基于小型振動臺的抗震實驗教學改革研究

章敏 馮國瑞 程欣 牛琪瑛

[摘 要]傳統結構抗震實驗教學多以構件動力測試為主，內容較為單一，缺乏對學生科研創新能力的培養。項目組通過借助小型振動臺，將管樁地震響應、復合樁加固液化地基和多層鋼框架振動響應三項科研課題轉化為探究型實驗教學，闡述了實驗教學的實施過程，對實驗選題、教學團隊組建、考核評價體系等方面提出了建議。實踐結果表明，教學與研究相結合的教學理念培養了學生的初步科研能力，加深了對結構抗震概念的理解，促進了師生間的交流。

[關鍵詞]振動臺實驗;科研課題;教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）06-0058-04

中共中央、國務院在《關于深化教育改革全面推進素質教育的決定》中明確提出了“高等學校要重視培養大學生的創新能力、實踐能力和創業精神，普遍提高大學生的人文素質和科學素養”的要求。在這種背景下，提高學生的綜合素質和實踐操作能力就顯得尤為重要，尤其是土木工程這類實踐性較強的學科。實驗教學作為教學體系的一個重要組成部分，是培養學生實踐操作能力和創新意識的重要途徑[1]。將前沿科研成果不斷轉化成新的實驗內容，一方面增加了實驗教學的廣度和深度，使傳統和經典實驗更加生動有趣，另一方面也有利于帶動和促進學科建設的整體發展[2]。

于學生而言，實驗是在掌握理論知識的基礎上對所學知識進行實際、綜合的運用，有利于幫助學生更加深刻地理解相關原理，能培養動手和解決問題的能力和科學的思維能力，是理論教學無法代替的[3]。對于有志于繼續深造的學生來說，在本科畢業前掌握一些從事科研實驗的基本方法，可為其今后繼續從事學術研究打下基礎。這也為科研儲備了生力軍。對于社會而言，成功的實驗教學可為企業培育急需的應用型人才，滿足社會建設和經濟持續增長的需求。另外，實驗教學工作水平的高低，也是衡量一所高校教學和科研水平及學生綜合素質的一個重要參考指標[4]。

為有效激發學生參與實驗教學的主體意識和積極性，擴充本科實驗教學內容，加強實驗教學在結構抗震教學體系中的地位。本文在傳統“驗證型”的構件動力測試教學基礎上設置“探究、創新型”的動載實驗教學，力求實驗模型、結構體系和激勵形式多樣化，并從實驗選題、教學方法和考核機制等方面對探究性試驗教學進行了有益的探索。

一、實驗教學改革

（一）實驗模式

實驗模式實行驗證型實驗與探究創新型實驗并重。其中驗證型實驗主要以框架結構低周往復靜載試驗為主，以驗證課堂傳授的結構抗震基本理論和方法，熟悉加載設備以及結構實驗的量測技術。探究型實驗則主要以科研課題為依托，開展結構動力加載試驗。學生通過獨立設計、獨立操作、綜合運用所學知識，達到培養解決工程實際問題或科學問題的能力，養成初步的學術研究能力的目的。

（二）實驗選題

實驗教學選題應遵循可行性、先進性、實踐性強、切合工程實際等原則，并充分發揮學校或學院研究特色。基于此，考慮到筆者所在學院在液化砂土地基加固、PHC管樁抗震性能等領域進行大量的研究，在開展振動臺實驗和動力測試方面積累了豐富的經驗。實驗主要借助小型電磁激勵器，無需對大型科研設備進行改進和拓展，成本低，在經費投入不大的情況下可進行多組實驗教學。對于尚處在研究階段的項目，包括研究生論文實驗、教師科研項目，鑒于實際情況，通過選拔、吸收一部分感興趣的學生共同參與[5]。如此一來，既實現了科研資源的有效利用，又培養提升了學生的科研素質和綜合能力。同時，也避免了傳統實驗項目無法推陳出新的缺陷，保障了試驗教學資源始終與科研前沿的緊密聯系。此外，考慮到本科學生尚未學習完全部課程，知識體系不完整，進行探究型實驗比較困難，為此開設了“科研專題入門”講座，授課內容圍繞實驗所涉及的理論知識、操作方法和科技論文撰寫等，以幫助學生快速入門。

（三）團隊組建

學生采取4～6人為一組的小組形式，并按照動手能力、知識掌握程度等指標均衡分配，保證每個小組可以順利組織實驗。教學團隊以理論授課教師和實驗技術人員相結合，并選拔具有豐富的理論與實踐知識以及出色組織管理能力的教師擔任負責人。在人員配置上，選聘研究生作為助教，每位助教輔導2～3組學生進行實驗、協助教師解決實驗過程中各小組遇到的問題，以及協助批改實驗報告[2]。

（四）教學實施

小組實驗按照文獻查閱、理論分析與計算、實驗驗證與分析、論文撰寫、專利申請等步驟進行[6]。實驗前，各小組通過查閱文獻、搜集資料，了解實驗背景、基礎理論和研究現狀，并掌握相關的試驗操作方法，制定初步的實驗方案。此后，在教師指導下，修正方案并進行試驗前的理論分析及計算，以此作為后續試驗的參照。在實驗過程中，將實驗結果與理論分析結果進行對比驗證，分析結果差異和原因。待實驗結束后，組織學生按論文格式對研究成果進行整理，并鼓勵他們撰寫論文或申請專利。

（五）多元化考核評價

為提高實驗教學的效果和改變傳統學生只注重卷面成績的情況，考核方式摒棄了傳統的筆試和操作考試，學生成績由平時實驗G1（20%）、成員討論G2（20%）、實驗報告G3（40%）和口頭匯報G4（20%）等綜合評定，并將實驗成績G單獨計入學期末考試成績。

二、結構抗震實驗教學改革實踐

我國地處歐亞和環太平洋兩大地震帶之間，重大結構的抗震設防是社會和工程建設者共同關注的焦點。建筑物的抗震性能與災變機理已成為土木工程與地震工程領域的核心問題，而振動臺實驗是抗震設計理論的重要研究手段之一，試驗采用DYS-1000-8-08伺服液壓式小型振動臺，額定正弦推力9800N、額定加速度122.5m/s2、頻率范圍1-2000Hz、額定位移51mm、額定荷載300kg。接下來以“PHC管樁抗震性能實驗”“多元樁復合地基抗液化實驗”和“多層鋼框架結構振動實驗”三項課題的實驗教學為例，介紹探究性實驗教學實施的具體過程。

（一）PHC管樁抗震性能實驗

利用小型振動臺裝置模擬簡諧地震波（SH波），研究管樁在地震作用下的響應特征和破壞形式。在模型箱中埋置加速度傳感器、應力、應變及位移傳感器，通過動態應變測試儀采集不同地震激勵條件（加速度峰值和頻率）下樁土響應結果，獲得與之對應的樁身位移分布、樁身內力分布和樁土界面壓力，以此評價管樁的抗震性能（見圖1和2）。

實驗教學過程如下：第一階段，各學生小組就樁-土動力相互作用和振動臺實驗進行文獻查閱，初步制定實驗方案，交由指導老師審核完善，并進行實驗前的理論計算。小組成員根據實驗方案設計模型圖紙、購買材料和模型管樁（有機玻璃管），制作能最大限度消除邊界效應的剪切模型箱，分層填筑模型土及布置傳感器，并測定土體密度、剪切強度和動剪切模量等力學指標，整個過程由學生獨立完成。第二階段，指導學生掌握地震波加載方法，動態信號的采集和分析，以及設備操作流程和方法。由學生開展實驗，觀測記錄各項實驗數據，并對照之前的理論推導，對結果的可靠性進行驗證。實驗過程中，教師要及時對學生遇到的問題給予解答和修正，并引導學生根據所學的力學及土力學等課程，對實驗現象給出合理解釋，若是實驗比較成功，可嘗試設計其他不同工況進行實驗。

（二）多元樁復合地基抗液化實驗

液化是飽和無粘性地基（如砂土）發生震害的主要原因之一。針對天然地基、碎石樁地基、水泥土樁地基和兩種樁聯合加固地基，開展小型振動臺模型試驗，分析振動過程及結束后一段時間內的超靜孔隙水壓力、孔壓比及上部承壓板沉降的變化，探討多元樁加固液化土的機理及復合地基抗液化特性（見圖3和4）。待試驗準備工作完成后，分別制備碎石樁、水泥土樁、碎石-水泥土聯合樁加固地基和天然地基各2組，布置好孔隙水壓力傳感器和位移傳感器，實驗過程中記錄各項數據并觀察模型箱內地基土振動的宏觀表現，分析不同加固模型下，孔隙水壓力、土壓力、沉降量峰值隨地基深度和水平位置的變化規律，探討各參數之間的內在聯系以及不同樁體對液化土的加固機理，并就加固效果進行評價。

（三）多層鋼框架結構振動實驗

在鋼結構設計教學中，多層鋼框架結構的抗震設計是重點授課內容。通過開展鋼框架結構振動臺實驗，探究框架柱振動響應規律，總結不同頻率地震波下鋼框架的抗震特性，鞏固學生對結構抗震設計方法的學習（見圖5和6）。試驗中，教師在振動臺臺面上安裝固定一個4層鋼框架，掛好載荷掛件、標定好傳感器，通過掃頻確定框架的基本頻率和自振特性;然后進行4組不同頻率下的試驗，記錄鋼框架柱頂的水平位移、加速度等各項結果，由此分析鋼框架的自振特性及動力響應特點。同時，將結構簡化成多自由度結構體系，進行振型分解計算，并指導學生利用SAP2000等軟件建立空間桿系力學模型，并進行模態分析。引導學生根據所學鋼結構設計和結構動力學知識對實驗現象和抗震性能進行解釋和評價，并對比實驗測試、理論計算和數值模擬三者的結果，分析差異產生的原因，并將分析過程以論文格式寫成實驗報告。

三、教學效果

經過一個學期的實驗教學實踐，我們觀察到，學生參與實驗的熱情有明顯提高，學生普遍反映得到了較好的實踐鍛煉，無論是文獻檢索能力、實踐動手能力、自學能力還是分析問題的能力均得到了較大的提升，其中一名學生在口述報告時說：“一學期的實驗課程使自己認識到自身許多不足，特別是在實驗遇到困難那段時間感覺特別‘痛苦，可喜的是實驗最終順利完成，找到了自己需要努力的方向，并且對實驗課程越發感興趣了，感覺付出非常值得。”此外，部分學生還將實驗結果整理成論文和專利進行發表。其次，通過三項振動臺實驗的科研訓練，培養了學生的初步科研能力、團隊協作與溝通能力;同時，也提高了教師的教學組織水平，實現了教學相長。

四、尚待改進的問題

實驗過程一般會涉及許多本科生了解不多甚至是未接觸過的知識，需要學生根據實驗要求去自學、消化，并將所學的內容應用到科研當中。此過程往往緩慢而枯燥，不少學生受到挫折中途放棄，因而其對學生的耐心與毅力有較高的要求。在今后的實施中，對這方面的問題教師應該給予必要的關注，及時與學生溝通解決實驗中遇到的問題。

本科階段課程多，留給本課程可利用的時間少，而實驗從方案制定到模型制作、熟悉設備操作需要大量的時間，學生在兼顧課業的同時，可能無法留給實驗太多的時間，導致實驗中斷。這對學生本身能力起不到鍛煉的作用，且浪費了科研資源。因此，實驗的開展需要靈活利用和安排時間，除了正常的教學時間之外，可以利用假期時間繼續實驗。

此外，對學生初步科研能力的評價體系尚缺乏系統性和整體性。目前高校普遍采用一些定性的方法，或僅從一些側面對學生科研素質進行評價，很少采用一套定量指標將其明確表現出來，并構成完善的指標體系。這種半定性的評價方法往往帶有教師的主觀性，在科學性和客觀性上存在不足，難以為學生科研能力培養方案的制定提供定量支持。

五、結束語

本文通過借助小型振動臺將三項科研課題融入抗震實驗教學，闡述探究型實驗教學的方法、選題依據和考核評價機制。教學實踐表明，學生參與實驗的熱情明顯提高，體會到了科研的樂趣，教學質量和學生專業素養也得到了明顯改善。在今后的教學工作中，我們將根據學生的課業情況，結合結構抗震領域的最新研究進展，提煉出形式更為多元化的抗震試驗教學項目，以進一步提高實驗教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張學軍， 王鎖萍. 全面改革實驗教學 培養學生創新能力[J]. 實驗室研究與探索， 2005（1）：4-6.

[2] 段家忯， 曹惠賢， 王煜，等. 美國高校物理實驗教學和管理情況考察報告[J]. 大學物理， 2004（3）：42-45.

[3] 盧文勝， 黃寶鋒. 結構抗震實驗教學探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索， 2009（3）： 217-219.

[4] 鐘桂輝， 劉曙光， 匡翠萍，等. 港航工程模型實驗教學改革的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索， 2011（1）：120-122.

[5] 章敏， 董曉強， 郭昭勝. 科研課題引入土木工程實驗教學的探索與實踐[J]. 高等建筑教育， 2017（4）：104-107.

[6] 李靜， 張君， 蔡立凡. 本科生科研創新實踐的探索與思考——以華南理工大學為例[J]. 中國建設教育， 2015（1）：120-123.

[責任編輯：劉鳳華]