“多媒體—工程案例—數值仿真”模式結構抗震原理教學探討

孫廣俊+李鴻晶

摘要：采用基于“多媒體-工程案例-數值仿真”的教學模式，依據知識模塊劃分，以實際工程案例為背景素材，借助有限元軟件等數值仿真實驗和多媒體演示手段，將學生引入到真實的地震工程情境中，實現教學內容的形象化和直觀化，創造師生、學生之間的雙向和多向互動氛圍，開展工程結構抗震原理的課程教學，從而強化學生對工程結構抗震基本概念的理解和實際應用能力的培養。

關鍵詞：多媒體；工程案例；數值仿真；抗震；教學

中圖分類號：TU3-4文獻標志碼：A文章編號：10052909（2015）06007405[AM〗中國是世界上地震災害最為嚴重的國家之一，地震活動分布廣、頻度高、強度大，全國1/3以上的國土、半數以上的大中城市位于地震基本烈度Ⅶ度和Ⅶ度以上地區。地震一旦發生，很可能產生嚴重的后果，造成生命和財產的巨大損失。從本質上講，地震災害的屬性是土木工程災害，其元兇是不合格的土木工程。工程結構抗震原理（簡稱“抗震課程”）作為土木工程專業的主干課程，則為解決工程結構的抗震安全性提供了理論基礎和設計參考。對該課程進行積極有效的教學改革可以提高教學質量，保證教學效果，強化學生對工程結構抗震基本概念的理解和實際應用能力的培養。

長期以來的教學實踐表明，僅通過傳統的授課方式使學生完全掌握工程結構的抗震設計是不容易的，也不利于教學過程中學生工程實踐意識和應用能力的培養。隨著科學的發展，教學理念和教學方法也要不斷地變化，這樣才能適應科學發展和社會進步的需要。教學改革及其實踐表明，基于“多媒體-工程案例-數值仿真”的教學模式是抗震課程教學中一種行之有效的方法和手段。

一、抗震課程特點及教學改革現狀

抗震課程是一門理論難度大、綜合性和實踐性強的課程[1-3]，其主要特征表現如下。

（1）涉及的學科廣泛，綜合性強。

（2）包含的概念、公式和規范條文眾多，內容抽象。

（3）工程實踐性強，但實際教學中缺乏學生實踐環節。

（4）學時不足，且授課學期（一般安排在第7學期）學生以求職或考研為主，學習積極性不高。（5）知識更新快，與行業規范結合緊密。

（6）課程授課效果直接影響畢業設計和研究生階段學習。

面對上述特點，長期以來很多高校對于抗震課程的教學模式還是采取灌輸式的傳統講授法，這種教學模式的針對性不強，教學方法和手段相對落后，理論與實踐銜接不好，學生對授課內容缺乏興趣，已不能滿足當前形勢的需要。

目前，國外在抗震課程的教學上主要是大量使用工程案例和結構抗震仿真軟件，并通過多媒體技術的途徑強化學生對基本概念的理解和實際應用能力的培養。國內，為了改善抗震課程教學效果不如人意的現狀，很多高校開展了積極有效的教學改革，在教學理念和教學手段上已經逐步呈現出與國外相一致的趨勢。這些教學改革措施主要集中在以下幾個方面。

（1）通過教學內容的調整和優化，合理安排教學內容，突出重點，抓住核心，解決抗震課程教學內容多而課時少的矛盾。

（2）通過利用網絡資源，構建一個嶄新的教學環境，使網絡教學成為課堂教學的有力補充。

高等建筑教育2015年第24卷第6期

孫廣俊，等“多媒體-工程案例-數值仿真”模式結構抗震原理教學探討

（3）通過發揮多媒體輔助教學優勢，充分調動學生的視覺和聽覺功能，提高教學質量和效率，是對傳統課堂教學時間不足的彌補。

（4）通過在教學中加強工程案例分析，激勵學生的學習主動性，增強其綜合運用知識的能力，同時體現以學生為主體、教師為主導的教育理念。

（5）通過加強實踐性教學環節，強化學生的素質培養。

二、“多媒體-工程案例-數值仿真”的教學模式在抗震課程教學中的運用

多媒體教學是現代化教學的一個重要手段，它可以將教學性、集成性、可演示性及可重復性融為一體，能給教學帶來豐富的信息量。案例教學是一種有效的將理論與實踐相結合的教學方法，通過案例啟發學生思考，營造思維環境，是現代高校教育中不可缺少的教學方法之一。由于地震的抽象性和復雜性，學生對復雜的地震工程動力分析難以理解，而基于有限元理論的數值模擬技術及其軟件具有模式直觀、運算簡捷的優點，有助于減輕學生的學習難度，幫助其認識和理解工程結構抗震的理論和方法，提高其結構分析能力。

因此，將基于有限元軟件的數值仿真教學手段與工程案例教學方法相融合，不但可以擴展教學模式，提高教學效果，激發學生學習的主動性，深化其對工程結構抗震設計原理和方法的理解，而且可以為其畢業以后從事工程結構領域的設計和科研工作打下基礎。此外，數值仿真實驗的一個優勢在于可以克服實驗室實驗觀測難、重復難和費用高的不足，還可以得到實驗室無法真實再現的物理現象。通過引入數值仿真實驗，可以從很大程度上改善抗震課程缺少實驗教學環節的不足。

教學研究和實踐表明，工程案例、數值仿真實驗及計算機多媒體技術在抗震課程教學上的應用，可以使得學生親身參與到教學過程中，深化對抗震原理和方法的理解，增強解決實際工程問題的能力，真正實現教與學的互動。

“多媒體-工程案例-數值仿真”教學模式的目標為：采用多媒體、工程案例與數值仿真實驗相結合的教學模式，依據知識模塊劃分，以實際工程案例為背景素材，借助有限元數值仿真實驗和多媒體演示手段，將學生引入到真實的地震工程情境中，實現教學內容的形象化和直觀化，創造師生、學生之間的雙向和多向互動氛圍，以達到激發其學習興趣、深化其對工程結構抗震原理的理解，增強其綜合運用知識和解決實際問題的能力之目的。

針對上述的教學目標，結合課程的特點，“多媒體-工程案例-數值仿真”教學模式需要重點解決以下幾個關鍵問題。

（1）典型工程案例在教學中的組織。好的案例是成功進行案例教學的前提和基礎，如何根據教學內容選擇具有代表性的案例，把工程抗震的理論寓于案例之中，再以案例的形式引導和展現出來，是教學中需要解決的一個主要問題。

（2）數值仿真實驗在教學中的組織。如何根據教學內容，或結合代表性案例，通過數值仿真實驗將抽象、枯燥的抗震概念和數據轉化為形象、生動的圖形和動態過程，是教學中需要解決的另一個主要問題。

（3）主導性與交互性的協調統一。案例教學法是一種促動式教學方法，如何改變傳統舉例教學的單向性，在充分發揮教師主導性的同時，促使學生通過工程案例與數值仿真教學在交互中認識相關抗震設計原理和方法，也是教學中需要解決的一個主要問題。

（4）教學與科研的協調統一。課程教學如能充分吸收已有的科研成果，不但可以促進課程質量的提高，而且能夠有效地實現科研成果向教學的轉化，同時對于今后從事科研工作的學生較早地參與科學研究也有一定的激勵和促進作用。在科研推動行業發展的同時，將科研成果融入到課程教學內容中，使教學內容與行業發展相同步，也是教學中需要解決的一個主要問題。

三、“多媒體-工程案例-數值仿真實驗”教學資源的建立

針對目前抗震課程存在的問題，需要根據教學內容重新調整和優化知識模塊，在此基礎上建立與知識模塊相對應的工程案例資源庫。基于有限元軟件建立與工程案例相融合的數值仿真實驗，在此基礎上開發新的多媒體課件，構建“多媒體-工程案例-數值仿真”教學資源，并通過教學實踐建立信息反饋和動態修正制度。教學數據庫的建立主要包括以下三類。

（1）建立與教學內容相對應的代表性工程案例資源庫。代表性案例所涉及的往往可能不是一、兩個知識點，而是“知識群”。案例的內容應包括圖像資料（視頻、圖片）、文字資料、學生學習過程所需要完成的綜合分析題等。案例的選取應符合針對性、真實性、典型性、生動性及難度適中等標準，并且要兼顧教學時限的要求。

（2）建立基于有限元軟件的數值仿真實驗數據庫。數值仿真實驗不只是相關教學內容的簡單演示，而應與工程案例相融合，形成理論與實踐的無縫對接。數值仿真的結果應根據工程問題和物理問題的不同特點選擇相適應的表現方式，如圖表、圖形、云圖或動畫等呈現給學生。數值仿真實驗還需要更多地展現實驗室無法真實再現的物理現象，如復雜結構的地震損傷、倒塌的動力演變過程等。

（3）建立與“多媒體-工程案例-數值仿真”模式相一致的多媒體課件。為了適應和體現“多媒體-工程案例-數值仿真”教學模式，需要建立新的多媒體課件。課件的制作在注重邏輯關系、突出重點的基礎上，應避免文字、公式的簡單堆砌，盡可能多地采用框架圖、流程圖等形式闡釋知識結構的邏輯關系，采用圖像、照片等形式形象、直觀地展示工程案例，采用數值模擬的動態結果演示抽象的課程內容，加大信息量，擴展知識面，增強可讀性。在此基礎上，引入《工程抗震三字經》[4]對每一講課件的重點和難點進行總結，以促進學生對知識點的理解和記憶。

此外，工程案例和數值仿真實驗還需要考慮將最新的震害、研究進展和研究成果納入教學，通過關注相關事件的發生，隨時收集教學素材，為學生提供符合時代需要的課程體系和教學內容，讓學生理解目前抗震規范有關規定的不足之處，這對于提高學生的創新能力具有重要作用。

四、教學案例

地震反應譜是工程結構抗震原理中的一個非常重要概念，其定義抽象、理解難度大，采用傳統的單向灌輸式講授模式不能取得令人滿意的教學效果。下面以“地震反應譜”一講簡要展示“多媒體-工程案例-數值仿真”教學模式在抗震課程教學中的應用。

依據教學要求和關鍵知識點，將“地震反應譜”一講劃分為4個部分內容，分別是：（1）反應譜的定義與建立；（2）反應譜的性質；（3）反應譜的本質；（4）反應譜與抗震設計。其中，反應譜的本質為十分關鍵而以往教學中容易忽視的內容。各部分教學內容具體論述如下。

（一）反應譜的定義與建立

通過2個工程案例視頻（意大利地震教堂屋蓋墜落視頻、日本地震房屋整體倒塌視頻）和2組工程案例照片（汶川地震嚴重破壞的結構照片、汶川地震基本完好的結構照片），給學生以強烈震撼和沖擊，充分調動其視覺和聽覺功能，激發其對本講的學習興趣，并以此說明“結構地震反應差別如此顯著”這一現象。

基于“結構地震反應差別如此顯著”這一現象，提出“結構在地震中的反應取決于什么”這一問題，變單向式教學為交互性教學。在啟發學生的基礎上，給出“結構的地震反應取決于結構特性和地震地面運動特性兩個因素”這一結論，并進一步說明“結構特性是可以設計、調整的，而地震地面運動特性是不能改變而只能被認識的”，從而引出“描述地震地面運動特性的手段——反應譜”這一概念，如圖1所示。

給出反應譜的具體定義和建立原理，并對關鍵點進行闡釋，以板書和多媒體流程圖的形式（如圖2所示）說明反應譜的建立過程，從而使學生能夠牢固建立起“反應譜是單自由度彈性體系在給定的地震作用下某個最大反應與體系自振周期的關系曲線”這一重要概念。

（二）反應譜的性質

給出相對位移反應譜、相對速度反應譜和絕對加速度反應譜的曲線圖，并通過曲線走勢的動畫演示說明3種反應譜的曲線變化性質和差別，從而使學生在腦海中能夠建立起3種反應譜的圖像，實現抽象化向直觀化的有效轉化。

重點說明加速度反應譜曲線隨結構自振周期變化的性質及阻尼比對反應譜峰值的削弱性質，通過2個工程案例（基底隔震結構案例、耗能減震結構案例）深化學生對上述性質的理解，使其體會到反應譜與工程實踐的緊密聯系，同時也將較新的研究進展和研究成果納入到教學，培養學生的科研能力和創新能力。

圖2“反應譜的建立”流程（多媒體）分別給出不同場地條件下加速度反應譜曲線的對比和不同震中距條件下加速度反應譜曲線的對比，說明土質條件和震中距對反應譜形狀的影響，同樣也通過4個工程案例，即堅硬場地上結構的震害、軟弱場地上結構的震害、近震條件下結構的震害、遠震條件下結構的震害案例深化學生對上述性質的理解，使其體會到反應譜與工程實踐的緊密聯系。

（三）反應譜的本質

這一部分內容在教材和以往的課程教學中強調得較少[5-6]，而關于反應譜本質的認識對于正確理解反應譜的概念和建立原理具有重要的意義，因此本講中需要重點強調。

提出“反應譜到底反映的是什么的特性”這一問題，再次開展交互性討論。

采用“單/多自由度體系動力分析軟件Nonlin”分別對3條不同地震波下的單自由度體系地震反應進行數值模擬，分別繪制相應的反應譜曲線。通過反應譜曲線的對比，誘導學生得出“只有改變地震動才能改變反應譜的形狀”這一結論，從而使其能夠牢固建立起“反應譜反映的是地震地面運動的特性，不反映具體結構特性”，“結構只是量測工具”等關于反應譜本質的重要概念。

要求學生課后學習操作Nonlin軟件，該軟件的主要功能可以用于線性單自由度體系的結構振動特性分析、單自由度體系的地震反應分析、阻尼對結構反應的影響分析以及繪制地震反應譜等，可以為抗震課程的理論學習和簡單應用提供一個可視化的平臺。

（四）反應譜與抗震設計

基于上述對反應譜本質的認識（通過“結構”這一量測工具反映地震地面運動的特性）說明反應譜的價值所在，建立反應譜與抗震設計的聯系。

提出“由反應譜如何得到結構的地震作用”這一問題，開展交互性討論，啟發學生給出結構在地震過程中經受的最大慣性力的計算公式，以此說明通過反應譜可以把動力問題簡化為靜力問題。

提出“設計中采用的反應譜是什么”“多自由度體系如何運用”等問題，供學生課后思考，為下一講內容做準備。

（五）小結

引述王前信教授《工程抗震三字經》中的相關內容，“二階段，反應譜，豪與比，功卓著，單振子，擬結構，震作用，反應求，遠近震，場地土，與阻尼，作參數，峰反應，自振周，縱橫標，繪譜圖”，對本講內容進行總結和提煉。

本講的內容進行了多次教學實踐，并不斷調整。教學實踐結果表明，通過擴展教學手段，優化教學方法，在抗震課程中采用“多媒體-工程案例-數值仿真”相結合的教學模式，可以實現抽象化向直觀化的有效轉化，深化學生對抗震課程的理解，使其體會到專業課與工程實踐的緊密聯系，取得良好的教學效果。

五、結語

依據抗震課程特點，以實際工程案例為背景素材，借助有限元軟件的數值仿真實驗和多媒體演示手段，建立基于“多媒體-工程案例-數值仿真”的教學模式，可以有效解決該課程概念抽象、理論難度大、理論與實踐脫節及學生學習難度高、興趣低的問題，增強學生綜合運用知識的能力和分析、解決實際問題的能力，同時提高教師的業務水平，在教學上具有重要的實踐意義和推廣價值。

參考文獻：

[1]翟長海， 李爽， 徐龍軍， 等. 建筑結構抗震設計教學改革探索[J].高等建筑教育， 2011， 20（3）： 88-90.

[2]李英民， 伍云天， 楊溥， 等. 項目教學法在建筑結構抗震設計課程中的應用[J].高等建筑教育， 2012， 21（4）： 94-96.

[3]鄭妮娜， 楊溥， 劉立平， 等. 結構抗震設計課程教學問題調研[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（3）： 75-77.

[4]王前信. 工程抗震三字經[M]. 北京： 地震業出版社， 1997.

[5]陳國興，柳春光，邵永健，等.工程結構抗震設計原理[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2009.

[6]李愛群，丁幼亮，高振世.工程結構抗震設計[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2010.

“Multimedia， engineering case studies， and numerical simulations”

model in teaching of seismic principles of structures

SUN Guangjun， LI Hongjing

（College of Civil Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， P. R. China）

Abstract： According to the “multimedia， engineering case studies and numerical simulations” teaching model and knowledge modules， actual engineering cases were selected as teaching subjects， and numerical simulation experiments based on finite element software and multimedia technology were applied in teaching of earthquakeresistant of structure. In this sense， students were attracted into a real seismic engineering situation and the visualization of course contents was realized. Meanwhile， teachers and students were interacted. By using the teaching model， students ability to understand basic conceptions of earthquakeresistant of structure and their practical application ability were improved.

Keywords： multimedia； engineering case； numerical simulation； earthquakeresistant； teaching