結構設計競賽對抗震課程教學改革的啟示

楊明飛 姜黎 宗翔

摘 要：以全國大學生結構設計競賽為基礎，針對現代化結構抗震設計“卓越人才”的培養，結合結構抗震設計新技術的發展，對目前《結構抗震設計》課程的理論和實踐教學進行了探索。說明抗震實踐教學是提高學生的學習興趣和動手能力的重要手段，同時結構大賽能夠培養學生的創新思維，促進師生交流，加深學生對結構抗震設計的理解。

關鍵詞：卓越人才；結構抗震設計；實踐教學；結構大賽；創新思維

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

《結構抗震設計》是一門綜合學科，其研究以彈性力學、彈塑性力學和結構動力學等為基礎，主要內容包括建筑材料與地基的動力特性，構件與結構的振動特性、結構動力反應（重點和難點是非線性或彈塑性反應），結構物的彈塑性與脆性破壞機制，以及結構可靠性理論和工程設計等領域[1]。由于課程涉及的內容廣、難度大，因此對學生專業基礎課的要求較高。而結構抗震設計課程的教學目的是掌握抗震的基本知識、基本理論、基本技能，了解抗震設計的一般規律；培養運用規范、標準熟練程度；查閱技術資料的能力和抗震計算能力；了解結構抗震設計的新理論、新方法及抗震理論、方法發展的新趨勢[2]。全國大學生結構設計競賽是由高等學校土木工程學科專業指導委員會和中國土木工程學會聯合主辦，由高校輪流承辦。是土木工程學科培養大學生創新意識、合作精神和工程實踐能力的學科性競賽[3]。同時大賽為高等學校開展創新教育和實踐教學改革、加強高校與企業之間聯系、推動學科創新活動起到積極示范作用。

2014年第八屆大學生結構設計大賽由長安大學舉辦，比賽以古建筑閣樓為選題背景，采用竹子作為結構材料進行設計。根據要求，竹制模型需要經受三次不同強度的地震考驗，要求結構不發生下列情況：（1） 任意構件出現斷裂或節點脫開；（2） 配重脫落；（3） 變形測量點撓度超標。安徽理工大學以作品“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。作者以此次參賽經歷作為基礎，結合目前的《結構抗震設計》課程理論和實踐教學方法，提出了自己的一些觀點和今后抗震課程教學改革的措施。

圖1 第八屆結構設計大賽

1 結合結構設計大賽對《結構抗震設計》課程理論教學改革

第八屆結構大賽主要任務是要求學生運用結構抗震設計、工程力學和材料力學等知識，對主體結構進行一系列的計算，初步確定結構構件各截面的尺寸，同時利用ANSYS軟件對結構進行了數值建模，利用時程分析的結論對手算結果進行驗證。最后由初步確定的尺寸進行模型制作，并對其進行振動臺試驗測試，同時利用測試結果對原有設計進行了驗證和改進。這就要求首先學生應該掌握《結構抗震設計》的基本知識，包括水平地震力的計算方法-底部剪力法、振型分解反應譜法和時程分析法等；水平地震力在結構中的分配方法-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，離不開適當的數值分析。在軟件方面，學生應該對結構力學求解器和ANSYS等計算軟件有所了解，在指導老師的指導下能夠完成模型的建立與地震作用下的力學分析。

安徽理工大學依托學科建設優勢，引入科學研究新成果，對《結構抗震設計》課程的內容體系進行了全新的構架。近幾年，逐漸形成了自己的特色，例如教學過程中把“抗”和“防”緊密結合，從建筑物的抗震設計慢慢過渡到建筑物以外，如橋梁、構筑物等防災減災的范圍，擴展了知識的廣度和深度，較好適應目前對“卓越人才”培養的要求。以此次大賽為基礎，在今后的課堂教學中，應盡量將抗震理論知識實用化，上課的同時盡量為學生們介紹一些和抗震相關的一些軟件信息，擴大他們的知識面。讓同學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會使用各種計算軟件對地震作用下工程結構的地震反應進行求解。

2 結合結構設計大賽對《結構抗震設計》課程實踐教學改革

結構設計大賽之所以成為一項具有創造性的比賽，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，它給了學生足夠的想象空間，可以任意選擇結構形式等；第二就是動手能力方面，競賽允許學生以各種工具（比賽規定以內），因此可以充分發揮學生的創作性思維，而這樣的思維過程可以說是對學生的一個良好的鍛煉[4-5]。

通過對結構設計大賽的指導，在《結構抗震設計》課程實踐教學方面得出以下一些經驗和啟示。

2.1 注重理論聯系實際

對于抗震知識的教學決不能停留在書本、圖片或者視頻當中。雖然本科生在大三的上半學期有生產實習，在實習的過程中也會有一些抗震方面的實例進行介紹，但有些時候并沒有引起指導教師足夠的重視，而導致實習效果不理想。因此建議在實習的過程中，應將建筑的抗震設計方面的知識與實際工程的結合的內容作為實習的一項指標進行考核。當然更好的方法是在實習的場地安排方面，盡量安排到在建或已建成的抗震、隔震或減震房屋，因為結構抗震設計未來的發展方向將是房屋隔、減震設計，而此項設計實際上在美國、日本的國家已經是一項相當成熟的技術，只是在我們國家的應用還相對較少。通過抗震設計理論和實踐相結合，才能鞏固學生在課堂上所學的知識。

2.2 增加實驗教學環節

《結構抗震設計》課程具有較強實踐性，傳統的教學方式只能給學生感性的認識，雖然在教學的過程中基本可以達到教學目的，但是隨著時間的增加所學的知識點會逐漸被淡忘[6-8]，這種情況就是由于學生沒有主動參與結構抗震設計造成的，對于這一點作者深有體會。在指導結構設計大賽之初，學生其實并不了解振動臺測試技術-振動測試的基本技術，這也從另一角度說明在課堂上對于抗震實驗教學環節上還有待進一步提高。因此建議增加抗震設計的實驗課時，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，讓學生參與到振動臺試驗必將會為結構抗震設計教學帶來巨大的收獲。2012年，安徽理工大學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，然后經控制器輸出控制信號調節液壓缸的運動。以框架結構為例，為了能夠給學生一個直觀的震害現象、結構的破壞機理等特征，可以讓學生制作模型，其材料可以選擇水泥砂漿、石膏甚至竹子進行等強度替代，將模型固定在振動臺上進行真實地震模擬。2012年，作者指導學生做了全國“挑戰杯”的模型振動試驗，模型如圖2所示。2014年，作者指導第八屆全國結構設計大賽的模型振動試驗，模型如圖3所示。結果均表明振動試驗的確能夠增加了學生對結構抗震的感性認識，同時加深了對結構抗震課程內容的理解。

圖2 全國“挑戰杯”比賽模型 圖3 結構設計大賽參賽模型

2.3 促進師生交流

一個人的力量是有限的，很多事情必須通過合作才能成功。結構設計大賽是以團隊的形式參賽，目的正是要培養學生與學生、學生與教師之間的相互合作的能力。通過指導結構大賽，發現老師平時對于學生的認識和學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的問題，老師和學生之間的思考都比較獨立，欠缺足夠的交流。在教學的過程中更應該認真借鑒，課堂知識講解結束可以適當提出一些和教學難點相關的問題給大家思考，讓學生來講解對該難點的理解，如何避免出錯，同時鼓勵學生參與討論。另外，我們可以引入“競賽”機制，將學生進行分組，對于每組提出的見解進行分析與反駁，老師可以根據每組的表現進行評分，并將該分數記為平時成績，以此來考察學生對抗震知識重點和難點的掌握情況。

2.4 因材施教，創新培養

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

3. 結語

目前各高校都在提如何創新的問題，儼然創新已經成為決定一個個體良好發展的前提。尤其是我們當代的本科生，確實在培養創新的方面應該有所追求。作為學生的任課教師或者指導老師，應注重采用現代化的教學手段，保持理論與實踐相結合，不斷提高自身的綜合素質，開闊國際視野，為學生的進步提供足夠的支持。

參考文獻：

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