探究式教學法在工程抗震課程教學中的應用

摘要：工程抗震課程是土木工程專業的主干課程。文章結合大量工程抗震案例，按因問設景和因勢利導兩個步驟進行探究式教學法的實踐探索。根據學生的認知結構將其引入場景，并層層推進探尋問題，使學生從觀者轉變為參與者，并按教學內容進行串聯式和并聯式場景轉換，在互動中強化教師的主導性和學生的主動性，使新型的認知結構同化于心、順應于物。

關鍵詞：工程抗震；探究式教學；課程教學；教學研究

中圖分類號：G6420；TU352文獻標志碼：A文章編號：10052909（2015）06010206近年來地震特別是強震頻繁發生，造成重大經濟損失和人員傷亡，工程抗震課程教學的重要性日益突出。各高校相繼將工程抗震課程作為土木工程專業的主干課程，并加強了課程的實踐教學環節[1-3]。工程抗震課程教學目的是使學生掌握結構抗震設計的專業技能，掌握國家有關建筑工程防震減災的法律法規和以預防為主的方針，在工程建設中對建筑進行有效的抗震設防，減輕結構的地震破壞[4]。然而在學習中，學生經常被枯燥的規定條款、繁瑣的專業術語、艱澀的力學公式、生硬的構造措施所困擾。為幫助學生消除學習中的困擾，在該課程教學中筆者進行了探究式教學法實踐的嘗試，以期破解這一傳統教學中的難題。

探究式教學法（Inquiry Teaching）是美國哲學家John Dewey提出的，在20世紀50年代得到廣泛應用[5]。探究式教學法是指針對某工程實例，遵循由質疑、分解、辨析到檢驗循序漸進的分析方法，獲取探究對象演化運動的規律。探究式教學法對教師而言不僅僅是把知識帶給學生，更重要的是把學生引向知識的海洋[6]。探究式教學法分因問設景和因勢利導兩個步驟，而且這兩個步驟反復貫穿于工程抗震課程教學的全過程。

一、探究式教學的第一步：因問設景

因問設景是根據探究的問題設置場景，是探究式教學的第一步。場景（Situation）是某一特定事物在一定時空條件下所處的情境。教學場景包括5W1H組成要素，即時間（When）、空間（Where）、事物（Who）、情境（What）、事因（Why）、方式（How）。其中事物是指探究的對象，即教學內容；情境是指與教學內容相關的某一特定情形和境況；事因是指探究對象演化運動的規律，即教學目標；方式是指展現情境的表達形式，如文字、圖形、圖像、聲音、動畫、視頻等。通過場景的設置將學生和事物之間建立起認知與被認知的聯系，讓學生入情入境。這些情感的投入將有助于學生創新思維的激發和創新觀點的碰擊，使其認知水平達到一定的理性高度。問題（Questioning）是探究式教學活動的觸發器，能促使學生探究情境背后的事因。在課堂教學中應以學生認知結構為出發點，以探尋問題層層遞進為主線，通過場景引入和場景轉換的設計，以多樣方式使所研究的事物更為形象，能更好地聚焦學生的注意力，從而有利于揭示出事因。

（一）場景引入

“接知如接枝”。新的知識是建構（Constructivism）在人們原有認知結構上的。認知結構是人們感知、加工、推理外界信息的知識結構。認知結構是人們現實生活（Real Life）和過往經驗（Past Experience）的累積和重組。因此，學生的認知結構是場景引入前需要考慮的重要因素，也是場景引入后能否取得良好教學效果的重要前提條件。工程抗震課程是在大四開設的。大四學生已完成大部分基礎課程和專業課程的學習，具有通過閱讀、觀察、實驗、思考、討論、聽講等途徑探究問題的能力。同時也要注意到，學生的認知結構會在課程學習的各階段有所變化。在課程的學習初期學生大多觀而不語，扮演觀者（Viewer）的角色，而在課程學習中后期學生參與問答的能力有所提高，轉變為參與者（participant）的身份。在同一情境下，由于參與者與觀者存在認知結構的差異性，使得對事物觀察的角度、剖析的尺度會有明顯的差別，因此需要基于學生現有的認知結構，根據教學目標和內容來設定難度合適的問題。教學中筆者常以地震事件作為場景。這是因為地震事件不僅是師生共同的認知點，而且也蘊藏著豐富的問題，適合于不同層次教學目標和內容的需要。地震是地球積聚能量的突然釋放，并以波的形式引起地表隨機振動。強烈地震導致山崩地裂、房塌橋斷、家破人亡、社會振蕩。教學場景可通過收集各種素材如新聞報道、地震災難片等，借助多媒體的剪輯制作，突出災難的場景，再現地震強大的破壞力。地震災難片，如中國的《唐山大地震》、美國的《Aftershock：Earthquake in New York》（紐約大地震）、《San Andreas》（加州大地震）、日本的《The Day the Earth Moved》（地動之日）、《Earthquake Archipelago》（地震列島）、《Nihon Chinbotsu》（日本沉沒）等影片等?！罢婢拔铩⒄娓星椤倍加泻芎玫乃囆g感染力。大量發生在不同歷史條件下的地震事件匯聚人類共同的悲感情懷，從而觸發學生痛定思痛后的思考：如何進行工程的抗震，以防止災難的發生？

高等建筑教育2015年第24卷第6期

鄔喆華探究式教學法在工程抗震課程教學中的應用

1.觀者

地震事件能加深學生對災難的慘痛認知。中國處于歐亞地震帶和環太平洋地震帶上，地質構造復雜，具有震源淺、震情頻度高、強度大、分布廣的自然特征；同時發震地區又常常人口眾多、經濟欠發達、建筑物抗震性能低等，造成的地震震害極其嚴重。如1556年陜西華縣8.0級地震，死亡83萬余人；1976年河北唐山7.8級地震，死亡24.2萬人，重傷16.4萬人，倒塌民房530萬間，直接經濟損失54億元；2008年四川汶川8.0級地震，死亡69 227人，失蹤17 923人， 直接經濟損失8 451億元。嚴重的地震災害迫使人們進行反思：如何針對時間、地點、強度和頻度等都不確知的地震，采取什么策略和措施，使工程結構具有最佳的抗震能力?！岸嚯y興邦”。中國在總結震害經驗之后，充實了強震觀測、試驗研究和理論分析的基本抗震手段，加強了抗震規范在規劃、設計、施工中的實施。從《工業與民用建筑抗震設計規范》（TJ11-74和TJ11-78）到《建筑抗震設計規范》（GBJ11-89和GB50011）的出臺，并經2001年、2008年、2010年多次修訂，形成了定量計算和定性分析相結合的完善的抗震設計體系。從地震事件出發，沿著抗震設計演化的歷史，學生更容易理解工程抗震規定的必要性、科學性、嚴肅性。建筑物的抗震設防要求不能因強震的偶發性、復發周期的不可預測、經濟條件的薄弱而被忽視。引導學生從被動的觀者向主動的參與者角色的轉換。

2.參與者

傳統的抗震設計方法，一方面采用增大構件截面、配筋、混凝土強度等級等措施來提高結構體系的抗震承載能力；另一方面又利用結構的延性來減輕地震反應，使結構不發生過大的損傷。歷次的強震震害都說明傳統的抗震設計方法盡管可以提高結構抵御地震災害的能力，但也存在結構安全性難以保證、適應性受到限制、經濟性欠佳、震后修復難度大、修復所需時間較長等一系列問題。特別是在土木工程中，隨著材料強度的提高和施工技術的進步，工程結構的尺寸越來越大，結構剛度顯著降低，對建筑物的舒適性、使用壽命和抗震性影響較大，應用傳統的抗震設計方法難以在超高層建筑、大跨度橋梁等工程中實現設計目標。日本是地震多發國家。20世紀以來，日本以每次大地震為契機，積極發展結構抗震理論及技術應用，成為世界抗震強國。在1923年7.9級關東地震、1978年7.4級宮城縣沖地震、1995年7.2級阪神地震、2011年9.0級東日本地震發生后，日本持續修改完善《建筑基準法》，提高各類建筑的抗震基準。近年來日本地震直接造成的人員傷亡數、房屋倒塌數大大降低。據對1995年阪神地震神戶中部932座毀壞樓房的統計，1971年前和1982年后建造的房屋在地震中的坍塌數占同期建造房屋的比例分別為35%和8%。筆者在東日本地震發生時適逢在東京地區，親歷路人從容、秩序井然的景況，深有感觸。作為土木工程專業學生應思考追問：是什么技術使建筑物經受住了強震的考驗，使路人在災難面前擁有那份自信？這是由于日本在傳統抗震設計方法的基礎上廣泛應用了結構控制技術。結構控制技術是指采用某種措施使結構在動力載荷作用下的響應不超過某一限量。目前以隔震和消能減震技術為代表的控制技術已進入實用階段。認識到這些，學生就能更加審視自身的不足，更加努力學習新知識和新技術。

（二）場景轉換

工程抗震的設計內容包括結構抗震計算和抗震措施兩部分。每部分都需有不同的場景與之對應。隨著教學內容的逐步深入，場景也需不斷地發生轉換。課堂教學可采用串聯式（Series Conversion）和并聯式（Parallel Conversion）兩種場景轉換的形式。串聯式轉換是指各場景之間互相貫通，主要應用于教學內容存在先后的學習順序，具有聯系緊密、連續性強的特點。并聯式轉換是指通過一個處在核心位置的公共場景來連接各個場景，主要應用于即相對獨立，又存在一定相似性和可對照性的教學內容。

1.串聯式

結構抗震計算是課程的難點和重點。表1是教學環節“結構地震作用”的場景設置。序號1是彈性體靜力問題。序號2是剛體動力問題。它們的認知結構都屬于舊知模型。序號3和序號4分別是單自由度和多自由度彈性動力體系。它們的認知結構都需要建構在舊知模型上。這部分教學環節的場景轉換選用串聯式轉換。教學順序是從單自由度到多自由度，從自由振動到強迫振動。教學中應首先喚起學生對舊知模型的回憶，激活學生已有的認知結構相關知識，幫助學生準確把握新舊問題的銜接點，找準新問題。其次，圍繞教學內容（事物），設立一個單項工程（情境）。單自由度彈性體系的典型工程有水塔、單層廠房；多自由度彈性體系的典型工程有煙囪、多層辦公樓。再次，提煉計算簡圖，建立動力方程（事因）。地震作用的動力方程為常系數二次線性微分方程。動力特性是齊次微分方程的通解，是動力特征方程的特征值和特征向量，是結構的頻率和振型。結構反應是非齊次微分方程的特解，是在給定的地震作用下的強迫振動。然后再求動力特性和結構反應。地震作用計算方法常用的有振型分解反應譜法、底部剪力法和動力時程分析法。最后在序號4的認知基礎上拓展教學的深度，如考慮水平和豎向地震作用的計算以及扭轉效應的偏心結構等。表1教學環節“結構地震作用”的場景設置序號情境（What）事物（Who）事因（Why）認知結構1重力荷載作用下的房屋靜力kx=F舊知模型2自由下落的物體動力/剛體mx¨=F舊知模型3單層房屋、水塔動力/單自由度彈性體系/自由振動mx¨+cx·+kx=0動力/單自由度彈性體系/強迫振動mx¨+cx·+kx=-mx¨g新知模型4多跨不等高廠房、多高層建筑動力/多自由度彈性體系/自由振動mx¨+cx·+kx=0動力/多自由度彈性體系/強迫振動mx¨+cx·+kx=

-mIx¨g新知模型注：表中x、x·、x¨分別為質點相對于地面的位移、速度、加速度；x¨g為地面的加速度；m、c、k分別為質點的質量、阻尼、抗側剛度；F為作用于質點上的荷載；·、·分別表示為方陣和列陣；I為單位列陣。2.并聯式

很多教學內容的場景轉換可采用并聯式轉換。由于授課時數有限（為36學時），屬于并聯式轉換的教學內容可采用簡略的方式不再講解其中共性的部分，如抗震設計方法的教學。目前中國抗震設計的方法有“三水準二階段”的設計和基于性態的結構抗震設計。常規建筑一般實行的是“小震不壞，中震可修，大震不倒”的“三水準二階段”的設防要求，需要對結構力學模型進行動力或擬動力的計算分析，驗算結構或構件內力和變形是否滿足抗震設計要求。對于超常規建筑，如超高層建筑、大跨建筑、不規則復雜建筑，還需進行基于性態的結構抗震設計?；谛詰B的結構抗震設計是根據建筑物的重要性、用途或是業主的要求來確定其性能目標，提出不同的抗震設防水準，進行結構抗震設計，評估結構抗震性能，判斷結構是否滿足性能目標的要求。這兩種設計方法有著相通的部分，場景轉換著重在各自的特點上。又如典型房屋結構設計的教學。建筑結構因選用的結構材料差異而適應不同建筑功能、建筑技術和經濟指標的要求，結構形式具有多樣化的特點。目前廣泛應用的是鋼筋混凝土結構、砌體結構和鋼結構三種典型房屋結構。此三種典型房屋結構在遵循抗震設計一般原則下都有各自的震害特征、設計要求、計算方法和主要抗震措施。一般以框架結構作為鋼筋混凝土結構的代表，以鋼筋混凝土結構作為砌體結構和鋼結構的代表，應著重根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，探究建筑和結構總體布置，進而確定其細部構造。

二、探究式教學的第二步：因勢利導

因勢利導是遵循問題—應答—問題—應答這一循環趨勢進行方向性的引導，是探究式教學的第二步。美國教育家Kenneth Richmond Andrews說過，教學的最終目標是引導學生正確提出問題和回答問題。上海大學老校長錢偉長先生認為：把學生教“懂了”是不正常的，教“不懂了”才是正常的，也才符合人才培養的規律。在教學中，合理安排時間，引導學生質疑互動，著力于引疑、質疑、釋疑過程中傳授質疑的方法。剛開始，學生提出的問題可能顯得初淺，但經過多次引導，學生會在“怎樣問”和“問什么”上提高水平，融入探究式教學活動中。在課堂教學中應倡導學生主動、教師主導的教學理念，通過師生間和學生間的互動交流，使學生的認知結構同化于心、順應于物。

（一）互動主體

互動是人與人之間相互作用和相互影響的方式和過程。Palincsar和Brown率先在教學中提出了互動式 （reciprocal teaching）概念[7]。教學中教師和學生是互動的主體。學生在思考、體驗與建構新型的認知結構的同時，對教師而言也是一個不斷接受反饋信息、不斷修正、不斷提高的過程。

1.教師

教師是以傳道、授業、解惑為職責。在互動中教師與學生應建立一種有別與傳統教學關系的聯系，教師應逐步從獨奏者過渡到指揮者。前蘇聯心理學家Lev Vygotsk認為教師在學生學習過程中起到的是建立概念框架（Conceptual Framework）的作用，搭設腳手架引導（Scaffolding Instruction） 學生完成建構，教師與學生是互教互學的學習共同體。教師在教學中應有意設置層層斷點，引導學生發表觀點，進而引發深層次討論。如震級測試儀的教學案例。地震震級是衡量一次地震釋放能量大小的尺度，是地震的一個重要指標。美國地震學家里克特（Charles Francis Richter）和古登堡（Beno Gutenberg）于1935年提出里氏震級，規定標準地震儀在距離震中100km處記錄的以μm為單位的最大水平地動位移。標準地震儀是指擺的自振周期為0.8s，阻尼系數為0.8，放大倍數為2 800倍的地震儀。有細心的學生就會發現，地震時地震儀不一定距震中正好100km，觀測點也不一定會采用標準地震儀，這種情況里氏震級該如何標定呢？另外，在震級大于6.8級或觀測點距離震中超過600km，里氏震級如何改進呢？這些都是很好的問題。在教學中，教師要時刻關注互動的進展，從講臺走到學生中間來傾聽，不失時機地拋出關鍵性論點、論據，引導學生進行討論。在與學生共同探求下，介紹面波震級、體波震級和矩震級的創新點。其中矩震級是根據地層錯動的大小、滑移斷面大小和性質，通過波形反演的方法計算地震的能量，不會出現震級飽和效應。結構抗震技術就是在一個個斷點接力中得到不斷的發展。

2.學生

同伴互教（Peer Teaching）是指逐漸把教師的角色讓位給學生，探究活動的開展主要由學生集體來完成，這樣有利于培養學生的自主學習能力。“隨風潛入夜，潤物細無聲”。教師此時是無聲勝有聲。對于地震起源的問題，古代各國有不同的認識。中國把地震歸因于抽象的陰陽失調，日本認為是鲇魚翻身造成了地震，而印度認為是地下的大象發怒而引發了地震。對此，學生一般會持否定的態度，進而提出各自的見解。有的認為火山作用是地震的原因，有的認為地震是由地下巖石的突然斷裂而造成的，有的認為地面坍陷是地震的原因。在互動中，教師應關注學生的見解是否采用正確的分析方法。如是，則進行鼓勵；如不是，則進行引導。在授課中可實時上網查閱資料，對各自的論點提供充足的論證。1906年7.8級美國舊金山地震發生在加州圣安德烈斯（San Andreas Fault）斷層上。地震時，斷層兩盤發生右旋錯動。其中垂直于斷層的一農場籬笆被錯開了3～4m。1739年8.0級寧夏平羅地震使賀蘭山前斷層錯動，造成紅果子長城斷點位移1.95m，垂直位移0.9m，東斷點垂直斷距1.5m。中國地震多發，但火山分布不多?；谶@些直接觀測的事例和數理統計結果可得出地震的主因是構造地震。師生互動中應注重信息的篩選與整合。如問：從概念設計的角度，結構有哪些抗震措施？所問的“概念設計”限定了抗震措施考慮的范疇，確定了篩選信息的標準。概念設計是根據地震災害和工程經驗所形成的基本設計原則和設計思想，著眼于建筑和結構的總體布置，指導結構細部構造的確定。建筑抗震概念設計較定量計算方法更適宜解決地震動、結構模型、分析方法、破壞程度等不確定信息的分析，通過工程抗震基本概念解決場地、地基和基礎、建筑形體及其構件布置的規則性、結構體系、非結構構件、結構材料與施工等結構系統性全局問題。學生在課后查找資料后會回答：建筑場地應選擇有利地段，采用樁基來消除地基土液化，結構體系宜有多道防線，建筑形體應規則，構件應具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力，非結構構件應與主體結構有可靠的連接和錨固，鋼筋宜優先采用延性、韌性和焊接性較好的鋼筋等。對學生回答的信息經過整合，就可水到渠成得到問題的完整答案。

（二）建構方式

瑞士心理學家Jean Piaget的發生認識論（Genetic Epistemology）認為人的認知發展要經過同化（Assimilation）和順應（Accommodation）兩個基本過程[8]。同化是指個體把外界刺激所提供的信息整合到自己原有認知結構內的過程。順應是指個體的認知結構因外部刺激的影響而發生改變的過程。同化是認知結構數量的擴充，而順應則是認知結構性質的改變。

1.同化

學習知識的目的不是為知識而知識，而是人成長發展的基礎。結構抗震技術是地震工程學一個重要的組成部分，需要綜合運用結構設計的知識解決土木工程問題。課程教學前期需要掌握一定的專業基礎技能，要求學生具備高等數學、線性代數、結構力學、土力學、地基基礎、鋼筋混凝土結構、鋼結構、砌體結構、建筑施工、房屋建筑學等多方面的知識。教學中按照建構主義學習理論，先設定學習的目標，讓學生以現有認知結構為基礎，對新知識進行加工，提高知識技能，最后形成自身的認知結構。課程設計是教學的重要環節，能夠貫通課程所涉及到的重點和難點。課程設計任務是在一棟建筑物中選擇一榀框架進行抗震結構設計，按制圖標準繪制框架配筋圖，包括構件配筋圖和各控制斷面的配筋詳圖。設定的設計條件參照實際結構的設計情況。設計資料是建筑設計圖紙。設計參數主要是場址、場地土類型。為給學生更多的設計空間，允許學生自行進行柱網布置、樓屋面梁板布置，確定構件尺寸、混凝土強度等級、鋼筋級別，并對建筑設防類別、設防烈度（設計基本地震加速度值）、設計地震分組、抗震等級按規范要求進行合理取值。教師對課程設計中出現的各種問題進行集中解答，使學生的課程設計能在可控的條件下不斷修改，持續地推進。對于大多數缺乏實踐經驗的學生來說很難將構造措施理解到位。對此，可通過工程現場參觀、閱讀工程圖紙等方式加以解決。在課程設計完成時教師應總結歸納知識點。如可將設計概括為“12345”。“1”是抗震等級?！?”是兩類鋼筋的配置（箍筋和縱筋）?！?”是三個部位（梁、柱和節點）?！?”是四個典型框架節點構造詳圖（中間層的邊柱、中柱；頂層的邊柱、中柱）?！?”是五個控制準則（強剪弱彎、強柱弱彎、強節點弱構件、剪壓比、軸壓比）。如此，方便學生鞏固記憶，靈活掌握所學的知識。

2.順應

創新是工程發展的生命力。“問渠哪得清如許，為有源頭活水來”。學生在接觸新知識和新技術時會有視野大開、豁然開朗的感覺。如結構控制的教學案例。智能控制系統（Smart Control System）應用高效智能材料（Smart material）于抗震結構中，是材料技術在傳統土木工程中的一次偉大變革。高效智能材料（Smart material）是一種自身特性和功能可隨外部環境改變而做出調整的材料系統，可作為振動控制的傳感元件、作動元件和控制處理元件，如光導纖維（Optical Fibers）、形狀記憶合金SMA（Shape Memory Alloy）、電流變液ERF（Electro-Rheological Fluid）、磁流變液MRF（Magneto-Rheological Fluid）、壓電材料（Piezoelectric Material）等。又如地震預警的教學案例。地震發生時向外傳播地震能量的是波。如果關注到縱波傳播速度要快于橫波和面波，并且縱波攜帶的地震能量要遠小于橫波和面波時，對工程物破壞的主要是橫波和面波，那么根據這一特性就可以開發出地震預警系統。日本地震預警系統是在橫波到來之前，根據預測到的縱波，提前幾秒至數十秒觸發地震震害警告。2006年日本預警系統開始在全國范圍投入使用。2011年東日本地震發生5.4s后，系統多次發布地震預警。其中距離震源較近的巖手縣、極震區宮城縣分別獲得了12s、18s的預警時間，而距離震源300km的東京都在警報發出1min后，才感受到地表和建筑物劇烈的搖晃，預警效果較好。這些創新的工程抗震技術會讓學生在互動協作的交流活動中形成獨立的學術研究個性，具有獨立思想、獨立觀察、獨立判斷的能力，其認知結構會有質的飛越。

三、結語

探究性教學法是破解傳統工程抗震教學困境的一種嘗試，在學生課程設計中取得較好的實踐效果。學生不僅能夠正確理解課程知識、熟練掌握設計技能，而且獨立的學術個性也得以形成和張揚。按因問設景和因勢利導兩個教學步驟實施探究式教學時，應結合大量工程抗震案例，根據學生的認知結構將其引入場景，并層層遞進提出問題，使學生實現從觀者向參與者的轉變，按教學內容進行串聯式和并聯式場景轉換。在互動中遵循教師主導、學生主動的課堂教學原則，使新型的認知結構同化于心、順應于物。

參考文獻：

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Application of inquiry teaching in earthquake resistant engineering

WU Zhehua

（School of Architectural and Civil， Ningbo Institute of Technology， Zhejiang University， Ningbo 315100， P. R. China）

Abstract： Structural seismic design is regarded as the main course of civil engineering specialty. There are two steps of inquiry teaching in practice. One is situation setting according to questioning， and the other is active instruction in the light of its general trend. Combined with many engineering cases， situations were induced based on students cognitive structure. Progressive questionings transformed students from viewers to participants. The serial and parallel scenes were selected considered the teaching contents. Teachers leading and students initiative were stressed during the interaction process. The new cognitive structure model was built with assimilation and complied with the matter.

Keywords： earthquake resistant engineering； inquiry teaching； course teaching； teaching research