抗震結構設計教學研究

陳征征，王　芳，劉發(fā)明

（宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000）

0　引言

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，建筑行業(yè)從2015年低谷期走出來，循序漸進發(fā)展。整個社會所需的土建人才從之前知識型高學歷人才傾向于創(chuàng)新性實用型復合式人才，高校培養(yǎng)人才模式跟隨改變。目前，高校培養(yǎng)人才主旨也在改變，所開設課程偏向于實踐性強、Web和VRML[1]技術相結合教學。結構抗震設計[2]課程為土木專業(yè)核心課程，理論內(nèi)容多、規(guī)范[3]煩瑣且更新快、實踐性強的特點加大了授課困難，學生學習起來困難。為此，采用PPT結合網(wǎng)絡數(shù)字模擬的授課方法，更系統(tǒng)形象生動地講解枯燥的規(guī)范要求、地震效應公式、細部構造要求，學生可以直觀地辨識構件節(jié)點構造要求，清晰地知道結構的每個組成部分，了解自己畢業(yè)從事的行業(yè)知識。

建筑結構抗震設計課程涉及結構力學、動力學、高層建筑結構設計中反彎點法和D值法、工程荷載中荷載組合及計算原則等內(nèi)容，基礎性較強，在掌握上述知識的情況下，進行抗震設計的學習。

1　抗震結構設計現(xiàn)狀分析

通過近3 a對土木工程結構抗震課程教學總結，發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題：

1.1　內(nèi)容多而課時少

抗震設計內(nèi)容包括地震、場地等基本概念；地震反應分析和抗震驗算；建筑抗震概念設計；各種結構抗震設計及防震減災等。知識點較多而課時較少，宿州學院12～15級土木專業(yè)開設課程為36學時，而16級開設課程縮短為32學時。對于每一個知識點只能簡單講述，延伸內(nèi)容要求學生課后學習，大學生課余時間活動較多，自學學習效果較差。

1.2　綜合性強而基礎差

抗震設計中涵蓋高層建筑中反彎點法計算以及結構力學中位移法及動力矩陣等知識，綜合性較強涵蓋面廣。由此，需要學生掌握先學課程基礎知識點，靈活應用于抗震設計課程學習中。學生對于基礎性知識尤其是結構矩陣法前期課程掌握差，在抗震知識學習中比較困難，學習積極性不高。

1.3　實踐性強而無場地

抗震課程是一門應用性較強的專業(yè)核心課，對規(guī)范依賴性較大，由于造細節(jié)要求規(guī)則較多、實踐性較強，出于安全考慮不會有專門的施工單位接收未畢業(yè)的土木專業(yè)學生去現(xiàn)場實際動手操作學習，這就限制了實踐場地。教師只能用PPT簡單介紹細部而學生只能想象構造要求，似懂非懂地學習各種專業(yè)的抗震設計內(nèi)容，最終離培養(yǎng)目標——實用型人才越來越遠，依舊是理論知識豐富而工作能力很差。

2　CIA課件和BIM教學方法

基于虛擬現(xiàn)實的課件講述規(guī)范細則和具體工程抗震設計，學生能身臨其境，充分調(diào)動他們的學習積極性和主觀能動性，快樂地學習輕松地掌握知識。CIA課件需要教師提前把要講述的內(nèi)容輸入及參數(shù)設定，對工程實例進行虛擬，框架結構、單層工業(yè)廠房、剪力墻結構等進行虛擬工程現(xiàn)場實景，對其中節(jié)點包括板、梁、柱等細部構造都可以模擬出來。BIM結合CAD繪圖手段可以模擬出結構內(nèi)部更細節(jié)構件，可以模擬梁內(nèi)部鋼筋選擇型號、強度及綁扎方式要求，學生可以通過左右手柄控制前進方向和選擇結構中任一構件拿出來分析，形象清晰地理解鋼筋、混凝土及相關規(guī)范要求。

具體的教學方法是在軟件科研人員幫助下，安裝相應的軟件，虛擬實驗室，創(chuàng)建相應的教學情境，建立虛擬教室，解決了實踐場地難的問題，上課前班級分組進行實踐教學，每組10位同學。劃分指定操作區(qū)域，學生進入?yún)^(qū)域戴上VR眼鏡，操作手柄探索，他所看的內(nèi)容直接投影到顯示屏上，該組同學可以直接在投影屏幕上看到，每組進行討論探索，培養(yǎng)學生的探索精神和實踐能力。對于構件節(jié)點等教學中的難點可以采用VR方法講解，視圖直接反映重難點，更容易理解和掌握。

虛擬工程實例結構進行教學，理論結合工程實踐，規(guī)范結合最新成果示例，系統(tǒng)性教學以學生為授課中心，不再只是老師講學生被動接受模式，發(fā)揮學生主觀能動性，自動積極地學習效果更好（圖1）。

圖1　教學流程圖

3　實踐教學方法探索與改進

土木專業(yè)培養(yǎng)應用型實踐能力強的人才，在教課過程中應注重理論和工程實例的結合，采用虛擬建筑結構教學，根據(jù)學生學習理解知識情況對教學方法進行探討。

3.1　實踐教學場地及課件準備

固定教室安裝投影及虛擬工作區(qū)域，VR眼鏡調(diào)試、左右手柄調(diào)試，確保精確操作投影清晰?？拐鹨?guī)范及具體工程實例導入，CAD繪制工程結構圖、節(jié)點詳圖、節(jié)點構造要求。教師完成課件整理前期準備工作，所選擇的工程實例均要具有代表性及最新成果，實踐場地要求無菌操作，學生戴鞋套進入操作間，分組完成操作。

工程實例的選取應該從具體施工現(xiàn)場中擇選，這就要求學校要與建筑施工單位溝通，現(xiàn)場施工中視頻，教師應到建筑單位實習一段時間或者單位派遣技術骨干指導教師了解施工中困難點，促進溝通合作。

3.2　VR實施及操作

理論課正常采用PPT結合板書的形式講授，與理論知識相對應的實踐課應安排在虛擬實驗室。實踐課學生分組，每組人數(shù)10人，以小組形式分別進行討論及虛擬課堂，教師負責指引學生動手操作及難點討論。每組組員負責記錄疑惑，課后找相關視頻及資料學習，由組長匯總不理解的地方，教師針對這些問題，系統(tǒng)回答。整個實踐過程學生起主導作用，教師輔助作用，增強學生學習樂趣及主動性。

理論與實踐結合講解規(guī)范及相應建筑結構設計難點，實踐課程方便學生清晰地了解所學。為了解學生掌握情況，每小組完成相應的結構抗震設計，制作成PPT匯報，更系統(tǒng)地學習抗震設計知識。

3.3　教學效果驗收

課程學習結束之后，對所教授內(nèi)容進行驗收?？己朔绞竭x擇課堂測試和設計PPT匯報，教師針對匯報內(nèi)容提出相關專業(yè)內(nèi)容，根據(jù)每組學生答辯情況打分。規(guī)避傳統(tǒng)的考試形式，注重理論知識的學習與實踐能力的培養(yǎng)。通過對14土木45位同學和15土木2班45位同學問卷調(diào)查，結果如表1。

表1　問卷調(diào)查結果 %

通過調(diào)查問卷分析得到：學生更偏向于實踐性強的形象生動的方式獲得知識，傾向于看而不是動手設計。對于自己動手設計結構的抗震顯示不是很濃厚的興趣。有86位同學贊同系統(tǒng)性講授方式，以PPT匯報成果的形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開卷考試。

4　結語

抗震結構設計課程是一門針對性、綜合性和實踐性較強的學科，在學習基本知識的同時要注意與建筑企業(yè)溝通交流，幫助學生了解自己所從事的行業(yè)。根據(jù)所學知識應用到建筑工程事例中，與企業(yè)之間簽訂協(xié)議，更好地就業(yè)。通過理論聯(lián)系虛擬場景并結合抗震設計PPT匯報等形式，系統(tǒng)地講授專業(yè)知識，培養(yǎng)應用型人才。針對實踐場所缺乏及虛擬場景技術不嫻熟等問題，在今后的教學中繼續(xù)探索，提高自身教學能力和學生吸收效果。