建筑結(jié)構(gòu)抗震設計“三度八結(jié)合”教學模式研究

陳常清

（韶關學院 化學與土木工程學院，廣東 韶關 512005）

一、研究背景

地震災害是群災之首，強烈地震不僅使建筑物破壞倒塌，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失，還常常引發(fā)火災、水災、滑坡等次生災害。我國位于世界兩大地震構(gòu)造系的交匯區(qū)域，歷史上多次發(fā)生重大地震。大量的震害資料統(tǒng)計顯示，對建筑結(jié)構(gòu)進行規(guī)范專業(yè)的抗震設計是預防及減輕地震災害的主要手段。通過開設“建筑結(jié)構(gòu)抗震設計”課程（以下簡稱抗震課程），可以促進土木工程專業(yè)學生了解地震基本知識、掌握結(jié)構(gòu)抗震設計的基本理論和方法、開展專業(yè)規(guī)范的抗震設計，因此抗震課程成為很多學校土木工程專業(yè)的必修課程。

由于抗震課程所涉及的基礎知識廣、內(nèi)容多，基本原理難度大，而應用型高校學生的理論基礎往往比較薄弱，傳統(tǒng)所采用的教學模式，難以滿足學生及社會的實際需求。近年來，相關學者已對其教學模式和教學方法等諸多方面進行了積極的探討。我們結(jié)合教學實踐，探索研究了新形勢下抗震課程“三度八結(jié)合”教學模式。

二、分析抗震課程基本特點

（一）課程內(nèi)容面廣，但學時少

抗震課程教學內(nèi)容較多，主要包括：地震基本知識、結(jié)構(gòu)地震反應分析與抗震計算，以及砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等專題模塊的抗震設計等。所涉及的相關課程包括：高等數(shù)學、結(jié)構(gòu)力學（結(jié)構(gòu)動力學）、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、地基基礎等。而本科教學計劃一般為32學時左右，相對較少。因而，如何在有限的教學時間內(nèi)合理安排教學內(nèi)容，以達到良好的教學效果是教師所面臨的首要難題。

（二）基本原理難度較大而實踐缺失

如“單、多自由度彈性體系地震反應分析”等內(nèi)容需要運用結(jié)構(gòu)動力學相關知識，且邏輯性強、難度大，學生往往難于理解，遑論掌握。同時在抗震課程的設置中，缺乏課程設計等相應的實踐環(huán)節(jié)，相關的例題、習題資料較少，并缺乏系統(tǒng)性，而在開展畢業(yè)設計時，結(jié)構(gòu)的抗震設計又不可缺少，學生感到茫然無從下手。因而，如何講解基本原理，以讓學生能夠開展初步的建筑結(jié)構(gòu)抗震設計工作，是教學過程中十分重要的問題。

（三）公式規(guī)范條文多、雜，顯枯燥

抗震課程教材公式多且較復雜，各種不同的建筑結(jié)構(gòu)又有諸多枯燥乏味而必須遵守的抗震措施。因而，如何將這些零散繁雜的內(nèi)容有機串聯(lián)起來以利于學生掌握，是教學過程中要解決的又一重要問題。

（四）專題設計綜合性強

如鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設計等專題部分，涉及地震作用計算、地震剪力分配、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算、地震作用效應調(diào)整等，內(nèi)容豐富，綜合性強。在教學過程中，如何培養(yǎng)學生從重視基本概念、形成清晰設計思路、掌握初步概念設計等方面入手解決專題設計問題，是抗震課程的根本任務。

三、剖析抗震課程教學問題

（一）內(nèi)容安排不合理

由于抗震課程內(nèi)容多、難度大，但學時較少，故需要對教學內(nèi)容進行恰當?shù)娜∩帷６诮虒W實踐中，部分教師并非從教學內(nèi)容的重要性及合理性角度安排教學內(nèi)容及相應學時，只是根據(jù)教學的難易程度進行選擇，這必然導致內(nèi)容邏輯性不佳，顯然不太合理。

（二）公式處理不恰當

抗震課程理論性強，涉及眾多公式的推導，特別是結(jié)構(gòu)地震反應分析。由于公式推導是結(jié)構(gòu)地震反應分析方法的主體，只有熟悉公式推導，才能對結(jié)構(gòu)地震反應分析做到“知其然，更知其所以然”，才能打好扎實的理論功底，故有部分教師教學的主體在于公式的推導，然而理論功底較差的學生難以跟上這樣的課程學習，學習的積極性降低。

（三）教學和規(guī)范脫節(jié)

設計規(guī)范是國家對房屋有關使用功能及安全性能可靠度的最低要求，特別是有關強制性條文，必須嚴格執(zhí)行，故作為未來結(jié)構(gòu)工程師的土木工程專業(yè)學生，有必要了解乃至掌握規(guī)范。對于土木工程專業(yè)來講，專業(yè)課程基本都有相對應的設計規(guī)范，抗震課程所對應的主體規(guī)范為《建筑抗震設計規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》，2021年規(guī)范體系及名稱作了調(diào)整）。然而由于部分教師自身對規(guī)范的不熟悉，教學中完全與規(guī)范脫節(jié)，卻仍然無動于衷，這顯然不合適。

（四）實踐環(huán)節(jié)缺失

抗震課程實用性強，故具體實踐很重要，是課堂教學的重要補充。教學中，由于受到各種客觀條件的限制，部分教師較重視課堂理論教學，而忽視實踐教學環(huán)節(jié)，導致學生缺乏感性認識，無法學以致用、融會貫通，教學效果差強人意。

四、把握抗震課程教學“三度”

（一）提升學習熱度，激發(fā)課程學習的緊迫感與興趣

課程教學成功的關鍵，就是激發(fā)學生學習課程的緊迫感與興趣。教師可以發(fā)揮典型工程及震害視頻、實景圖片等多媒體課件形象生動的教學優(yōu)勢，如通過展現(xiàn)近幾十年來強烈地震所造成嚴重震害的視頻，對學生產(chǎn)生強烈的視覺沖擊，再結(jié)合實景圖片介紹結(jié)構(gòu)破壞的原因，使學生認識到地震的危險性和抗震的重要性，從而激發(fā)學生學習抗震課程的緊迫感；還可通過聯(lián)系日常生活的簡單事例來講述抽象復雜的理論，如用不同的力量抖動繩子所產(chǎn)生的波動形狀不同，來解釋建筑物的振型等，形象易懂，容易激發(fā)學生學習抗震課程的興趣。

（二）降低理論難度，減少學習課程的抵觸性

目前結(jié)構(gòu)設計基本上都用計算機軟件完成計算，為了促進學生學習抗震課程，減少學習的抵觸性，可以根據(jù)理論功底的不同，實施分層教學。對于希望深造特別是有志從事結(jié)構(gòu)研究的學生，鼓勵他們吃透教材的大部分公式；對于理論功底較差而對課程較多較難公式有心無力的學生，不強求他們糾結(jié)公式，特別對較復雜較生僻公式的推導，可以不做要求，教學重點在于幫他們建立知識框架，掌握基本公式，能合理運用大部分公式即可。

（三）縮小精講寬度，精講1～2個專題抗震設計模塊

一般教材編寫時考慮到完整性問題，往往包含鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、單層廠房等較多專題抗震設計模塊的內(nèi)容，且較多內(nèi)容還與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計、鋼結(jié)構(gòu)設計等課程重疊。由于計劃學時有限，如選擇太多專題模塊進行講授，看起來學生是都學了，但往往是每一個模塊專題都是半桶水，一知半解。故建議只選擇1～2個專題模塊進行精講，要求學生做到扎實掌握，靈活運用，這樣其他模塊易觸類旁通，實際效果更佳。

五、重構(gòu)抗震課程教學“八結(jié)合”模式

（一）專業(yè)教育與思政教育相結(jié)合

教育的根本任務是立德樹人，思想政治教育需要貫穿教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人。抗震課程融合了大學期間多門課程的基礎知識，綜合性較強，又關乎社會文明進步、人類安居樂業(yè)，大量知識點富含韻味濃郁的思政元素，非常適合開展專業(yè)知識與課程思政的融合教育。課程教學時，可在專業(yè)知識傳授的“大餐”中，以潤物細無聲的方式，在適當?shù)闹R點處適時撒入適量的思政“調(diào)味料”，在學生的心田中深植家國情懷、工匠精神、社會主義核心價值觀的種子。如在講述場地與地基時，以地基越好、地震破壞作用越小，引出“萬丈高樓平地起”的道理，鼓勵學生打好人生的地基。

（二）教學內(nèi)容與其他專業(yè)課程相結(jié)合

抗震課程與其他專業(yè)課程存在密切的聯(lián)系，不僅要運用結(jié)構(gòu)力學等課程相關基礎知識建立結(jié)構(gòu)抗震設計的基本理論和方法，而且要將抗震設計的理論和方法運用到砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系中。因而，在教學中需要加強與其他課程的聯(lián)系。

在縱向上，因結(jié)構(gòu)抗震設計以結(jié)構(gòu)動力學作為主要理論基礎，需要抗震課程做好與結(jié)構(gòu)力學等課程的有機銜接。如在學習單自由度體系的彈性地震反應分析時，讓學生復習結(jié)構(gòu)動力學中有關運動方程的建立、高數(shù)中非齊次方程的求解等內(nèi)容，達到溫故知新的效果。在橫向上，與混凝土結(jié)構(gòu)設計原理和高層建筑結(jié)構(gòu)設計等課程，需要突出各自的重點，一方面可以幫助學生厘清課程間的區(qū)別與聯(lián)系，避免因看似重復的知識點而感到厭倦，另一方面可以促進學生對相關知識的融會貫通，綜合運用。混凝土結(jié)構(gòu)設計原理，主要以結(jié)構(gòu)的靜力分析和設計為主。結(jié)構(gòu)抗震設計，考慮的是結(jié)構(gòu)動力分析，而在工程抗震設計實踐中仍主要采用等效靜力的設計方法，課程重點在抗震的基本原理，如地震作用計算、地震效應調(diào)整，而反應譜理論是結(jié)構(gòu)抗震設計中的核心概念，其目的就是確定結(jié)構(gòu)的地震作用，同時反應譜理論又是結(jié)構(gòu)動力分析和等效靜力分析的聯(lián)系紐帶，與其他課程有重要區(qū)別。而高層建筑結(jié)構(gòu)設計則主要是學習不同類型結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析方法。

通過與其他課程的銜接，一定程度上可拓展學生知識和能力的深度和寬度。而加強課程在培養(yǎng)學生知識、能力和素質(zhì)等方面的內(nèi)在聯(lián)系，又可將各門課程整合成一個聯(lián)系緊密的有機體。

（三）線上與線下相結(jié)合

針對抗震課程內(nèi)容豐富繁雜，按傳統(tǒng)教學方式在有限學時內(nèi)所學內(nèi)容非常有限的情況，解決方法之一，就是借助共享課程、教師自主制作的資料等線上教學資源，為學生學習提供另一個廣闊且可自主選擇的平臺。在課程教學中，線下精講有關課程框架的重難點內(nèi)容，而課程有關背景知識、習題訓練、各結(jié)構(gòu)類型的抗震運用等拓展性或選擇性內(nèi)容，及較少用且較難公式的推導等內(nèi)容，則可以通過線上教學的方式來完成。

為了提高線上學習的效果，可以安排一定的學習主題，引導學生利用線上資源有目的地自主學習。這樣一方面可以培養(yǎng)鍛煉學生查閱資料、閱讀理解、綜合運用知識的能力，另一方面也可以拓寬學生的視野，提高其學習興趣。

（四）傳統(tǒng)講授與對分課堂、項目教學相結(jié)合

針對抗震課程內(nèi)容豐富繁雜，按傳統(tǒng)教學方式在有限學時內(nèi)所學內(nèi)容非常有限的情況，解決方法之二，就是嘗試采用對分課堂。在教學實踐中，我們在理論性較強、難度較大的結(jié)構(gòu)地震反應分析與抗震計算部分，采用教師主講的傳統(tǒng)講授方式，而在多層砌體結(jié)構(gòu)抗震設計、多高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設計等專題部分，因其內(nèi)容多、實踐性強而難度較淺，可以嘗試采用對分課堂，教師通過布置一些開放性專題，促進學生主動學習，平等交流，大膽提問。為了避免出現(xiàn)小組討論主題過于分散或不關心其他小組的討論主題之類情況，可以采用項目教學法，針對同一項目，不同小組可以從不同結(jié)構(gòu)體系等角度進行分工合作、分析比較，并深入學習、探討。

（五）理論與案例、實踐相結(jié)合

針對抗震課程專業(yè)理論性強且抽象，學生容易產(chǎn)生畏難情緒的情況，可以嘗試在教學中加入案例及實踐環(huán)節(jié)，以增強學生的感性認識，激發(fā)學生的學習興趣。

一方面，可通過聯(lián)系日常生活中常見自然現(xiàn)象的案例，闡述課程中的一些抽象、復雜的理論，則能事半功倍。如飽和砂土、粉土的液化機理是一個較難理解的知識點，但大家在生活中都有這樣的經(jīng)驗：拍打盛滿干沙的杯子，沙子就會緊實而表面下沉，但如果振動沙粒間充滿水的飽和沙，就看不到這樣的現(xiàn)象。從這一生活小例就能使學生聯(lián)想到，飽和沙粒在地震時趨于緊實，孔隙水因不可壓縮壓力不斷上升，土的有效應力隨之減小直至失去承載能力，這就是液化。授課時，只需準備一杯干沙、一杯濕沙，通過拍打演示即可將復雜的理論變得簡單明了，學生的聽課興致自然高漲。另一方面，近百年來世界各地發(fā)生的地震為詮釋結(jié)構(gòu)抗震性能提供了大量鮮活的實例。收集并合理利用這些案例，將極大提高教學效果。如在汶川大地震時普遍出現(xiàn)的樓梯間由于平面剛度不均勻引起扭轉(zhuǎn)、豎向剛度突變、短柱等問題造成嚴重破壞，底部框架結(jié)構(gòu)由于底層形成薄弱層而在底層整體破壞，都可作為抗震設計中的教學案例，跟學生一同探討，分析原因。實踐表明，應用案例教學可活躍課堂氣氛，提高學生學習的主動性，鍛煉學生的分析能力、發(fā)散思維及口頭表達能力。

另外，盡可能安排一些形式各異的實踐環(huán)節(jié)，如安排學生參觀地震模擬振動臺試驗裝置，最好能帶領學生觀看正在進行的振動臺試驗，如有條件可與虛擬仿真相結(jié)合，能讓學生以沉浸式、交互式的方式，逼真地感受有關地震及結(jié)構(gòu)地震反應等情景。組織學生參與防震減災產(chǎn)學研項目，走進社會調(diào)查研究城市民居抗震性能，充分利用結(jié)構(gòu)設計競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動等實踐性環(huán)節(jié)，引導學生走進試驗室，自主開展創(chuàng)新性抗震試驗等，切實增強學生的動手能力。

（六）課程與規(guī)范相結(jié)合

抗震課程內(nèi)容與工程實踐聯(lián)系緊密，《抗規(guī)》是對工程實踐的直接約束性文件，是設計、施工等工程實踐行為的準則。大部分建筑結(jié)構(gòu)抗震設計教材是圍繞《抗規(guī)》來編寫的，只是教材比《抗規(guī)》邏輯性更嚴密些。教材上的知識點，往往與《抗規(guī)》條文相對應，故在課堂教學時，可將抗震課程知識點和《抗規(guī)》條文關聯(lián)起來，既能讓學生熟悉《抗規(guī)》，亦能更深刻理解課程內(nèi)容，特別是其背景知識，更好地掌握抗震設計的關鍵點，深入理解及靈活運用抗震設計方法，讓學生認識到規(guī)范的重要性，培養(yǎng)學生的工程意識。

（七）抗震計算與概念設計和構(gòu)造措施相結(jié)合

我國抗震設防采用“三水準設防、兩階段設計”，通過概念設計、抗震計算和構(gòu)造措施三個層次予以實施。

從教學實踐來看，學生往往比較重視抗震計算，認為只要進行了抗震計算就能夠保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，而對其他兩個方面認識不足。而從實際震害及工程實踐來看，由于存在地震不確定性、抗震設計理論不完善性、施工質(zhì)量離散性等因素，僅僅依賴抗震計算是遠遠不夠的。在教學過程中不僅要注重抗震計算基本理論和方法的講解，而且要重視概念設計和構(gòu)造措施。

抗震計算主要是計算結(jié)構(gòu)的地震作用和地震反應，為抗震設計提供定量的數(shù)據(jù)，此部分基礎理論難度較大，因而，在教學過程中不苛求具體公式的推導，而要求學生理解其基本思想，掌握抗震計算方法，并能夠靈活運用。概念設計是從總體上把握建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，是較高層次的要求，對學生來說，比較難領會、不易掌握。因此，對概念設計的講解，可以結(jié)合震害照片、抗震計算等進行，力求深入淺出，使學生理解、領會和掌握，并在此基礎上培養(yǎng)學生自學和運用知識的能力。構(gòu)造措施主要是為了保證結(jié)構(gòu)整體性、加強局部薄弱環(huán)節(jié)，該部分規(guī)范條文較多且內(nèi)容零散，在教學中不可能面面俱到，學生也不易掌握要點，因而，在教學過程中要突出重點，以點帶面，以圖片形式說明構(gòu)造措施的做法和作用，使學生對構(gòu)造措施有直觀的認識，而不感到枯燥乏味。

概念設計、抗震計算和構(gòu)造措施三者相結(jié)合，在教學中可以結(jié)構(gòu)抗震設計方法和抗震計算為主線，使學生了解建筑結(jié)構(gòu)抗震設計的基本過程，輔以必要的抗震概念設計和抗震構(gòu)造措施，引導學生構(gòu)建抗震設計理論整體觀，從而全面掌握進行建筑結(jié)構(gòu)抗震設計的理論和方法，提高綜合運用能力。

（八）抗震理論與震害分析、防災減災相結(jié)合

抗震理論是在分析大量震害現(xiàn)象并總結(jié)抗震實踐經(jīng)驗和教訓的基礎上發(fā)展的，幾乎每經(jīng)歷一次大地震，都呈現(xiàn)出未曾顯現(xiàn)或重視的震害現(xiàn)象，抗震理論就會隨之得到發(fā)展。由于地震的隨機性和結(jié)構(gòu)地震反應的滯回非線性，抗震理論經(jīng)過一個世紀的發(fā)展，仍未形成系統(tǒng)成熟的理論。結(jié)構(gòu)的震害，尤其是砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的震害還不能準確解釋。因此，歷史上成熟的震害經(jīng)驗就顯得尤為寶貴，抗震理論與震害分析相結(jié)合的教學方式，將有助于加深學生對抗震理論的認識，拓寬學生知識面。在引用震害現(xiàn)象進行分析教學時，避免以偏概全，注意辯證系統(tǒng)分析，與抗震理論點面相結(jié)合，形成完整知識體系。

例如，根據(jù)2010年玉樹地震震害調(diào)查資料，中小學校舍建筑是所有調(diào)查建筑物中破壞最嚴重的建筑類型，嚴重破壞和倒塌的占76%，其中倒塌占21%。汶川8.0級特大地震中鋼筋混凝土框架校舍建筑的震害現(xiàn)象為：框架柱震害明顯比框架梁嚴重，不符合一般框架結(jié)構(gòu)“強柱弱梁”原則，而且結(jié)構(gòu)底層柱頂破壞比柱腳嚴重。通過震害照片、數(shù)值模擬分析結(jié)果系統(tǒng)闡述這一震害，指出震害的原因和解決方案：必須提高校舍建筑的設防標準，深化落實“強柱弱梁”的抗震措施。對學生產(chǎn)生知識點“爆炸沖擊”，讓學生從震害分析中獲取抗震知識，牢固掌握結(jié)構(gòu)的抗震設計理念。

另外，抗震理論與震害分析還可與防災減災相結(jié)合，如砌體結(jié)構(gòu)中的女兒墻，由于鞭鞘效應，在歷次地震中都受到嚴重破壞，以此告誡學生在平時生活中，不宜在女兒墻下方及檐口處作長時間的逗留。

結(jié)語

在深入分析抗震課程基本特點，深刻解剖抗震課程教學問題的基礎上，通過抗震課程教學實踐形成以學生為中心，以教師為主導，以實踐為重點，以培養(yǎng)學生獲取扎實抗震知識為基礎，以提高學生抗震能力為核心的“建筑結(jié)構(gòu)抗震設計”課程“三度八結(jié)合”教學模式，取得了良好的教學效果。