小型地震模擬振動臺教學試驗的課堂實踐與探討

陳 偉，王欣宇，葉繼紅

（1.中國礦業大學徐州市工程結構火安全重點實驗室 江蘇 徐州 221000；2.中國礦業大學力學與土木工程學院 江蘇 徐州 221000）

在各類自然災害中，地震是一種極具破壞性的自然災害，嚴重威脅公眾安全、危害人民生命和財產安全[1]。為減輕地震災害的損害，土木工程專業防災減災課程中加強抗震設計原理與方法的教學，顯得尤為迫切和重要[2]。目前土木工程抗震相關課程往往以PPT 講學或者專題講座的形式開展，教學手段傳統且單一，學生的探索與實踐能力亟須提高。進行地震實驗成為提高學生探索能力的一種有效手段，但由于地震的不規律與復雜性，進行真實的地震實驗存在很大的難度[3]。當前，擁有大型抗震試驗設備的高校或研究機構較少，且大型實驗設備需要定期維護和更新以確保其性能和安全性[4]。但設備日常使用與維護費用高昂，這意味著在有限的時間內，實驗的頻率和規模嚴重受限[5]。因此，學生在校期間往往缺乏機會參與地震實驗，無法親身體驗地震的力量，限制了其實踐經驗的積累[6]。而地震工程往往需要將理論知識與實際應用相結合，學生只通過課堂教學和書本知識難以全面理解抗震設計的復雜性，導致理論與實踐脫節，難以將所學知識應用于實際工程項目[7]。此外，地震實驗實踐經驗的缺乏也限制了學生在該領域興趣度與創新性的提升。

近年來，一些企業研發了小型土木工程教學實驗設備，例如小型地震模擬振動臺等，這些設備為課堂實驗實踐教學的展示提供了可能。鑒于此，本文提出了微課堂實踐教學新模式。通過將這些先進的小型設備應用于教學，實現課堂理論教學與實踐演練的高度融合。

1 教學試驗設計

抗震課堂試驗依托多功能小型地震模擬系統，結合MOOC 等現代教學資源，進行課堂微試驗教學，構建了一套完整的“課前探索―課堂實踐―課后研究”教學模式。這種教學模式突破了傳統實驗教學模式，以趣為核探索理論與實踐相融合的施教方案，建立了過程與結果并重的實驗教學評價體系，并在教學實踐中持續改進。強調學習的自主性、能動性與創新性，鼓勵學生大膽嘗試，增強學生的學習自主性，提高學生的實踐操作能力，提升其專業核心競爭能力。

相較于傳統教學方法，結合振動臺的動力試驗方法能夠更加生動地演示結構動力特性，揭示地震不同模式的動力學原理，基于本課題研發的全新多功能電動加載裝置和試驗控制系統為學生的課堂實踐提供了更加完整、實時、精確、靈活的教學演示，激發了學生的學習興趣。

1.1 課前自主學習基礎理論知識

學生應積極參與課前自主學習。他們可以使用教材、參考書籍、學術論文和在線資源來研究結構動力學和工程結構抗震的基礎理論知識。這些知識將為他們提供必要的背景和理論基礎，以更好地理解和參與后續的試驗。

1.2 匯報展示和討論試驗方案

學生在課堂上匯報課前自主學習成果，分享查閱的資料和知識。這種知識分享和匯報有助于加深學生對課程內容的理解，同時也能調動他們與同學之間交流和合作的積極性。教師引導學生討論制訂試驗方案，包括確定試驗的目標、選擇合適的試驗參數和方法等。

1.3 課堂抗震微試驗

在這個階段，學生將進入實驗實操階段。依托小型地震模擬振動臺進行抗震微試驗，學習如何正確設置試驗設備，包括振動臺的操作和控制。學生分組自主搭建，構建3層不同支撐與配重的鋼框架結構，根據試驗方案進行試驗。體驗振動臺模擬的地震情況，觀察結構的振動和變形情況。

1.4 試驗觀察和記錄

試驗正式開始后，學生密切觀察模型的振動響應和變形情況。他們將記錄實驗數據，包括加速度、位移和應變等參數。教師應提醒學生注意不同試驗模式和振動波形對結構的影響，以及不同構造之間的性能差異。這個過程要求學生保持專注和細致的觀察，以便后續的數據分析和報告撰寫。

1.5 報告撰寫和提交

試驗結束后，學生將開始撰寫試驗報告。在此過程中學生將收集的數據進行整理和分析，以確保報告具有清晰的結構和準確的信息，這份報告將包括以下內容：①試驗的目的和背景；②試驗方法和步驟的詳細描述；③實驗結果的數據記錄和圖表展示；④對實驗結果的分析和解釋；⑤結論和建議。學生將最終的試驗報告提交給教師，教師根據報告對學生的實驗操作和分析能力進行評估和反饋。

2 教學試驗設備

教學試驗設備是學校自主研發的一套基于先進技術的震動平臺裝置。該設備旨在為微課堂試驗提供全面、實時、準確和靈活的教學演示。該設備的核心特點如下：

該設備具有開闊的試驗空間，其臺面尺寸為300mm×400mm，可承載最大20kg 的荷載，最大加速度可達1g，最大速度為1m/s2，最大行程200mm，為使其能夠滿足不同試驗頻率和振幅的要求，頻率范圍從0.1Hz 到50Hz，確保試驗具有高適應性和靈活性。此外，這套設備還具備強大的控制系統和全面的模擬功能，采用模塊化虛擬技術，配置觸摸屏操作界面，為用戶提供便捷的操作體驗。控制系統整合了伺服控制，預置了多種地震波曲線、道路振動和飛行振動載荷曲線，用戶可根據試驗需求進行自定義配置。它還支持多種標準波形播放，如正弦、方波、三角波和隨機波，并提供循環、掃頻和拍波等多種功能，以滿足各種教學展示試驗的要求。同時，設備還提供Simulink 仿真模型接口，可用于混合仿真試驗，進一步擴展了其應用領域。值得一提的是，該系統的工作電壓為220V，即插即用，可隨時布置于任何位置，為用戶提供了極大的操作便捷性和空間靈活性。

綜合而言，這一設備具備高頻率范圍、高加速度和速度、位移控制、多種標準波形播放以及Simulink 仿真模型接口等多種功能，是一款全面的教學試驗設備，能夠滿足各種振動試驗的需求，是一款理想的教學工具，能夠為相關專業的學生提供高質量的小型課堂試驗體驗。

3 教學試驗實踐

本次教學實驗主要圍繞小型地震模擬振動臺展開。教學開始前，首先由教師及相關技術人員對學生進行詳細的設備介紹和安全指導，確保每位學生都能熟練掌握設備的操作流程。實驗過程主要分為以下幾個階段。

3.1 準備階段

在準備階段，學生在教師的細心指導下，深入了解實驗的科學原理和目標。教師詳細解釋地震模擬振動臺的工作機制，強調實驗中的關鍵變量和預期的觀察結果。接下來，學生參與設備操作的演示和實踐，確保每個人都能熟練操作實驗儀器。安全培訓也是這一階段的重中之重，包括了解實驗室安全規則、正確使用防護裝備，以及在緊急情況下的應對措施。

3.2 設計階段

設計階段要求學生將理論知識與實踐操作相結合。在教師的引導下，學生討論并確定實驗的具體內容，如選擇模擬的構造類型、設定地震波的頻率和振幅。學生還需要設定實驗中的監測指標，如鋼框架模型的位移、加速度等關鍵參數。此階段不僅考驗學生對地震工程理論的理解，也鍛煉了他們的創新思維和團隊協作能力。

3.3 執行階段

執行階段，學生們親自操作振動臺，實際模擬地震對鋼框架的影響。學生在教師的監督下，仔細調整設備設置，確保實驗的準確性。實驗進行中，系統實時監控并記錄數據，學生觀察模型在不同震動參數下的響應。這一階段，學生體驗理論知識在實際中的應用，學習如何處理和記錄科學數據，提高解決實際問題的能力。

3.4 分析階段

實驗完成后，學生進入分析階段。在這一階段，學生需要整理和分析實驗中收集的數據。通過對比實驗結果與理論預測，深刻理解理論與實踐之間的聯系和差異。教師引導學生討論實驗中出現偏差的原因及該試驗的局限性等，鼓勵學生思考如何改進實驗設計，提出創新的思路，為后續的微實驗探索提供新的視角。

整個實驗過程中教師擔任引導者的角色，負責向學生詳細介紹地震模擬振動臺的操作方法和實驗流程，確保實驗的安全進行。學生則扮演實驗者的角色，他們不僅要學習如何操作實驗設備，還要參與實驗設計、數據收集和分析。

4 教學試驗探討

4.1 學生參與度高

在動手操作的過程中，學生不僅親身體驗了理論知識的實際應用，而且通過這種互動式學習，他們的學習興趣顯著提升。實驗的每一個環節，從實驗設計到結果分析，都要求學生的主動參與和思考，這種參與感使他們對于學習過程更加投入，促進了學生對知識的深入理解。

4.2 理論與實踐相結合

通過親自參與地震模擬實驗，學生能夠直觀地觀察到理論在實際操作中的體現，將課本上的抽象概念轉化為具體可見的結果。這種實踐經驗加深了他們對地震工程基本原理的理解，同時也讓他們認識到理論知識的實際意義和應用價值，架起了理論學習與實際操作之間的橋梁。

4.3 問題解決能力增強

實驗過程中不可避免地會遇到各種預料之外的挑戰和問題。面對這些問題，學生被迫離開舒適區，運用批判性思維去尋找解決方案。這不僅鍛煉了他們的問題解決能力，而且通過這些實際的挑戰，提高了他們應對未知和復雜情況的能力，為將來在更廣闊的領域內解決問題打下了堅實的基礎。

5 結語

此研究通過“小型地震模擬振動臺試驗”這一課堂微試驗，將先進科技與教育實踐理論相結合，展示了教學創新在理論與實踐層面的有效融合。這種以學生為中心的教學模式不僅可以提高學生的實踐操作能力，還能激發他們的創新思維和學術興趣，在提升學生實踐技能、創新思維以及學術探索方面成效顯著。該教學模式的實施為教育理論與實踐之間的互動提供了新的視角，為現代教育體系的發展貢獻了新的思考，為教育領域構建一個更加多元化、交互式、創新導向的教育新格局提供了理論支持。