建筑結構抗震設計“三度八結合”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，造成人員傷亡和經濟損失，還常常引發火災、水災、滑坡等次生災害。我國位于世界兩大地震構造系的交匯區域，歷史上多次發生重大地震。大量的震害資料統計顯示，對建筑結構進行規范專業的抗震設計是預防及減輕地震災害的主要手段。通過開設“建筑結構抗震設計”課程（以下簡稱抗震課程），可以促進土木工程專業學生了解地震基本知識、掌握結構抗震設計的基本理論和方法、開展專業規范的抗震設計，因此抗震課程成為很多學校土木工程專業的必修課程。

由于抗震課程所涉及的基礎知識廣、內容多，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。我們結合教學實踐，探索研究了新形勢下抗震課程“三度八結合”教學模式。

二、分析抗震課程基本特點

（一）課程內容面廣，但學時少

抗震課程教學內容較多，主要包括：地震基本知識、結構地震反應分析與抗震計算，以及砌體結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構等專題模塊的抗震設計等。所涉及的相關課程包括：高等數學、結構力學（結構動力學）、鋼筋混凝土結構、砌體結構、鋼結構、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合理安排教學內容，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”等內容需要運用結構動力學相關知識，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節，相關的例題、習題資料較少，并缺乏系統性，而在開展畢業設計時，結構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構抗震設計工作，是教學過程中十分重要的問題。

（三）公式規范條文多、雜，顯枯燥

抗震課程教材公式多且較復雜，各種不同的建筑結構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容有機串聯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構的抗震設計等專題部分，涉及地震作用計算、地震剪力分配、結構內力計算、地震作用效應調整等，內容豐富，綜合性強。在教學過程中，如何培養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）內容安排不合理

由于抗震課程內容多、難度大，但學時較少，故需要對教學內容進行恰當的取舍。而在教學實踐中，部分教師并非從教學內容的重要性及合理性角度安排教學內容及相應學時，只是根據教學的難易程度進行選擇，這必然導致內容邏輯性不佳，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，特別是結構地震反應分析。由于公式推導是結構地震反應分析方法的主體，只有熟悉公式推導，才能對結構地震反應分析做到“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）教學和規范脫節

設計規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，必須嚴格執行，故作為未來結構工程師的土木工程專業學生，有必要了解乃至掌握規范。對于土木工程專業來講，專業課程基本都有相對應的設計規范，抗震課程所對應的主體規范為《建筑抗震設計規范》（以下簡稱《抗規》，2021年規范體系及名稱作了調整）。然而由于部分教師自身對規范的不熟悉，教學中完全與規范脫節，卻仍然無動于衷，這顯然不合適。

（四）實踐環節缺失

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，而忽視實踐教學環節，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，激發課程學習的緊迫感與興趣

課程教學成功的關鍵，就是激發學生學習課程的緊迫感與興趣。教師可以發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勢，如通過展現近幾十年來強烈地震所造成嚴重震害的視頻，對學生產生強烈的視覺沖擊，再結合實景圖片介紹結構破壞的原因，使學生認識到地震的危險性和抗震的重要性，從而激發學生學習抗震課程的緊迫感；還可通過聯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

目前結構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構研究的學生，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構、鋼結構、單層廠房等較多專題抗震設計模塊的內容，且較多內容還與鋼筋混凝土結構設計、鋼結構設計等課程重疊。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、重構抗震課程教學“八結合”模式

（一）專業教育與思政教育相結合

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，大量知識點富含韻味濃郁的思政元素，非常適合開展專業知識與課程思政的融合教育。課程教學時，可在專業知識傳授的“大餐”中，以潤物細無聲的方式，在適當的知識點處適時撒入適量的思政“調味料”，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）教學內容與其他專業課程相結合

抗震課程與其他專業課程存在密切的聯系，不僅要運用結構力學等課程相關基礎知識建立結構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構、鋼筋混凝土結構和鋼結構等結構體系中。因而，在教學中需要加強與其他課程的聯系。

在縱向上，因結構抗震設計以結構動力學作為主要理論基礎，需要抗震課程做好與結構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，讓學生復習結構動力學中有關運動方程的建立、高數中非齊次方程的求解等內容，達到溫故知新的效果。在橫向上，與混凝土結構設計原理和高層建筑結構設計等課程，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別與聯系，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。混凝土結構設計原理，主要以結構的靜力分析和設計為主。結構抗震設計，考慮的是結構動力分析，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、地震效應調整，而反應譜理論是結構抗震設計中的核心概念，其目的就是確定結構的地震作用，同時反應譜理論又是結構動力分析和等效靜力分析的聯系紐帶，與其他課程有重要區別。而高層建筑結構設計則主要是學習不同類型結構的內力分析方法。

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。而加強課程在培養學生知識、能力和素質等方面的內在聯系，又可將各門課程整合成一個聯系緊密的有機體。

（三）線上與線下相結合

針對抗震課程內容豐富繁雜，按傳統教學方式在有限學時內所學內容非常有限的情況，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容，而課程有關背景知識、習題訓練、各結構類型的抗震運用等拓展性或選擇性內容，及較少用且較難公式的推導等內容，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）傳統講授與對分課堂、項目教學相結合

針對抗震課程內容豐富繁雜，按傳統教學方式在有限學時內所學內容非常有限的情況，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、難度較大的結構地震反應分析與抗震計算部分，采用教師主講的傳統講授方式，而在多層砌體結構抗震設計、多高層建筑鋼筋混凝土結構抗震設計等專題部分，因其內容多、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構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、實踐相結合

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

一方面，可通過聯系日常生活中常見自然現象的案例，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，就看不到這樣的現象。從這一生活小例就能使學生聯想到，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生的地震為詮釋結構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的樓梯間由于平面剛度不均勻引起扭轉、豎向剛度突變、短柱等問題造成嚴重破壞，底部框架結構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節，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構地震反應等情景。組織學生參與防震減災產學研項目，走進社會調查研究城市民居抗震性能，充分利用結構設計競賽、創新創業活動等實踐性環節，引導學生走進試驗室，自主開展創新性抗震試驗等，切實增強學生的動手能力。

（六）課程與規范相結合

抗震課程內容與工程實踐聯系緊密，《抗規》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。大部分建筑結構抗震設計教材是圍繞《抗規》來編寫的，只是教材比《抗規》邏輯性更嚴密些。教材上的知識點，往往與《抗規》條文相對應，故在課堂教學時，可將抗震課程知識點和《抗規》條文關聯起來，既能讓學生熟悉《抗規》，亦能更深刻理解課程內容，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，讓學生認識到規范的重要性，培養學生的工程意識。

（七）抗震計算與概念設計和構造措施相結合

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構的抗震能力，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造措施。

抗震計算主要是計算結構的地震作用和地震反應，為抗震設計提供定量的數據，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構的抗震性能，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，并在此基礎上培養學生自學和運用知識的能力。構造措施主要是為了保證結構整體性、加強局部薄弱環節，該部分規范條文較多且內容零散，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，以圖片形式說明構造措施的做法和作用，使學生對構造措施有直觀的認識，而不感到枯燥乏味。

概念設計、抗震計算和構造措施三者相結合，在教學中可以結構抗震設計方法和抗震計算為主線，使學生了解建筑結構抗震設計的基本過程，輔以必要的抗震概念設計和抗震構造措施，引導學生構建抗震設計理論整體觀，從而全面掌握進行建筑結構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、防災減災相結合

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

例如，根據2010年玉樹地震震害調查資料，中小學校舍建筑是所有調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象為：框架柱震害明顯比框架梁嚴重，不符合一般框架結構“強柱弱梁”原則，而且結構底層柱頂破壞比柱腳嚴重。通過震害照片、數值模擬分析結果系統闡述這一震害，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，牢固掌握結構的抗震設計理念。

另外，抗震理論與震害分析還可與防災減災相結合，如砌體結構中的女兒墻，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“建筑結構抗震設計”課程“三度八結合”教學模式，取得了良好的教學效果。