高等農業院校建筑抗震設計課程教學改革探索

黃劍峰 楊 松 龍立焱

云南農業大學水利學院 云南昆明 650201

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高等農業院校建筑抗震設計課程教學改革探索

黃劍峰 楊 松 龍立焱

云南農業大學水利學院 云南昆明 650201

摘 要：以高等農業院校中土木工程專業建筑抗震設計課程中表現出的內容多、學時少、學習難度大、綜合性強等特點為背景，結合該門課程建設內容和農業院校工科學生的學習特點，探索卓越工程師環境下如何進行建筑抗震設計課程的教學改革與實踐。

關鍵詞：建筑抗震設計；農業院校；教學改革

建筑抗震設計是土木工程專業建筑工程方向非常重要的一門專業課［1］，該課程涉及多個學科且發展很快，綜合性較強，學生要想真正掌握好并不容易。該課程要求學生具備工程數學、力學、材料、結構等方面的知識，其前續課程為結構力學、鋼筋混凝土結構、砌體結構、鋼結構、地基基礎等，后續課程為PKPM結構設計軟件應用，最終為最后一學期的畢業設計奠定基礎。該門課程教學效果好壞直接關系學生的專業素質技能和畢業后從事結構設計及施工的能力水平。由于該門課程涉及的高等數學、結構動力學知識較深、較難，同時和專業規范結合緊密，學時相對其他課程較少，加上農業院校工科學生自身基礎和自學能力相對較弱，學生普遍感覺抗震基本原理難學，結構抗震設計方法難懂。

云南農業大學水利學院自2004年開始招收土木工程本科專業以來，就在大四上學期（第七學期）開設建筑抗震設計課程，2013年學校將該門課程列為一類課程建設，同年土木工程專業獲得省級“卓越工程師教育培養計劃”建設項目，另外我院水利工程專業也獲得了國家級“卓越工程師教育培養計劃”建設項目。“卓越計劃”的培養特點是行業企業深度參與培養過程，學校按通用標準和行業標準培養工程人才，強化培養學生的工程能力和創新能力。在這樣的背景條件下，對土木工程專業建筑抗震設計這門課進行教學改革已顯得十分必要。

1　課程歷史與現狀

建筑抗震設計課程最早在我們學院農建專業中開設，主要考慮到該專業偏結構方向，課程主要由教數學和力學的教師承擔，當時課程學分為3.5，一直到2011年教學大綱修訂，將學分減為3，但與其他學校同類專業抗震課程設置相比還多1個學分，原因是雖然其他學校這門課只有2個學分，但它們都開過結構動力學課程，我們所多出的這1個學分也會在上課時安排加強結構動力學這部分內容，所以現在這門課的學時安排比較恰當。此外任課教師一直是擔任力學等專業基礎課的教師，雖然這對這門課的力學理論基礎來說是有好處的，但這門課實踐性很強，學生學習完最終要能對各種工程結構實際對象進行抗震設計，所以還需要任課教師具備一定的工程實際經驗。在師資較為缺乏的條件下應對擔任這門課的教師進行相關專業進修或聘請一些校外工程設計單位的工程師完成部分教學內容。這應該會對學生的對該門課的學習和掌握工程結構設計方法有一定好處。這方面的問題在學院師資招聘條件的具體要求下近幾年也逐漸得到改善。筆者結合農業院校工科學生的學習特點和多年來講授該門課程的教學經驗，針對當前該門課程教學中存在的一些問題特點［2］，進行以下幾點教學改革探索和嘗試，希望在卓越工程師環境下能對該門課程的教學質量提高和學生將來就業及參加全國注冊結構工程師考試有一定的輔助作用。

2　課程建設和教學改革探索與實踐

2.1教材應隨規范更新 震害實例與時俱進

在2008年汶川大地震之前，這門課程所使用的教材基本上按GB50011-2001《建筑抗震設計規范》編寫，2009年到2010年之間使用過按GB50011-2001《建筑抗震設計規范》（2008版）編寫的教材，2010年后至今使用的都是按GB50011-2010《建筑抗震設計規范》編寫的教材。該門課程除了抗規外還涉及《建筑工程抗震設防分類標準》《建筑結構荷載規范》《建筑地基基礎設計規范》《混凝土結構設計規范》《鋼結構設計規范》《砌體結構設計規范》《高層建筑混凝土結構技術規程》等相關行業規范。這些規范也在抗規修訂后進行了更新，因此2008年后教材更換頻繁，基本上每一屆所使用的教材都不相同。在平時教學過程中我們密切注意相關規范的修訂動態，及時更新教材及教學內容，注意特別強調新舊規范的修訂差別之處。特別是近年來，世界上包括我們國家尤其西南地區地震較為頻繁，例如最近的2015年4月25日尼泊爾發生8.1級強震，給我國西藏、印度、孟加拉國等也造成人員傷亡，另外如2011年“311”日本東海岸9級大地震，2008年“512”四川汶川8級大地震，2010年“414”青海玉樹7.1級地震，2013年“420”四川雅安7級地震，2014年“803”云南魯甸6.5級地震，2014年“817”云南永善5級地震，2014年“1122”四川康定6.3級地震，2014年云南景谷“1007” 6.6級地震以及“1206” 5.8級地震等，工程結構在地震中所表現出的抗震性能對人員傷亡和財產損失的估量是非常重要的，作為一個合格的結構工程師所設計的房屋、水工結構等能否抵御發生時間、地點、強度都不確定的地震是擺在當前的一個重大問題，也是一項責任和使命。因此，根據最新相關規范、結合最新的震害實例更新相關課程的教學內容，對該門課程的理解特別是抗震概念設計顯得尤為重要。應該把最新的震害實例納入教材，及時更新該門課程的授課內容，緊跟領域內的前沿研究和發展方向，做到與時俱進。通過引用最新震害資料到課堂后，學生反映出較高的關注度，因為很多震害的發震時間離課堂教學時間非常近，而且有些震害就來自學生們的家鄉（如魯甸地震、永善地震等），增強了學生學好這門課的決心。另外結合農業院校學生大部分來自農村甚至偏遠山區，屬于地震頻發的高烈度地區，土木石結構房屋偏多，還應補充這類房屋的抗震設計及鑒定加固等內容。

2.2改變傳統授課模式 授課方法多樣化

通過多年教學發現，該門課程如果以傳統的授課模式“填鴨式”教學為主，學生學習的積極性很低，學生普遍都感到該門課程枯燥、乏味，學生基本對課程沒有任何興趣，學生逃課率也高，教學效果也差。因此應改變傳統授課方式，更新教育觀念，讓學生參與教學過程，授課方法多樣化，如大連理工大學在建筑結構抗震教學中利用微博進行教學實踐［3］，條件允許還可以安排各種地表及結構震害現象的錄像課，例如在教學中我們使用了哈爾濱工業大學土木工程學院謝禮立院士有關結構抗震設計的視頻公開課，花費學時不多，但對學生學習的積極性起到了很好的效果，學生觀看后對今后及將來世界各國包括我們國家在內抗震的重要性及土木工程師肩負的使命有了深刻的認識。為了激發學生學習積極性還可以結合歷年全國大學生結構設計競賽中有關抗震的賽題，從圖片到視頻多角度給學生展示結構抗震的重要性。現在已經進入信息時代，互聯網技術發展迅猛，很多教育資源可以通過網絡共享。該門課程國外有開放課程，國內很多高校也有相應的精品課程資源，教師可以引導學生基于網絡環境下學習這門課程。一方面可以調動學生學習的主動性；另一方面可以滿足不同層次的學生的學習需求。特別是最后一學期，有部分學生準備考研，教師登記后可以不來上課（但必須交作業和參加最后的考試），一方面培養了這類學生的自學能力；另一方面也為這類學生贏得寶貴的考研復習準備時間。教學內容中涉及結構動力學的結構地震反應分析和抗震驗算這一章中的振型分解反應譜法和時程分析法，農業院校土木類大部分學生由于數學力學基礎相對較差普遍感覺抽象難懂，教師可利用現代數值模擬商業軟件［4，5］（如ANSYS，PKPM，MIDAS，SAP2000等），通過建立三維結構模型，將這兩種方法在地震作用下的結果圖片和動畫動態地展示給學生。如圖1和圖2所示，一方面學生可以加深對這兩種方法的理解；另一方面學生對地震作用下兩種方法計算結構動力響應會有一個感性認識并提高了學習的興趣，經過一學期這樣安排后發現效果很好，還可以用有限元軟件模擬各種結構在地震作用下的動力響應及破壞模式［6］，最終引導學生深入研究抗震知識。另外特別是讓學生做好與PKPM結構設計軟件課程相應銜接，通過本門課程加深對PKPM結構設計軟件中輸入地震信息的理解，提高學生計算機應用能力，為今后的畢業設計和工作打好基礎。我院PKPM結構設計軟件課程與建筑抗震設計課程是在同一學期開設，學生們在使用PKPM軟件進行結構設計時會碰到很多地震參數需要設置，這時他們會在建筑抗震設計課程講授到該部分有關內容時進行認真聽課并主動學習查閱有關規范。最后在平時教學過程中，還可以邀請一些設計或施工單位的專家給學生講部分抗震專題，有條件的可以帶領學生親臨施工現場講解抗震構造措施，同時側面了解學生對授課方式的不同意見，綜合改進后及時調整講授方法。

圖1　某高層建筑地震作用下第一振型圖

圖2　某高層建筑地震作用下的位移圖

2.3改革考核方法 全面提升教學效果

當前，很多課程的考核方法不外乎閉卷考試、開卷考試、半開半閉相結合考試等幾種形式。我院該門課程考試2011年之前基本都采用開卷考的形式，學生通過率較高，但不能反映學生真實學習情況，有的學生考試成績很高，但實踐能力很差，特別到畢業設計時就表現出來。近年來，我們采用閉卷方式，學生通過率有所下降，學生學習主動性增加，但學生考試作弊行為較為突出。因此，在考核方式上必須改革。我們現在采取多種方式評定最終成績，淡化最后一次期末考試的比重，如加入幾個大作業的形式，緒論上完后布置學生通過網絡自己收集統計近10年來國內外震級較大的地震數據（包括發生時間、地點、震級、損失等），再從中挑選一次自己感興趣的震害實例，分類整理后精選典型和有代表性的震害圖片并加以相應震害說明及其原因剖析，這樣使學生對震害有一個直觀的認識，對地震作用下結構破壞機理及易損部位有清醒認識，培養學生對工程震害分析的能力［7］，同時更好地理解抗震概念設計的重要性和方法。混凝土結構抗震設計這章上完后布置學生自己手算一榀3層左右的混凝土框架結構（強調不要電子版的必須手寫），可為下學期畢業設計選擇偏結構方向的同學打下堅實基礎，因為畢業設計中結構部分的重點和難點都在結構抗震設計上。這些作業的結果都占到總評成績的一部分，避免以往僅僅通過一張試卷的考核來定能力的弊端。另外期末考可以結合歷年全國注冊結構工程師考試中有關抗震的題目，在平時教學中可以提示學生自己去關注，提高學生的學習積極性。這樣實踐后很多學生反映更加關注平時的學習，而不是靠最后期末考時才來突擊應付，而且在下學期畢業設計中很多做結構方向的學生反映：凡是當時經過建筑抗震設計課程認真系統學習的學生做起畢業設計來也相對得心應手，而那些當時沒有認真學習的學生就處處受絆，需要花費很大力氣才能完成畢業設計任務。通過這些方式來全面綜合地考察、評定學生對該門課程的學習掌握和理解程度，從而更好地反饋和指導教學，全面提升教學效果。

3　結束語

針對當前全球地震高發期的背景及我國高等工程教育中“卓越工程師教育培養計劃”的實施，高等農業院校土木工程專業建筑抗震設計課程改革勢在必行。作為農業院校里的工科應采取有效措施適應這種變化，首先教材滯后于這門課程的發展，教師應補充最新震害實例和抗震領域的新進展；其次，教師應該轉變傳統的教學模式，多媒體教學、專題講座、觀看相關視頻影像資料、利用微博等多種手段相結合，鼓勵學生利用網絡資源自主學習，激發學生學習興趣，并與PKPM結構設計軟件課程和畢業設計做好相應接軌；最后不斷完善和充實教學資源，包括加入最新震害實例、抗震最新技術、歷年全國注冊結構工程師考試中與該課程的相關考題、試題庫建設等，采用多渠道評價考核方法，真正使學生“學有所用”。筆者按以上的一些思路實踐后，學生學習積極性和主動性有所增強，學習效果明顯改善，在后續畢業設計中反映良好。筆者鑒于近年來歷次地震中由于滑坡造成堰塞湖，很多土石壩、水庫出現開裂漏水現象，水工結構抗震問題也日益突出，希望水利工程專業的學生也開設這門課程，可以安排適當學時根據專業特點選學部分章節內容。最終使建筑抗震設計這門課程的教學真正為土木工程專業和水利工程專業“卓越工程師”的培養起到應有的作用。

參考文獻

［1］ 高等學校土木工程學科專業指導委員會.高等學校土木工程本科指導性專業規范［M］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［2］ 鄭妮娜，楊溥，劉立平.結構抗震設計課程教學問題調研［J］.高等建筑教育，2014，23（3）：75-77.

［3］ 霍林生，李宏男.新媒體視野下建筑結構抗震微博教學實踐［J］.高等建筑教育，2014，23（2）：126-128.

［4］ 楊迎春，吳照學，邱磊.數值模擬在《工程結構抗震》課程教學中的應用［J］.赤峰學院學報：自然科學版，2013，29（1）：194-195.

［5］ 王德玲，沈疆海，張系斌.ANSYS在結構動力學和工程抗震教學中的應用［J］.水利與建筑工程學報，2010，8（1）：39-41.

［6］ 陳素文，李國強，陳建兵.建筑結構抗震多媒體課件建設研究與實踐［J］.高等建筑教育，2012，21（3）：151-153.

［7］ 鄔喆華.抗震教學中工程震害分析能力的培養［J］.高等建筑教育，2014，23（3）：66-70.

收稿日期：2015-11-25

作者簡介：黃劍峰，博士，副教授。

基金項目：云南農業大學第八批校級一類課程建設項目。

Exploration of Teaching Reform of Seismic Design of Buildings in Agricultural Universities

Huang Jianfeng， Yang Song， Long Liyan
College of Hydraulic Engineering， Yunnan Agricultural Universitiy， Kunming， 650201， China

Abstract：In the course of Seismic Design of Buildings for civil engineering specialty in agricultural universities， it is characterized by more contents， less time， more diffcult to learn， and more comprehensive. This paper combines the contents of the course construction and the learning characteristics of engineering students in agricultural universities. We explore how to carry out the teaching reform and practice of the seismic design course under the environment of excellent engineers.

Key words：seismic design of buildings； agricultural universities； teaching reform