小型地震模擬振動(dòng)臺(tái)教學(xué)試驗(yàn)的課堂實(shí)踐與探討

陳 偉，王欣宇，葉繼紅

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐州市工程結(jié)構(gòu)火安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 徐州 221000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院 江蘇 徐州 221000）

在各類(lèi)自然災(zāi)害中，地震是一種極具破壞性的自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅公眾安全、危害人民生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。為減輕地震災(zāi)害的損害，土木工程專(zhuān)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)課程中加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)原理與方法的教學(xué)，顯得尤為迫切和重要[2]。目前土木工程抗震相關(guān)課程往往以PPT 講學(xué)或者專(zhuān)題講座的形式開(kāi)展，教學(xué)手段傳統(tǒng)且單一，學(xué)生的探索與實(shí)踐能力亟須提高。進(jìn)行地震實(shí)驗(yàn)成為提高學(xué)生探索能力的一種有效手段，但由于地震的不規(guī)律與復(fù)雜性，進(jìn)行真實(shí)的地震實(shí)驗(yàn)存在很大的難度[3]。當(dāng)前，擁有大型抗震試驗(yàn)設(shè)備的高?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)較少，且大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要定期維護(hù)和更新以確保其性能和安全性[4]。但設(shè)備日常使用與維護(hù)費(fèi)用高昂，這意味著在有限的時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)的頻率和規(guī)模嚴(yán)重受限[5]。因此，學(xué)生在校期間往往缺乏機(jī)會(huì)參與地震實(shí)驗(yàn)，無(wú)法親身體驗(yàn)地震的力量，限制了其實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累[6]。而地震工程往往需要將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，學(xué)生只通過(guò)課堂教學(xué)和書(shū)本知識(shí)難以全面理解抗震設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)，難以將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目[7]。此外，地震實(shí)驗(yàn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏也限制了學(xué)生在該領(lǐng)域興趣度與創(chuàng)新性的提升。

近年來(lái)，一些企業(yè)研發(fā)了小型土木工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，例如小型地震模擬振動(dòng)臺(tái)等，這些設(shè)備為課堂實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的展示提供了可能。鑒于此，本文提出了微課堂實(shí)踐教學(xué)新模式。通過(guò)將這些先進(jìn)的小型設(shè)備應(yīng)用于教學(xué)，實(shí)現(xiàn)課堂理論教學(xué)與實(shí)踐演練的高度融合。

1 教學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

抗震課堂試驗(yàn)依托多功能小型地震模擬系統(tǒng)，結(jié)合MOOC 等現(xiàn)代教學(xué)資源，進(jìn)行課堂微試驗(yàn)教學(xué)，構(gòu)建了一套完整的“課前探索―課堂實(shí)踐―課后研究”教學(xué)模式。這種教學(xué)模式突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以趣為核探索理論與實(shí)踐相融合的施教方案，建立了過(guò)程與結(jié)果并重的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系，并在教學(xué)實(shí)踐中持續(xù)改進(jìn)。強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的自主性、能動(dòng)性與創(chuàng)新性，鼓勵(lì)學(xué)生大膽嘗試，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力，提升其專(zhuān)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)能力。

相較于傳統(tǒng)教學(xué)方法，結(jié)合振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)力試驗(yàn)方法能夠更加生動(dòng)地演示結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，揭示地震不同模式的動(dòng)力學(xué)原理，基于本課題研發(fā)的全新多功能電動(dòng)加載裝置和試驗(yàn)控制系統(tǒng)為學(xué)生的課堂實(shí)踐提供了更加完整、實(shí)時(shí)、精確、靈活的教學(xué)演示，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.1 課前自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)

學(xué)生應(yīng)積極參與課前自主學(xué)習(xí)。他們可以使用教材、參考書(shū)籍、學(xué)術(shù)論文和在線資源來(lái)研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和工程結(jié)構(gòu)抗震的基礎(chǔ)理論知識(shí)。這些知識(shí)將為他們提供必要的背景和理論基礎(chǔ)，以更好地理解和參與后續(xù)的試驗(yàn)。

1.2 匯報(bào)展示和討論試驗(yàn)方案

學(xué)生在課堂上匯報(bào)課前自主學(xué)習(xí)成果，分享查閱的資料和知識(shí)。這種知識(shí)分享和匯報(bào)有助于加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，同時(shí)也能調(diào)動(dòng)他們與同學(xué)之間交流和合作的積極性。教師引導(dǎo)學(xué)生討論制訂試驗(yàn)方案，包括確定試驗(yàn)的目標(biāo)、選擇合適的試驗(yàn)參數(shù)和方法等。

1.3 課堂抗震微試驗(yàn)

在這個(gè)階段，學(xué)生將進(jìn)入實(shí)驗(yàn)實(shí)操階段。依托小型地震模擬振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行抗震微試驗(yàn)，學(xué)習(xí)如何正確設(shè)置試驗(yàn)設(shè)備，包括振動(dòng)臺(tái)的操作和控制。學(xué)生分組自主搭建，構(gòu)建3層不同支撐與配重的鋼框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)。體驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)模擬的地震情況，觀察結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和變形情況。

1.4 試驗(yàn)觀察和記錄

試驗(yàn)正式開(kāi)始后，學(xué)生密切觀察模型的振動(dòng)響應(yīng)和變形情況。他們將記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括加速度、位移和應(yīng)變等參數(shù)。教師應(yīng)提醒學(xué)生注意不同試驗(yàn)?zāi)Ｊ胶驼駝?dòng)波形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，以及不同構(gòu)造之間的性能差異。這個(gè)過(guò)程要求學(xué)生保持專(zhuān)注和細(xì)致的觀察，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和報(bào)告撰寫(xiě)。

1.5 報(bào)告撰寫(xiě)和提交

試驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生將開(kāi)始撰寫(xiě)試驗(yàn)報(bào)告。在此過(guò)程中學(xué)生將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，以確保報(bào)告具有清晰的結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確的信息，這份報(bào)告將包括以下內(nèi)容：①試驗(yàn)的目的和背景；②試驗(yàn)方法和步驟的詳細(xì)描述；③實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)記錄和圖表展示；④對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和解釋?zhuān)虎萁Y(jié)論和建議。學(xué)生將最終的試驗(yàn)報(bào)告提交給教師，教師根據(jù)報(bào)告對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和分析能力進(jìn)行評(píng)估和反饋。

2 教學(xué)試驗(yàn)設(shè)備

教學(xué)試驗(yàn)設(shè)備是學(xué)校自主研發(fā)的一套基于先進(jìn)技術(shù)的震動(dòng)平臺(tái)裝置。該設(shè)備旨在為微課堂試驗(yàn)提供全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和靈活的教學(xué)演示。該設(shè)備的核心特點(diǎn)如下：

該設(shè)備具有開(kāi)闊的試驗(yàn)空間，其臺(tái)面尺寸為300mm×400mm，可承載最大20kg 的荷載，最大加速度可達(dá)1g，最大速度為1m/s2，最大行程200mm，為使其能夠滿(mǎn)足不同試驗(yàn)頻率和振幅的要求，頻率范圍從0.1Hz 到50Hz，確保試驗(yàn)具有高適應(yīng)性和靈活性。此外，這套設(shè)備還具備強(qiáng)大的控制系統(tǒng)和全面的模擬功能，采用模塊化虛擬技術(shù)，配置觸摸屏操作界面，為用戶(hù)提供便捷的操作體驗(yàn)。控制系統(tǒng)整合了伺服控制，預(yù)置了多種地震波曲線、道路振動(dòng)和飛行振動(dòng)載荷曲線，用戶(hù)可根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行自定義配置。它還支持多種標(biāo)準(zhǔn)波形播放，如正弦、方波、三角波和隨機(jī)波，并提供循環(huán)、掃頻和拍波等多種功能，以滿(mǎn)足各種教學(xué)展示試驗(yàn)的要求。同時(shí)，設(shè)備還提供Simulink 仿真模型接口，可用于混合仿真試驗(yàn)，進(jìn)一步擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域。值得一提的是，該系統(tǒng)的工作電壓為220V，即插即用，可隨時(shí)布置于任何位置，為用戶(hù)提供了極大的操作便捷性和空間靈活性。

綜合而言，這一設(shè)備具備高頻率范圍、高加速度和速度、位移控制、多種標(biāo)準(zhǔn)波形播放以及Simulink 仿真模型接口等多種功能，是一款全面的教學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，能夠滿(mǎn)足各種振動(dòng)試驗(yàn)的需求，是一款理想的教學(xué)工具，能夠?yàn)橄嚓P(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生提供高質(zhì)量的小型課堂試驗(yàn)體驗(yàn)。

3 教學(xué)試驗(yàn)實(shí)踐

本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)主要圍繞小型地震模擬振動(dòng)臺(tái)展開(kāi)。教學(xué)開(kāi)始前，首先由教師及相關(guān)技術(shù)人員對(duì)學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)備介紹和安全指導(dǎo)，確保每位學(xué)生都能熟練掌握設(shè)備的操作流程。實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要分為以下幾個(gè)階段。

3.1 準(zhǔn)備階段

在準(zhǔn)備階段，學(xué)生在教師的細(xì)心指導(dǎo)下，深入了解實(shí)驗(yàn)的科學(xué)原理和目標(biāo)。教師詳細(xì)解釋地震模擬振動(dòng)臺(tái)的工作機(jī)制，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵變量和預(yù)期的觀察結(jié)果。接下來(lái)，學(xué)生參與設(shè)備操作的演示和實(shí)踐，確保每個(gè)人都能熟練操作實(shí)驗(yàn)儀器。安全培訓(xùn)也是這一階段的重中之重，包括了解實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)則、正確使用防護(hù)裝備，以及在緊急情況下的應(yīng)對(duì)措施。

3.2 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段要求學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐操作相結(jié)合。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生討論并確定實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容，如選擇模擬的構(gòu)造類(lèi)型、設(shè)定地震波的頻率和振幅。學(xué)生還需要設(shè)定實(shí)驗(yàn)中的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，如鋼框架模型的位移、加速度等關(guān)鍵參數(shù)。此階段不僅考驗(yàn)學(xué)生對(duì)地震工程理論的理解，也鍛煉了他們的創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3.3 執(zhí)行階段

執(zhí)行階段，學(xué)生們親自操作振動(dòng)臺(tái)，實(shí)際模擬地震對(duì)鋼框架的影響。學(xué)生在教師的監(jiān)督下，仔細(xì)調(diào)整設(shè)備設(shè)置，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄數(shù)據(jù)，學(xué)生觀察模型在不同震動(dòng)參數(shù)下的響應(yīng)。這一階段，學(xué)生體驗(yàn)理論知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用，學(xué)習(xí)如何處理和記錄科學(xué)數(shù)據(jù)，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.4 分析階段

實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生進(jìn)入分析階段。在這一階段，學(xué)生需要整理和分析實(shí)驗(yàn)中收集的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)，深刻理解理論與實(shí)踐之間的聯(lián)系和差異。教師引導(dǎo)學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)偏差的原因及該試驗(yàn)的局限性等，鼓勵(lì)學(xué)生思考如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提出創(chuàng)新的思路，為后續(xù)的微實(shí)驗(yàn)探索提供新的視角。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師擔(dān)任引導(dǎo)者的角色，負(fù)責(zé)向?qū)W生詳細(xì)介紹地震模擬振動(dòng)臺(tái)的操作方法和實(shí)驗(yàn)流程，確保實(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行。學(xué)生則扮演實(shí)驗(yàn)者的角色，他們不僅要學(xué)習(xí)如何操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還要參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集和分析。

4 教學(xué)試驗(yàn)探討

4.1 學(xué)生參與度高

在動(dòng)手操作的過(guò)程中，學(xué)生不僅親身體驗(yàn)了理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，而且通過(guò)這種互動(dòng)式學(xué)習(xí)，他們的學(xué)習(xí)興趣顯著提升。實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到結(jié)果分析，都要求學(xué)生的主動(dòng)參與和思考，這種參與感使他們對(duì)于學(xué)習(xí)過(guò)程更加投入，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的深入理解。

4.2 理論與實(shí)踐相結(jié)合

通過(guò)親自參與地震模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠直觀地觀察到理論在實(shí)際操作中的體現(xiàn)，將課本上的抽象概念轉(zhuǎn)化為具體可見(jiàn)的結(jié)果。這種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加深了他們對(duì)地震工程基本原理的理解，同時(shí)也讓他們認(rèn)識(shí)到理論知識(shí)的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值，架起了理論學(xué)習(xí)與實(shí)際操作之間的橋梁。

4.3 問(wèn)題解決能力增強(qiáng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到各種預(yù)料之外的挑戰(zhàn)和問(wèn)題。面對(duì)這些問(wèn)題，學(xué)生被迫離開(kāi)舒適區(qū)，運(yùn)用批判性思維去尋找解決方案。這不僅鍛煉了他們的問(wèn)題解決能力，而且通過(guò)這些實(shí)際的挑戰(zhàn)，提高了他們應(yīng)對(duì)未知和復(fù)雜情況的能力，為將來(lái)在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)解決問(wèn)題打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

此研究通過(guò)“小型地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)”這一課堂微試驗(yàn)，將先進(jìn)科技與教育實(shí)踐理論相結(jié)合，展示了教學(xué)創(chuàng)新在理論與實(shí)踐層面的有效融合。這種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式不僅可以提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力，還能激發(fā)他們的創(chuàng)新思維和學(xué)術(shù)興趣，在提升學(xué)生實(shí)踐技能、創(chuàng)新思維以及學(xué)術(shù)探索方面成效顯著。該教學(xué)模式的實(shí)施為教育理論與實(shí)踐之間的互動(dòng)提供了新的視角，為現(xiàn)代教育體系的發(fā)展貢獻(xiàn)了新的思考，為教育領(lǐng)域構(gòu)建一個(gè)更加多元化、交互式、創(chuàng)新導(dǎo)向的教育新格局提供了理論支持。