“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”教學(xué)案例庫建設(shè)的探索與實踐

吳琛 王黎怡 張錚 麻勝蘭

[摘 要]“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”是土木工程專業(yè)中一門關(guān)注民生、并被民生關(guān)注的重要的專業(yè)課程，傳統(tǒng)講授法難以揭示其豐富的工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)內(nèi)涵和復(fù)雜的抗震設(shè)計理論。通過總結(jié)國內(nèi)外案例庫的建設(shè)情況，分析“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”建立教學(xué)案例庫的必要性，提出了案例庫建設(shè)的整體設(shè)計，設(shè)計了與本課程核心知識點對應(yīng)的十個子案例庫的建設(shè)內(nèi)容，并提供了推廣應(yīng)用途徑。由案例庫建設(shè)驅(qū)動的教學(xué)改革與創(chuàng)新在一定程度上改變了以往教師難教、學(xué)生難學(xué)的窘境，也為土木類專業(yè)課程的教學(xué)改革提供了思路。

[關(guān)鍵詞]建筑結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計;教學(xué)案例庫;教學(xué)改革

[基金項目]2018年度福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃“依托專業(yè)群建設(shè)平臺培養(yǎng)土木工程新工科人才”（FJJKCGZ18-803）;2018年度中國高等教育學(xué)會高等教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃課題工程教育專項課題“‘新工科視域下地方高校土木工程專業(yè)升級改造探索”（2018GCLZD10）;福建工程學(xué)院教育研究課題“工程教育認證背景下的土木工程專業(yè)建設(shè)實踐探索”（GW-J-17-71）;福建工程學(xué)院教學(xué)改革研究項目“基于OBE理念的工程教育質(zhì)量立體化評價機制研究”（〔2017〕教169號）;2017年福建工程學(xué)院教學(xué)案例庫項目“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計案例庫建設(shè)”（JXKA18016）

[作者簡介]吳 ?。?978—），女，福建福州人，結(jié)構(gòu)工程博士，福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院教授，主要從事土木工程理論與教學(xué)研究。

[中圖分類號] G642;TU352 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2020）45-0-04 [收稿日期] 2020-06-12

我國是一個地震多發(fā)的國家，歷史上的多次強震經(jīng)歷都表明建筑物的破壞是導(dǎo)致經(jīng)濟損失和人員傷亡最主要的原因。因此，做好工程抗震設(shè)防是一件關(guān)注民生、并被民生所關(guān)注的大事;對土木工程專業(yè)而言，“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”則是一門決定建筑抗震性能的極其重要的專業(yè)課。本文以“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”案例庫建設(shè)驅(qū)動教學(xué)改革與創(chuàng)新，在教學(xué)實踐過程中探索線上線下資源共享、課內(nèi)課外師生互動、問題分析和問題解決深度融合的互動教學(xué)模式，在一定程度上改變了以往教師難教、學(xué)生難學(xué)的窘境，也為其他土木類專業(yè)課程教學(xué)探索出一條新路子。

一、國內(nèi)外案例庫建設(shè)概況

案例庫與案例教學(xué)的起源可追溯到兩千多年前的古希臘，而現(xiàn)代意義上的案例教學(xué)由哈佛法學(xué)院于1870年率先使用。受此鼓舞，哈佛商學(xué)院于1921年正式采用案例教學(xué)，經(jīng)過完善推廣，最終在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生了廣泛的影響[1]。案例教學(xué)在20世紀(jì)80年代引入我國，大連理工大學(xué)于1999年建立了國內(nèi)第一個案例庫網(wǎng)站，收錄各類管理案例1950篇。隨后，清華大學(xué)、浙江大學(xué)的經(jīng)管學(xué)院也建設(shè)了工商管理領(lǐng)域的案例庫[2]。

案例教學(xué)經(jīng)過長期的教學(xué)實踐，因其獨具特色的教學(xué)方法，已經(jīng)普及到各國的高等院校教學(xué)中[3-5]。教學(xué)法以案例為教學(xué)工具，通過教師描述案例情景，學(xué)生根據(jù)案例提供的信息進行思考、討論，多角度、全方位的了解和分析現(xiàn)實問題，尋求解決問題的最佳方案[6]。這種教學(xué)模式將理論知識與實踐巧妙結(jié)合起來，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，符合開放教育教學(xué)的規(guī)律，是一種科學(xué)有效的教學(xué)模式，也是一種行之有效的教學(xué)改革模式。其優(yōu)勢在于其可以將理論與實踐相結(jié)合，可以彌補傳統(tǒng)教學(xué)的不足，可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力。因此，案例教學(xué)法在各類學(xué)科教學(xué)中被廣泛采納。

二、案例庫建設(shè)的必要性

（一）案例庫有助于學(xué)生理解抗震理論

“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”是一門理論性很強的土木工程專業(yè)課程。除了動力學(xué)理論外，更重要的在于學(xué)生概念設(shè)計思維的建立，而這些僅靠教師純粹的講授是無法達到良好效果的。借助案例庫使學(xué)生掌握抽象的動力學(xué)原理和晦澀的抗震原理是解決問題的方法之一。

本課程開發(fā)的案例庫包括了地震震害圖片、視頻、BIM模型、動畫等，具有形象直觀的特點。在案例教學(xué)過程中，師生有一種身臨其境的感覺，枯燥的知識蘊于案例設(shè)計之中，學(xué)生可以獲得形象、逼真的感受，從而更容易理解和接受所學(xué)知識。因此，案例庫的建設(shè)和使用有利于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，有利于幫助學(xué)生理解抗震理論。

（二）案例庫有助于強化學(xué)生抗震設(shè)計能力

“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”還是一門實踐性很強的土木工程專業(yè)課程。一個結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計從選型與布置到荷載計算、內(nèi)力分析、內(nèi)力組合與調(diào)整、截面設(shè)計與構(gòu)造措施，每一個步驟都不是僅靠理論講解可以說清道明的。

本課程開發(fā)的案例庫包括了真實工程與往屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的過程稿。借助設(shè)計方案的分析，帶領(lǐng)學(xué)生再現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的全過程，使學(xué)生參與到結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計與調(diào)整中，并與其他先修課程相互滲透，做到融會貫通。

（三）案例庫有助于本課程實施翻轉(zhuǎn)課堂

我?！敖ㄖY(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”是福建省精品在線開放課程和福建省精品線上線下混合式課程。學(xué)生課前預(yù)習(xí)相關(guān)核心知識，在課堂上可騰出大量時間進行課堂討論。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)成效是檢驗在線開放課程有別于傳統(tǒng)課堂的重要內(nèi)容，因此翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)內(nèi)容至關(guān)重要?！敖ㄖY(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”僅結(jié)構(gòu)布置方案就包括了結(jié)構(gòu)體系選擇、平面不規(guī)則、豎向不規(guī)則、防震縫設(shè)置、構(gòu)件布置與截面選型等多項內(nèi)容可供學(xué)生討論。當(dāng)案例庫被運用于課堂討論時，教師采取的不再是直接講授的傳統(tǒng)方法，信息的傳遞由單向變?yōu)殡p向互補。在課堂上教師更多的時間與每個人交流，學(xué)生們互相討論，發(fā)表觀點[7]。在案例教學(xué)過程中，學(xué)生可以自由發(fā)表對問題的看法，增強了學(xué)習(xí)主動性，增加了學(xué)習(xí)興趣、獲得了更大的成就感。

三、“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”教學(xué)案例庫的建設(shè)與教學(xué)實踐

（一）教學(xué)案例庫建設(shè)總體設(shè)想

1.建設(shè)專業(yè)化、系統(tǒng)化的教學(xué)案例庫。組建“抗震教學(xué)案例庫”團隊編寫和建設(shè)案例庫。團隊教師進行案例采寫和編輯整理、共同討論案例的使用，并依托精品在線開放課程平臺和土木學(xué)院的國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心進行案例庫的維護和推廣管理。在案例的開發(fā)和使用過程中，與其他院校、設(shè)計院、施工企業(yè)等進行日常聯(lián)絡(luò)和交流。

本課程教學(xué)案例庫可按核心知識體系劃分為10個子案例庫，每個子庫自成體系，具有系統(tǒng)性和完整性。案例之間具有承前啟后的效果，課程之間銜接緊密，學(xué)生可以通過一個完整的案例掌握全過程知識。

2.建設(shè)呈現(xiàn)方式多樣化的教學(xué)案例庫。目前，三維建筑信息模型技術(shù)（BIM）、虛擬仿真技術(shù)越來越普及，除開發(fā)傳統(tǒng)視頻、文本、圖片、三維動畫等形式的教學(xué)案例外，還可將采用BIM模型、虛擬仿真等手段進行案例展示，使案例教學(xué)形式和內(nèi)容更加豐富。

3.依教學(xué)要求采用案例教學(xué)方式。本課程的案例教學(xué)重視教師如何運用案例開展教學(xué)。例如，關(guān)于“不規(guī)則結(jié)構(gòu)”的子案例庫需要設(shè)計不同類型的不規(guī)則方案要求學(xué)生判別，但關(guān)于“多層框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計”則需要采用同一工程案例進行從布置到抗震構(gòu)造措施的全過程案例分析。教師需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和要求合理使用案例。再如，在教學(xué)中，應(yīng)使用成功的工程案例還是使用欠合理的工程案例來說明設(shè)計原理，也需要推敲。使用案例時還應(yīng)重視學(xué)生之間的互動，有節(jié)奏地引導(dǎo)學(xué)生思考，增強學(xué)生的參與感。

（二）案例庫的開發(fā)

圍繞課程教學(xué)的重點、難點開發(fā)了以下10個教學(xué)內(nèi)容的子案例庫，每個子案例庫由若干工程案例組成。子案例庫覆蓋了本課程的全部教學(xué)重點。

1.“地震基本知識”子案例庫。該子案例庫由若干關(guān)于國內(nèi)外歷次地震的新聞報道、專家原因分析、典型震害以及地震波行走路線的動畫等組成。要求學(xué)生通過歷次地震的信息提取描述地震的專業(yè)術(shù)語，在此基礎(chǔ)上理解術(shù)語含義;通過專家原因分析總結(jié)地震的成因;通過典型震害了解地震危害，通過動畫展示地震波的傳遞方式。

2.“抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)”子案例庫。該子案例庫分別建立特殊設(shè)防類、重點設(shè)防類、一般設(shè)防類、適度設(shè)防類等四類建筑的案例。要求學(xué)生在學(xué)習(xí)《抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上根據(jù)工程類型劃分結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防分類，并分析地震作用計算與抗震措施對應(yīng)的設(shè)防分類。

3.“結(jié)構(gòu)布置方案”子案例庫。在該子案例庫分別建立“扭轉(zhuǎn)不規(guī)則”“凹凸不規(guī)則”“樓蓋不連續(xù)”“抗側(cè)剛度不規(guī)則”“豎向構(gòu)件不連續(xù)”“樓層承載力突變”等6種平面不規(guī)則類型的案例。案例提供實際工程的平面布置方案和電算數(shù)據(jù)，教師結(jié)合案例講解不規(guī)則類型，要求學(xué)生根據(jù)案例資料分析是否存在平面不規(guī)則，并判別不規(guī)則程度和解決方案。

該子案例庫還將提供建筑方案或欠合理結(jié)構(gòu)方案，要求學(xué)生進行方案布置或分析結(jié)構(gòu)方案合理性，并根據(jù)建筑要求布置梁、柱。分析過程結(jié)合“平面不規(guī)則”的判別，由學(xué)生判別是否需要設(shè)置防震縫、如設(shè)縫如何進行縫寬取值以及梁、柱尺寸選取。

4.“多道抗震防線”子案例庫。該子案例庫分別建立框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、單跨框架結(jié)構(gòu)、框架—支撐結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土翼墻等體現(xiàn)“多道抗震防線”設(shè)計思想的工程案例。要求學(xué)生通過案例理解結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計設(shè)置多道防線的意義、哪些構(gòu)件可以成為第一道防線、不同抗震防線對應(yīng)的抗震等級等。

5.“場地土類別”子案例庫。在該子案例庫分別建立一般情況、地面5米以下存在堅硬土層、存在孤石與透鏡體、存在火山巖夾硬層等四種類型的工程案例。案例提供工程地質(zhì)資料，在教師講解場地土類別劃分原則的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生根據(jù)案例資料分析土的覆蓋層厚度、計算深度以及場地土類別。

6.“地基土液化”子案例庫。該子案例庫分別建立地基土液化的典型震害、地基土液化判別、地基土液化程度判別等三類案例。要求學(xué)生在液化地基歷史震害中總結(jié)液化的震害類型、根據(jù)地質(zhì)情況判別地基土是否產(chǎn)生液化，并進一步確定液化的程度。

7.“地震作用計算”子案例庫。該子案例庫提供若干實際工程的建筑方案，要求學(xué)生選擇地震作用計算的方法。如采用底部剪力法，進一步借助案例展示高階振型對計算結(jié)果的影響以及鞭梢效應(yīng)的震害;如采用振型分解反應(yīng)譜法，則借助案例展示地震反應(yīng)譜并講解反應(yīng)譜的含義，同時展示結(jié)構(gòu)的各階振型;如采用時程分析法，則展示時程分析法常見類型的地震動、選波過程以及地震反應(yīng)分析結(jié)果。

8.“抗震等級”子案例庫。在該子案例庫分別建立抗震措施對應(yīng)的抗震等級、抗震構(gòu)造措施對應(yīng)的抗震等級，以及少墻框架、裙房、地下室等多種復(fù)雜情況下的工程案例。要求學(xué)生分組討論不同工況下不同構(gòu)件采用的抗震等級。

9.“混凝土結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析”子案例庫。該子案例庫展示多層框架結(jié)構(gòu)強柱弱梁、強梁弱柱的典型震害，展示框架柱和框架梁的典型震害，展示框架結(jié)構(gòu)的各階振型動畫以及在豎向荷載和水平荷載下的內(nèi)力圖、內(nèi)力組合的案例，結(jié)合BIM技術(shù)展示框架結(jié)構(gòu)的變形與鋼筋構(gòu)造。通過自主研發(fā)的《近海腐蝕環(huán)境下高層建筑剪力墻抗震性能評估虛擬仿真實驗》使學(xué)生了解如何通過低周往復(fù)試驗評估剪力墻的抗震性能。

10.“多層砌體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析”子案例庫。該子案例庫展示砌體結(jié)構(gòu)的典型震害，展示橫墻承重方案、縱墻承重方案、縱橫墻承重方案以及他們的整體剛度，開發(fā)MIDAS模型分析展示房屋總高、最大高寬比、橫墻間距對抗震性能的影響，采用BIM技術(shù)展示圈梁和構(gòu)造柱的構(gòu)造措施。

（三）基于教學(xué)案例庫的課程教學(xué)

基于案例庫建設(shè)的“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”課程教學(xué)，旨在通過工程結(jié)構(gòu)震害案例激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新潛能，深刻理解抗震性能分析和設(shè)計的原理。本課程的教學(xué)案例主要包括歷史經(jīng)典震害、工程設(shè)計方案、仿真實驗等三類案例。震害型案例通過經(jīng)典歷史震害分析，促使學(xué)生汲取經(jīng)驗教訓(xùn)、理解不正確抗震設(shè)計的危害，建立抗震設(shè)防意識;設(shè)計方案型案例通過引導(dǎo)學(xué)生逐步優(yōu)化設(shè)計方案或評估設(shè)計方案的優(yōu)劣，幫助學(xué)生現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的意圖和正確使用規(guī)范的方法;仿真實驗型案例通過現(xiàn)代化仿真技術(shù)可完成多參數(shù)構(gòu)件設(shè)計和超常規(guī)加載，還可實現(xiàn)地震作用及構(gòu)件內(nèi)部微觀變化的可視化，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)性和創(chuàng)新性思維。

抗震教學(xué)案例庫在省級精品在線開放課程平臺和國家級虛擬仿真中心平臺全國上線，為更多師生提供優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。不僅實現(xiàn)了教學(xué)資源共享，而且案例的討論可以從課內(nèi)延伸到課外，使學(xué)生在整個教學(xué)過程更加善于思考，更樂于總結(jié)，最終形成教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)資源、教學(xué)模式的良性循環(huán)。

四、結(jié)語

“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計”教學(xué)案例庫的建設(shè)有利于學(xué)生對地震的產(chǎn)生、地震動的特性有直觀的認識，對抗震理論有清晰、正確的概念，對抗震設(shè)計方法有思路，能夠?qū)Σ煌桨傅恼_性、合理性做出判斷?；谛畔⒒虒W(xué)的理念，將教學(xué)案例庫與BIM、虛擬仿真、視頻、動畫、圖片等多媒體技術(shù)有機結(jié)合，使案例展示形式多種多樣，激發(fā)學(xué)生興趣。學(xué)生通過案例分析，提出問題—分析問題—解決問題的能力得到充分鍛煉。教師交流和研討，可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和目的有針對性地不斷更新和改造案例，還可以融入自己對抗震理論的理解，推進教學(xué)改革，提升教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻

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Exploration and Practice on the Construction of Teaching Case Base of the Course

in "Seismic Design of Building Structure"

WU Chen1，2， WANG Li-yi1，2， ZHANG Zheng1，2， MA Sheng-lan1，2

（1. School of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou， Fujian 350118， China;

2. National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Civil Engineering，

Fujian University of Technology， Fuzhou， Fujian 350118， China）

Abstract： Seismic Design of Building Structures is an important professional course in civil engineering which pays close attention to people's livelihood and is concerned by people's livelihood. It is difficult to reveal its rich connotation of disaster prevention and mitigation of engineering structures and complex seismic design theory by traditional teaching method. This paper summarizes the construction of case base at home and abroad， analyzes the necessity of building teaching case base of this course， puts forward the general idea of case base construction， designs the construction contents of ten sub-case bases corresponding to the core knowledge points of this course， and provides the way of popularization and application. The teaching reform and innovation driven by case base construction， to some extent， has changed the dilemma that is faced by teachers and students， and also provides reference for the teaching reform of other civil engineering courses.

Key words： building structure; seismic design; teaching case base; teaching reform