應用型本科院校工程結構抗震設計課程教學實踐探索

任玲玲 董園 梁森奧

摘要：工程結構抗震設計是土木工程專業一門核心課程，通過分析課程特點和教學中存在的問題，并對學生進行問卷調查，深入了解學生對該課程的掌握程度，結合該課程的實際情況，對課程教學改革進行探索。采用專題模塊化教學，明確各模塊的學習主題，對不同模塊的知識點進行精細化講解，促進學生對相關知識點的快速高質量吸收。教學中借助現代新型教學手段進行線上線下學習，并與其他專業課內容相互滲透，與最新規范相結合。同時，融合工程案例，在案例中讓學生體會抗震設計的重要性，強調理論聯系實際，分析經典案例，對其進行研究，與課本知識相聯系，發散學生思維。

運用BIM仿真教學，為學生提供多角度的知識視野。通過學生參加全國大學生結構設計競賽，實現與抗震知識點相結合，使學生掌握基礎理論知識的同時，了解抗震行業的最新前沿技術及相關理論。學生產生濃厚的學習興趣，課堂回答問題和互動討論積極，進而熟練掌握各章知識點，教學效果良好，對應用型本科院校具有一定借鑒作用。

關鍵詞：工程結構抗震設計;工程案例分析;BIM;震害分析

中圖分類號：G642.3;TU973+.2???文獻標志碼：A???文章編號：1005-2909（2020）03-0120-08

應用型本科土木工程專業，旨在培養適應現代化建設需要、有扎實理論基礎和專業知識、有較強實踐能力的高等級應用型工程技術人才。其中，工程結構抗震設計是該專業一門核心課程。中國是一個地震多發的國家，地震發生后給人民的生命及財產安全、經濟損害、災后重建等多方面帶來嚴重的影響，因此，在工程實踐中熟悉掌握工程抗震理論方面的知識十分必要[1]。文章根據土木工程專業學生的培養目標，針對應用型本科工程結構抗震設計課程進行一系列教學改革與實踐，調整課程內容，實施專題模塊化教學，融入工程案例的分析以及BIM技術的應用等，以激發學生的學習興趣為主要目標，從而更好地掌握工程抗震所涉及的專業知識。

一、課程特點及存在的問題

工程結構抗震設計課程是應用型本科土木工程專業的必修專業課之一，課程在第7學期開設，涉及學科多、知識面廣，理論性和實踐性較強。其先修課程主要是力學和結構，如結構力學、結構動力學、鋼筋混凝土結構、砌體結構、基礎工程等課程，后續課程主要是高層建筑結構設計、鋼結構、畢業設計等。對于沒有工程實踐經驗的學生來講，理論知識要求較高，學習起來比較困難。

（1）理論內容多，而課時少。鄭州財經學院土木工程專業人才培養方案安排工程結構抗震設計52學時，教學內容繁多，涉及結構動力學、混凝土結構、鋼結構、砌體結構、基礎工程、橋梁工程等課程，教師一般會采用填鴨式滿堂灌的教學方法，課堂上面面俱到，而學生學起來枯燥無味，缺乏學習興趣，學習難度系數很大。

（2）公式較多，理論性較強，理論基礎知識要求高。教材中存在很多理論推導計算過程，要想學生學明白，必須要求學生對先修課程進行深入學習，并綜合運用前期所學理論知識，這對于應用型本科的學生來說要求更高。其原因是大部分應用型高校學生基礎薄弱，所學專業基礎知識不扎實，缺乏系統的連貫梳理，很難把深刻的知識理論綜合運用起來。

（3）實踐性強，涉及的規范內容多，學生又缺乏實際工程經驗，學起來比較困難。學生初次接觸規范，不知道如何利用規范，更不知道怎么查閱規范。

二、教學改革探討

結合我校實際情況，從2016級、2017級土木工程專業的本科生中隨機抽取100名學生進行有關工程結構抗震設計課程的問卷調查。87%的學生認為該課程是否可以學習好，與自己的學習興趣和學習積極性有著很大關聯。63%的學生認為前期所學課程大多已經遺忘，由于前期課程有一定難度，再加上學生基礎知識不夠扎實，對整塊內容不系統、不全面，從課程的連貫性來看，并沒有起到一定的鋪墊作用。因此，教學改革重點是培養學生的興趣點和積極性，激發學生的學習興趣，從而融會貫通前期課程。

問卷調查中，對如何激發學生的學習興趣進行了調查。47%的學生認為主要在于教師課堂改革，希望課上有更多圖片、視頻、實際工程案例等多媒體資料展示，并配合深入講解，其中23%的學生希望設置更多的課程分組討論情景，在小組中通過同學間不斷地交流，進而發散學生思維，使每個學生都參與互動和交流。28%的學生希望布置一些能夠反映實踐性的作業。另外，14%的學生希望小班授課，人數控制在30人左右，通過減少人數使學生在分組討論和提問的環節與任課老師有更加頻繁地交流。還有11%的學生認為需要增加課后輔導和答疑的時間。

針對調查問卷的問題，對課程教學的改革進行探索，主要體現在下述7個方面。

（一）調整課程內容，實施專題模塊化教學

將教學內容進行整合，使學生對所學知識有更細化的理解。以“專題模塊”形式展現給學生，并將模塊內容進行有機結合，實現知識的“立體化”呈現。課程內容分為10個章節、三大教學專題模塊，如表1所示。根據知識點類型不同，設立不同的類別，分為概念型知識點、邏輯型知識點和應用型知識點3類[2-4]。根據不同的知識點，采用不同的教學方法和學習方法。課堂上集中精力對重點知識點內容講透，可以開展以專題學習知識點的內在聯系、知識點的應用等主題討論，鼓勵學生積極思考討論。課下通過在線課堂、微課等對簡單易懂的知識點進行自學，然后通過課堂提問或作業方式，對自學效果進行檢查。因此，充分利用課堂時間和課下時間學習，在規定的課時內講完教學內容，同時提高學生的學習興趣，以提高學生專業知識掌握水平和畢業設計質量為首要目標，培養學生解決問題的能力。

總之，教師在教學過程中根據實際情況，采用多種教學形式、教學方法和教學手段，使學生變被動學習為主動學習，以濃厚的興趣、極大的熱情主動地不斷學習。

（二）與其他專業課內容相互滲透

工程結構抗震設計課程涉及結構力學、土力學與地基基礎、混凝土結構、鋼結構、砌體結構、高層建筑結構設計等多門課程的相關知識，且聯系緊密，在教學內容上相互滲透，綜合性很強。同時，強化學生課前學習和預習，內容不僅包括本課程內容，還包括涉及相關學科的先修知識，把課堂內容向課下延伸，讓學生積極參與到教學活動中來。

例如，在教學過程中，可以將混凝土結構設計課程融入到抗震設計知識授課過程，通過抗震與非抗震設計之間進行對比分析，加深學生對抗震基本知識的理解，進而避免抗震與結構設計脫節[5-6]。在進行樓蓋結構、工業廠房、多層建筑的學習時，根據每學期不同的課程設計實例或者工地參觀等相關形式，在分析混凝土結構設計的同時，與抗震設計相結合，從而進行整塊知識的融合[7]。通過以上教學方式，學生可以不斷發現自身知識體系的空缺，從而完善自身關于建筑、結構相應的知識體系。

綜上所述，在學生學習工程結構抗震設計的同時，要注意拓寬學生的知識面，提升學生將教學案例運用到實際生活的能力，使學生在步入職業崗位之前具有本身專業的基本理論以及從事其他相關專業的能力。同時，將本專業課與其他課程融會貫通，形成一套互通的知識框架，有利于幫助學生理解所學知識，并不斷引進新思想、發散教學思維，使學生愿意學、容易學。

（三）借助現代新型教學手段

課堂教學的方式和資源盡可能多樣化，可以充分利用多媒體、PPT、圖片、視頻等手段進行教學。多媒體、PPT使教師的課程變得豐富多彩，可以向學生充分展示震后圖片或者工程實例的視頻資料。例如，結合中國幾次大的地震震害進行講解分析各個章節知識點[8-9]。

同時，充分利用在線課堂、微課和慕課資源。學生可以通過“中國大學慕課”“愛課程”等網絡在線課程提前預習或者課后復習鞏固，針對一些基本概念，如地震的基本知識等較淺顯易懂的知識點，學生可以通過在線課程自學，教師課堂就不用花很多時間講解，可以把更多時間用于難理解的知識點講解。同時，通過在線課程，學生也可以復習鞏固其它相關專業課程中已經學過的知識點，從而形成知識連貫性，以便更好地學習本課程。

（四）與規范相融合

工程結構抗震設計課程的講解離不開對規范的深刻理解，尤其是《建筑抗震設計規范》《建筑工程抗震設防分類標準》《建筑結構荷載規范》《混凝土結構設計規范》《高層建筑混凝土結構設計規程》《公路橋梁抗震設計細則》等。學生畢業后查閱的是規范，故該課程要結合規范進行講解，告訴學生每個知識點來自規范的哪個位置，為什么這樣規定等[10]。中國的規范一般在10年左右會修訂一次，尤其是在經歷一場地震后會根據結構震害情況對規范進行調整，因此，在授課過程中也要采用最新的規范、最新的理念。

（五）工程震害與教學相融合

該課程的講授離不開實際的工程案例，每個章節、每個知識點都要在工程案例上下功夫，通過工程案例分析，掌握所學理論知識。例如，在講解地震基本知識時，結合唐山大地震和汶川地震的資料、圖片、視頻、新聞報道等資源，講解地震特性、基本術語等概念。如唐山地震發生在人類聚居區，帶來了巨大的損失，以本次地震為案例，在教學過程中可以有力體現減輕地震災害的必要性，并且工程結構的抗震分析和設計也顯得尤為重要;在課堂上結合汶川地震中的災害具體講解“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設計基本原則，貫穿概念設計理念，積極引導學生從案例中激發學習興趣。教學內容中加入人文、地理、歷史知識，從而降低學生對抗震本身的畏難情緒。結合2019年6—7月四川宜賓市的地震頻發情況，探究地震預警系統的前沿技術。在理論與實踐中體現抗震設計在土木專業的重要性。

地震之后，國內大量科研專家及專業人士針對災害進行了調查研究，為中國抗震新規范的制定積累了寶貴資料。工程震害分析是后期概念設計、抗震計算和抗震構造措施的基礎資料，因此，震害分析也是學生學習的著手點。在教學過程中，工程震害分析是結構抗震技術中一個重要的組成成分，學生需要學會綜合運用結構知識去解決土木工程問題。因此，在教學中應引導學生充分理解每種震害發生的原因，知曉在以后的設計、施工中如何避免不利因素，進而讓學生更加容易地去理解后期所學的概念設計、抗震計算、抗震構造中大量的定量條文規定。

由此可見，在教學中通過工程案例的運用可有效培養學生的震害分析能力。在進行分析的同時，對不同結構體系當中的震害特征進行對比，為總結經驗奠定了基礎。結合工程實例學習的同時，對學生震害分析能力的培養有較高提升。

又如，在講解橋梁的場地和地基、隔震消能減震技術時，可以結合著名的希臘Rion-Antirion（里永·安蒂里永）大橋實例，見圖1。該橋位于發震斷裂區且海底為深厚的軟土，要求該橋要能承受2 000年一遇的強震（最大加速度1.2 g），并且要求能適應水平及豎向各自2 m的位移。索塔底部并沒有采用常用的樁基礎，而是應用了地基處理。采用直徑2 m、長度25～30 m、間距7～8 m的鋼管樁進行加固處理，每個索塔底部約250根樁，上面鋪設3m厚的砂礫層。砂礫層作為上部索塔的豎向荷載過渡，同時也是基底隔震的材料。實際上，用砂墊層隔震的思想在中國古代早有應用，只是將此思想用于大型工程的比較罕見。

該橋橋身通過拉索完全懸掛在索塔頂部，未設其余裝置，就像蕩秋千一樣。為防風及防震，橋身在索塔處共設置了5個阻尼器。其中，中間阻尼器主要用于控制風荷載及小震時的舒適度。大震時中間阻尼器失去作用，由其余的4個粘滯阻尼器耗能，最大出力約為3 500 KN，最大速度約為1.6 m/s。極端地震時橋身與索塔的相對位移將達到3.5 m。

在講解模塊三時，結合最新規范及最新研究成果，引入隔震和消能減震技術基本原理，同時查閱資料，結合采用新技術的工程案例分析。

（六） BIM仿真與數值模擬技術的應用

BIM技術越來越多地運用于工程實踐，成為未來建筑產業化發展的方向。因此，教師在教學過程中要更多地將BIM技術入課。結合工程抗震結構設計，應鼓勵學生課下學習更多相關的程序軟件，如Revit、PKPM、SAP2000、廣廈結構、探索者等。利用這些仿真模擬分析軟件，建立模型、輸入參數、結構計算，利用平法施工圖檢查抗震措施及構造措施等。學生學習軟件的同時，可以結合課上講解的知識點，在課下聯系實際應用[11-12]。

講解模塊一“結構地震反應分析與抗震計算”時，除了底部剪力法手算外，可以讓學生用SAP2000、PKPM或廣廈結構建立兩層（或三層）框架結構模型，輸入地震信息、風荷載信息及調整參數、各種構件的材料信息，選取地震波進行彈性時程分析法補充計算等，學生通過不斷調整參數及查閱相關書籍、專業資料中的數據，進一步理解相關的理論原理[13-14]，從而將課堂所學知識與實踐相結合，深化對課上所學知識的理解。上述信息都需要結合課上學習的知識點進行，如圖2～圖4所示。

講解模塊二“結構抗震設計”時，根據不同的結構類型，選取不同的數值仿真軟件進行模擬分析，如建筑結構可以用PKPM、SAP2000、廣廈結構等，橋梁結構可以用橋梁博士、MIDAS、ANSYS等，分別進行水平地震作用和豎向荷載計算，選取單個構件為例，講解內力調整系數、抗震措施及構造措施等知識點。

BIM數值仿真模擬軟件計算完成后，可以讓學生利用所學知識對計算結果進行分析，討論如何調整模型達到最優設計。如構件超筋、軸壓比過小、振型數不足、剪重比小于標準值、位移比大于1.2、平動系數與扭轉系數不滿足要求等問題。在建立模型的過程中，不斷調整結構的布置位置和尺寸，修正各種參數和計算結果，學生能夠更加清楚地了解到什么樣的建筑結構可以更好地滿足抗震要求，并在修改模型中加深自己對抗震知識的理解。

（七） 結構設計競賽對課程的促進作用

為提高學生掌握工程結構抗震設計課程基本理論知識的水平，在工程實踐中理解水平地震力的計算方法、振型分解反應譜法和時程分析法等知識，我校組織學生參加了2019年全國大學生結構設計信息技術大賽。大賽要求學生利用廣廈結構BIM軟件建立高層裝配式剪力墻結構設計三維結構圖，學生對其進行模態分析，通過通用GSSAP計算得到結構在每個振型下的平動和扭轉系數、自振頻率和振型。利用廣廈BIM軟件模擬地震荷載計算，得到前10階振型的周期、平動系數和扭轉系數。通過廣廈BIM軟件的仿真技術，可以查看各振型的三維變形圖，如圖5所示。上述結果和三維圖使得該課程的知識點變得生動有趣，從而激發了學生的學習興趣， 開拓了學生思維， 加深了學生對有關抗震知識的理解，同時，使學生理論水平和實踐技能大幅度提高。學生通過結構設計大賽鞏固課上所學知識，深入理解教材中知識點，從而受益匪淺。

三、教學效果

通過采取上述實踐性教學改革，課程學習后隨機抽取100位同學進行教學評教，部分結果如表2。

對教學評教結果分析可以看出：通過專題模塊化教學、工程實際案例、BIM數值模擬仿真分析等，了解到學生更喜歡接受新興事物，從而投入其中，對工程結構抗震設計課程產生了濃厚的興趣，出勤率接近100%。同時，學生聽課率高，上課回答問題和討論積極，使得教學效果更好。另外，

通過BIM技術工程案例分析和研究，使學生最大限度地掌握本門課程的理論知識和目前最前沿的科技，有利于促進學生學習創新能力的提高。例如，學生通過理解和掌握抗震基礎知識、工程結構的抗震設計原理與方法以及掌握廣廈、PKPM等專業軟件使用，了解實際工程結構的抗震構造及抗震措施，為以后的畢業設計和實際工作做好準備。

四、結語

工程結構抗震設計課程課時少、內容多，對理論知識要求比較高，并且具有較強的綜合性和實踐性，因此，學生學習起來比較困難。通過對學生問卷調查分析可知，學習的興趣和主動性不高成為學習比較困難的主要因素。在教學改革中實施專題模塊化教學，可以通過與其他專業課內容相結合，借助多媒體、慕課及微課等新型教學手段，在授課過程中與相關規范深度融合，通過工程案例分析及軟件數值仿真模擬教學等，使學生在學習BIM軟件的同時，能夠掌握實際工程中各種抗震相關的知識點，從而培養學生的學習興趣，讓學生更能夠容易地理解和掌握該課程的重要知識點，進而使教學效果顯著提升。

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Teaching practice exploration on the course of seismic design of

engineering in applied undergraduate colleges

REN Lingling， DONG Yuan， LIANG Senao

（Department of Civil Engineering， Zhengzhou Institute of Finance and Economics， Zhengzhou 450000， P. R. China）

Abstract：

The course of seismic design of engineering is a core course of civil engineering. By analyzing the characteristics and problems in the course teaching， and by a questionnaire survey of students， we can deeply understand the students mastery of this course and explore the teaching reform of the course combing with its actual situation. Subject modular teaching is adopted to clarify the learning topics of each module， and the knowledge points of different modules are explained in detail to promote the rapid and high-quality absorption of students. With the help of modern new teaching methods， online and offline learning is carried out， the contents of other professional courses are infiltrated， and the latest norms are integrated. At the same time， engineering cases allow students to understand the importance of seismic design， and combination of theory with practice is emphasized， classic cases are analyzed， deeply researched and connected with textbook knowledge， to diverge students thinking. It provides students with multi-angle knowledge vision and uses BIM numerical simulation to teach. Through students participating in the national college student structure design competition， combining with seismic knowledge points， students can master the knowledge of basic theory and understand the latest frontier technology and related theories of the earthquake-resistant industry. Students have a strong interest in learning， answer questions and discuss actively in class， so that they can deeply understand the knowledge points of each chapter and the teaching effect is good， and it can provide certain references for application-oriented undergraduate colleges.

Key words： seismic design of engineering; engineering case analysis; BIM; seismic damage analysis

（責任編輯?胡?玥）