基于小型振動(dòng)臺(tái)的抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

章敏 馮國(guó)瑞 程欣 牛琪瑛

[摘 要]傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以構(gòu)件動(dòng)力測(cè)試為主，內(nèi)容較為單一，缺乏對(duì)學(xué)生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。項(xiàng)目組通過借助小型振動(dòng)臺(tái)，將管樁地震響應(yīng)、復(fù)合樁加固液化地基和多層鋼框架振動(dòng)響應(yīng)三項(xiàng)科研課題轉(zhuǎn)化為探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，闡述了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程，對(duì)實(shí)驗(yàn)選題、教學(xué)團(tuán)隊(duì)組建、考核評(píng)價(jià)體系等方面提出了建議。實(shí)踐結(jié)果表明，教學(xué)與研究相結(jié)合的教學(xué)理念培養(yǎng)了學(xué)生的初步科研能力，加深了對(duì)結(jié)構(gòu)抗震概念的理解，促進(jìn)了師生間的交流。

[關(guān)鍵詞]振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn);科研課題;教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）06-0058-04

中共中央、國(guó)務(wù)院在《關(guān)于深化教育改革全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定》中明確提出了“高等學(xué)校要重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)業(yè)精神，普遍提高大學(xué)生的人文素質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)”的要求。在這種背景下，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐操作能力就顯得尤為重要，尤其是土木工程這類實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為教學(xué)體系的一個(gè)重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新意識(shí)的重要途徑[1]。將前沿科研成果不斷轉(zhuǎn)化成新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，一方面增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，使傳統(tǒng)和經(jīng)典實(shí)驗(yàn)更加生動(dòng)有趣，另一方面也有利于帶動(dòng)和促進(jìn)學(xué)科建設(shè)的整體發(fā)展[2]。

于學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)是在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)際、綜合的運(yùn)用，有利于幫助學(xué)生更加深刻地理解相關(guān)原理，能培養(yǎng)動(dòng)手和解決問題的能力和科學(xué)的思維能力，是理論教學(xué)無法代替的[3]。對(duì)于有志于繼續(xù)深造的學(xué)生來說，在本科畢業(yè)前掌握一些從事科研實(shí)驗(yàn)的基本方法，可為其今后繼續(xù)從事學(xué)術(shù)研究打下基礎(chǔ)。這也為科研儲(chǔ)備了生力軍。對(duì)于社會(huì)而言，成功的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可為企業(yè)培育急需的應(yīng)用型人才，滿足社會(huì)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的需求。另外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作水平的高低，也是衡量一所高校教學(xué)和科研水平及學(xué)生綜合素質(zhì)的一個(gè)重要參考指標(biāo)[4]。

為有效激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體意識(shí)和積極性，擴(kuò)充本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在結(jié)構(gòu)抗震教學(xué)體系中的地位。本文在傳統(tǒng)“驗(yàn)證型”的構(gòu)件動(dòng)力測(cè)試教學(xué)基礎(chǔ)上設(shè)置“探究、創(chuàng)新型”的動(dòng)載實(shí)驗(yàn)教學(xué)，力求實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、結(jié)構(gòu)體系和激勵(lì)形式多樣化，并從實(shí)驗(yàn)選題、教學(xué)方法和考核機(jī)制等方面對(duì)探究性試驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了有益的探索。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?shí)行驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)與探究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)并重。其中驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要以框架結(jié)構(gòu)低周往復(fù)靜載試驗(yàn)為主，以驗(yàn)證課堂傳授的結(jié)構(gòu)抗震基本理論和方法，熟悉加載設(shè)備以及結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的量測(cè)技術(shù)。探究型實(shí)驗(yàn)則主要以科研課題為依托，開展結(jié)構(gòu)動(dòng)力加載試驗(yàn)。學(xué)生通過獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立操作、綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，達(dá)到培養(yǎng)解決工程實(shí)際問題或科學(xué)問題的能力，養(yǎng)成初步的學(xué)術(shù)研究能力的目的。

（二）實(shí)驗(yàn)選題

實(shí)驗(yàn)教學(xué)選題應(yīng)遵循可行性、先進(jìn)性、實(shí)踐性強(qiáng)、切合工程實(shí)際等原則，并充分發(fā)揮學(xué)?；?qū)W院研究特色?；诖耍紤]到筆者所在學(xué)院在液化砂土地基加固、PHC管樁抗震性能等領(lǐng)域進(jìn)行大量的研究，在開展振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力測(cè)試方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要借助小型電磁激勵(lì)器，無需對(duì)大型科研設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和拓展，成本低，在經(jīng)費(fèi)投入不大的情況下可進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)教學(xué)。對(duì)于尚處在研究階段的項(xiàng)目，包括研究生論文實(shí)驗(yàn)、教師科研項(xiàng)目，鑒于實(shí)際情況，通過選拔、吸收一部分感興趣的學(xué)生共同參與[5]。如此一來，既實(shí)現(xiàn)了科研資源的有效利用，又培養(yǎng)提升了學(xué)生的科研素質(zhì)和綜合能力。同時(shí)，也避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法推陳出新的缺陷，保障了試驗(yàn)教學(xué)資源始終與科研前沿的緊密聯(lián)系。此外，考慮到本科學(xué)生尚未學(xué)習(xí)完全部課程，知識(shí)體系不完整，進(jìn)行探究型實(shí)驗(yàn)比較困難，為此開設(shè)了“科研專題入門”講座，授課內(nèi)容圍繞實(shí)驗(yàn)所涉及的理論知識(shí)、操作方法和科技論文撰寫等，以幫助學(xué)生快速入門。

（三）團(tuán)隊(duì)組建

學(xué)生采取4～6人為一組的小組形式，并按照動(dòng)手能力、知識(shí)掌握程度等指標(biāo)均衡分配，保證每個(gè)小組可以順利組織實(shí)驗(yàn)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)以理論授課教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員相結(jié)合，并選拔具有豐富的理論與實(shí)踐知識(shí)以及出色組織管理能力的教師擔(dān)任負(fù)責(zé)人。在人員配置上，選聘研究生作為助教，每位助教輔導(dǎo)2～3組學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、協(xié)助教師解決實(shí)驗(yàn)過程中各小組遇到的問題，以及協(xié)助批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告[2]。

（四）教學(xué)實(shí)施

小組實(shí)驗(yàn)按照文獻(xiàn)查閱、理論分析與計(jì)算、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析、論文撰寫、專利申請(qǐng)等步驟進(jìn)行[6]。實(shí)驗(yàn)前，各小組通過查閱文獻(xiàn)、搜集資料，了解實(shí)驗(yàn)背景、基礎(chǔ)理論和研究現(xiàn)狀，并掌握相關(guān)的試驗(yàn)操作方法，制定初步的實(shí)驗(yàn)方案。此后，在教師指導(dǎo)下，修正方案并進(jìn)行試驗(yàn)前的理論分析及計(jì)算，以此作為后續(xù)試驗(yàn)的參照。在實(shí)驗(yàn)過程中，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，分析結(jié)果差異和原因。待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，組織學(xué)生按論文格式對(duì)研究成果進(jìn)行整理，并鼓勵(lì)他們撰寫論文或申請(qǐng)專利。

（五）多元化考核評(píng)價(jià)

為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和改變傳統(tǒng)學(xué)生只注重卷面成績(jī)的情況，考核方式摒棄了傳統(tǒng)的筆試和操作考試，學(xué)生成績(jī)由平時(shí)實(shí)驗(yàn)G1（20%）、成員討論G2（20%）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告G3（40%）和口頭匯報(bào)G4（20%）等綜合評(píng)定，并將實(shí)驗(yàn)成績(jī)G單獨(dú)計(jì)入學(xué)期末考試成績(jī)。

二、結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐

我國(guó)地處歐亞和環(huán)太平洋兩大地震帶之間，重大結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防是社會(huì)和工程建設(shè)者共同關(guān)注的焦點(diǎn)。建筑物的抗震性能與災(zāi)變機(jī)理已成為土木工程與地震工程領(lǐng)域的核心問題，而振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)是抗震設(shè)計(jì)理論的重要研究手段之一，試驗(yàn)采用DYS-1000-8-08伺服液壓式小型振動(dòng)臺(tái)，額定正弦推力9800N、額定加速度122.5m/s2、頻率范圍1-2000Hz、額定位移51mm、額定荷載300kg。接下來以“PHC管樁抗震性能實(shí)驗(yàn)”“多元樁復(fù)合地基抗液化實(shí)驗(yàn)”和“多層鋼框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)”三項(xiàng)課題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，介紹探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施的具體過程。

（一）PHC管樁抗震性能實(shí)驗(yàn)

利用小型振動(dòng)臺(tái)裝置模擬簡(jiǎn)諧地震波（SH波），研究管樁在地震作用下的響應(yīng)特征和破壞形式。在模型箱中埋置加速度傳感器、應(yīng)力、應(yīng)變及位移傳感器，通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀采集不同地震激勵(lì)條件（加速度峰值和頻率）下樁土響應(yīng)結(jié)果，獲得與之對(duì)應(yīng)的樁身位移分布、樁身內(nèi)力分布和樁土界面壓力，以此評(píng)價(jià)管樁的抗震性能（見圖1和2）。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程如下：第一階段，各學(xué)生小組就樁-土動(dòng)力相互作用和振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，初步制定實(shí)驗(yàn)方案，交由指導(dǎo)老師審核完善，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的理論計(jì)算。小組成員根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)模型圖紙、購(gòu)買材料和模型管樁（有機(jī)玻璃管），制作能最大限度消除邊界效應(yīng)的剪切模型箱，分層填筑模型土及布置傳感器，并測(cè)定土體密度、剪切強(qiáng)度和動(dòng)剪切模量等力學(xué)指標(biāo)，整個(gè)過程由學(xué)生獨(dú)立完成。第二階段，指導(dǎo)學(xué)生掌握地震波加載方法，動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集和分析，以及設(shè)備操作流程和方法。由學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)記錄各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)照之前的理論推導(dǎo)，對(duì)結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過程中，教師要及時(shí)對(duì)學(xué)生遇到的問題給予解答和修正，并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)的力學(xué)及土力學(xué)等課程，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給出合理解釋，若是實(shí)驗(yàn)比較成功，可嘗試設(shè)計(jì)其他不同工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（二）多元樁復(fù)合地基抗液化實(shí)驗(yàn)

液化是飽和無粘性地基（如砂土）發(fā)生震害的主要原因之一。針對(duì)天然地基、碎石樁地基、水泥土樁地基和兩種樁聯(lián)合加固地基，開展小型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，分析振動(dòng)過程及結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)的超靜孔隙水壓力、孔壓比及上部承壓板沉降的變化，探討多元樁加固液化土的機(jī)理及復(fù)合地基抗液化特性（見圖3和4）。待試驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成后，分別制備碎石樁、水泥土樁、碎石-水泥土聯(lián)合樁加固地基和天然地基各2組，布置好孔隙水壓力傳感器和位移傳感器，實(shí)驗(yàn)過程中記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)并觀察模型箱內(nèi)地基土振動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，分析不同加固模型下，孔隙水壓力、土壓力、沉降量峰值隨地基深度和水平位置的變化規(guī)律，探討各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系以及不同樁體對(duì)液化土的加固機(jī)理，并就加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（三）多層鋼框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)中，多層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是重點(diǎn)授課內(nèi)容。通過開展鋼框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，探究框架柱振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，總結(jié)不同頻率地震波下鋼框架的抗震特性，鞏固學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)（見圖5和6）。試驗(yàn)中，教師在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上安裝固定一個(gè)4層鋼框架，掛好載荷掛件、標(biāo)定好傳感器，通過掃頻確定框架的基本頻率和自振特性;然后進(jìn)行4組不同頻率下的試驗(yàn)，記錄鋼框架柱頂?shù)乃轿灰?、加速度等各?xiàng)結(jié)果，由此分析鋼框架的自振特性及動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)。同時(shí)，將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成多自由度結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)行振型分解計(jì)算，并指導(dǎo)學(xué)生利用SAP2000等軟件建立空間桿系力學(xué)模型，并進(jìn)行模態(tài)分析。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和抗震性能進(jìn)行解釋和評(píng)價(jià)，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論計(jì)算和數(shù)值模擬三者的結(jié)果，分析差異產(chǎn)生的原因，并將分析過程以論文格式寫成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

三、教學(xué)效果

經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，我們觀察到，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的熱情有明顯提高，學(xué)生普遍反映得到了較好的實(shí)踐鍛煉，無論是文獻(xiàn)檢索能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、自學(xué)能力還是分析問題的能力均得到了較大的提升，其中一名學(xué)生在口述報(bào)告時(shí)說：“一學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課程使自己認(rèn)識(shí)到自身許多不足，特別是在實(shí)驗(yàn)遇到困難那段時(shí)間感覺特別‘痛苦，可喜的是實(shí)驗(yàn)最終順利完成，找到了自己需要努力的方向，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)課程越發(fā)感興趣了，感覺付出非常值得?！贝送?，部分學(xué)生還將實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成論文和專利進(jìn)行發(fā)表。其次，通過三項(xiàng)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)的科研訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生的初步科研能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通能力;同時(shí)，也提高了教師的教學(xué)組織水平，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長(zhǎng)。

四、尚待改進(jìn)的問題

實(shí)驗(yàn)過程一般會(huì)涉及許多本科生了解不多甚至是未接觸過的知識(shí)，需要學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求去自學(xué)、消化，并將所學(xué)的內(nèi)容應(yīng)用到科研當(dāng)中。此過程往往緩慢而枯燥，不少學(xué)生受到挫折中途放棄，因而其對(duì)學(xué)生的耐心與毅力有較高的要求。在今后的實(shí)施中，對(duì)這方面的問題教師應(yīng)該給予必要的關(guān)注，及時(shí)與學(xué)生溝通解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。

本科階段課程多，留給本課程可利用的時(shí)間少，而實(shí)驗(yàn)從方案制定到模型制作、熟悉設(shè)備操作需要大量的時(shí)間，學(xué)生在兼顧課業(yè)的同時(shí)，可能無法留給實(shí)驗(yàn)太多的時(shí)間，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中斷。這對(duì)學(xué)生本身能力起不到鍛煉的作用，且浪費(fèi)了科研資源。因此，實(shí)驗(yàn)的開展需要靈活利用和安排時(shí)間，除了正常的教學(xué)時(shí)間之外，可以利用假期時(shí)間繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

此外，對(duì)學(xué)生初步科研能力的評(píng)價(jià)體系尚缺乏系統(tǒng)性和整體性。目前高校普遍采用一些定性的方法，或僅從一些側(cè)面對(duì)學(xué)生科研素質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，很少采用一套定量指標(biāo)將其明確表現(xiàn)出來，并構(gòu)成完善的指標(biāo)體系。這種半定性的評(píng)價(jià)方法往往帶有教師的主觀性，在科學(xué)性和客觀性上存在不足，難以為學(xué)生科研能力培養(yǎng)方案的制定提供定量支持。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文通過借助小型振動(dòng)臺(tái)將三項(xiàng)科研課題融入抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)，闡述探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法、選題依據(jù)和考核評(píng)價(jià)機(jī)制。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的熱情明顯提高，體會(huì)到了科研的樂趣，教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)也得到了明顯改善。在今后的教學(xué)工作中，我們將根據(jù)學(xué)生的課業(yè)情況，結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，提煉出形式更為多元化的抗震試驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，以進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]