工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)在建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)中的應(yīng)用

周小龍 劉章軍 盧海林 劉勝兵

摘要：建筑結(jié)構(gòu)抗震課程是土木工程專業(yè)主干課程。針對(duì)該課程內(nèi)容多、理論深?yuàn)W、概念抽象，傳統(tǒng)教學(xué)模式效果差的現(xiàn)狀，提出工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式。分析建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)現(xiàn)狀和問題，闡述工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)組合教學(xué)模式的特點(diǎn)，介紹工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)組合教學(xué)模式教學(xué)改革策略和課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，最后以反應(yīng)譜理論知識(shí)講解為例，詳細(xì)介紹案例教學(xué)與虛擬仿真混合教學(xué)模式在建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用。

教學(xué)中以抗震設(shè)計(jì)基本理論與方法為主線，注重師生互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生從可視化的地震情境中提出問題、分析問題直至解決問題，強(qiáng)調(diào)啟發(fā)式教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)抗震基本概念和原理的理解，強(qiáng)化學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué);虛擬仿真;建筑結(jié)構(gòu)抗震;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G6420;TU3?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：1005-2909（2020）05-0149-07

地震災(zāi)害是造成我國(guó)人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要自然災(zāi)害之一。近年來，我國(guó)破壞性地震頻發(fā)，平均年發(fā)生20余次，僅2019年5級(jí)以上地震就高達(dá)32次。隨著國(guó)民安全防范意識(shí)的提高，國(guó)家越來越重視建筑物的抗震防災(zāi)需求。2001年至今，我國(guó)抗震規(guī)范已進(jìn)行2次全面修訂，2次局部修訂，是土木工程領(lǐng)域修訂最頻繁的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，2016版地震動(dòng)區(qū)劃圖也全面取消了非抗震設(shè)防區(qū)，不僅設(shè)防地震動(dòng)參數(shù)取值全面提高，而且設(shè)防地區(qū)由縣市細(xì)化到街道和鄉(xiāng)鎮(zhèn)。這些強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的修訂均表明加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)對(duì)減輕結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害的重要意義。建筑結(jié)構(gòu)抗震課程作為學(xué)習(xí)抗震設(shè)計(jì)理論和抗震設(shè)計(jì)方法的主要載體，在高等學(xué)校土木工程專業(yè)課程中具有重要地位，均被各校設(shè)置為專業(yè)必修課或限選課。因此，建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)活動(dòng)的高效開展對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高，以及強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)能力具有重要作用。

建筑結(jié)構(gòu)抗震課程理論深?yuàn)W、綜合實(shí)踐性強(qiáng)，傳統(tǒng)教學(xué)模式已難以保證教學(xué)效果，各高校結(jié)合自身實(shí)際積極開展一些教學(xué)改革實(shí)踐。同濟(jì)大學(xué)[1]將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)，強(qiáng)調(diào)以概念設(shè)計(jì)為主線的教學(xué)理念;武漢大學(xué)[2]提出教學(xué)內(nèi)容應(yīng)進(jìn)行合理取舍，教學(xué)過程中注重教學(xué)與規(guī)范的結(jié)合;大連理工大學(xué)[3]利用微博的在線功能開展教學(xué)改革的實(shí)踐探索;東南大學(xué)[4]基于實(shí)際震害調(diào)查的系統(tǒng)性分析，提出了以基本概念為主導(dǎo)的教學(xué)方法;南京工業(yè)大學(xué)[5]創(chuàng)建“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”的教學(xué)模式，將抽象的教學(xué)內(nèi)容形象化，提高課程教學(xué)效果。從上述各校的改革來看，將課程理論教學(xué)與工程實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合是建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)改革的基本思路，同時(shí)，注重以提高學(xué)生興趣為導(dǎo)向來改革教學(xué)方法，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，從而達(dá)到面向產(chǎn)出的創(chuàng)新人才培養(yǎng)目的。

一、建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)現(xiàn)狀與問題

建筑結(jié)構(gòu)抗震課程的主要特點(diǎn)：

（1）理論深?yuàn)W，對(duì)學(xué)生數(shù)學(xué)與力學(xué)知識(shí)要求高。地震作用與抗震設(shè)計(jì)基本理論是建筑結(jié)構(gòu)抗震課程的基本教學(xué)內(nèi)容，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)運(yùn)動(dòng)方程和反應(yīng)譜分析涉及的理論知識(shí)抽象難懂，公式繁雜，要求學(xué)生具有較深厚的數(shù)學(xué)和力學(xué)功底。

（2）綜合性強(qiáng)，課程教學(xué)內(nèi)容涉及學(xué)科面廣。建筑結(jié)構(gòu)抗震課程涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等數(shù)學(xué)和專業(yè)課程，知識(shí)點(diǎn)零碎獨(dú)立。課程學(xué)習(xí)需要學(xué)生能夠?qū)ⅹ?dú)立的知識(shí)綜合串聯(lián)起來，并能解決復(fù)雜工程問題。

（3）實(shí)踐性強(qiáng)，建筑結(jié)構(gòu)抗震知識(shí)更新快，實(shí)用性強(qiáng)。例如，結(jié)構(gòu)內(nèi)力調(diào)整和抗震構(gòu)造措施均涉及大量規(guī)范條文的應(yīng)用，要求學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，在掌握基本分析方法和實(shí)際震害的基礎(chǔ)上逐步積累工程經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)工程素質(zhì)。

建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)內(nèi)容與課程屬性導(dǎo)致在實(shí)際課程教學(xué)中存在諸多問題，主要體現(xiàn)在：

（1）課程實(shí)際學(xué)時(shí)遠(yuǎn)低于正常完成教學(xué)內(nèi)容所需學(xué)時(shí)。目前大部分重點(diǎn)本科院校學(xué)時(shí)安排為32～40學(xué)時(shí)，但隨著2019年新一輪培養(yǎng)方案修訂的啟動(dòng)，各高校均大幅提高了人文社會(huì)學(xué)科類課程的總學(xué)分，以致建筑結(jié)構(gòu)抗震課程學(xué)時(shí)被壓縮到24～32學(xué)時(shí)。然而課程教學(xué)內(nèi)容不管在廣度還是在深度上都較難有壓縮空間，課程大部分內(nèi)容將應(yīng)用在以建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為課題的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，因此教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)學(xué)時(shí)之間存在巨大矛盾，必須通過優(yōu)化教學(xué)方法和課程內(nèi)容來提高教學(xué)效率。

（2）學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備不能滿足課程學(xué)習(xí)對(duì)力學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)的需求。課程內(nèi)容涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的知識(shí)較深?yuàn)W，大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)感覺有難度。筆者在一次隨堂問卷調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，“知識(shí)點(diǎn)多，自身基礎(chǔ)差，數(shù)學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)掌握不足，導(dǎo)致課程內(nèi)容聽不懂”的學(xué)生比例占到57%。

（3）采用傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法學(xué)生較難獲得解決復(fù)雜工程問題的能力。建筑結(jié)構(gòu)抗震課程注重結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)過程中學(xué)生習(xí)慣于采用以構(gòu)件設(shè)計(jì)為主的課程學(xué)習(xí)方法（如混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等課程），重視單根構(gòu)件設(shè)計(jì)的基本理論，而忽視了知識(shí)的相互聯(lián)系，造成基本理論在學(xué)生腦海中僅僅是個(gè)空洞的概念，無法用于解決實(shí)際復(fù)雜工程問題。

（4）課程教學(xué)重理論輕實(shí)踐，學(xué)生難以將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程[6-7]。大部分建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教材內(nèi)容偏重基本理論的講解，課后習(xí)題和課程考試也注重基本理論知識(shí)，傳統(tǒng)課程教學(xué)較少涉及工程實(shí)踐，以致學(xué)生對(duì)抗震相關(guān)概念缺乏認(rèn)識(shí)，更不能將理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐。

上述對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震課程內(nèi)容特點(diǎn)，以及當(dāng)前教學(xué)存在問題的總結(jié)分析，可以看出僅采用傳統(tǒng)教學(xué)方法不利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基本原理解決復(fù)雜土木工程問題的能力，也難以培養(yǎng)學(xué)生基于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析、評(píng)價(jià)并提出復(fù)雜工程問題解決方案的能力，很難達(dá)成面向產(chǎn)出的課程教學(xué)目標(biāo)。

二、工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)組合教學(xué)模式的特點(diǎn)

案例教學(xué)是根據(jù)教學(xué)目標(biāo)將實(shí)際工程典型化處理，精心設(shè)計(jì)成學(xué)生能夠系統(tǒng)學(xué)習(xí)的案例，培養(yǎng)學(xué)生“基于對(duì)案例的思考，提出問題、分析問題并解決問題的能力”的一種教學(xué)媒介[8]。案例教學(xué)法以實(shí)際工程案例為依托，從工程現(xiàn)象出發(fā)，通過引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并找出解決問題的辦法。案例教學(xué)法注重啟發(fā)與互動(dòng)，需要學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)和解決問題，能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。在學(xué)生自主探索后再由教師將探尋解決辦法過程所涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，利用新知識(shí)解決實(shí)際問題，有助于加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。例如在講授反應(yīng)譜理論前，先通過展示案例和虛擬實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，然后引導(dǎo)學(xué)生課前自學(xué)，掌握單或多自由度體系運(yùn)動(dòng)方程的建立方法，再順勢(shì)要求學(xué)生課前學(xué)習(xí)Duhamel積分過程與方法，學(xué)習(xí)效果有了明顯提高。

虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)閷W(xué)生生動(dòng)演示結(jié)構(gòu)整體在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)和破壞特性，也能夠清晰展示結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷演變過程與破壞形態(tài)。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)鹘y(tǒng)PPT教學(xué)中不容易描述清楚的難點(diǎn)問題直觀清晰地展示出來，仿真性高，有助于學(xué)生融入課堂教學(xué)，更快地獲取課程知識(shí)，提高教學(xué)效率。同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M大量整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力表現(xiàn)，滿足建筑結(jié)構(gòu)抗震課程注重“抗震概念設(shè)計(jì)”教學(xué)主旨的需求，避免了傳統(tǒng)課程教學(xué)重理論輕實(shí)踐的不足。

工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)組合教學(xué)模式，將課程內(nèi)容根據(jù)知識(shí)模塊劃分為若干單元，每個(gè)知識(shí)單元精心設(shè)計(jì)工程案例，并將數(shù)值仿真和虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到各知識(shí)模塊的學(xué)習(xí)中。對(duì)于復(fù)雜、抽象，較難通過理論講解清楚的知識(shí)點(diǎn)，可借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)演示結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的真實(shí)情境，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能強(qiáng)化學(xué)生對(duì)抗震基本原理的理解和應(yīng)用。

三、工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)組合教學(xué)模式的應(yīng)用

（一）教學(xué)改革策略

建筑結(jié)構(gòu)抗震課程理論性強(qiáng)，知識(shí)抽象。例如反應(yīng)譜、振型分解、減震隔震、性能設(shè)計(jì)等抗震基本概念抽象難懂，學(xué)生初次接觸時(shí)理解上有困難，不容易掌握和應(yīng)用。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生深刻理解教學(xué)內(nèi)容中的抽象知識(shí)和基本理論，筆者提出工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)組合教學(xué)模式，并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，取得了較理想的效果。工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)組合教學(xué)模式主要內(nèi)容和特點(diǎn)有以下幾方面。

1.合理安排教學(xué)內(nèi)容，精心設(shè)計(jì)教學(xué)案例

課程教材內(nèi)容編排體系一般較完整，各知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系清晰，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，傳統(tǒng)教學(xué)模式按照教材內(nèi)容按部就班地開展教學(xué)，所有教學(xué)內(nèi)容均會(huì)講解且不重復(fù)。但采用案例教學(xué)法，如果案例未經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可能導(dǎo)致課程教學(xué)邏輯關(guān)系不嚴(yán)謹(jǐn)，教學(xué)內(nèi)容缺失或重復(fù)。因此，教學(xué)案例應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)目標(biāo)精心設(shè)計(jì)，典型化處理，盡量做到每個(gè)案例均具有代表性，既要將課程的基本理論融入案例中，又要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)顧及不同的側(cè)重點(diǎn)?？梢哉f，案例設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接影響案例教學(xué)法的應(yīng)用效果。上課前教師應(yīng)讓學(xué)生充分理解案例的背景知識(shí)，了解解決案例問題可能需要涉及的知識(shí)，并給學(xué)生提供或讓學(xué)生自主查閱相關(guān)資料和理論知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生在課前開展充分的小組討論。在開展案例教學(xué)過程中，為處理好課程學(xué)時(shí)少與教學(xué)內(nèi)容多的矛盾，應(yīng)根據(jù)課程教學(xué)大綱重新優(yōu)化和調(diào)整知識(shí)模塊，針對(duì)各知識(shí)模塊設(shè)計(jì)案例，組建案例庫。

2.震害案例貫穿始終，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

傳統(tǒng)課堂教學(xué)一般按照提出概念—講解理論—工程應(yīng)用的順序講解，但對(duì)于理論性強(qiáng)又比較抽象的工程結(jié)構(gòu)抗震課程內(nèi)容，如上課伊始就提出不容易理解的概念，勢(shì)必會(huì)極大地打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性?；趯?shí)際震害的案例教學(xué)，則從工程問題出發(fā)，逆向教學(xué)[9]，按照案例描述—提出問題—給出解決方案—引入新知識(shí)—講解新知識(shí)基本概念和基本理論—解決問題的教學(xué)路徑進(jìn)行，能充分發(fā)掘?qū)W生自主學(xué)習(xí)的潛能，激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)思考，大大調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，提高學(xué)習(xí)效率。

3.理論與實(shí)踐穿插進(jìn)行，改善學(xué)生課堂學(xué)習(xí)體驗(yàn)

對(duì)于復(fù)雜抽象的地震工程學(xué)科知識(shí)，學(xué)生普遍存在理解困難、學(xué)習(xí)效率低的問題。如：結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的損傷演變、多自由度體系在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)、反應(yīng)譜理論的實(shí)質(zhì)與理論依據(jù)等內(nèi)容，由于受實(shí)驗(yàn)條件和經(jīng)費(fèi)的限制，大多數(shù)高校學(xué)生無法通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)觀察這些動(dòng)力學(xué)問題的演變過程或損傷結(jié)果，虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)多側(cè)重這些無法或較難在實(shí)驗(yàn)室大批次重現(xiàn)的地震損傷現(xiàn)象。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在開展過程中除了完整演示實(shí)驗(yàn)過程外，更應(yīng)結(jié)合工程案例，將虛擬實(shí)驗(yàn)與知識(shí)理論融為一體，通過具有視覺沖擊力的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，激發(fā)學(xué)生興趣;通過及時(shí)提出工程問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考解決問題的方法;通過學(xué)生自主思考問題，順勢(shì)講解解決問題的基本原理和方法。虛擬實(shí)驗(yàn)重在幫助學(xué)生深化理解理論教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)和解決復(fù)雜工程問題的能力。因此，如何合理編排組織虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，并將教學(xué)內(nèi)容與工程案例有機(jī)結(jié)合是教學(xué)實(shí)踐過程中需要重點(diǎn)解決的問題。同時(shí)，教學(xué)中也需要不斷優(yōu)化教學(xué)模式，改善學(xué)生課堂學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（二）教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置

建筑結(jié)構(gòu)抗震課程內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少，只有對(duì)不同教學(xué)內(nèi)容合理分配學(xué)時(shí)，才能在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)圓滿完成課程教學(xué)任務(wù)。根據(jù)課程各知識(shí)模塊的性質(zhì)，在課堂教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)重點(diǎn)講解較難理解和重要的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于概念簡(jiǎn)單又容易理解的知識(shí)點(diǎn)，可引導(dǎo)學(xué)生通過對(duì)精心設(shè)計(jì)的工程案例的思考和資料的查閱來獲取和掌握。

建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)內(nèi)容一般分為八章，分別為：（1）地震概論與抗震設(shè)計(jì)基本原則;（2）場(chǎng)地和地基;（3）地震作用與抗震驗(yàn)算;（4）鋼筋混凝土多高層房屋抗震設(shè)計(jì);（5）砌體房屋和底部框架砌體房屋抗震設(shè)計(jì);（6）單層鋼筋混凝土廠房抗震設(shè)計(jì);（7）多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì);（8）結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)。從課程培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)大綱來講，教學(xué)內(nèi)容可以分解為六大知識(shí)模塊，每個(gè)知識(shí)模塊均可通過精心設(shè)計(jì)的綜合工程案例來進(jìn)行講解，具體為：（1）設(shè)計(jì)某次大地震各類建筑結(jié)構(gòu)損傷破壞的案例，講解地震的成因、地震基本概念、地震波和地震記錄以及烈度等相關(guān)知識(shí);（2）設(shè)計(jì)地震區(qū)某框架結(jié)構(gòu)抗震策略的案例，講解“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、“兩階段”抗震設(shè)計(jì)方法、建筑重要性類別等知識(shí);（3）設(shè)計(jì)某框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的案例，講解結(jié)構(gòu)抗震基本參數(shù)的概念和確定方法;（4）設(shè)計(jì)地震作用計(jì)算方法的案例，講解地震反應(yīng)譜的基本理論;（5）設(shè)計(jì)典型結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)案例（包括框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等），講解抗震概念設(shè)計(jì)、抗震構(gòu)造措施、抗震設(shè)計(jì)方法等知識(shí);（6）設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)減、隔震控制技術(shù)的工程案例，講解主動(dòng)控制、被動(dòng)控制的基本概念和減、隔震的設(shè)計(jì)方法。貫穿六大案例的教學(xué)主線為建筑抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與方法，案例所包含的每個(gè)知識(shí)模塊均圍繞該主線構(gòu)建。

四、教學(xué)實(shí)踐與反饋

（一）教學(xué)實(shí)踐

反應(yīng)譜理論反映了地震激勵(lì)作用的頻譜特性和動(dòng)力放大效應(yīng)，是目前抗震研究動(dòng)力響應(yīng)的主要方法[10]。其概念抽象，理解起來較困難，采用傳統(tǒng)教學(xué)模式學(xué)生學(xué)習(xí)效果差。本文以反應(yīng)譜理論的知識(shí)講解為例，介紹工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)混合教學(xué)模式在工程結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐。

1.設(shè)計(jì)案例，引出反應(yīng)譜的概念

案例通過兩組震害照片和四組虛擬仿真實(shí)驗(yàn)視頻進(jìn)行展示。兩組震害照片分別為：汶川地震中北川縣城某五層框架結(jié)構(gòu)完全倒塌的照片;汶川地震中北川縣城某十層框架剪力墻結(jié)構(gòu)基本完好的照片。四組虛擬仿真實(shí)驗(yàn)視頻包括：（1）多組同質(zhì)量不同剛度單自由度體系結(jié)構(gòu)在同一地震波輸入條件下的動(dòng)力反應(yīng);（2）多組同一框架結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)地條件和震中距地震波輸入條件下的動(dòng)力反應(yīng);（3）多組不同框架結(jié)構(gòu)同一條地震波輸入條件下的動(dòng)力反應(yīng);（4）同一框架結(jié)構(gòu)設(shè)置隔震支座與不設(shè)置隔震支座在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)。通過震害照片和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)視頻給學(xué)生視覺帶來強(qiáng)烈沖擊，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的渴望，引導(dǎo)學(xué)生思考“為什么不同建筑在同一地震波輸入下和相同建筑在不同地震波輸入下地震反應(yīng)不同”的現(xiàn)象。

在學(xué)生針對(duì)上述現(xiàn)象開展充分討論后，提出問題：影響結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)大小的因素有哪些？經(jīng)過學(xué)生充分思考和討論后指出，“結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)除了與結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性有關(guān)外，還與地震動(dòng)三要素有關(guān)（振幅、頻譜和持時(shí)）”，進(jìn)而講解影響地震動(dòng)三要素的主要因素：震級(jí)、距離、場(chǎng)地土、土層厚度、地形以及地下水等。緊接著指出“對(duì)于工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)來說，最大地震反應(yīng)具有重要意義。工程中一般用相對(duì)位移、相對(duì)速度和絕對(duì)加速度來全面反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)狀況”。

利用Duhamel積分詳細(xì)推導(dǎo)單自由度體系最大相對(duì)位移、最大相對(duì)速度和最大絕對(duì)加速度響應(yīng)計(jì)算公式，引出反應(yīng)譜的基本概念，讓學(xué)生建立“反應(yīng)譜不僅可以計(jì)算結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)，還可以用來描述地震動(dòng)特性”的概念。

2.反應(yīng)譜的特點(diǎn)與性質(zhì)

根據(jù)Duhamel積分推導(dǎo)的最大相對(duì)位移、速度和最大絕對(duì)加速度響應(yīng)計(jì)算公式，畫出位移反應(yīng)譜、速度反應(yīng)譜和加速度反應(yīng)譜的圖形，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察體系最大反應(yīng)與周期T的關(guān)系，詳細(xì)了解各反應(yīng)譜的特點(diǎn)和用途。例如：位移反應(yīng)譜主要反映地面運(yùn)動(dòng)中長(zhǎng)周期分量的影響;速度反應(yīng)譜較好地反映了地面運(yùn)動(dòng)中各周期分量的影響;加速度反應(yīng)譜較好地反映了地面運(yùn)動(dòng)中短周期分量的影響。

3.反應(yīng)譜的標(biāo)準(zhǔn)化與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

通過前述反應(yīng)譜圖形，再次結(jié)合第二組虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生理解對(duì)于不同地震動(dòng)輸入的反應(yīng)譜形狀相差很大，無法直接指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)，需要標(biāo)準(zhǔn)化。在標(biāo)準(zhǔn)化過程中，指導(dǎo)學(xué)生理解縱坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化可以消除地震強(qiáng)度不同對(duì)反應(yīng)譜的影響，橫坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化可以消除不同場(chǎng)地類別對(duì)反應(yīng)譜的影響，使學(xué)生深刻體會(huì)反應(yīng)譜的本質(zhì)：“設(shè)計(jì)反應(yīng)譜代表了一個(gè)場(chǎng)地可能的全部地震事件，而不是一次地震?！?/p>

4.反應(yīng)譜與地震作用的關(guān)系

基于上述對(duì)反應(yīng)譜的學(xué)習(xí)和理解，指出反應(yīng)譜能較好地反映地震動(dòng)強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。進(jìn)一步給學(xué)生講解抗震規(guī)范中單自由度體系地震作用，采用地震影響系數(shù)與重力荷載代表值乘積的形式表示，地震影響系數(shù)為加速度反應(yīng)譜與重力加速度的比值、形狀和含義完全等同于加速度反應(yīng)譜。結(jié)合地震影響系數(shù)的概念，講解譜曲線的分段計(jì)算公式和特征。最后，提出思考題：“彈性反應(yīng)譜怎樣考慮抗震設(shè)防目標(biāo)中的中震可修、大震不倒？”引導(dǎo)學(xué)生課后積極總結(jié)和掌握反應(yīng)譜的本質(zhì)和工程應(yīng)用。

5.小結(jié)

反應(yīng)譜給出了結(jié)構(gòu)體系彈性地震響應(yīng)的最大變形量，是地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的一個(gè)重要標(biāo)志。反應(yīng)譜理論通過工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)混合教學(xué)模式開展教學(xué)實(shí)踐，將抽象的理論知識(shí)可視化，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)基本理論的理解，同時(shí)也加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)運(yùn)用于解決工程實(shí)際問題的認(rèn)識(shí)。

（二）教學(xué)反饋

2019年上半年筆者在武漢工程大學(xué)2016級(jí)土木工程專業(yè)建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)中開展了案例與虛擬實(shí)驗(yàn)組合教學(xué)模式的教學(xué)實(shí)踐，為了解教學(xué)改革的實(shí)施效果，開展了兩項(xiàng)工作：一是在課程結(jié)束時(shí)就混合教學(xué)模式學(xué)生的接受程度、學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握程度等內(nèi)容組織了問卷調(diào)查。全年級(jí)73名學(xué)生均接受了調(diào)查并返回了問卷，部分問卷調(diào)查內(nèi)容及統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果可知，大部分學(xué)生對(duì)案例與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式改革是認(rèn)可的，對(duì)取得的效果也是肯定的。二是課程所有考核環(huán)節(jié)結(jié)束后，針對(duì)畢業(yè)要求對(duì)該門課程進(jìn)行了達(dá)成情況評(píng)價(jià)分析。結(jié)果表明：該課程所支撐畢業(yè)要求達(dá)成度從傳統(tǒng)教學(xué)模式下的0.72左右上升到教學(xué)模式改革后的0.83，改革取得了明顯的效果。

（三）課程考核

傳統(tǒng)教學(xué)模式的課程評(píng)價(jià)一般由期末考試和平時(shí)成績(jī)組成，比重大約各占70%和30%。而案例教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)參與程度與學(xué)習(xí)過程，對(duì)知識(shí)的掌握也重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生能否及時(shí)消化吸收和系統(tǒng)理解。因此，采用案例與虛擬仿真相結(jié)合的教學(xué)模式時(shí)，傳統(tǒng)考核方式就存在較大局限性，應(yīng)同步進(jìn)行改革。筆者在建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)改革中強(qiáng)調(diào)過程學(xué)習(xí)，考核也重在過程管理，故將學(xué)生平時(shí)考核成績(jī)?cè)诳偝煽?jī)中的權(quán)重提高到40%，同時(shí)在學(xué)期初提前為學(xué)生下發(fā)綜合課程題目：“某地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法與準(zhǔn)則”。每次案例教學(xué)結(jié)束后學(xué)生需完成課程綜合題目中所對(duì)應(yīng)的該案例授課內(nèi)容的案例分析報(bào)告。教師在案例說明書中也會(huì)根據(jù)每個(gè)案例所涉及知識(shí)點(diǎn)的多少與難易程度，對(duì)學(xué)生每次需要完成的案例分析報(bào)告提出具體任務(wù)和要求，并給出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。課程綜合題目由各個(gè)案例分析報(bào)告分章節(jié)組成，其完成進(jìn)度隨著課堂教學(xué)的開展同步推進(jìn)。同時(shí)，每個(gè)案例分析報(bào)告涉及內(nèi)容均存在內(nèi)在聯(lián)系，學(xué)生在完成過程中能切身體會(huì)到知識(shí)學(xué)習(xí)的積累過程，更能從全局把握學(xué)習(xí)內(nèi)容。

五、結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)抗震課程理論深?yuàn)W、實(shí)踐性強(qiáng)，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，精心設(shè)計(jì)教學(xué)案例，采用工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的混合教學(xué)模式，能給學(xué)生帶來視覺上的沖擊，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，教學(xué)內(nèi)容從知識(shí)的應(yīng)用出發(fā)，通過觀察現(xiàn)象，提出問題，引出解決方法，進(jìn)而講解基本原理和設(shè)計(jì)方法，最后再將原理應(yīng)用于工程實(shí)踐，整個(gè)教學(xué)過程由淺至深，學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生互動(dòng)性強(qiáng)，學(xué)習(xí)效率高，有效解決了學(xué)生不愿學(xué)的問題，對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)具有重要促進(jìn)作用。但同時(shí)也應(yīng)注意到，工程案例與虛擬仿真組合教學(xué)模式在實(shí)踐中也存在若干問題，如優(yōu)質(zhì)案例庫的建設(shè)、學(xué)生學(xué)習(xí)過程的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和考核、如何不過度增加教師負(fù)擔(dān)等問題，均需要在課程教學(xué)實(shí)踐過程中逐步探索，以進(jìn)一步完善工程案例與虛擬仿真組合教學(xué)模式。參考文獻(xiàn)：

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Application of engineering case and virtual experiments in teaching of

seismic design of building structures

ZHOU Xiaolong， LIU Zhangjun， LU Hailin， LIU Shengbing

（School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430073， P. R. China）

Abstract：

Seismic design of building structures is a major course of civil engineering. Based on its characteristics of numerous contents， deep theory， abstract conception， bad effect of traditional teaching mode， a teaching mode combining engineering case and virtual experiments is proposed. The present condition and problems of seismic design of building structures are analyzed in this paper and the modes and characteristics of “engineering case-virtual experiments” teaching model is summarized， then the teaching reform strategy and curriculum teaching content setting are stated， at last， taking reaction spectrum theory as an example， the practice application of the teaching model are introduced in detail. The teaching model takes basic theory and method of seismic design as the main line. Visualization of a seismic situation helps students submit， analyze and solve problems. Meanwhile， the teaching model emphasizes heuristic teaching， students understanding of basic concept and principle of seismic is deepened， and students comprehensive ability is strengthened.

Key words： case teaching; virtual simulation; seismic design of building structures; teaching reform

（責(zé)任編輯 王 宣）

修回日期：2019-12-15

基金項(xiàng)目：

武漢工程大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（X2017015）

作者簡(jiǎn)介：

周小龍（1983—），男，武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院副教授，博士，主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震研究，（E-mail）zhouxiaolong@cqu.edu.cn。