建筑结构抗震设计“三度八结合”教学模式研究

[摘 要] 地震灾害是群灾之首，促进土木工程专业学生学好建筑结构抗震设计课程可有助于其在未来的工作中预防及减轻地震灾害。在深入分析课程基本特点，并深刻剖析课程教学问题的基础上，通过课程教学实践，形成以提高学生专业能力为核心的建筑结构抗震设计课程“三度八结合”教学模式，取得了良好的教学效果。通过与防灾减灾相结合的教学方式，可以提高学生的学习兴趣，增强学生学以致用的能力，培养学生养成严谨的工程观。

[关键词] 建筑结构抗震设计;三度八结合;教学模式

[基金项目] 2018年度韶关学院第十九批教育教学改革研究重点项目“应用型高校土木工程专业‘蛋糕式’人才培养模式的研究”（SYJY20181912）;2020年度韶关学院校级课程思政建设项目“基于协同育人的土木工程专业‘课程思政’实施路径研究”（9900590114）;2020年度韶关学院校级质量工程建设项目“土木工程特色专业”（230085990103）

[作者简介] 陈常清（1973—），男，福建莆田人，硕士，韶关学院化学与土木工程学院教授级高级工程师，主要从事结构工程和岩土工程等研究。

[中图分类号] G642.4 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）36-0139-05 [收稿日期] 2021-11-30

一、研究背景

地震灾害是群灾之首，强烈地震不仅使建筑物破坏倒塌，造成人员伤亡和经济损失，还常常引发火灾、水灾、滑坡等次生灾害。我国位于世界两大地震构造系的交汇区域，历史上多次发生重大地震。大量的震害资料统计显示，对建筑结构进行规范专业的抗震设计是预防及减轻地震灾害的主要手段。通过开设“建筑结构抗震设计”课程（以下简称抗震课程），可以促进土木工程专业学生了解地震基本知识、掌握结构抗震设计的基本理论和方法、开展专业规范的抗震设计，因此抗震课程成为很多学校土木工程专业的必修课程。

由于抗震课程所涉及的基础知识广、内容多，基本原理难度大，而应用型高校学生的理论基础往往比较薄弱，传统所采用的教学模式，难以满足学生及社会的实际需求。近年来，相关学者已对其教学模式和教学方法等诸多方面进行了积极的探讨[1-4]。我们结合教学实践，探索研究了新形势下抗震课程“三度八结合”教学模式。

二、分析抗震课程基本特点

（一）课程内容面广，但学时少

抗震课程教学内容较多，主要包括：地震基本知识、结构地震反应分析与抗震计算，以及砌体结构、钢筋混凝土结构、钢结构等专题模块的抗震设计等。所涉及的相关课程包括：高等数学、结构力学（结构动力学）、钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构、地基基础等。而本科教学计划一般为32学时左右，相对较少[5]。因而，如何在有限的教学时间内合理安排教学内容，以达到良好的教学效果是教师所面临的首要难题。

（二）基本原理难度较大而实践缺失

如“单、多自由度弹性体系地震反应分析”等内容需要运用结构动力学相关知识，且逻辑性强、难度大，学生往往难于理解，遑论掌握。同时在抗震课程的设置中，缺乏课程设计等相应的实践环节，相关的例题、习题资料较少，并缺乏系统性，而在开展毕业设计时，结构的抗震设计又不可缺少，学生感到茫然无从下手。因而，如何讲解基本原理，以让学生能够开展初步的建筑结构抗震设计工作，是教学过程中十分重要的问题。

（三）公式规范条文多、杂，显枯燥

抗震课程教材公式多且较复杂，各种不同的建筑结构又有诸多枯燥乏味而必须遵守的抗震措施。因而，如何将这些零散繁杂的内容有机串联起来以利于学生掌握，是教学过程中要解决的又一重要问题。

（四）专题设计综合性强

如钢筋混凝土框架结构的抗震设计等专题部分，涉及地震作用计算、地震剪力分配、结构内力计算、地震作用效应调整等，内容丰富，综合性强。在教学过程中，如何培养学生从重视基本概念、形成清晰设计思路、掌握初步概念设计等方面入手解决专题设计问题，是抗震课程的根本任务。

三、剖析抗震课程教学问题

（一）内容安排不合理

由于抗震课程内容多、难度大，但学时较少，故需要对教学内容进行恰当的取舍。而在教学实践中，部分教师并非从教学内容的重要性及合理性角度安排教学内容及相应学时，只是根据教学的难易程度进行选择，这必然导致内容逻辑性不佳，显然不太合理。

（二）公式处理不恰当

抗震课程理论性强，涉及众多公式的推导，特别是结构地震反应分析。由于公式推导是结构地震反应分析方法的主体，只有熟悉公式推导，才能对结构地震反应分析做到“知其然，更知其所以然”，才能打好扎实的理论功底，故有部分教师教学的主体在于公式的推导，然而理论功底较差的学生难以跟上这样的课程学习，学习的积极性降低。

（三）教学和规范脱节

设计规范是国家对房屋有关使用功能及安全性能可靠度的最低要求，特别是有关强制性条文，必须严格执行，故作为未来结构工程师的土木工程专业学生，有必要了解乃至掌握规范。对于土木工程专业来讲，专业课程基本都有相对应的设计规范，抗震课程所对应的主体规范为《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》，2021年规范体系及名称作了调整）。然而由于部分教师自身对规范的不熟悉，教学中完全与规范脱节，却仍然无动于衷，这显然不合适。

（四）实践环节缺失

抗震课程实用性强，故具体实践很重要，是课堂教学的重要补充。教学中，由于受到各种客观条件的限制，部分教师较重视课堂理论教学，而忽视实践教学环节，导致学生缺乏感性认识，无法学以致用、融会贯通，教学效果差强人意。

四、把握抗震课程教学“三度”

（一）提升学习热度，激发课程学习的紧迫感与兴趣

课程教学成功的关键，就是激发学生学习课程的紧迫感与兴趣。教师可以发挥典型工程及震害视频、实景图片等多媒体课件形象生动的教学优势，如通过展现近几十年来强烈地震所造成严重震害的视频，对学生产生强烈的视觉冲击，再结合实景图片介绍结构破坏的原因，使学生认识到地震的危险性和抗震的重要性，从而激发学生学习抗震课程的紧迫感;还可通过联系日常生活的简单事例来讲述抽象复杂的理论，如用不同的力量抖动绳子所产生的波动形状不同，来解释建筑物的振型等，形象易懂，容易激发学生学习抗震课程的兴趣。

（二）降低理论难度，减少学习课程的抵触性

目前结构设计基本上都用计算机软件完成计算，为了促进学生学习抗震课程，减少学习的抵触性，可以根据理论功底的不同，实施分层教学。对于希望深造特别是有志从事结构研究的学生，鼓励他们吃透教材的大部分公式;对于理论功底较差而对课程较多较难公式有心无力的学生，不强求他们纠结公式，特别对较复杂较生僻公式的推导，可以不做要求，教学重点在于帮他们建立知识框架，掌握基本公式，能合理运用大部分公式即可。

（三）缩小精讲宽度，精讲1～2个专题抗震设计模块

一般教材编写时考虑到完整性问题，往往包含钢筋混凝土结构、钢结构、单层厂房等较多专题抗震设计模块的内容，且较多内容还与钢筋混凝土结构设计、钢结构设计等课程重叠。由于计划学时有限，如选择太多专题模块进行讲授，看起来学生是都学了，但往往是每一个模块专题都是半桶水，一知半解。故建议只选择1～2个专题模块进行精讲，要求学生做到扎实掌握，灵活运用，这样其他模块易触类旁通，实际效果更佳。

五、重构抗震课程教学“八结合”模式

（一）专业教育与思政教育相结合

教育的根本任务是立德树人，思想政治教育需要贯穿教学全过程，实现全程育人、全方位育人。抗震课程融合了大学期间多门课程的基础知识，综合性较强，又关乎社会文明进步、人类安居乐业，大量知识点富含韵味浓郁的思政元素，非常适合开展专业知识与课程思政的融合教育。课程教学时，可在专业知识传授的“大餐”中，以润物细无声的方式，在适当的知识点处适时撒入适量的思政“调味料”，在学生的心田中深植家国情怀、工匠精神、社会主义核心价值观的种子。如在讲述场地与地基时，以地基越好、地震破坏作用越小，引出“万丈高楼平地起”的道理，鼓励学生打好人生的地基。

（二）教学内容与其他专业课程相结合

抗震课程与其他专业课程存在密切的联系，不仅要运用结构力学等课程相关基础知识建立结构抗震设计的基本理论和方法，而且要将抗震设计的理论和方法运用到砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构等结构体系中。因而，在教学中需要加强与其他课程的联系。

在纵向上，因结构抗震设计以结构动力学作为主要理论基础，需要抗震课程做好与结构力学等课程的有机衔接。如在学习单自由度体系的弹性地震反应分析时，让学生复习结构动力学中有关运动方程的建立、高数中非齐次方程的求解等内容，达到温故知新的效果。在横向上，与混凝土结构设计原理和高层建筑结构设计等课程，需要突出各自的重点，一方面可以帮助学生厘清课程间的区别与联系，避免因看似重复的知识点而感到厌倦，另一方面可以促进学生对相关知识的融会贯通，综合运用。混凝土结构设计原理，主要以结构的静力分析和设计为主。结构抗震设计，考虑的是结构动力分析，而在工程抗震设计实践中仍主要采用等效静力的设计方法，课程重点在抗震的基本原理，如地震作用计算、地震效应调整，而反应谱理论是结构抗震设计中的核心概念，其目的就是确定结构的地震作用，同时反应谱理论又是结构动力分析和等效静力分析的联系纽带，与其他课程有重要区别。而高层建筑结构设计则主要是学习不同类型结构的内力分析方法。

通过与其他课程的衔接，一定程度上可拓展学生知识和能力的深度和宽度。而加强课程在培养学生知识、能力和素质等方面的内在联系，又可将各门课程整合成一个联系紧密的有机体。

（三）线上与线下相结合

针对抗震课程内容丰富繁杂，按传统教学方式在有限学时内所学内容非常有限的情况，解决方法之一，就是借助共享课程、教师自主制作的资料等线上教学资源，为学生学习提供另一个广阔且可自主选择的平台。在课程教学中，线下精讲有关课程框架的重难点内容，而课程有关背景知识、习题训练、各结构类型的抗震运用等拓展性或选择性内容，及较少用且较难公式的推导等内容，则可以通过线上教学的方式来完成。

为了提高线上学习的效果，可以安排一定的学习主题，引导学生利用线上资源有目的地自主学习。这样一方面可以培养锻炼学生查阅资料、阅读理解、综合运用知识的能力，另一方面也可以拓宽学生的视野，提高其学习兴趣。

（四）传统讲授与对分课堂、项目教学相结合

针对抗震课程内容丰富繁杂，按传统教学方式在有限学时内所学内容非常有限的情况，解决方法之二，就是尝试采用对分课堂。在教学实践中，我们在理论性较强、难度较大的结构地震反应分析与抗震计算部分，采用教师主讲的传统讲授方式，而在多层砌体结构抗震设计、多高层建筑钢筋混凝土结构抗震设计等专题部分，因其内容多、实践性强而难度较浅，可以尝试采用对分课堂，教师通过布置一些开放性专题，促进学生主动学习，平等交流，大胆提问。为了避免出现小组讨论主题过于分散或不关心其他小组的讨论主题之类情况，可以采用项目教学法，针对同一项目，不同小组可以从不同结构体系等角度进行分工合作、分析比较，并深入学习、探讨[6]。

（五）理论与案例、实践相结合

针对抗震课程专业理论性强且抽象，学生容易产生畏难情绪的情况，可以尝试在教学中加入案例及实践环节[7]，以增强学生的感性认识，激发学生的学习兴趣。

一方面，可通过联系日常生活中常见自然现象的案例，阐述课程中的一些抽象、复杂的理论，则能事半功倍。如饱和砂土、粉土的液化机理是一个较难理解的知识点，但大家在生活中都有这样的经验：拍打盛满干沙的杯子，沙子就会紧实而表面下沉，但如果振动沙粒间充满水的饱和沙，就看不到这样的现象。从这一生活小例就能使学生联想到，饱和沙粒在地震时趋于紧实，孔隙水因不可压缩压力不断上升，土的有效应力随之减小直至失去承载能力，这就是液化。授课时，只需准备一杯干沙、一杯湿沙，通过拍打演示即可将复杂的理论变得简单明了，学生的听课兴致自然高涨。另一方面，近百年来世界各地发生的地震为诠释结构抗震性能提供了大量鲜活的实例。收集并合理利用这些案例，将极大提高教学效果。如在汶川大地震时普遍出现的楼梯间由于平面刚度不均匀引起扭转、竖向刚度突变、短柱等问题造成严重破坏，底部框架结构由于底层形成薄弱层而在底层整体破坏，都可作为抗震设计中的教学案例，跟学生一同探讨，分析原因。实践表明，应用案例教学可活跃课堂气氛，提高学生学习的主动性，锻炼学生的分析能力、发散思维及口头表达能力。