工程案例與虛擬實驗在建筑結構抗震課程教學中的應用

周小龍 劉章軍 盧海林 劉勝兵

摘要：建筑結構抗震課程是土木工程專業(yè)主干課程。針對該課程內容多、理論深奧、概念抽象，傳統教學模式效果差的現狀，提出工程案例與虛擬實驗相結合的教學模式。分析建筑結構抗震課程教學現狀和問題，闡述工程案例與虛擬實驗組合教學模式的特點，介紹工程案例與虛擬實驗組合教學模式教學改革策略和課程教學內容的設置，最后以反應譜理論知識講解為例，詳細介紹案例教學與虛擬仿真混合教學模式在建筑結構抗震課程教學中的實踐應用。

教學中以抗震設計基本理論與方法為主線，注重師生互動，引導學生從可視化的地震情境中提出問題、分析問題直至解決問題，強調啟發(fā)式教學，加深學生對抗震基本概念和原理的理解，強化學生綜合能力的培養(yǎng)。

關鍵詞：案例教學;虛擬仿真;建筑結構抗震;教學改革

中圖分類號：G6420;TU3?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2020）05-0149-07

地震災害是造成我國人員傷亡和財產損失的主要自然災害之一。近年來，我國破壞性地震頻發(fā)，平均年發(fā)生20余次，僅2019年5級以上地震就高達32次。隨著國民安全防范意識的提高，國家越來越重視建筑物的抗震防災需求。2001年至今，我國抗震規(guī)范已進行2次全面修訂，2次局部修訂，是土木工程領域修訂最頻繁的國家標準。同時，2016版地震動區(qū)劃圖也全面取消了非抗震設防區(qū)，不僅設防地震動參數取值全面提高，而且設防地區(qū)由縣市細化到街道和鄉(xiāng)鎮(zhèn)。這些強制性標準的修訂均表明加強抗震設計對減輕結構地震災害的重要意義。建筑結構抗震課程作為學習抗震設計理論和抗震設計方法的主要載體，在高等學校土木工程專業(yè)課程中具有重要地位，均被各校設置為專業(yè)必修課或限選課。因此，建筑結構抗震課程教學活動的高效開展對教學質量的提高，以及強化學生的專業(yè)能力具有重要作用。

建筑結構抗震課程理論深奧、綜合實踐性強，傳統教學模式已難以保證教學效果，各高校結合自身實際積極開展一些教學改革實踐。同濟大學[1]將虛擬仿真實驗引入建筑結構抗震課程教學，強調以概念設計為主線的教學理念;武漢大學[2]提出教學內容應進行合理取舍，教學過程中注重教學與規(guī)范的結合;大連理工大學[3]利用微博的在線功能開展教學改革的實踐探索;東南大學[4]基于實際震害調查的系統性分析，提出了以基本概念為主導的教學方法;南京工業(yè)大學[5]創(chuàng)建“多媒體-工程案例-數值仿真”的教學模式，將抽象的教學內容形象化，提高課程教學效果。從上述各校的改革來看，將課程理論教學與工程實踐教學緊密結合是建筑結構抗震課程教學改革的基本思路，同時，注重以提高學生興趣為導向來改革教學方法，有助于調動學生的主觀能動性，從而達到面向產出的創(chuàng)新人才培養(yǎng)目的。

一、建筑結構抗震課程教學現狀與問題

建筑結構抗震課程的主要特點：

（1）理論深奧，對學生數學與力學知識要求高。地震作用與抗震設計基本理論是建筑結構抗震課程的基本教學內容，結構地震反應運動方程和反應譜分析涉及的理論知識抽象難懂，公式繁雜，要求學生具有較深厚的數學和力學功底。

（2）綜合性強，課程教學內容涉及學科面廣。建筑結構抗震課程涉及高等數學、線性代數、結構力學、結構動力學、混凝土結構、鋼結構等數學和專業(yè)課程，知識點零碎獨立。課程學習需要學生能夠將獨立的知識綜合串聯起來，并能解決復雜工程問題。

（3）實踐性強，建筑結構抗震知識更新快，實用性強。例如，結構內力調整和抗震構造措施均涉及大量規(guī)范條文的應用，要求學生通過課程學習，在掌握基本分析方法和實際震害的基礎上逐步積累工程經驗，培養(yǎng)工程素質。

建筑結構抗震課程教學內容與課程屬性導致在實際課程教學中存在諸多問題，主要體現在：

（1）課程實際學時遠低于正常完成教學內容所需學時。目前大部分重點本科院校學時安排為32～40學時，但隨著2019年新一輪培養(yǎng)方案修訂的啟動，各高校均大幅提高了人文社會學科類課程的總學分，以致建筑結構抗震課程學時被壓縮到24～32學時。然而課程教學內容不管在廣度還是在深度上都較難有壓縮空間，課程大部分內容將應用在以建筑上部結構設計為課題的畢業(yè)設計中，因此教學內容與教學學時之間存在巨大矛盾，必須通過優(yōu)化教學方法和課程內容來提高教學效率。

（2）學生知識儲備不能滿足課程學習對力學和數學知識的需求。課程內容涉及高等數學、線性代數、結構力學以及結構動力學等學科的知識較深奧，大部分學生在學習該課程時感覺有難度。筆者在一次隨堂問卷調查中發(fā)現，“知識點多，自身基礎差，數學和結構動力學知識掌握不足，導致課程內容聽不懂”的學生比例占到57%。

（3）采用傳統學習方法學生較難獲得解決復雜工程問題的能力。建筑結構抗震課程注重結構整體設計和概念設計，學習過程中學生習慣于采用以構件設計為主的課程學習方法（如混凝土結構設計原理和鋼結構設計原理等課程），重視單根構件設計的基本理論，而忽視了知識的相互聯系，造成基本理論在學生腦海中僅僅是個空洞的概念，無法用于解決實際復雜工程問題。

（4）課程教學重理論輕實踐，學生難以將理論知識應用于實際工程[6-7]。大部分建筑結構抗震課程教材內容偏重基本理論的講解，課后習題和課程考試也注重基本理論知識，傳統課程教學較少涉及工程實踐，以致學生對抗震相關概念缺乏認識，更不能將理論知識應用于工程實踐。

上述對建筑結構抗震課程內容特點，以及當前教學存在問題的總結分析，可以看出僅采用傳統教學方法不利于培養(yǎng)學生應用基本原理解決復雜土木工程問題的能力，也難以培養(yǎng)學生基于技術標準分析、評價并提出復雜工程問題解決方案的能力，很難達成面向產出的課程教學目標。

二、工程案例與虛擬實驗組合教學模式的特點

案例教學是根據教學目標將實際工程典型化處理，精心設計成學生能夠系統學習的案例，培養(yǎng)學生“基于對案例的思考，提出問題、分析問題并解決問題的能力”的一種教學媒介[8]。案例教學法以實際工程案例為依托，從工程現象出發(fā)，通過引導學生自主學習，幫助學生發(fā)現問題、提出問題并找出解決問題的辦法。案例教學法注重啟發(fā)與互動，需要學生自己去發(fā)現和解決問題，能夠極大地激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)。在學生自主探索后再由教師將探尋解決辦法過程所涉及的知識點進行講解，利用新知識解決實際問題，有助于加深學生對相關知識的理解。例如在講授反應譜理論前，先通過展示案例和虛擬實驗，激發(fā)學生學習興趣，然后引導學生課前自學，掌握單或多自由度體系運動方程的建立方法，再順勢要求學生課前學習Duhamel積分過程與方法，學習效果有了明顯提高。

虛擬實驗能夠為學生生動演示結構整體在地震作用下的動力響應和破壞特性，也能夠清晰展示結構構件的損傷演變過程與破壞形態(tài)。虛擬實驗能夠將傳統PPT教學中不容易描述清楚的難點問題直觀清晰地展示出來，仿真性高，有助于學生融入課堂教學，更快地獲取課程知識，提高教學效率。同時虛擬實驗能夠模擬大量整體結構在地震作用下的動力表現，滿足建筑結構抗震課程注重“抗震概念設計”教學主旨的需求，避免了傳統課程教學重理論輕實踐的不足。

工程案例與虛擬實驗組合教學模式，將課程內容根據知識模塊劃分為若干單元，每個知識單元精心設計工程案例，并將數值仿真和虛擬實驗應用到各知識模塊的學習中。對于復雜、抽象，較難通過理論講解清楚的知識點，可借助虛擬仿真實驗演示結構構件在地震作用下的真實情境，既能激發(fā)學生的學習興趣，又能強化學生對抗震基本原理的理解和應用。

三、工程案例與虛擬實驗組合教學模式的應用

（一）教學改革策略

建筑結構抗震課程理論性強，知識抽象。例如反應譜、振型分解、減震隔震、性能設計等抗震基本概念抽象難懂，學生初次接觸時理解上有困難，不容易掌握和應用。為了激發(fā)學生學習興趣，引導學生深刻理解教學內容中的抽象知識和基本理論，筆者提出工程案例與虛擬實驗組合教學模式，并應用于教學實踐，取得了較理想的效果。工程案例與虛擬實驗組合教學模式主要內容和特點有以下幾方面。

1.合理安排教學內容，精心設計教學案例

課程教材內容編排體系一般較完整，各知識點之間的邏輯關系清晰，結構嚴謹，傳統教學模式按照教材內容按部就班地開展教學，所有教學內容均會講解且不重復。但采用案例教學法，如果案例未經過精心設計，可能導致課程教學邏輯關系不嚴謹，教學內容缺失或重復。因此，教學案例應根據建筑結構抗震課程教學目標精心設計，典型化處理，盡量做到每個案例均具有代表性，既要將課程的基本理論融入案例中，又要根據教學目標顧及不同的側重點。可以說，案例設計質量的好壞直接影響案例教學法的應用效果。上課前教師應讓學生充分理解案例的背景知識，了解解決案例問題可能需要涉及的知識，并給學生提供或讓學生自主查閱相關資料和理論知識，引導學生在課前開展充分的小組討論。在開展案例教學過程中，為處理好課程學時少與教學內容多的矛盾，應根據課程教學大綱重新優(yōu)化和調整知識模塊，針對各知識模塊設計案例，組建案例庫。

2.震害案例貫穿始終，激發(fā)學生學習熱情

傳統課堂教學一般按照提出概念—講解理論—工程應用的順序講解，但對于理論性強又比較抽象的工程結構抗震課程內容，如上課伊始就提出不容易理解的概念，勢必會極大地打擊學生的學習積極性。基于實際震害的案例教學，則從工程問題出發(fā)，逆向教學[9]，按照案例描述—提出問題—給出解決方案—引入新知識—講解新知識基本概念和基本理論—解決問題的教學路徑進行，能充分發(fā)掘學生自主學習的潛能，激勵學生主動思考，大大調動學生學習的熱情，提高學習效率。

3.理論與實踐穿插進行，改善學生課堂學習體驗

對于復雜抽象的地震工程學科知識，學生普遍存在理解困難、學習效率低的問題。如：結構構件在地震作用下的損傷演變、多自由度體系在地震作用下的動力響應、反應譜理論的實質與理論依據等內容，由于受實驗條件和經費的限制，大多數高校學生無法通過真實實驗系統觀察這些動力學問題的演變過程或損傷結果，虛擬實驗應多側重這些無法或較難在實驗室大批次重現的地震損傷現象。虛擬實驗教學在開展過程中除了完整演示實驗過程外，更應結合工程案例，將虛擬實驗與知識理論融為一體，通過具有視覺沖擊力的實驗模擬，激發(fā)學生興趣;通過及時提出工程問題，引導學生積極思考解決問題的方法;通過學生自主思考問題，順勢講解解決問題的基本原理和方法。虛擬實驗重在幫助學生深化理解理論教學內容，培養(yǎng)學生工程意識和解決復雜工程問題的能力。因此，如何合理編排組織虛擬實驗教學活動，并將教學內容與工程案例有機結合是教學實踐過程中需要重點解決的問題。同時，教學中也需要不斷優(yōu)化教學模式，改善學生課堂學習體驗。

（二）教學內容的設置

建筑結構抗震課程內容多，學時少，只有對不同教學內容合理分配學時，才能在有限的學時內圓滿完成課程教學任務。根據課程各知識模塊的性質，在課堂教學活動中應重點講解較難理解和重要的知識點，對于概念簡單又容易理解的知識點，可引導學生通過對精心設計的工程案例的思考和資料的查閱來獲取和掌握。

建筑結構抗震課程教學內容一般分為八章，分別為：（1）地震概論與抗震設計基本原則;（2）場地和地基;（3）地震作用與抗震驗算;（4）鋼筋混凝土多高層房屋抗震設計;（5）砌體房屋和底部框架砌體房屋抗震設計;（6）單層鋼筋混凝土廠房抗震設計;（7）多高層建筑鋼結構抗震設計;（8）結構減震控制技術。從課程培養(yǎng)目標和教學大綱來講，教學內容可以分解為六大知識模塊，每個知識模塊均可通過精心設計的綜合工程案例來進行講解，具體為：（1）設計某次大地震各類建筑結構損傷破壞的案例，講解地震的成因、地震基本概念、地震波和地震記錄以及烈度等相關知識;（2）設計地震區(qū)某框架結構抗震策略的案例，講解“三水準”抗震設防標準、“兩階段”抗震設計方法、建筑重要性類別等知識;（3）設計某框架結構地震反應的案例，講解結構抗震基本參數的概念和確定方法;（4）設計地震作用計算方法的案例，講解地震反應譜的基本理論;（5）設計典型結構的抗震設計案例（包括框架結構、剪力墻結構、砌體結構、鋼結構等），講解抗震概念設計、抗震構造措施、抗震設計方法等知識;（6）設計框架結構減、隔震控制技術的工程案例，講解主動控制、被動控制的基本概念和減、隔震的設計方法。貫穿六大案例的教學主線為建筑抗震設計準則與方法，案例所包含的每個知識模塊均圍繞該主線構建。

四、教學實踐與反饋

（一）教學實踐

反應譜理論反映了地震激勵作用的頻譜特性和動力放大效應，是目前抗震研究動力響應的主要方法[10]。其概念抽象，理解起來較困難，采用傳統教學模式學生學習效果差。本文以反應譜理論的知識講解為例，介紹工程案例與虛擬實驗混合教學模式在工程結構抗震課程教學中的應用實踐。

1.設計案例，引出反應譜的概念

案例通過兩組震害照片和四組虛擬仿真實驗視頻進行展示。兩組震害照片分別為：汶川地震中北川縣城某五層框架結構完全倒塌的照片;汶川地震中北川縣城某十層框架剪力墻結構基本完好的照片。四組虛擬仿真實驗視頻包括：（1）多組同質量不同剛度單自由度體系結構在同一地震波輸入條件下的動力反應;（2）多組同一框架結構在不同場地條件和震中距地震波輸入條件下的動力反應;（3）多組不同框架結構同一條地震波輸入條件下的動力反應;（4）同一框架結構設置隔震支座與不設置隔震支座在地震作用下的動力反應。通過震害照片和虛擬仿真實驗視頻給學生視覺帶來強烈沖擊，引發(fā)學生學習新知識的渴望，引導學生思考“為什么不同建筑在同一地震波輸入下和相同建筑在不同地震波輸入下地震反應不同”的現象。

在學生針對上述現象開展充分討論后，提出問題：影響結構地震反應大小的因素有哪些？經過學生充分思考和討論后指出，“結構的地震反應除了與結構自身動力特性有關外，還與地震動三要素有關（振幅、頻譜和持時）”，進而講解影響地震動三要素的主要因素：震級、距離、場地土、土層厚度、地形以及地下水等。緊接著指出“對于工程結構的抗震設計來說，最大地震反應具有重要意義。工程中一般用相對位移、相對速度和絕對加速度來全面反映結構在地震作用下的反應狀況”。

利用Duhamel積分詳細推導單自由度體系最大相對位移、最大相對速度和最大絕對加速度響應計算公式，引出反應譜的基本概念，讓學生建立“反應譜不僅可以計算結構的最大反應，還可以用來描述地震動特性”的概念。

2.反應譜的特點與性質

根據Duhamel積分推導的最大相對位移、速度和最大絕對加速度響應計算公式，畫出位移反應譜、速度反應譜和加速度反應譜的圖形，引導學生通過觀察體系最大反應與周期T的關系，詳細了解各反應譜的特點和用途。例如：位移反應譜主要反映地面運動中長周期分量的影響;速度反應譜較好地反映了地面運動中各周期分量的影響;加速度反應譜較好地反映了地面運動中短周期分量的影響。

3.反應譜的標準化與設計反應譜

通過前述反應譜圖形，再次結合第二組虛擬仿真實驗結果，引導學生理解對于不同地震動輸入的反應譜形狀相差很大，無法直接指導實際工程設計，需要標準化。在標準化過程中，指導學生理解縱坐標標準化可以消除地震強度不同對反應譜的影響，橫坐標標準化可以消除不同場地類別對反應譜的影響，使學生深刻體會反應譜的本質：“設計反應譜代表了一個場地可能的全部地震事件，而不是一次地震。”

4.反應譜與地震作用的關系

基于上述對反應譜的學習和理解，指出反應譜能較好地反映地震動強度對結構響應的影響。進一步給學生講解抗震規(guī)范中單自由度體系地震作用，采用地震影響系數與重力荷載代表值乘積的形式表示，地震影響系數為加速度反應譜與重力加速度的比值、形狀和含義完全等同于加速度反應譜。結合地震影響系數的概念，講解譜曲線的分段計算公式和特征。最后，提出思考題：“彈性反應譜怎樣考慮抗震設防目標中的中震可修、大震不倒？”引導學生課后積極總結和掌握反應譜的本質和工程應用。

5.小結

反應譜給出了結構體系彈性地震響應的最大變形量，是地面運動強度的一個重要標志。反應譜理論通過工程案例與虛擬實驗混合教學模式開展教學實踐，將抽象的理論知識可視化，強化了學生對基本理論的理解，同時也加深了學生對理論知識運用于解決工程實際問題的認識。

（二）教學反饋

2019年上半年筆者在武漢工程大學2016級土木工程專業(yè)建筑結構抗震課程教學中開展了案例與虛擬實驗組合教學模式的教學實踐，為了解教學改革的實施效果，開展了兩項工作：一是在課程結束時就混合教學模式學生的接受程度、學生對教學內容的掌握程度等內容組織了問卷調查。全年級73名學生均接受了調查并返回了問卷，部分問卷調查內容及統計結果如表1所示。根據問卷調查結果可知，大部分學生對案例與虛擬實驗相結合的教學模式改革是認可的，對取得的效果也是肯定的。二是課程所有考核環(huán)節(jié)結束后，針對畢業(yè)要求對該門課程進行了達成情況評價分析。結果表明：該課程所支撐畢業(yè)要求達成度從傳統教學模式下的0.72左右上升到教學模式改革后的0.83，改革取得了明顯的效果。

（三）課程考核

傳統教學模式的課程評價一般由期末考試和平時成績組成，比重大約各占70%和30%。而案例教學強調學生的主動參與程度與學習過程，對知識的掌握也重點關注學生能否及時消化吸收和系統理解。因此，采用案例與虛擬仿真相結合的教學模式時，傳統考核方式就存在較大局限性，應同步進行改革。筆者在建筑結構抗震課程教學改革中強調過程學習，考核也重在過程管理，故將學生平時考核成績在總成績中的權重提高到40%，同時在學期初提前為學生下發(fā)綜合課程題目：“某地區(qū)建筑結構抗震設計方法與準則”。每次案例教學結束后學生需完成課程綜合題目中所對應的該案例授課內容的案例分析報告。教師在案例說明書中也會根據每個案例所涉及知識點的多少與難易程度，對學生每次需要完成的案例分析報告提出具體任務和要求，并給出評價標準。課程綜合題目由各個案例分析報告分章節(jié)組成，其完成進度隨著課堂教學的開展同步推進。同時，每個案例分析報告涉及內容均存在內在聯系，學生在完成過程中能切身體會到知識學習的積累過程，更能從全局把握學習內容。

五、結語

建筑結構抗震課程理論深奧、實踐性強，通過優(yōu)化教學內容，精心設計教學案例，采用工程案例與虛擬實驗相結合的混合教學模式，能給學生帶來視覺上的沖擊，激發(fā)學生學習興趣。同時，教學內容從知識的應用出發(fā)，通過觀察現象，提出問題，引出解決方法，進而講解基本原理和設計方法，最后再將原理應用于工程實踐，整個教學過程由淺至深，學生與教師、學生與學生互動性強，學習效率高，有效解決了學生不愿學的問題，對學生綜合能力的培養(yǎng)具有重要促進作用。但同時也應注意到，工程案例與虛擬仿真組合教學模式在實踐中也存在若干問題，如優(yōu)質案例庫的建設、學生學習過程的準確評價和考核、如何不過度增加教師負擔等問題，均需要在課程教學實踐過程中逐步探索，以進一步完善工程案例與虛擬仿真組合教學模式。參考文獻：

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[10]張榮蘭， 陳桂平. 建筑結構抗震設計[M]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2018.

Application of engineering case and virtual experiments in teaching of

seismic design of building structures

ZHOU Xiaolong， LIU Zhangjun， LU Hailin， LIU Shengbing

（School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430073， P. R. China）

Abstract：

Seismic design of building structures is a major course of civil engineering. Based on its characteristics of numerous contents， deep theory， abstract conception， bad effect of traditional teaching mode， a teaching mode combining engineering case and virtual experiments is proposed. The present condition and problems of seismic design of building structures are analyzed in this paper and the modes and characteristics of “engineering case-virtual experiments” teaching model is summarized， then the teaching reform strategy and curriculum teaching content setting are stated， at last， taking reaction spectrum theory as an example， the practice application of the teaching model are introduced in detail. The teaching model takes basic theory and method of seismic design as the main line. Visualization of a seismic situation helps students submit， analyze and solve problems. Meanwhile， the teaching model emphasizes heuristic teaching， students understanding of basic concept and principle of seismic is deepened， and students comprehensive ability is strengthened.

Key words： case teaching; virtual simulation; seismic design of building structures; teaching reform

（責任編輯 王 宣）

修回日期：2019-12-15

基金項目：

武漢工程大學教學改革研究項目（X2017015）

作者簡介：

周小龍（1983—），男，武漢工程大學土木工程與建筑學院副教授，博士，主要從事工程結構抗震研究，（E-mail）zhouxiaolong@cqu.edu.cn。