“三字經(jīng)”在工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理教學(xué)中的應(yīng)用

孫廣俊 李鴻晶

摘 要：針對(duì)目前工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出引入《工程抗震三字經(jīng)》的教學(xué)改革思路，通過(guò)優(yōu)選與教學(xué)大綱知識(shí)點(diǎn)相匹配的“三字經(jīng)”內(nèi)容，配合圖片和視頻等形象化素材，借助多媒體演示手段開展課程教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的深入淺出和教學(xué)過(guò)程的全程導(dǎo)學(xué)，創(chuàng)造師生互動(dòng)和教學(xué)相長(zhǎng)的氛圍。教學(xué)實(shí)踐表明，“三字經(jīng)”的教學(xué)應(yīng)用可以在有限的課時(shí)內(nèi)凝聚課程內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)有助于教師以方便學(xué)生理解的方式講授本門課程，從而強(qiáng)化學(xué)生對(duì)工程結(jié)構(gòu)抗震基本概念、基本理論和基本方法的理解。

關(guān)鍵詞：三字經(jīng)；工程抗震；抗震設(shè)計(jì)；教學(xué)改革；教學(xué)案例

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）04-0080-04

Abstract： According to the problems in teaching of seismic principles of structures at present， a teaching reform thinking of introducing Engineering Seismic Three-character Classic into course teaching are proposed. According with teaching program， the Three-character Classic contents are optimized and selected， visualization materials such as pictures and videos are used cooperatively in teaching based on multimedia technology. In this sense， the teaching content becomes easy to understand and is throughout total study process. Meanwhile， the interaction between teacher and students are produced， and teaching also benefits teachers as well as students. The teaching reform analysis and practice indicate that the application of Engineering Seismic Three-character Classic in teaching can condense course contents in limited teaching time， stimulate study interest of students and let teaching easy-to-understand. Therefore， student understanding of basic concepts， theories and methods of engineering structure seismic will be enhanced.

Keywords： Three-character Classic； engineering seismic； seismic design； teaching reform； teaching case

一、研究背景

土木工程給人類帶來(lái)了無(wú)限的文明，同時(shí)也給人類帶來(lái)了無(wú)盡的災(zāi)難，這個(gè)災(zāi)難就是土木工程災(zāi)害，地震災(zāi)害就是其中最為嚴(yán)重的一種。我國(guó)又是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家，新版《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[1]取消了原來(lái)的地震基本烈度小于Ⅵ度的劃分，并適當(dāng)調(diào)整提高了部分城鎮(zhèn)的地震基本烈度，實(shí)現(xiàn)了抗震設(shè)防區(qū)域的全覆蓋。工程抗震設(shè)防是減輕地震災(zāi)害和損失的行之有效的措施，因此，對(duì)土木工程專業(yè)的學(xué)生而言，開設(shè)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程就顯得尤為重要。

工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理是土木工程專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，開設(shè)于上世紀(jì)80年代，是學(xué)生從事本專業(yè)科研、生產(chǎn)和管理工作必備的理論基礎(chǔ)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，不僅可以使學(xué)生掌握工程抗震設(shè)防和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本理念、原理、步驟和構(gòu)造措施等方面的知識(shí)，了解國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)抗震理論的最新動(dòng)態(tài)，而且可以使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決具體的實(shí)際工程問(wèn)題。

長(zhǎng)期以來(lái)，本課程的教學(xué)模式主要采用傳統(tǒng)的“填鴨式”講授法。為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)外土木工程教學(xué)的最新理念和社會(huì)需求，課程進(jìn)行了一系列比較大的改革[2-5]。例如，以多媒體課件增加教學(xué)信息量、以結(jié)構(gòu)地震仿真計(jì)算強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基本概念的理解、以圖片、錄像和動(dòng)畫資料補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容、依托實(shí)驗(yàn)室舉辦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽和開放實(shí)驗(yàn)活動(dòng)、課程建設(shè)與學(xué)科建設(shè)緊密結(jié)合，通過(guò)科研促進(jìn)教學(xué)等。如何通過(guò)教學(xué)方法和教學(xué)手段的研究與改革進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，提高課堂教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量是教師不斷追求的目標(biāo)。

本文針對(duì)本課程教學(xué)中亟待解決的若干問(wèn)題，提出將“三字經(jīng)”形式引入工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理教學(xué)的教學(xué)改革思路，對(duì)《工程抗震三字經(jīng)》及其教學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了探討和實(shí)踐，建議了該方法的實(shí)施步驟，分析了該方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并以教學(xué)案例說(shuō)明了“三字經(jīng)”在工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理教學(xué)中的應(yīng)用。

二、課程教學(xué)目前存在的問(wèn)題

1. 課程內(nèi)容多、教學(xué)課時(shí)少：本課程涉及地震基本知識(shí)、工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)和抗震設(shè)計(jì)基本要求、地震作用和結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算方法、常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理、步驟和構(gòu)造措施等[6，7]。課程原教學(xué)規(guī)劃為54學(xué)時(shí)，后調(diào)整為24學(xué)時(shí)，現(xiàn)在又調(diào)整為32學(xué)時(shí)。以往的教學(xué)實(shí)踐表明，要在非常有限的時(shí)間內(nèi)條理清晰、重點(diǎn)突出而又生動(dòng)有趣地完成教學(xué)內(nèi)容，難度很大。

2. 教學(xué)熱情高、學(xué)習(xí)興趣低：本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的每位成員均一直堅(jiān)持從事工程抗震研究和實(shí)踐，承擔(dān)了國(guó)家、省部級(jí)科研項(xiàng)目和國(guó)際合作研究計(jì)劃，對(duì)教授工程抗震具有很高的熱情。然而，由于本課程通常安排在第七學(xué)期，即大四上學(xué)期，而在此期間，大多數(shù)學(xué)生以求職或考研為重，對(duì)授課內(nèi)容缺乏興趣，缺課現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

3. 理論難度大、理解掌握差：本課程涉及的學(xué)科廣泛，包含的概念、公式和規(guī)范條文眾多，內(nèi)容抽象難懂。學(xué)生由于專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)不足和缺乏學(xué)習(xí)技巧，對(duì)于復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)，聽過(guò)就忘，短時(shí)間內(nèi)不容易記憶、理解和掌握。

面對(duì)上述存在的問(wèn)題，如何構(gòu)思有效的解決方案，從而在有限的時(shí)間內(nèi)凝聚課程內(nèi)容，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以方便理解的方式學(xué)習(xí)和講授本門課程，強(qiáng)化課堂的教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)中需要解決的一個(gè)問(wèn)題。

三、工程抗震三字經(jīng)及教學(xué)應(yīng)用

眾所周知，《三字經(jīng)》是中國(guó)傳統(tǒng)啟蒙教材中最具代表性的一種，也是影響最大的一種。它深得人們喜愛的一個(gè)根本原因在于它的形式：三字一句、形式整齊、讀起來(lái)上口、聽起來(lái)悅耳，并且前后句自然連貫、語(yǔ)義通暢、既通俗易懂又蘊(yùn)含豐富的哲理。

中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所王前信研究員[8-9]采用“三字經(jīng)”的形式，將涉及面很廣的抗震科學(xué)知識(shí)加以提煉，撰寫了《工程抗震三字經(jīng)》一書，并與1997年由地震出版社出版發(fā)行。

《工程抗震三字經(jīng)》一書通過(guò)2000多字的三字經(jīng)形式凝聚了工程抗震中最主要的知識(shí)，涵蓋了地震學(xué)初步知識(shí)、工程地震學(xué)初步知識(shí)、工程結(jié)構(gòu)抗震分析、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)和措施的精華要點(diǎn)，具有如下特點(diǎn)：

1. 注重基本概念、基本理論和基本方法，注重內(nèi)容的系統(tǒng)性，絲毫沒(méi)有生拼硬湊的痕跡。

2. 深入淺出、通俗易懂、言簡(jiǎn)意賅，淺顯明白，適合各層次的讀者閱讀。

3. 篇幅不大，可以誦讀，不但便于學(xué)習(xí)，還特別便于記憶。

4. 可供非專業(yè)人員試讀試記，對(duì)于所涉及的專業(yè)內(nèi)容則可以留待以后理解。

本文結(jié)合工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理教學(xué)目前存在的問(wèn)題和《工程抗震三字經(jīng)》一書的特點(diǎn)，對(duì)本課程的教學(xué)改革進(jìn)行了一些思考和實(shí)踐。建議在教學(xué)中引入“三字經(jīng)”形式，具體實(shí)施可以分為以下幾個(gè)步驟：

1. 準(zhǔn)備階段——課前

（1）以教學(xué)大綱為依據(jù)，將《工程抗震三字經(jīng)》與教材相結(jié)合，精選出具有基礎(chǔ)性、代表性和穩(wěn)定性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容。

（2）對(duì)精選出的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)分解，對(duì)《工程抗震三字經(jīng)》內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化重組，選擇與知識(shí)點(diǎn)相匹配的“三字經(jīng)”表述。

2. 閱讀、分析階段——課前、課中

（1）將優(yōu)選重組后的“三字經(jīng)”提前提供給學(xué)生，要求課前試讀試記，專業(yè)性的內(nèi)容可以留待課堂理解。

（2）配合圖片、錄像和動(dòng)畫等形象化素材制作課件，借助多媒體演示手段開展課堂教學(xué)，總結(jié)精華要點(diǎn)。

3. 討論、強(qiáng)化階段——課中、課后

（1）對(duì)在“三字經(jīng)”閱讀、記憶和分析中取得了哪些收獲，解決了哪些問(wèn)題，還有哪些問(wèn)題尚待釋疑開展體會(huì)交流。

（2）課后反思“三字經(jīng)”具體反映了哪些知識(shí)點(diǎn)，鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容，進(jìn)一步加深對(duì)精華要點(diǎn)的理解。

四、“三字經(jīng)”教學(xué)模式特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

由上述具體實(shí)施步驟可以看出，“三字經(jīng)”在工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理教學(xué)中的應(yīng)用具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

1. 深入淺出，文理結(jié)合：“三字經(jīng)”形式具有通俗性、精煉性和啟發(fā)性，通過(guò)文理結(jié)合的模式，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)樂(lè)趣，以文科感受性的思維模式，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)工科專業(yè)知識(shí)理解。

2. 全程導(dǎo)學(xué)，內(nèi)外結(jié)合：把課堂教學(xué)的有效性從課內(nèi)擴(kuò)大到課前-課中-課后全過(guò)程，學(xué)生帶著好奇和疑惑進(jìn)課堂，教師有的放矢在課堂，學(xué)生反思鞏固在課后。

3. 師生互動(dòng)，激活課堂：充分調(diào)動(dòng)教師-學(xué)生雙主體作用，開展學(xué)習(xí)“三字經(jīng)”的體會(huì)交流，通過(guò)加強(qiáng)教與學(xué)的互動(dòng)性，活躍了課堂氣氛。

4. 教學(xué)相長(zhǎng)，自我提高：教師理解“三字經(jīng)”的內(nèi)容，思考如何將“三字經(jīng)”的內(nèi)容優(yōu)化、遷移和拓展到知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程也是一種自身學(xué)習(xí)過(guò)程，促進(jìn)了教師教學(xué)水平的提高。

綜上所述，將《工程抗震三字經(jīng)》引入工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理的教學(xué)中是一種新穎獨(dú)特而又行之有效的教學(xué)方式，多輪教學(xué)實(shí)踐表明學(xué)生可以從中深化對(duì)工程抗震原理和方法的理解，體會(huì)到工程類專業(yè)課與中國(guó)傳統(tǒng)文化的緊密聯(lián)系，取得良好的教學(xué)效果。

五、教學(xué)案例分析

（一）案例1：地震的工程特征

地震的工程特征屬于地震及工程抗震基本知識(shí)范疇。其中，地震波及其特征涉及概念多、理解難度大且容易混淆。下面以“地震的工程特征”一講詳細(xì)說(shuō)明“三字經(jīng)”在教學(xué)中的應(yīng)用。

1. 教學(xué)內(nèi)容：地震的工程特征，了解和掌握地震成因、地震波特征及其傳播方式和地震動(dòng)三要素。

2. 知識(shí)點(diǎn)分解：

（1）地震發(fā)生機(jī)制。

（2）地震波及其特征（重點(diǎn)、難點(diǎn)）。

（3）地震動(dòng)三要素（重點(diǎn)）。

3. 與知識(shí)點(diǎn)相匹配的“三字經(jīng)”[8]：

（1）地震發(fā)生機(jī)制：

地球狀 若球形 地構(gòu)造 層分明

板塊說(shuō) 漂移論 巧構(gòu)思 多論證

板緣處 地震孕 板塊內(nèi) 震也生

震發(fā)處 稱震源 淺則重 深則輕

地面影 謂震中

（2）地震波及其特征：

地震波 傳輸能 體內(nèi)生 界面存

兩體波 各自行 縱先至 繼而橫

表面波 深衰性 瑞雷波 地表行

橢圓跡 倒?jié)L行 三二比 緩于橫

勒夫波 蛇步行 彌散性 軟覆層

（3）地震動(dòng)三要素：

時(shí)程圖 多信息 三要素 峰頻持

4. 配合圖片、錄像和動(dòng)畫等素材，借助多媒體演示手段開展課堂教學(xué)，使學(xué)生能從知識(shí)體系的視角去看待“三字經(jīng)”表述，部分多媒體課件如圖1所示。

5. 開展師生互動(dòng)，討論尚待釋疑的問(wèn)題，具體包括：

（1）地震發(fā)生的局部機(jī)制。

（2）不同地震波對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響。

（3）三要素分別反映地震動(dòng)的哪些特性。

6. 加深對(duì)以下精華要點(diǎn)的理解：

地球狀 若球形 板塊說(shuō) 巧構(gòu)思

板緣處 地震孕

地震波 傳輸能 體內(nèi)生 界面存

兩體波 各自行 縱先至 繼而橫

瑞雷波 地表行 橢圓跡 倒?jié)L行

勒夫波 蛇步行

三要素 峰頻持

（二）案例2：地震反應(yīng)譜

1940年比奧特（Biot M. A.）通過(guò)對(duì)強(qiáng)地震動(dòng)記錄的研究，首創(chuàng)了反應(yīng)譜這一新概念，為地震工程學(xué)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段打下了基礎(chǔ)。50年代初，豪斯納（Housner G. W.）發(fā)展了這一理論，并在加州抗震規(guī)范中首先采用反應(yīng)譜作為抗震設(shè)計(jì)理論。反應(yīng)譜的定義為：?jiǎn)巫杂啥葟椥泽w系在給定的地震作用下某個(gè)最大反應(yīng)與體系自振周期的關(guān)系曲線。

可以看出，地震反應(yīng)譜是工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理中一個(gè)非常重要的概念，其定義抽象、理解難度大。如何用通俗易懂、便于記憶和理解的描述，深入淺出地講授這一概念一直是教學(xué)中需要面對(duì)的問(wèn)題，“三字經(jīng)”為解決這一問(wèn)題提供了幫助。與該知識(shí)點(diǎn)相匹配的“三字經(jīng)”表述為[8]：

二階段 反應(yīng)譜 豪與比 功卓著

單振子 擬結(jié)構(gòu) 震作用 反應(yīng)求

遠(yuǎn)近震 場(chǎng)地土 與阻尼 作參數(shù)

峰反應(yīng) 自振周 縱橫標(biāo) 繪譜圖

可以看出，上述言簡(jiǎn)意賅的48個(gè)字涵蓋了地震反應(yīng)譜的提出背景、反應(yīng)譜的定義、反應(yīng)譜的建立流程和影響反應(yīng)譜特性的因素。

教學(xué)實(shí)踐表明，將上述“三字經(jīng)”內(nèi)容課前提供給學(xué)生試讀試記，事先在腦海中建立印象，暫不要求對(duì)其深入理解，做到胸中有數(shù)，學(xué)生就會(huì)帶著好奇和疑惑進(jìn)課堂。在此基礎(chǔ)上，借助多媒體演示手段（如圖2所示）開展課堂教學(xué)，釋疑問(wèn)題，開展討論，可以深化學(xué)生對(duì)地震反應(yīng)譜概念的理解，取得事半功倍的教學(xué)效果。

六、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理教學(xué)中存在的教學(xué)課時(shí)少、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低和理解掌握差的現(xiàn)狀，提出將《工程抗震三字經(jīng)》引入教學(xué)過(guò)程的改革思路，并據(jù)此進(jìn)行了多輪教學(xué)實(shí)踐，取得了深入淺出、全程導(dǎo)學(xué)、師生互動(dòng)和教學(xué)相長(zhǎng)的目標(biāo)效果。

教學(xué)改革和實(shí)踐表明，對(duì)教學(xué)方法和手段進(jìn)行一些小小的改進(jìn)和補(bǔ)充，都可以促使學(xué)生能更好地理解和掌握這門課程。作為一個(gè)工程抗震方向的教育工作者和研究工作者，應(yīng)結(jié)合教學(xué)中遇到的問(wèn)題，積極對(duì)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理課程進(jìn)行改革探索，改變傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，為土木工程專業(yè)培養(yǎng)更多的優(yōu)秀人才。

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