結構抗震設計課程產學合作協同育人教學模式構建

摘要：教育部產學合作協同育人教學內容和課程體系改革項目，旨在將人才培養的最新要求引入教學過程，推動高校更新教學內容、完善課程體系，建設適應行業發展需要、可共享的資源并推廣應用。順應國家戰略要求，針對目前土木工程專業理論課程教學中普遍存在的問題和結構抗震設計的課程特點，基于混合式教學方法構建產學合作協同育人教學模式，探討教學內容的調整優化、典型結構分析軟件的引入、課程大作業的設計、試驗項目的選取、考核方式以及教研試驗平臺的建立和利用等教學改革措施，描述了該教學模式的主要思路和關鍵實施步驟，列舉了在理論知識、工程應用、創新思想和專業素質方面的收獲和啟發，驗證了產學合作協同育人教學模式的良好效果。

關鍵詞：教學改革；產學合作；混合式教學；抗震設計

中圖分類號：G642.3 """""文獻標志碼：A """""文章編號：1005-2909（2024）01-0120-08

為提升本科人才培養質量，深化產教融合、校企合作，教育部高等教育司組織有關企業與高校共同開展產學合作協同育人項目。產教融合既是創新國家教育改革和人力資源開發的路徑，也是整合教育和社會資源的有效方式，優化教育和產業的配置模式，實現兩者的雙提升^［1］。如何構建產學合作協同育人的培養模式一直是高校教學改革的重點。雖已取得了十分顯著的成效，但受育人主體價值理念、育人標準和培養目標等因素的影響，我國產學合作協同育人模式的整體性設計不足，知識體系不連貫，理論和實踐脫節現象仍比較突出。如何動態適應產業需求變化，培養既能滿足價值鏈中高端和重點產業數智化轉型需求，同時又能兼顧低端與傳統產業數字化升級的多規格、多樣化人才，成為新時代工程人才培養的一個挑戰性命題^［2］。

對于高校土木工程專業而言，引入產學合作協同育人理念是提升人才培育質量、解決土建行業發展潛在難題的有效舉措。以人才培育為核心，以企業需求為指向，對現有課程教學體系進行合理整合，在保障專業基礎和專業課程教學內容的基礎上，加大對實踐課程和信息化、工業化、綠色建筑等新發展方向知識的傳授，讓學生擁有自主學習的權利，為其就業面的拓寬提供必要支持^［3］。

結構抗震設計課程是土木工程專業核心主干課之一，匯集了動力分析理論、地震震害、抗震設計原理、結構試驗等全方位知識。同時涉及復雜的動力分析、材料和幾何非線性等難點問題，且與工程實踐緊密結合，是多門專業基礎課的擴展和綜合靈活應用。本課程主要講述內容包括地震基本知識、工程結構的抗震設防策略、地震作用及結構地震響應計算方法、抗震概念設計的內涵、兩階段抗震設計方法、結構隔/減震的基本原理及設計方法等。其任務是講述地震的基礎知識及結構的抗震設防策略，重點講述抗震設計基本原則、地震作用計算方法和結構抗震設計方法，并結合試驗教學環節，培養學生掌握結構動力分析及基本抗震設計原理，使學生具有從事建筑結構抗震設計的工作能力。因此，如何梳理本課程諸多知識點之間的聯系，解決理論學習與工程實踐的融合，充分利用企業的軟硬件資源，滿足用人單位的迫切需求，是土木工程專業核心課教學改革亟待解決的問題。

針對土木工程專業課程的特點，總結近年來本課程在教學內容、方式改革等方面的經驗和研究成果，通過與廣州建研數力建筑科技有限公司技術人員的深度交流，融合專注于結構分析的SAUSG系列軟件，提出適宜本類課程教學的教學模式，系統地探討教學內容、大作業、試驗項目、考核方式等教學改革措施。

一、專業課程教學改革研討

目前，土木類專業課教學存在的諸多問題，不僅源于學生對工程理論課教學的認識度和重視度不足，更與高校專業培養方案的要求、教師的教學理念、硬件條件和教學方式等因素密切相關。對于土木工程專業的結構抗震設計課程而言，主要體現為有限的專業課時和不斷更新的教學內容之間的矛盾。隨著“壓縮課時，提高效率”的教學研究和改革工作的不斷深化，專業課程的理論教學課時或多或少都被壓縮和整合，如何利用有限的教學時間合理安排教學內容，讓學生掌握專業課程的精髓，為將來從事該領域工作準備必要的專業知識，已成為理論課程教學改革面臨的主要問題^［4-9］。

荀子曰：“不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之”，這充分反映了人們認識事物的自然規律和方法，因此，結構抗震設計課程遵循“聞之，見之，知之，行之”漸進式求知思想^［10-11］，通過在線慕課和課堂教學來傳授知識。通過基于項目學習（project-based learning，PBL）的大作業、單元測試等鞏固知識，利用課堂線下主題討論、編程分析、課程實驗等增加學生的參與感、引導學生自主學習，并能運用知識解決工程項目中的問題，從而構成線上線下混合式教學模式，實現從forget、remember到learn的飛躍，從“學會”到“會學”和“會用”的轉化。

二、專業課程教學模式構建

（一）"慕課教學內容

根據《建筑結構抗震設計》教材主要知識點，錄制了38段（合計371 min）教學視頻，主要內容涵蓋地震災害及成因、抗震設防思想、地震動特性、反應譜特征、地震作用及響應分析、地震效應組合、抗震設計方法、結構隔震設計原理、結構減震技術等。

根據課程內容精心設計了對應的129道線上習題（基本概念方面），課程結束前完成一次線上集中考試（共40道題目）。專門設置了線上討論環節，由授課教師根據課程進度實時提出思考題，學生可以在線提問，實現師生間的線上互動交流。2019年在清華大學學堂在線建課后，目前已經近2萬學生參與學習。

（二）"翻轉課堂設計

首先，梳理課程關鍵知識點之間的脈絡關系，編寫適用于翻轉課堂的教案及教學周歷，為每節課的課前預習、課堂組織（包括講解、演示和專題討論等）以及課后作業進行了詳細的設計。PBL大作業則以重慶某消防隊建設項目中最簡單的訓練塔建筑方案為工程背景，根據建筑功能、擬建場地等條件進行分組，根據知識點多層次分解為思考、分析和設計大作業任務，貫穿課程教學過程，逐步完成分步任務，并及時進行課堂評講和組間對比，實現理論學習與工程實踐的緊密結合。

下面以課程第一講（2學時）為例說明翻轉課堂設計內容^［12］，具體見表1。

（三）"課程實驗設計涵蓋知識點

為了實現課堂教學與實驗教學的深入融合，針對課程中結構減震控制的知識點，利用實驗室的Quanser Shake II小型振動臺和加速度傳感器等設備，安排了結構TMD（調頻質量阻尼器，Tuned Mass Damper）減震試驗^［13］。

結構TMD試驗模型為單跨兩層框架，僅考慮單向輸入，采用正弦波或地震波激勵。結構模型的第1層和第2層樓板質量均為5 kg，在地震輸入方向每層的抗側剛度約為400 N/m，附加在結構模型第1層和第2層的質量分別為M1+和M2+，課程實驗的結構模型示意圖及分組參數見表2。

課程實驗內容及步驟包括：

（1）白噪聲掃描，識別系統的自振頻率（或周期）；

（2）正弦激勵試驗，加深對振型的認識，觀察無控結構動力響應；

（3）根據實測的自振周期，進行結構的減震設計；

（4）正弦或地震激勵試驗，觀察有控結構動力響應；

（5）收集和整理試驗數據，評價減震控制效果。

為了彌補課堂授課時間的不足，首先引導學生預先查閱TMD技術的相關文獻資料，了解其應用現狀，并要求學生推導單擺自振周期的理論計算公式，掌握TMD減震原理，從而確定本組的單擺最優擺長。結合結構減震試驗，幫助學生更直觀地了解TMD技術應用于結構的減震效果和結構動力反應的相關知識。

（四）"考核方式

根據本課程混合式教學的特點，對傳統單一期末集中考試方式進行了改革，即課程成績由平時成績和期末集中考試成績構成，其中，平時成績包括觀看視頻、線上作業、討論區回答問題積極性、線上測試、課堂討論、課后習題和PBL大作業、實驗等。近年來，學生成績構成如下：課堂表現5%、線上成績20%、線下作業5%、PBL大作業5%、實驗報告5%、期末考試60%。

三、產學合作協同育人教學模式的構建

對于土木工程專業課——結構抗震設計課程而言，其中重要的一章為結構減震控制，教學內容有隔震原理與方法、減震原理與方法、結構主動控制初步等，該類技術已在實際工程中得到廣泛的應用，但分配的相應課時僅為1～2學時，僅靠課堂教學根本無法透徹講述這些原理和設計方法，只能大致列出結構控制的分類、特點及應用概況。學生畢業后碰到該類設計和施工問題，仍需重新自學，這嚴重制約了該門課程的特色和應用前景。如何彌補這個短板，是教師一直探索的問題之一，依靠課外引導學習和必要的實驗不失為一種有效方式。實驗教學是對專業理論知識的補充和驗證，但學生絕大多數不重視實驗課，其原因在于教師和教學管理人員仍受傳統教育教學理念的束縛，不愿投入更多的時間去思考和實踐，未能形成具有特色的實驗教學模式。教師不轉變教育思想和教育理念，就不能構建新的實驗教育教學模式，學生重知識輕技能的觀念也無法改變。本課程為了構建產學合作協同育人教學模式，從以下方面進行了改革探索。

（一）"慕課教學內容的擴充

2022年根據教學需求，結合企業（廣州建研數力建筑科技有限公司）提供的結構分析軟件SAUSG，及時補充了6段（共計90 min）慕課教學視頻，內容涉及地震波選擇、結構非線性分析、減震/隔震設計以及算例演示，具體見表3。

（二）"大作業任務書的優化

以某消防隊建設項目中的訓練塔為對象，根據建筑功能、擬建場地等條件進行分組，具體如表4所示。

大作業的具體內容如下所示。

（1）工程采用鋼筋混凝土框架結構體系，進行結構平面布置（第1章第1次課后）。

（2）確定結構抗震設防烈度及對應的小震、中震和大震水準取值（即多遇、設防和罕遇地震烈度取值），抗震設防類別及標準。

（3）每組計算某一條地震波的反應譜（第2章第1次課內）。

（4）根據本組題目所給設計條件（如擬建地區、場地類別等）和我國抗震設計譜（第3章第1次課內），繪制對應于小震、中震和大震水準的設計譜圖（同一張圖，阻尼比為5%）；繪制對應于小震水準，設計地震分組第一組，場地類別分別為I和IV的設計譜圖（同一張圖，阻尼比為5%）；畫出阻尼比ζ為2%、5%的對應本地區小震的設計譜（同一張圖）。

（5）確定結構抗震計算簡圖（沿2軸方向）。確定結構的每層Gi、Ki，提取結構的質量和剛度矩陣（第3章第3次課后）。試求該結構的自振頻率和振型，繪制前3階振型圖，驗算結構振型正交性（采用MATLAB程序）；采用振型分解反應譜法求小震下的各樓層剪力及第2層的層間位移（采用MATLAB程序）；采用底部剪力法求小震下的各樓層剪力及第2層的層間位移（第3章第4次課后，手算或采用MATLAB程序）。

（6）試討論：判斷結構是否考慮豎向地震作用？是否考慮扭轉地震作用？是否考慮雙向地震作用？并分別說明理由（第3章第4次課內）。

（7）定性判斷該結構的平面及豎向規則性，討論該結構的多道防線（第4章）。

（8）如何進行該結構的兩階段設計，包含哪些內容（第4章第2次課內）。

（9）采用SAUSG非線性分析軟件，進行結構在罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算。

（10）采用SAUSG-PI隔震設計軟件，對結構進行隔震設計和驗算（第9章）。包括：在設防地震下，進行隔震層驗算，計算結構底部剪力比；在罕遇地震下，對比分析隔震結構和非隔震結構的變形，繪制框架柱損傷圖。

需要說明的是，以前缺乏合適的結構非線性分析軟件，學生通常利用office軟件和教師自編的MATLAB軟件完成PBL大作業，也只能進行平面框架結構的彈性設計，無法進行空間結構的非線性分析，在引入建研數力建筑科技有限公司專業軟件SAUSG非線性分析和SAUSG-PI隔震設計軟件后，特意調整和增加了第9和10項的大作業任務，通過學習，學生更進一步擴展了空間結構和彈塑性損傷分析方面的知識。

四、教學啟迪

產學合作協同育人教學模式充分利用翻轉課堂教學方法、結合企業提供的結構分析軟件，從課程教學內容選擇、課前預習內容、課上討論安排、工程應用和課程實驗等環節著手，主要收獲和啟發反映在以下方面。

1.要提升教學效果，教學模式更新是關鍵

為了提升教學效果和人才素質，以往教育注重教學大綱、內容、教材的修訂更新和精品課程建設等，但這些都是外因，而學習的主體——學生的學習積極性并沒有被真正激發，即學生在傳統教學環境下，是被動的受體，最多是參與者。而這種接受的程度和參與的程度都是不可控的。

產學合作協同育人教學模式打通了理論知識和工程應用及實驗教學的分界，引入翻轉課堂教學方式，結合學堂在線教學平臺和結構非線性分析軟件，通過PBL大作業和課程實驗，從教學細節抓起，激發學生主動學習的積極性。

2.線上平臺對提升教學效果有重要作用

授課教師課前布置線上慕課預習具體內容，引導學習主要的知識點，更重要的是教師要督導學生進行慕課學習，線上平臺提供學習者視頻觀看進度、線上作業完成情況以及參與討論的數據，授課教師隨時監控和督促學生完成課程學習。線上中期測試能反映學習盲區和通病，教師及時糾正非常關鍵。但線上慕課提供的僅是分散的知識點，在課堂上通過串講才能形成系統的知識體系。

3.大作業是理論知識在工程中的應用

以實際工程為背景，列舉工程需要解決的問題，采用項目式學習手段和必要的工具（本課程采用的結構分析專用軟件由廣州建研數力建筑科技有限公司提供），對任務進行合理的分解，學生發揮各自能動性分工協作完成大作業，從而激發學生的學習積極性，培養團隊合作精神。

4.課程實驗是實現理論知識和實驗融合的重要環節

每組學生全程參與實驗，分工明確（如查閱資料、推導公式、試件設計、實驗拍照、處理數據及撰寫報告等），共同協作完成實驗。在鞏固理論知識的同時，讓學生熟悉結構被動減震控制技術的重要性。

5.完善考核方式是激發學習者積極性的必要途徑

為鼓勵學生積極適應協同育人教學模式，對課程考核方式和內容進行了改革，盡可能覆蓋課程全過程的所有環節，如線上成績（包括觀看視頻、線上作業、討論區回答問題、線上測試）、課堂討論、課后習題和PBL大作業、實驗等，采用全過程和多角度評價方法，較傳統教學模式更能激發學生的學習積極性。

利用重慶大學提供的研討室專用教室和小班教學模式，進行連續3年的混合式教學研究，利用重慶大學土木工程學院的小型振動臺進行了課程實驗探索（圖1）。在2022年推行產學研協同育人教學模式的實施，取得了良好的教學效果（圖2）。

五、結語

工程類高校對于專業課程的教學，強調結構受力原理、基本概念和設計方法，不僅應保證課堂理論教學質量，避免滿堂灌的傳統教學模式，同時應加強理論教學、工程應用及實驗教學的融合性和創新性，結構抗震設計課程通過線上慕課資源、以實際工程為背景的PBL大作業、必要的實驗和必要的結構非線性分析軟件教學等構建了適合于本課程的產學合作協同育人教學模式，引導和啟發學生的主動思考意識，培養其分析和解決問題的能力，為傳統工程學科的教學改革提供了參考。

需要說明的是，翻轉課堂或混合式教學可作為傳統課堂教學的有益補充，但不宜多門課程同期采用。

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Construction of teaching model of industry-university cooperation education for the course of seismic design of building structure

YANG Pu¹，"YANG Zhiyong ²，"DONG Yinfeng¹，"ZHENG Nina¹，"LIU Liping¹，"JIA Chuanguo¹，"HAN Jun¹

（1.School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400030， P.R.China; 2.Guangzhou CABR amp; SC Co.， Ltd. Beijing Branch， Beijing"100013， P.R.China）

Abstract： The teaching content and curriculum system reform project of university-industry cooperation for collaborative education of the Ministry of Education aims to introduce the latest requirements of talent cultivation into the teaching process， promote universities to update the teaching content， improve the curriculum system， build shareable resources that meet the development needs of the industry and promote their application. In response to the requirements of national strategy， considering the common problems in the teaching of theoretical courses in civil engineering and the characteristics of the course of seismic design of building structure， the teaching mode of industry-university cooperation and collaborative education is constructed based on the hybrid teaching method， which discusses the adjustment and optimization of teaching contents， the introduction of typical structural analysis software， the design of course assignments， the selection of test projects， the assessment method and the establishment and utilization of teaching and research test platform.

The main ideas and key implementation steps of the teaching mode are described in detail， and the gains and inspirations in terms of theoretical knowledge， engineering application， innovative ideas and professional quality are listed， thus verifying the good effect of the teaching mode of industry-university cooperation and collaborative education.

Key words： teaching reform; university-industry cooperation; blending learning; seismic design

（責任編輯""周沫）

修回日期：2023-07-30

基金項目：教育部產學合作協同育人項目（202102202008）

作者簡介：楊溥（1969—），男，重慶大學土木工程學院教授，博士，博士生導師，主要從事防災減災工程研究，（E-mail）yangpu@cqu.edu.cn。