教具在建筑結構抗震教學中的應用

摘要：建筑結構抗震設計已成為土木工程專業本科階段的一門重要課程。該課程理論內容較多，概念抽象難懂，傳統教學方法難以將復雜原理進行具象化演示。針對抗震教學中的問題和難點，將可操作的教具引入課程教學，豐富教學手段，幫助學生理解教學內容中抽象的概念和理論。以單自由度體系的地震反應分析、杜哈梅積分、地震反應譜3個知識點為例，給出了教具在抗震教學中的應用案例，通過地震響應現象的展示，引導學生主動思考，讓枯燥難理解的理論易懂。根據問卷調查的反饋信息，并與未采用教具教學的年級進行了對比，采用教具教學的年級取得了良好的教學效果，學生的學習興趣得到激發，自主學習的能力得到增強，學習成績得到提升，課堂教學的交互體驗感更好。

關鍵詞：建筑結構抗震；自制教具；專業軟件；教學實踐；教學改革

中圖分類號：G420；TU352.1 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）06-0127-09

我國是地震多發國家，尤其近年來四川省地震頻發。2008—2022年，四川省先后發生了29次5.0級及以上的地震［1-2］。建筑結構抗震是減輕地震災害的有效技術手段之一，而建筑結構抗震設計是土木工程專業本科階段的一門重要課程。該課程對培養掌握抗震設計理論和方法的專門人才有重要作用，這也有助于2021年國務院頒布的《建設工程抗震管理條例》［3］順利實施。

建筑結構抗震課程需要有理論力學、結構動力學、地震工程學、工程荷載與可靠度設計原理、混凝土結構設計原理、鋼結構設計原理等理論基礎，涉及的抗震概念比較抽象，抗震計算方法不易理解［4］。傳統的抗震教學模式主要以課堂教授為主、學生討論為輔。但隨著“壓縮課時、提高效率”的教學改革迫使專業課程的理論教學課時減少，如何在有限的教學時間內牢牢吸引學生的注意力，讓學生掌握抗震課程的精髓，并培養自主和終身學習能力，成為當前理論課程教學改革面臨的緊迫問題。對此，一些高校對建筑結構抗震課程進行了教學改革。哈爾濱工業大學［5］比較各國抗震設計方法，加強了課程間的聯系以增強學生課程知識的系統性，提升建筑結構抗震設計課程的教學質量。東南大學［6］結合典型工程案例，加強課程實踐教學，促進學生對工程結構抗震的理解與思考，豐富了教學素材，提升了課堂活躍度。同濟大學［7-8］將多媒體技術、有限元軟件和虛擬實驗等引入建筑結構抗震教學，彌補了真實實驗操作困難的遺憾，幫助學生理解課堂知識，激發學生學習興趣。武漢工程大學［9］采用工程案例與虛擬實驗相結合的混合教學模式，將原理應用于工程實踐，激發學生學習興趣。重慶大學［10］提出工程實驗與理論教學結合的教學方法，優化教學內容、選取實驗項目、建立實驗考核方式及教研實驗平臺進行改革，取得良好效果。西南交通大學［4］基于“以學生為中心”的理念，從教學內容、教學方法、實踐環節和評價體系幾方面調整教學模式和教學手段，改革后增強了學生自主學習能力，提高了教學水平。

針對目前建筑結構抗震教學中存在的問題和難點，采用自制的工具，選擇合適的軟件，對教學方式進行改革，幫助學生理解教學內容中的難點，激發本科生的學習興趣，提高學生的自主學習能力，培養符合《華盛頓協議》工程認證的高層次土木工程專業人才要求。

一、教學中存在的問題

（一） 課程學習難度大

建筑結構抗震是一門建立在震害調查基礎上的理論性和實踐性都很強的課程。授課內容包括地震工程的基礎知識、場地地基基礎、建筑結構抗震概念設計、地震作用和結構抗震驗算、地震作用計算方法、混凝土結構抗震設計、砌體結構抗震設計、鋼結構抗震設計，以及減隔震的基本概念等。課程知識點前后關聯性較強，僅靠教師板書及口頭講述，學生難以將知識點串聯，形成知識體系。對2020級156名學生進行了調查，有2/3的學生認為該課程較難，見表1。其中，37.23%的學生表示不具備自學的能力，僅有6.38%的學生表示有自學該課程的能力。

（二） 教學內容抽象

建筑結構抗震內容中一些知識點較為抽象難懂，教學難度教大。例如：自由度及多自由度體系的地震反應、杜哈梅積分、地震反應譜等理論知識。在對2020級學生的調查中發現，學生認為難以理解的是抗震概念，如表2所示。這是由于一些概念比較抽象，需要學生有良好的理論基礎。

（三） 學習興趣不足

建筑結構抗震課程難度大、比較抽象，傳統填鴨式教學難以吸引學生的注意力，也會因為教學內容的枯燥引起學生的反感，從而不利于培養學生的學習興趣和專業能力。以興趣為學習的驅動力，注重學思結合，才能調動學生的學習積極性和主動性，從而提高教學的效率和效果。

二、教具在教學中的優勢

為了幫助學生理解教學難點，需要將抽象問題具象化。因此，采用可操作、可演示的教具（文中將自制的工具、編寫的程序和合適的軟件統稱為教具）在課程教學中十分必要。

（一） 豐富教學手段，有助于理解教學難點

建筑結構抗震是一門實踐性很強的學科。面對復雜抽象的抗震結構設計內容，如建筑結構地震反應分析、地震反應譜理論等教學難點，學生通常會有畏難心理。采用自制教具輔助教學，既豐富了教學手段，貼合教學內容，將抽象的概念和原理呈現出來，又能幫助學生深入淺出地理解枯燥乏味的知識點，改善了學生的課堂學習體驗，提升了課堂教學效果；因此，如何設計和使用教具非常重要，建議根據建筑結構抗震課程的教學難點有針對性地設計或選擇教具。

（二） 有利于教學實踐，便于串聯各知識點

建筑結構抗震課程的各知識點聯系緊密，前后互相銜接。學生往往學了后面的知識點，而模糊了前面的知識點，沒有主動思考前后知識點的關聯。多數學校的抗震課程缺乏教學實踐環節，或者實踐課程與理論課程分別開設，二者未緊密聯系。通過教具的具體展示，給學生留下深刻印象，引導學生動手、動腦去思考抗震現象背后的原理和方法。從而彌補教學實踐環節的不足，改變教學中“重理論、輕實踐”的弊病。同時，通過不同教具之間的銜接，經教師引導，幫助學生串聯不同的知識點，有利于鞏固抗震知識，并為解決復雜工程問題打下基礎。

（三） 增強教學互動，激發學生專業興趣

教具不僅可以由教師來演示，而且可以讓學生自己來操作，提高學生課程的參與度。在這個過程中，教師和學生形成良好的互動關系，讓學生在操作教具、觀摩現象中發現、思考和解決抗震問題。這樣既抓住了學生的關注點，又提升了學生的學習熱情。通過教具激發學生對專業的興趣，不斷積累對抗震的感性認識，加深對抗震問題的認識和思考。以教具為抓手，促進形成“觀察現象、提出問題、思考問題、講解知識、解決問題”的良性循環教學模式。

三、教具在教學中的應用

地震反應譜是認識地震動特性的重要途徑，也是建筑結構抗震設計的重要基礎。但概念較為抽象，學生初次學習時，理解存在一定困難。以地震反應譜為例，講解教具在課堂教學中的實際應用。

（一） 單自由度體系的水平地震反應

根據達朗貝爾（D'Alembert）原理，單質點要處于力的平衡，從而建立單自由度體系的運動微分方程

x?（t） + 2ζωx?（t） + ω2 x（t） = -x?g （t）。（1）

要理解式（1），一方面需要引導學生復習理論力學的基礎知識；另一方面采用教具演示，觀察現象和采集加速度數據，引導學生思考。為此，自制了由8個不同高度的質量球和1個振動臺組成的教具。其中，每個質量球內置加速度傳感器，由數據線連接到數據采集儀器獲取加速度數據，并通過編制的軟件將加速度時程曲線實時展示，如圖1所示。

教學中，可讓學生每3～4人組成一個小組。其中，1～2名學生隨機選擇任一質量球，對其施加初位移，并觀察其自由振動情況，如圖2所示。其余學生打開軟件，采集加速度時程曲線，并計算自振周期，如圖3所示。通過動手操作，將抽象的數學公式用實物、曲線等以可視化方式呈現，加深學生的認識和理解，極大地調動了學生的學習興趣。

由于8個質量球連接的彈簧鋼片高度不同，從低到高，其自振周期T 由小變大。教學中，邀請學生以不同速度往復推振動臺，模擬不同的地震動，觀察這一組自振周期各不相同的單自由度體系反應，并引導學生思考不同頻率下的單個質量球不同反應，采取分組討論的模式，讓學生分析“同一次地震，不同建筑對地震的反應不同”及“同一個建筑，在不同地震作用下的反應不同”的原因。

在此基礎上，通過單自由度體系教學展示模型，幫助學生建立8個質量球的自振周期T 與一次地震模擬下的最大加速度反應x?max 之間的關系（圖4）。

（二） 杜哈梅積分

杜哈梅積分也是建筑結構抗震設計中的一個重要方法。在單自由度體系的彈性地震反應分析中，常用杜哈梅積分計算單自由度體系的地震位移反應

教學中，板書或PPT難以很好講述公式（2），多數學生也不會主動計算。針對此，引導學生采用MATLAB進行編程來模擬，并展示出來，如圖5所示。這樣可以直觀展示在受振動過程中，單自由度體系任意時刻t 的地震反應是由0～t 時段的地面運動脈沖反應積分疊加而來，讓學生對杜哈梅積分有更直觀的認識，并增強了學生的編程能力。

（三） 地震反應譜

在單自由度體系的水平地震作用反應、杜哈梅積分的講解基礎上，引出地震反應譜的概念。為方便求解結構的最大地震作用，將單自由度體系的地震最大絕對加速度反應與其自振周期的關系直觀表示出來。而這種關系就是地震加速度反應譜，簡稱地震反應譜。學生聯系之前的單自由度體系教學展示模型，就很容易形成這種基本概念。但這還不夠，畢竟和實際地震動有一定區別。為此，借助地震反應譜生成程序進一步認識地震反應譜的概念。地震反應譜生成程序可將地震動加速度記錄輸入，設定好加速度單位、步長、結構阻尼比等參數后，生成加速度反應譜，如圖6所示。

考慮不同場地類別，選取汶川地震臥龍臺站、魯甸地震龍頭山鎮臺站和阪神地震加古川臺站等3種典型地震動，將其東西向的加速度時程曲線展示給學生，如圖7（a）所示，并通過傅里葉變換得到傅里葉譜，如圖7（b）所示。重點講解地震動的振幅、頻譜和持時，讓學生對地震動特性的三要素有清晰認識。

在地震反應譜生成程序中，輸入選取的典型地震動，形成3條地震反應譜，如圖8所示。在講解中，結合單自由度體系教學展示模型，引導學生思考和理解地震反應譜的影響因素，如場地條件、震中距、地震震級等。采用該軟件進行輔助教學，把一個比較抽象的概念變得具象化和可操作，加深了學生對地震反應譜的理解。

地震反應譜一直是建筑結構抗震教學中的一個重點，也是難點。它是后續抗震教學內容的基礎，克服這個難點有助于對建筑結構抗震的理解。自制工具的硬件和程序的軟件相結合，將抽象的抗震概念變得具象化，也可把不同知識點串聯起來，加深了學生的理解，激發了學生的學習興趣，活躍了課堂氣氛。

四、反饋和分析

對2021級土木工程專業建筑工程方向的本科生進行了教學實踐。為了解實際教學效果，在學期末對授課學生進行了問卷調查。此次調查共發放問卷106份，收回94份，回收率為88.67%。從接受程度、講解效果和學習成績等3個方面，與未使用教具的2020級進行對比，以分析教具使用前后的變化。

（一） 接受程度

根據問卷調查結果看，超過90%的學生接受使用教具進行輔助教學，且87.76%的學生認為教具能幫助其理解教學內容，說明教具對課堂教學起到了積極作用；81.63%的學生認為教具增加了他們對建筑結構抗震設計課程的興趣，證明教具確實能提高學生在課堂上的學習興趣；接近90%的學生支持在下一屆教學中使用教具輔助教學（表3），這說明學生在教學中的收獲良多，對教具的反饋是積極的，對教學效果是肯定的。

（二） 講解效果

有關教師的課堂講解效果，對比了2020級和2021級的問卷調查結果，如圖9所示。相比無教具的2020級，有教具的課堂講解通俗易懂的程度高出10.73%，中規中矩的評價是之前的1/2。這說明教具加深了多數學生對教學內容的理解，解決了大部分學生的學習難點，課堂教學效果整體提升明顯。

（三） 學習成績

學習成績是教學效果的重要指標之一。將成績分為5個分數段，對比2020級和2021級的學習成績，所有成績均取整數，如圖10所示。兩屆學生的成績主要集中在70～79分和80～89分，這兩個分數段占總人數的70%左右。但2021級的80～89分和90～100分的占比更高，分別比2020級高了約5%和9%，合計提升了約14%。這也意味著，70～79分和60～69分的人數相應下降了14%。這說明教具輔助教學發揮了積極的作用，顯著提升了大多數學生的學習成績，教學效果得到了明顯增強。

五、結語

在建筑結構抗震課程取得的教學改革成果基礎上，順應新的教學大綱，積極面對教學改革的挑戰。從解決存在的問題入手，結合抗震課程的特點，引入教具輔助課堂教學，豐富了教學手段，將抽象問題具象化、可操作，強化了學生的感性認識，幫助學生理解教學難點。教學實踐表明，教具吸引了學生的注意力，啟發了學生主動思考，極大地調動了學生的積極性和好奇心，也活躍了課堂氛圍。從學生反饋來看，對教具的接受度和認可度均比較高，課堂講解效果較好，學習成績進一步提高，教學效果明顯增強。這對于培養學生的綜合能力和創新能力有積極作用。

然而，教具并不能替代抗震理論知識的講解，而是應與其互補。并非教具越多越好，不是所有的教學內容都適合使用教具輔助，而應選擇適當的教學環節引入恰當的教具。因此，必須仔細梳理和分析教學難點，精心設計教具，使其發揮最佳效果。

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（責任編輯 梁遠華）

基金項目：西南交通大學一流本科課程建設項目（YK20211005）