào)道、地震災(zāi)難片等，借助多媒體的剪輯制作，突出災(zāi)難的場(chǎng)景，再現(xiàn)地震強(qiáng)大的破壞力。地震災(zāi)難片，如中國(guó)的《唐山大地震》、美國(guó)的《Aftershock：Earthquake in New York》（紐約大地震）、《San Andreas》（加州大地震）、日本的《The Day the Earth Moved》（地動(dòng)之日）、《Earthquake Archipelago》（地震列島）、《Nihon Chinbotsu》（日本沉沒(méi)）等影片等?！罢婢拔?、真感情”都有很好的藝術(shù)感染力。大量發(fā)生在不同歷史條件下的地震事件匯聚人類共同的悲感情懷，從而觸發(fā)學(xué)生痛定思痛后的思考：如何進(jìn)行工程的抗震，以防止災(zāi)難的發(fā)生？

高等建筑教育2015年第24卷第6期

鄔喆華探究式教學(xué)法在工程抗震課程教學(xué)中的應(yīng)用

1.觀者

地震事件能加深學(xué)生對(duì)災(zāi)難的慘痛認(rèn)知。中國(guó)處于歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，具有震源淺、震情頻度高、強(qiáng)度大、分布廣的自然特征；同時(shí)發(fā)震地區(qū)又常常人口眾多、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、建筑物抗震性能低等，造成的地震震害極其嚴(yán)重。如1556年陜西華縣8.0級(jí)地震，死亡83萬(wàn)余人；1976年河北唐山7.8級(jí)地震，死亡24.2萬(wàn)人，重傷16.4萬(wàn)人，倒塌民房530萬(wàn)間，直接經(jīng)濟(jì)損失54億元；2008年四川汶川8.0級(jí)地震，死亡69 227人，失蹤17 923人， 直接經(jīng)濟(jì)損失8 451億元。嚴(yán)重的地震災(zāi)害迫使人們進(jìn)行反思：如何針對(duì)時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度和頻度等都不確知的地震，采取什么策略和措施，使工程結(jié)構(gòu)具有最佳的抗震能力?！岸嚯y興邦”。中國(guó)在總結(jié)震害經(jīng)驗(yàn)之后，充實(shí)了強(qiáng)震觀測(cè)、試驗(yàn)研究和理論分析的基本抗震手段，加強(qiáng)了抗震規(guī)范在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工中的實(shí)施。從《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（TJ11-74和TJ11-78）到《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ11-89和GB50011）的出臺(tái)，并經(jīng)2001年、2008年、2010年多次修訂，形成了定量計(jì)算和定性分析相結(jié)合的完善的抗震設(shè)計(jì)體系。從地震事件出發(fā)，沿著抗震設(shè)計(jì)演化的歷史，學(xué)生更容易理解工程抗震規(guī)定的必要性、科學(xué)性、嚴(yán)肅性。建筑物的抗震設(shè)防要求不能因強(qiáng)震的偶發(fā)性、復(fù)發(fā)周期的不可預(yù)測(cè)、經(jīng)濟(jì)條件的薄弱而被忽視。引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng)的觀者向主動(dòng)的參與者角色的轉(zhuǎn)換。

2.參與者

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法，一方面采用增大構(gòu)件截面、配筋、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)體系的抗震承載能力；另一方面又利用結(jié)構(gòu)的延性來(lái)減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)不發(fā)生過(guò)大的損傷。歷次的強(qiáng)震震害都說(shuō)明傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法盡管可以提高結(jié)構(gòu)抵御地震災(zāi)害的能力，但也存在結(jié)構(gòu)安全性難以保證、適應(yīng)性受到限制、經(jīng)濟(jì)性欠佳、震后修復(fù)難度大、修復(fù)所需時(shí)間較長(zhǎng)等一系列問(wèn)題。特別是在土木工程中，隨著材料強(qiáng)度的提高和施工技術(shù)的進(jìn)步，工程結(jié)構(gòu)的尺寸越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)剛度顯著降低，對(duì)建筑物的舒適性、使用壽命和抗震性影響較大，應(yīng)用傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法難以在超高層建筑、大跨度橋梁等工程中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。日本是地震多發(fā)國(guó)家。20世紀(jì)以來(lái)，日本以每次大地震為契機(jī)，積極發(fā)展結(jié)構(gòu)抗震理論及技術(shù)應(yīng)用，成為世界抗震強(qiáng)國(guó)。在1923年7.9級(jí)關(guān)東地震、1978年7.4級(jí)宮城縣沖地震、1995年7.2級(jí)阪神地震、2011年9.0級(jí)東日本地震發(fā)生后，日本持續(xù)修改完善《建筑基準(zhǔn)法》，提高各類建筑的抗震基準(zhǔn)。近年來(lái)日本地震直接造成的人員傷亡數(shù)、房屋倒塌數(shù)大大降低。據(jù)對(duì)1995年阪神地震神戶中部932座毀壞樓房的統(tǒng)計(jì)，1971年前和1982年后建造的房屋在地震中的坍塌數(shù)占同期建造房屋的比例分別為35%和8%。筆者在東日本地震發(fā)生時(shí)適逢在東京地區(qū)，親歷路人從容、秩序井然的景況，深有感觸。作為土木工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)思考追問(wèn)：是什么技術(shù)使建筑物經(jīng)受住了強(qiáng)震的考驗(yàn)，使路人在災(zāi)難面前擁有那份自信？這是由于日本在傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上廣泛應(yīng)用了結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。結(jié)構(gòu)控制技術(shù)是指采用某種措施使結(jié)構(gòu)在動(dòng)力載荷作用下的響應(yīng)不超過(guò)某一限量。目前以隔震和消能減震技術(shù)為代表的控制技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段。認(rèn)識(shí)到這些，學(xué)生就能更加審視自身的不足，更加努力學(xué)習(xí)新知識(shí)和新技術(shù)。

（二）場(chǎng)景轉(zhuǎn)換

工程抗震的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算和抗震措施兩部分。每部分都需有不同的場(chǎng)景與之對(duì)應(yīng)。隨著教學(xué)內(nèi)容的逐步深入，場(chǎng)景也需不斷地發(fā)生轉(zhuǎn)換。課堂教學(xué)可采用串聯(lián)式（Series Conversion）和并聯(lián)式（Parallel Conversion）兩種場(chǎng)景轉(zhuǎn)換的形式。串聯(lián)式轉(zhuǎn)換是指各場(chǎng)景之間互相貫通，主要應(yīng)用于教學(xué)內(nèi)容存在先后的學(xué)習(xí)順序，具有聯(lián)系緊密、連續(xù)性強(qiáng)的特點(diǎn)。并聯(lián)式轉(zhuǎn)換是指通過(guò)一個(gè)處在核心位置的公共場(chǎng)景來(lái)連接各個(gè)場(chǎng)景，主要應(yīng)用于即相對(duì)獨(dú)立，又存在一定相似性和可對(duì)照性的教學(xué)內(nèi)容。

1.串聯(lián)式

結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算是課程的難點(diǎn)和重點(diǎn)。表1是教學(xué)環(huán)節(jié)“結(jié)構(gòu)地震作用”的場(chǎng)景設(shè)置。序號(hào)1是彈性體靜力問(wèn)題。序號(hào)2是剛體動(dòng)力問(wèn)題。它們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)都屬于舊知模型。序號(hào)3和序號(hào)4分別是單自由度和多自由度彈性動(dòng)力體系。它們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)都需要建構(gòu)在舊知模型上。這部分教學(xué)環(huán)節(jié)的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換選用串聯(lián)式轉(zhuǎn)換。教學(xué)順序是從單自由度到多自由度，從自由振動(dòng)到強(qiáng)迫振動(dòng)。教學(xué)中應(yīng)首先喚起學(xué)生對(duì)舊知模型的回憶，激活學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)，幫助學(xué)生準(zhǔn)確把握新舊問(wèn)題的銜接點(diǎn)，找準(zhǔn)新問(wèn)題。其次，圍繞教學(xué)內(nèi)容（事物），設(shè)立一個(gè)單項(xiàng)工程（情境）。單自由度彈性體系的典型工程有水塔、單層廠房；多自由度彈性體系的典型工程有煙囪、多層辦公樓。再次，提煉計(jì)算簡(jiǎn)圖，建立動(dòng)力方程（事因）。地震作用的動(dòng)力方程為常系數(shù)二次線性微分方程。動(dòng)力特性是齊次微分方程的通解，是動(dòng)力特征方程的特征值和特征向量，是結(jié)構(gòu)的頻率和振型。結(jié)構(gòu)反應(yīng)是非齊次微分方程的特解，是在給定的地震作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)。然后再求動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)反應(yīng)。地震作用計(jì)算方法常用的有振型分解反應(yīng)譜法、底部剪力法和動(dòng)力時(shí)程分析法。最后在序號(hào)4的認(rèn)知基礎(chǔ)上拓展教學(xué)的深度，如考慮水平和豎向地震作用的計(jì)算以及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的偏心結(jié)構(gòu)等。表1教學(xué)環(huán)節(jié)“結(jié)構(gòu)地震作用”的場(chǎng)景設(shè)置序號(hào)情境（What）事物（Who）事因（Why）認(rèn)知結(jié)構(gòu)1重力荷載作用下的房屋靜力kx=F舊知模型2自由下落的物體動(dòng)力/剛體mx¨=F舊知模型3單層房屋、水塔動(dòng)力/單自由度彈性體系/自由振動(dòng)mx¨+cx·+kx=0動(dòng)力/單自由度彈性體系/強(qiáng)迫振動(dòng)mx¨+cx·+kx=-mx¨g新知模型4多跨不等高廠房、多高層建筑動(dòng)力/多自由度彈性體系/自由振動(dòng)mx¨+cx·+kx=0動(dòng)力/多自由度彈性體系/強(qiáng)迫振動(dòng)mx¨+cx·+kx=

-mIx¨g新知模型注：表中x、x·、x¨分別為質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于地面的位移、速度、加速度；x¨g為地面的加速度；m、c、k分別為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量、阻尼、抗側(cè)剛度；F為作用于質(zhì)點(diǎn)上的荷載；·、·分別表示為方陣和列陣；I為單位列陣。2.并聯(lián)式

很多教學(xué)內(nèi)容的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換可采用并聯(lián)式轉(zhuǎn)換。由于授課時(shí)數(shù)有限（為36學(xué)時(shí)），屬于并聯(lián)式轉(zhuǎn)換的教學(xué)內(nèi)容可采用簡(jiǎn)略的方式不再講解其中共性的部分，如抗震設(shè)計(jì)方法的教學(xué)。目前中國(guó)抗震設(shè)計(jì)的方法有“三水準(zhǔn)二階段”的設(shè)計(jì)和基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。常規(guī)建筑一般實(shí)行的是“小震不壞，中震可修，大震不倒”的“三水準(zhǔn)二階段”的設(shè)防要求，需要對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力或擬動(dòng)力的計(jì)算分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)力和變形是否滿足抗震設(shè)計(jì)要求。對(duì)于超常規(guī)建筑，如超高層建筑、大跨建筑、不規(guī)則復(fù)雜建筑，還需進(jìn)行基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)?；谛詰B(tài)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是根據(jù)建筑物的重要性、用途或是業(yè)主的要求來(lái)確定其性能目標(biāo)，提出不同的抗震設(shè)防水準(zhǔn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震性能，判斷結(jié)構(gòu)是否滿足性能目標(biāo)的要求。這兩種設(shè)計(jì)方法有著相通的部分，場(chǎng)景轉(zhuǎn)換著重在各自的特點(diǎn)上。又如典型房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的教學(xué)。建筑結(jié)構(gòu)因選用的結(jié)構(gòu)材料差異而適應(yīng)不同建筑功能、建筑技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的要求，結(jié)構(gòu)形式具有多樣化的特點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)三種典型房屋結(jié)構(gòu)。此三種典型房屋結(jié)構(gòu)在遵循抗震設(shè)計(jì)一般原則下都有各自的震害特征、設(shè)計(jì)要求、計(jì)算方法和主要抗震措施。一般以框架結(jié)構(gòu)作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的代表，以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為砌體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的代表，應(yīng)著重根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，探究建筑和結(jié)構(gòu)總體布置，進(jìn)而確定其細(xì)部構(gòu)造。

二、探究式教學(xué)的第二步：因勢(shì)利導(dǎo)

因勢(shì)利導(dǎo)是遵循問(wèn)題—應(yīng)答—問(wèn)題—應(yīng)答這一循環(huán)趨勢(shì)進(jìn)行方向性的引導(dǎo)，是探究式教學(xué)的第二步。美國(guó)教育家Kenneth Richmond Andrews說(shuō)過(guò)，教學(xué)的最終目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生正確提出問(wèn)題和回答問(wèn)題。上海大學(xué)老校長(zhǎng)錢偉長(zhǎng)先生認(rèn)為：把學(xué)生教“懂了”是不正常的，教“不懂了”才是正常的，也才符合人才培養(yǎng)的規(guī)律。在教學(xué)中，合理安排時(shí)間，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑互動(dòng)，著力于引疑、質(zhì)疑、釋疑過(guò)程中傳授質(zhì)疑的方法。剛開始，學(xué)生提出的問(wèn)題可能顯得初淺，但經(jīng)過(guò)多次引導(dǎo)，學(xué)生會(huì)在“怎樣問(wèn)”和“問(wèn)什么”上提高水平，融入探究式教學(xué)活動(dòng)中。在課堂教學(xué)中應(yīng)倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)、教師主導(dǎo)的教學(xué)理念，通過(guò)師生間和學(xué)生間的互動(dòng)交流，使學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)同化于心、順應(yīng)于物。

（一）互動(dòng)主體

互動(dòng)是人與人之間相互作用和相互影響的方式和過(guò)程。Palincsar和Brown率先在教學(xué)中提出了互動(dòng)式 （reciprocal teaching）概念[7]。教學(xué)中教師和學(xué)生是互動(dòng)的主體。學(xué)生在思考、體驗(yàn)與建構(gòu)新型的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)教師而言也是一個(gè)不斷接受反饋信息、不斷修正、不斷提高的過(guò)程。

1.教師

教師是以傳道、授業(yè)、解惑為職責(zé)。在互動(dòng)中教師與學(xué)生應(yīng)建立一種有別與傳統(tǒng)教學(xué)關(guān)系的聯(lián)系，教師應(yīng)逐步從獨(dú)奏者過(guò)渡到指揮者。前蘇聯(lián)心理學(xué)家Lev Vygotsk認(rèn)為教師在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中起到的是建立概念框架（Conceptual Framework）的作用，搭設(shè)腳手架引導(dǎo)（Scaffolding Instruction） 學(xué)生完成建構(gòu)，教師與學(xué)生是互教互學(xué)的學(xué)習(xí)共同體。教師在教學(xué)中應(yīng)有意設(shè)置層層斷點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)表觀點(diǎn)，進(jìn)而引發(fā)深層次討論。如震級(jí)測(cè)試儀的教學(xué)案例。地震震級(jí)是衡量一次地震釋放能量大小的尺度，是地震的一個(gè)重要指標(biāo)。美國(guó)地震學(xué)家里克特（Charles Francis Richter）和古登堡（Beno Gutenberg）于1935年提出里氏震級(jí)，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)地震儀在距離震中100km處記錄的以μm為單位的最大水平地動(dòng)位移。標(biāo)準(zhǔn)地震儀是指擺的自振周期為0.8s，阻尼系數(shù)為0.8，放大倍數(shù)為2 800倍的地震儀。有細(xì)心的學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)，地震時(shí)地震儀不一定距震中正好100km，觀測(cè)點(diǎn)也不一定會(huì)采用標(biāo)準(zhǔn)地震儀，這種情況里氏震級(jí)該如何標(biāo)定呢？另外，在震級(jí)大于6.8級(jí)或觀測(cè)點(diǎn)距離震中超過(guò)600km，里氏震級(jí)如何改進(jìn)呢？這些都是很好的問(wèn)題。在教學(xué)中，教師要時(shí)刻關(guān)注互動(dòng)的進(jìn)展，從講臺(tái)走到學(xué)生中間來(lái)傾聽，不失時(shí)機(jī)地拋出關(guān)鍵性論點(diǎn)、論據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論。在與學(xué)生共同探求下，介紹面波震級(jí)、體波震級(jí)和矩震級(jí)的創(chuàng)新點(diǎn)。其中矩震級(jí)是根據(jù)地層錯(cuò)動(dòng)的大小、滑移斷面大小和性質(zhì)，通過(guò)波形反演的方法計(jì)算地震的能量，不會(huì)出現(xiàn)震級(jí)飽和效應(yīng)。結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)就是在一個(gè)個(gè)斷點(diǎn)接力中得到不斷的發(fā)展。

2.學(xué)生

同伴互教（Peer Teaching）是指逐漸把教師的角色讓位給學(xué)生，探究活動(dòng)的開展主要由學(xué)生集體來(lái)完成，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。“隨風(fēng)潛入夜，潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”。教師此時(shí)是無(wú)聲勝有聲。對(duì)于地震起源的問(wèn)題，古代各國(guó)有不同的認(rèn)識(shí)。中國(guó)把地震歸因于抽象的陰陽(yáng)失調(diào)，日本認(rèn)為是鲇魚翻身造成了地震，而印度認(rèn)為是地下的大象發(fā)怒而引發(fā)了地震。對(duì)此，學(xué)生一般會(huì)持否定的態(tài)度，進(jìn)而提出各自的見解。有的認(rèn)為火山作用是地震的原因，有的認(rèn)為地震是由地下巖石的突然斷裂而造成的，有的認(rèn)為地面坍陷是地震的原因。在互動(dòng)中，教師應(yīng)關(guān)注學(xué)生的見解是否采用正確的分析方法。如是，則進(jìn)行鼓勵(lì)；如不是，則進(jìn)行引導(dǎo)。在授課中可實(shí)時(shí)上網(wǎng)查閱資料，對(duì)各自的論點(diǎn)提供充足的論證。1906年7.8級(jí)美國(guó)舊金山地震發(fā)生在加州圣安德烈斯（San Andreas Fault）斷層上。地震時(shí)，斷層兩盤發(fā)生右旋錯(cuò)動(dòng)。其中垂直于斷層的一農(nóng)場(chǎng)籬笆被錯(cuò)開了3～4m。1739年8.0級(jí)寧夏平羅地震使賀蘭山前斷層錯(cuò)動(dòng)，造成紅果子長(zhǎng)城斷點(diǎn)位移1.95m，垂直位移0.9m，東斷點(diǎn)垂直斷距1.5m。中國(guó)地震多發(fā)，但火山分布不多?；谶@些直接觀測(cè)的事例和數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得出地震的主因是構(gòu)造地震。師生互動(dòng)中應(yīng)注重信息的篩選與整合。如問(wèn)：從概念設(shè)計(jì)的角度，結(jié)構(gòu)有哪些抗震措施？所問(wèn)的“概念設(shè)計(jì)”限定了抗震措施考慮的范疇，確定了篩選信息的標(biāo)準(zhǔn)。概念設(shè)計(jì)是根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，著眼于建筑和結(jié)構(gòu)的總體布置，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造的確定。建筑抗震概念設(shè)計(jì)較定量計(jì)算方法更適宜解決地震動(dòng)、結(jié)構(gòu)模型、分析方法、破壞程度等不確定信息的分析，通過(guò)工程抗震基本概念解決場(chǎng)地、地基和基礎(chǔ)、建筑形體及其構(gòu)件布置的規(guī)則性、結(jié)構(gòu)體系、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)材料與施工等結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性全局問(wèn)題。學(xué)生在課后查找資料后會(huì)回答：建筑場(chǎng)地應(yīng)選擇有利地段，采用樁基來(lái)消除地基土液化，結(jié)構(gòu)體系宜有多道防線，建筑形體應(yīng)規(guī)則，構(gòu)件應(yīng)具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)有可靠的連接和錨固，鋼筋宜優(yōu)先采用延性、韌性和焊接性較好的鋼筋等。對(duì)學(xué)生回答的信息經(jīng)過(guò)整合，就可水到渠成得到問(wèn)題的完整答案。

（二）建構(gòu)方式

瑞士心理學(xué)家Jean Piaget的發(fā)生認(rèn)識(shí)論（Genetic Epistemology）認(rèn)為人的認(rèn)知發(fā)展要經(jīng)過(guò)同化（Assimilation）和順應(yīng)（Accommodation）兩個(gè)基本過(guò)程[8]。同化是指?jìng)€(gè)體把外界刺激所提供的信息整合到自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)內(nèi)的過(guò)程。順應(yīng)是指?jìng)€(gè)體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)因外部刺激的影響而發(fā)生改變的過(guò)程。同化是認(rèn)知結(jié)構(gòu)數(shù)量的擴(kuò)充，而順應(yīng)則是認(rèn)知結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變。

1.同化

學(xué)習(xí)知識(shí)的目的不是為知識(shí)而知識(shí)，而是人成長(zhǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)是地震工程學(xué)一個(gè)重要的組成部分，需要綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識(shí)解決土木工程問(wèn)題。課程教學(xué)前期需要掌握一定的專業(yè)基礎(chǔ)技能，要求學(xué)生具備高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)、地基基礎(chǔ)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、建筑施工、房屋建筑學(xué)等多方面的知識(shí)。教學(xué)中按照建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，先設(shè)定學(xué)習(xí)的目標(biāo)，讓學(xué)生以現(xiàn)有認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)新知識(shí)進(jìn)行加工，提高知識(shí)技能，最后形成自身的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。課程設(shè)計(jì)是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，能夠貫通課程所涉及到的重點(diǎn)和難點(diǎn)。課程設(shè)計(jì)任務(wù)是在一棟建筑物中選擇一榀框架進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制框架配筋圖，包括構(gòu)件配筋圖和各控制斷面的配筋詳圖。設(shè)定的設(shè)計(jì)條件參照實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)情況。設(shè)計(jì)資料是建筑設(shè)計(jì)圖紙。設(shè)計(jì)參數(shù)主要是場(chǎng)址、場(chǎng)地土類型。為給學(xué)生更多的設(shè)計(jì)空間，允許學(xué)生自行進(jìn)行柱網(wǎng)布置、樓屋面梁板布置，確定構(gòu)件尺寸、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋級(jí)別，并對(duì)建筑設(shè)防類別、設(shè)防烈度（設(shè)計(jì)基本地震加速度值）、設(shè)計(jì)地震分組、抗震等級(jí)按規(guī)范要求進(jìn)行合理取值。教師對(duì)課程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題進(jìn)行集中解答，使學(xué)生的課程設(shè)計(jì)能在可控的條件下不斷修改，持續(xù)地推進(jìn)。對(duì)于大多數(shù)缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來(lái)說(shuō)很難將構(gòu)造措施理解到位。對(duì)此，可通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)參觀、閱讀工程圖紙等方式加以解決。在課程設(shè)計(jì)完成時(shí)教師應(yīng)總結(jié)歸納知識(shí)點(diǎn)。如可將設(shè)計(jì)概括為“12345”。“1”是抗震等級(jí)?！?”是兩類鋼筋的配置（箍筋和縱筋）?！?”是三個(gè)部位（梁、柱和節(jié)點(diǎn)）?！?”是四個(gè)典型框架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖（中間層的邊柱、中柱；頂層的邊柱、中柱）?！?”是五個(gè)控制準(zhǔn)則（強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、剪壓比、軸壓比）。如此，方便學(xué)生鞏固記憶，靈活掌握所學(xué)的知識(shí)。

2.順應(yīng)

創(chuàng)新是工程發(fā)展的生命力?！皢?wèn)渠哪得清如許，為有源頭活水來(lái)”。學(xué)生在接觸新知識(shí)和新技術(shù)時(shí)會(huì)有視野大開、豁然開朗的感覺(jué)。如結(jié)構(gòu)控制的教學(xué)案例。智能控制系統(tǒng)（Smart Control System）應(yīng)用高效智能材料（Smart material）于抗震結(jié)構(gòu)中，是材料技術(shù)在傳統(tǒng)土木工程中的一次偉大變革。高效智能材料（Smart material）是一種自身特性和功能可隨外部環(huán)境改變而做出調(diào)整的材料系統(tǒng)，可作為振動(dòng)控制的傳感元件、作動(dòng)元件和控制處理元件，如光導(dǎo)纖維（Optical Fibers）、形狀記憶合金SMA（Shape Memory Alloy）、電流變液ERF（Electro-Rheological Fluid）、磁流變液MRF（Magneto-Rheological Fluid）、壓電材料（Piezoelectric Material）等。又如地震預(yù)警的教學(xué)案例。地震發(fā)生時(shí)向外傳播地震能量的是波。如果關(guān)注到縱波傳播速度要快于橫波和面波，并且縱波攜帶的地震能量要遠(yuǎn)小于橫波和面波時(shí)，對(duì)工程物破壞的主要是橫波和面波，那么根據(jù)這一特性就可以開發(fā)出地震預(yù)警系統(tǒng)。日本地震預(yù)警系統(tǒng)是在橫波到來(lái)之前，根據(jù)預(yù)測(cè)到的縱波，提前幾秒至數(shù)十秒觸發(fā)地震震害警告。2006年日本預(yù)警系統(tǒng)開始在全國(guó)范圍投入使用。2011年?yáng)|日本地震發(fā)生5.4s后，系統(tǒng)多次發(fā)布地震預(yù)警。其中距離震源較近的巖手縣、極震區(qū)宮城縣分別獲得了12s、18s的預(yù)警時(shí)間，而距離震源300km的東京都在警報(bào)發(fā)出1min后，才感受到地表和建筑物劇烈的搖晃，預(yù)警效果較好。這些創(chuàng)新的工程抗震技術(shù)會(huì)讓學(xué)生在互動(dòng)協(xié)作的交流活動(dòng)中形成獨(dú)立的學(xué)術(shù)研究個(gè)性，具有獨(dú)立思想、獨(dú)立觀察、獨(dú)立判斷的能力，其認(rèn)知結(jié)構(gòu)會(huì)有質(zhì)的飛越。

三、結(jié)語(yǔ)

探究性教學(xué)法是破解傳統(tǒng)工程抗震教學(xué)困境的一種嘗試，在學(xué)生課程設(shè)計(jì)中取得較好的實(shí)踐效果。學(xué)生不僅能夠正確理解課程知識(shí)、熟練掌握設(shè)計(jì)技能，而且獨(dú)立的學(xué)術(shù)個(gè)性也得以形成和張揚(yáng)。按因問(wèn)設(shè)景和因勢(shì)利導(dǎo)兩個(gè)教學(xué)步驟實(shí)施探究式教學(xué)時(shí)，應(yīng)結(jié)合大量工程抗震案例，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)將其引入場(chǎng)景，并層層遞進(jìn)提出問(wèn)題，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)從觀者向參與者的轉(zhuǎn)變，按教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行串聯(lián)式和并聯(lián)式場(chǎng)景轉(zhuǎn)換。在互動(dòng)中遵循教師主導(dǎo)、學(xué)生主動(dòng)的課堂教學(xué)原則，使新型的認(rèn)知結(jié)構(gòu)同化于心、順應(yīng)于物。

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Application of inquiry teaching in earthquake resistant engineering

WU Zhehua

（School of Architectural and Civil， Ningbo Institute of Technology， Zhejiang University， Ningbo 315100， P. R. China）

Abstract： Structural seismic design is regarded as the main course of civil engineering specialty. There are two steps of inquiry teaching in practice. One is situation setting according to questioning， and the other is active instruction in the light of its general trend. Combined with many engineering cases， situations were induced based on students cognitive structure. Progressive questionings transformed students from viewers to participants. The serial and parallel scenes were selected considered the teaching contents. Teachers leading and students initiative were stressed during the interaction process. The new cognitive structure model was built with assimilation and complied with the matter.

Keywords： earthquake resistant engineering； inquiry teaching； course teaching； teaching research