楊明飛 姜黎 宗翔

摘 要：以全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為基礎(chǔ)，針對現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計“卓越人才”的培養(yǎng)，結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計新技術(shù)的發(fā)展，對目前《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》課程的理論和實踐教學(xué)進(jìn)行了探索。說明抗震實踐教學(xué)是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力的重要手段，同時結(jié)構(gòu)大賽能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，促進(jìn)師生交流，加深學(xué)生對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的理解。

關(guān)鍵詞：卓越人才；結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計；實踐教學(xué)；結(jié)構(gòu)大賽；創(chuàng)新思維

The Revelation of Teaching Reform on Structural Seismic Design

Combined with the Structure Design Contest

Yang Mingfei Jiang Li Zong Xiang Ni Xiuquan Tang Qiong

（School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001）

Abstract： Based on the 8th national structure design contest for college students in 2014 and the excellent talents training， the theory and practice teaching of structural seismic design is discussed combined with the development of new technologies. The results show that the seismic practice teaching is an important means of improving the students' learning interest and handing ability. Meanwhile， the innovation thinking can be developed， the communication between teachers and students can be promoted and the students' understanding of structural seismic design can also be deepened.

Keywords： Excellent talents； structural seismic design； practice teaching； structure design contest； innovation thinking

《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》是一門綜合學(xué)科，其研究以彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)等為基礎(chǔ)，主要內(nèi)容包括建筑材料與地基的動力特性，構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的振動特性、結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)（重點和難點是非線性或彈塑性反應(yīng)），結(jié)構(gòu)物的彈塑性與脆性破壞機制，以及結(jié)構(gòu)可靠性理論和工程設(shè)計等領(lǐng)域[1]。由于課程涉及的內(nèi)容廣、難度大，因此對學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課的要求較高。而結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程的教學(xué)目的是掌握抗震的基本知識、基本理論、基本技能，了解抗震設(shè)計的一般規(guī)律；培養(yǎng)運用規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)熟練程度；查閱技術(shù)資料的能力和抗震計算能力；了解結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的新理論、新方法及抗震理論、方法發(fā)展的新趨勢[2]。全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是由高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會和中國土木工程學(xué)會聯(lián)合主辦，由高校輪流承辦。是土木工程學(xué)科培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識、合作精神和工程實踐能力的學(xué)科性競賽[3]。同時大賽為高等學(xué)校開展創(chuàng)新教育和實踐教學(xué)改革、加強高校與企業(yè)之間聯(lián)系、推動學(xué)科創(chuàng)新活動起到積極示范作用。

2014年第八屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽由長安大學(xué)舉辦，比賽以古建筑閣樓為選題背景，采用竹子作為結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)要求，竹制模型需要經(jīng)受三次不同強度的地震考驗，要求結(jié)構(gòu)不發(fā)生下列情況：（1） 任意構(gòu)件出現(xiàn)斷裂或節(jié)點脫開；（2） 配重脫落；（3） 變形測量點撓度超標(biāo)。安徽理工大學(xué)以作品“巋然”順利通過了三級加載，獲得了本次大賽的三等獎，如圖1所示。作者以此次參賽經(jīng)歷作為基礎(chǔ)，結(jié)合目前的《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》課程理論和實踐教學(xué)方法，提出了自己的一些觀點和今后抗震課程教學(xué)改革的措施。

圖1 第八屆結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽

1 結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽對《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》課程理論教學(xué)改革

第八屆結(jié)構(gòu)大賽主要任務(wù)是要求學(xué)生運用結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、工程力學(xué)和材料力學(xué)等知識，對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列的計算，初步確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件各截面的尺寸，同時利用ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值建模，利用時程分析的結(jié)論對手算結(jié)果進(jìn)行驗證。最后由初步確定的尺寸進(jìn)行模型制作，并對其進(jìn)行振動臺試驗測試，同時利用測試結(jié)果對原有設(shè)計進(jìn)行了驗證和改進(jìn)。這就要求首先學(xué)生應(yīng)該掌握《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》的基本知識，包括水平地震力的計算方法-底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法等；水平地震力在結(jié)構(gòu)中的分配方法-D值法、分層法，這樣能夠完成對模型在地震作用下的手算分析。

大賽題著重于邏輯組織和問題分析能力，但要編程實現(xiàn)，離不開適當(dāng)?shù)臄?shù)值分析。在軟件方面，學(xué)生應(yīng)該對結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器和ANSYS等計算軟件有所了解，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下能夠完成模型的建立與地震作用下的力學(xué)分析。

安徽理工大學(xué)依托學(xué)科建設(shè)優(yōu)勢，引入科學(xué)研究新成果，對《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》課程的內(nèi)容體系進(jìn)行了全新的構(gòu)架。近幾年，逐漸形成了自己的特色，例如教學(xué)過程中把“抗”和“防”緊密結(jié)合，從建筑物的抗震設(shè)計慢慢過渡到建筑物以外，如橋梁、構(gòu)筑物等防災(zāi)減災(zāi)的范圍，擴展了知識的廣度和深度，較好適應(yīng)目前對“卓越人才”培養(yǎng)的要求。以此次大賽為基礎(chǔ)，在今后的課堂教學(xué)中，應(yīng)盡量將抗震理論知識實用化，上課的同時盡量為學(xué)生們介紹一些和抗震相關(guān)的一些軟件信息，擴大他們的知識面。讓同學(xué)們了解目前常用的運動方程的求解方法，以便在今后的工作和科研中能夠盡快學(xué)會使用各種計算軟件對地震作用下工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行求解。

2 結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽對《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》課程實踐教學(xué)改革

結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽之所以成為一項具有創(chuàng)造性的比賽，主要原因主要有2個：第一就是賽題，近幾屆的賽題布置都較為靈活，尤其第八屆古建筑樓閣賽題，它給了學(xué)生足夠的想象空間，可以任意選擇結(jié)構(gòu)形式等；第二就是動手能力方面，競賽允許學(xué)生以各種工具（比賽規(guī)定以內(nèi)），因此可以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)作性思維，而這樣的思維過程可以說是對學(xué)生的一個良好的鍛煉[4-5]。

通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的指導(dǎo)，在《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》課程實踐教學(xué)方面得出以下一些經(jīng)驗和啟示。

2.1 注重理論聯(lián)系實際

對于抗震知識的教學(xué)決不能停留在書本、圖片或者視頻當(dāng)中。雖然本科生在大三的上半學(xué)期有生產(chǎn)實習(xí)，在實習(xí)的過程中也會有一些抗震方面的實例進(jìn)行介紹，但有些時候并沒有引起指導(dǎo)教師足夠的重視，而導(dǎo)致實習(xí)效果不理想。因此建議在實習(xí)的過程中，應(yīng)將建筑的抗震設(shè)計方面的知識與實際工程的結(jié)合的內(nèi)容作為實習(xí)的一項指標(biāo)進(jìn)行考核。當(dāng)然更好的方法是在實習(xí)的場地安排方面，盡量安排到在建或已建成的抗震、隔震或減震房屋，因為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計未來的發(fā)展方向?qū)⑹欠课莞?、減震設(shè)計，而此項設(shè)計實際上在美國、日本的國家已經(jīng)是一項相當(dāng)成熟的技術(shù)，只是在我們國家的應(yīng)用還相對較少。通過抗震設(shè)計理論和實踐相結(jié)合，才能鞏固學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識。

2.2 增加實驗教學(xué)環(huán)節(jié)

《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》課程具有較強實踐性，傳統(tǒng)的教學(xué)方式只能給學(xué)生感性的認(rèn)識，雖然在教學(xué)的過程中基本可以達(dá)到教學(xué)目的，但是隨著時間的增加所學(xué)的知識點會逐漸被淡忘[6-8]，這種情況就是由于學(xué)生沒有主動參與結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計造成的，對于這一點作者深有體會。在指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽之初，學(xué)生其實并不了解振動臺測試技術(shù)-振動測試的基本技術(shù)，這也從另一角度說明在課堂上對于抗震實驗教學(xué)環(huán)節(jié)上還有待進(jìn)一步提高。因此建議增加抗震設(shè)計的實驗課時，尤其是振動臺試驗測試。由于振動臺測試能夠模擬真實的地震波，讓學(xué)生參與到振動臺試驗必將會為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計教學(xué)帶來巨大的收獲。2012年，安徽理工大學(xué)購置了一臺單自由度振動臺，型號為ETP-500。主要是由液壓缸，液壓伺服閥，定量泵，蓄能器，溢流閥，傳感器，控制器等元件組成。通過傳感器的收集反饋信號到控制器，然后經(jīng)控制器輸出控制信號調(diào)節(jié)液壓缸的運動。以框架結(jié)構(gòu)為例，為了能夠給學(xué)生一個直觀的震害現(xiàn)象、結(jié)構(gòu)的破壞機理等特征，可以讓學(xué)生制作模型，其材料可以選擇水泥砂漿、石膏甚至竹子進(jìn)行等強度替代，將模型固定在振動臺上進(jìn)行真實地震模擬。2012年，作者指導(dǎo)學(xué)生做了全國“挑戰(zhàn)杯”的模型振動試驗，模型如圖2所示。2014年，作者指導(dǎo)第八屆全國結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的模型振動試驗，模型如圖3所示。結(jié)果均表明振動試驗的確能夠增加了學(xué)生對結(jié)構(gòu)抗震的感性認(rèn)識，同時加深了對結(jié)構(gòu)抗震課程內(nèi)容的理解。

圖2 全國“挑戰(zhàn)杯”比賽模型 圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽參賽模型

2.3 促進(jìn)師生交流

一個人的力量是有限的，很多事情必須通過合作才能成功。結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽是以團隊的形式參賽，目的正是要培養(yǎng)學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師之間的相互合作的能力。通過指導(dǎo)結(jié)構(gòu)大賽，發(fā)現(xiàn)老師平時對于學(xué)生的認(rèn)識和學(xué)生對老師的理解方面仍然沒有配合完美。例如對大賽計算書中出現(xiàn)的問題，老師和學(xué)生之間的思考都比較獨立，欠缺足夠的交流。在教學(xué)的過程中更應(yīng)該認(rèn)真借鑒，課堂知識講解結(jié)束可以適當(dāng)提出一些和教學(xué)難點相關(guān)的問題給大家思考，讓學(xué)生來講解對該難點的理解，如何避免出錯，同時鼓勵學(xué)生參與討論。另外，我們可以引入“競賽”機制，將學(xué)生進(jìn)行分組，對于每組提出的見解進(jìn)行分析與反駁，老師可以根據(jù)每組的表現(xiàn)進(jìn)行評分，并將該分?jǐn)?shù)記為平時成績，以此來考察學(xué)生對抗震知識重點和難點的掌握情況。

2.4 因材施教，創(chuàng)新培養(yǎng)

安徽理工大學(xué)代表隊作為為數(shù)不多的參賽隊，第一次參加全國結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽，能從一百支隊伍中脫穎而出，取得佳績，斬獲三等獎，除了指導(dǎo)老師與學(xué)生的密切配合，以及學(xué)生之間的團結(jié)合作之外，還與老師對學(xué)生的特長了解有關(guān)。在大賽準(zhǔn)備階段，通過與三位學(xué)生的相處交流，發(fā)現(xiàn)他們各有自己的特點。A學(xué)生動手能力較強，B學(xué)生軟件應(yīng)用嫻熟，C學(xué)生善于分析表達(dá)，因此在比賽的環(huán)節(jié)中，針對不同學(xué)生的自身優(yōu)勢，合理地分配他們相關(guān)的任務(wù)，最大化發(fā)揮整個團隊的潛能。這種特色的培養(yǎng)方式值得鼓勵應(yīng)用于教學(xué)環(huán)節(jié)中，當(dāng)然，因材施教的前提是老師對學(xué)生有足夠的了解，而今眾多大學(xué)的教學(xué)模式大同小異，通常課堂都是老師的灌輸式教育，與學(xué)生缺乏互動，從而也就難以了解各學(xué)生的長短處。另外，由于某些高校教學(xué)資源有限，采用大班教學(xué)，整體上會降低課堂的教學(xué)效果，人數(shù)過多，老師想了解學(xué)生，也是心有余而力不足，這種現(xiàn)狀也是客觀條件所致。倘若條件允許，針對不同的學(xué)生，根據(jù)他們的興趣愛好，設(shè)置不同的教學(xué)目標(biāo)，從而達(dá)到因材施教的效果，在這樣教學(xué)過程中，學(xué)生的創(chuàng)新能力才會得到激發(fā)和培養(yǎng)。

3. 結(jié)語

目前各高校都在提如何創(chuàng)新的問題，儼然創(chuàng)新已經(jīng)成為決定一個個體良好發(fā)展的前提。尤其是我們當(dāng)代的本科生，確實在培養(yǎng)創(chuàng)新的方面應(yīng)該有所追求。作為學(xué)生的任課教師或者指導(dǎo)老師，應(yīng)注重采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，保持理論與實踐相結(jié)合，不斷提高自身的綜合素質(zhì)，開闊國際視野，為學(xué)生的進(jìn)步提供足夠的支持。

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