孫廣俊+李鴻晶

摘要：采用基于“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”的教學模式，依據(jù)知識模塊劃分，以實際工程案例為背景素材，借助有限元軟件等數(shù)值仿真實驗和多媒體演示手段，將學生引入到真實的地震工程情境中，實現(xiàn)教學內(nèi)容的形象化和直觀化，創(chuàng)造師生、學生之間的雙向和多向互動氛圍，開展工程結(jié)構(gòu)抗震原理的課程教學，從而強化學生對工程結(jié)構(gòu)抗震基本概念的理解和實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：多媒體；工程案例；數(shù)值仿真；抗震；教學

中圖分類號：TU3-4文獻標志碼：A文章編號：10052909（2015）06007405[AM〗中國是世界上地震災(zāi)害最為嚴重的國家之一，地震活動分布廣、頻度高、強度大，全國1/3以上的國土、半數(shù)以上的大中城市位于地震基本烈度Ⅶ度和Ⅶ度以上地區(qū)。地震一旦發(fā)生，很可能產(chǎn)生嚴重的后果，造成生命和財產(chǎn)的巨大損失。從本質(zhì)上講，地震災(zāi)害的屬性是土木工程災(zāi)害，其元兇是不合格的土木工程。工程結(jié)構(gòu)抗震原理（簡稱“抗震課程”）作為土木工程專業(yè)的主干課程，則為解決工程結(jié)構(gòu)的抗震安全性提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)計參考。對該課程進行積極有效的教學改革可以提高教學質(zhì)量，保證教學效果，強化學生對工程結(jié)構(gòu)抗震基本概念的理解和實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

長期以來的教學實踐表明，僅通過傳統(tǒng)的授課方式使學生完全掌握工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計是不容易的，也不利于教學過程中學生工程實踐意識和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。隨著科學的發(fā)展，教學理念和教學方法也要不斷地變化，這樣才能適應(yīng)科學發(fā)展和社會進步的需要。教學改革及其實踐表明，基于“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”的教學模式是抗震課程教學中一種行之有效的方法和手段。

一、抗震課程特點及教學改革現(xiàn)狀

抗震課程是一門理論難度大、綜合性和實踐性強的課程[1-3]，其主要特征表現(xiàn)如下。

（1）涉及的學科廣泛，綜合性強。

（2）包含的概念、公式和規(guī)范條文眾多，內(nèi)容抽象。

（3）工程實踐性強，但實際教學中缺乏學生實踐環(huán)節(jié)。

（4）學時不足，且授課學期（一般安排在第7學期）學生以求職或考研為主，學習積極性不高。（5）知識更新快，與行業(yè)規(guī)范結(jié)合緊密。

（6）課程授課效果直接影響畢業(yè)設(shè)計和研究生階段學習。

面對上述特點，長期以來很多高校對于抗震課程的教學模式還是采取灌輸式的傳統(tǒng)講授法，這種教學模式的針對性不強，教學方法和手段相對落后，理論與實踐銜接不好，學生對授課內(nèi)容缺乏興趣，已不能滿足當前形勢的需要。

目前，國外在抗震課程的教學上主要是大量使用工程案例和結(jié)構(gòu)抗震仿真軟件，并通過多媒體技術(shù)的途徑強化學生對基本概念的理解和實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。國內(nèi)，為了改善抗震課程教學效果不如人意的現(xiàn)狀，很多高校開展了積極有效的教學改革，在教學理念和教學手段上已經(jīng)逐步呈現(xiàn)出與國外相一致的趨勢。這些教學改革措施主要集中在以下幾個方面。

（1）通過教學內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化，合理安排教學內(nèi)容，突出重點，抓住核心，解決抗震課程教學內(nèi)容多而課時少的矛盾。

（2）通過利用網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建一個嶄新的教學環(huán)境，使網(wǎng)絡(luò)教學成為課堂教學的有力補充。

高等建筑教育2015年第24卷第6期

孫廣俊，等“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”模式結(jié)構(gòu)抗震原理教學探討

（3）通過發(fā)揮多媒體輔助教學優(yōu)勢，充分調(diào)動學生的視覺和聽覺功能，提高教學質(zhì)量和效率，是對傳統(tǒng)課堂教學時間不足的彌補。

（4）通過在教學中加強工程案例分析，激勵學生的學習主動性，增強其綜合運用知識的能力，同時體現(xiàn)以學生為主體、教師為主導(dǎo)的教育理念。

（5）通過加強實踐性教學環(huán)節(jié)，強化學生的素質(zhì)培養(yǎng)。

二、“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”的教學模式在抗震課程教學中的運用

多媒體教學是現(xiàn)代化教學的一個重要手段，它可以將教學性、集成性、可演示性及可重復(fù)性融為一體，能給教學帶來豐富的信息量。案例教學是一種有效的將理論與實踐相結(jié)合的教學方法，通過案例啟發(fā)學生思考，營造思維環(huán)境，是現(xiàn)代高校教育中不可缺少的教學方法之一。由于地震的抽象性和復(fù)雜性，學生對復(fù)雜的地震工程動力分析難以理解，而基于有限元理論的數(shù)值模擬技術(shù)及其軟件具有模式直觀、運算簡捷的優(yōu)點，有助于減輕學生的學習難度，幫助其認識和理解工程結(jié)構(gòu)抗震的理論和方法，提高其結(jié)構(gòu)分析能力。

因此，將基于有限元軟件的數(shù)值仿真教學手段與工程案例教學方法相融合，不但可以擴展教學模式，提高教學效果，激發(fā)學生學習的主動性，深化其對工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原理和方法的理解，而且可以為其畢業(yè)以后從事工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的設(shè)計和科研工作打下基礎(chǔ)。此外，數(shù)值仿真實驗的一個優(yōu)勢在于可以克服實驗室實驗觀測難、重復(fù)難和費用高的不足，還可以得到實驗室無法真實再現(xiàn)的物理現(xiàn)象。通過引入數(shù)值仿真實驗，可以從很大程度上改善抗震課程缺少實驗教學環(huán)節(jié)的不足。

教學研究和實踐表明，工程案例、數(shù)值仿真實驗及計算機多媒體技術(shù)在抗震課程教學上的應(yīng)用，可以使得學生親身參與到教學過程中，深化對抗震原理和方法的理解，增強解決實際工程問題的能力，真正實現(xiàn)教與學的互動。

“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”教學模式的目標為：采用多媒體、工程案例與數(shù)值仿真實驗相結(jié)合的教學模式，依據(jù)知識模塊劃分，以實際工程案例為背景素材，借助有限元數(shù)值仿真實驗和多媒體演示手段，將學生引入到真實的地震工程情境中，實現(xiàn)教學內(nèi)容的形象化和直觀化，創(chuàng)造師生、學生之間的雙向和多向互動氛圍，以達到激發(fā)其學習興趣、深化其對工程結(jié)構(gòu)抗震原理的理解，增強其綜合運用知識和解決實際問題的能力之目的。

針對上述的教學目標，結(jié)合課程的特點，“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”教學模式需要重點解決以下幾個關(guān)鍵問題。

（1）典型工程案例在教學中的組織。好的案例是成功進行案例教學的前提和基礎(chǔ)，如何根據(jù)教學內(nèi)容選擇具有代表性的案例，把工程抗震的理論寓于案例之中，再以案例的形式引導(dǎo)和展現(xiàn)出來，是教學中需要解決的一個主要問題。

（2）數(shù)值仿真實驗在教學中的組織。如何根據(jù)教學內(nèi)容，或結(jié)合代表性案例，通過數(shù)值仿真實驗將抽象、枯燥的抗震概念和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為形象、生動的圖形和動態(tài)過程，是教學中需要解決的另一個主要問題。

（3）主導(dǎo)性與交互性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。案例教學法是一種促動式教學方法，如何改變傳統(tǒng)舉例教學的單向性，在充分發(fā)揮教師主導(dǎo)性的同時，促使學生通過工程案例與數(shù)值仿真教學在交互中認識相關(guān)抗震設(shè)計原理和方法，也是教學中需要解決的一個主要問題。

（4）教學與科研的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。課程教學如能充分吸收已有的科研成果，不但可以促進課程質(zhì)量的提高，而且能夠有效地實現(xiàn)科研成果向教學的轉(zhuǎn)化，同時對于今后從事科研工作的學生較早地參與科學研究也有一定的激勵和促進作用。在科研推動行業(yè)發(fā)展的同時，將科研成果融入到課程教學內(nèi)容中，使教學內(nèi)容與行業(yè)發(fā)展相同步，也是教學中需要解決的一個主要問題。

三、“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真實驗”教學資源的建立

針對目前抗震課程存在的問題，需要根據(jù)教學內(nèi)容重新調(diào)整和優(yōu)化知識模塊，在此基礎(chǔ)上建立與知識模塊相對應(yīng)的工程案例資源庫?；谟邢拊浖⑴c工程案例相融合的數(shù)值仿真實驗，在此基礎(chǔ)上開發(fā)新的多媒體課件，構(gòu)建“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”教學資源，并通過教學實踐建立信息反饋和動態(tài)修正制度。教學數(shù)據(jù)庫的建立主要包括以下三類。

（1）建立與教學內(nèi)容相對應(yīng)的代表性工程案例資源庫。代表性案例所涉及的往往可能不是一、兩個知識點，而是“知識群”。案例的內(nèi)容應(yīng)包括圖像資料（視頻、圖片）、文字資料、學生學習過程所需要完成的綜合分析題等。案例的選取應(yīng)符合針對性、真實性、典型性、生動性及難度適中等標準，并且要兼顧教學時限的要求。

（2）建立基于有限元軟件的數(shù)值仿真實驗數(shù)據(jù)庫。數(shù)值仿真實驗不只是相關(guān)教學內(nèi)容的簡單演示，而應(yīng)與工程案例相融合，形成理論與實踐的無縫對接。數(shù)值仿真的結(jié)果應(yīng)根據(jù)工程問題和物理問題的不同特點選擇相適應(yīng)的表現(xiàn)方式，如圖表、圖形、云圖或動畫等呈現(xiàn)給學生。數(shù)值仿真實驗還需要更多地展現(xiàn)實驗室無法真實再現(xiàn)的物理現(xiàn)象，如復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地震損傷、倒塌的動力演變過程等。

（3）建立與“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”模式相一致的多媒體課件。為了適應(yīng)和體現(xiàn)“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”教學模式，需要建立新的多媒體課件。課件的制作在注重邏輯關(guān)系、突出重點的基礎(chǔ)上，應(yīng)避免文字、公式的簡單堆砌，盡可能多地采用框架圖、流程圖等形式闡釋知識結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系，采用圖像、照片等形式形象、直觀地展示工程案例，采用數(shù)值模擬的動態(tài)結(jié)果演示抽象的課程內(nèi)容，加大信息量，擴展知識面，增強可讀性。在此基礎(chǔ)上，引入《工程抗震三字經(jīng)》[4]對每一講課件的重點和難點進行總結(jié)，以促進學生對知識點的理解和記憶。

此外，工程案例和數(shù)值仿真實驗還需要考慮將最新的震害、研究進展和研究成果納入教學，通過關(guān)注相關(guān)事件的發(fā)生，隨時收集教學素材，為學生提供符合時代需要的課程體系和教學內(nèi)容，讓學生理解目前抗震規(guī)范有關(guān)規(guī)定的不足之處，這對于提高學生的創(chuàng)新能力具有重要作用。

四、教學案例

地震反應(yīng)譜是工程結(jié)構(gòu)抗震原理中的一個非常重要概念，其定義抽象、理解難度大，采用傳統(tǒng)的單向灌輸式講授模式不能取得令人滿意的教學效果。下面以“地震反應(yīng)譜”一講簡要展示“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”教學模式在抗震課程教學中的應(yīng)用。

依據(jù)教學要求和關(guān)鍵知識點，將“地震反應(yīng)譜”一講劃分為4個部分內(nèi)容，分別是：（1）反應(yīng)譜的定義與建立；（2）反應(yīng)譜的性質(zhì)；（3）反應(yīng)譜的本質(zhì)；（4）反應(yīng)譜與抗震設(shè)計。其中，反應(yīng)譜的本質(zhì)為十分關(guān)鍵而以往教學中容易忽視的內(nèi)容。各部分教學內(nèi)容具體論述如下。

（一）反應(yīng)譜的定義與建立

通過2個工程案例視頻（意大利地震教堂屋蓋墜落視頻、日本地震房屋整體倒塌視頻）和2組工程案例照片（汶川地震嚴重破壞的結(jié)構(gòu)照片、汶川地震基本完好的結(jié)構(gòu)照片），給學生以強烈震撼和沖擊，充分調(diào)動其視覺和聽覺功能，激發(fā)其對本講的學習興趣，并以此說明“結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)差別如此顯著”這一現(xiàn)象。

基于“結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)差別如此顯著”這一現(xiàn)象，提出“結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)取決于什么”這一問題，變單向式教學為交互性教學。在啟發(fā)學生的基礎(chǔ)上，給出“結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)特性和地震地面運動特性兩個因素”這一結(jié)論，并進一步說明“結(jié)構(gòu)特性是可以設(shè)計、調(diào)整的，而地震地面運動特性是不能改變而只能被認識的”，從而引出“描述地震地面運動特性的手段——反應(yīng)譜”這一概念，如圖1所示。

給出反應(yīng)譜的具體定義和建立原理，并對關(guān)鍵點進行闡釋，以板書和多媒體流程圖的形式（如圖2所示）說明反應(yīng)譜的建立過程，從而使學生能夠牢固建立起“反應(yīng)譜是單自由度彈性體系在給定的地震作用下某個最大反應(yīng)與體系自振周期的關(guān)系曲線”這一重要概念。

（二）反應(yīng)譜的性質(zhì)

給出相對位移反應(yīng)譜、相對速度反應(yīng)譜和絕對加速度反應(yīng)譜的曲線圖，并通過曲線走勢的動畫演示說明3種反應(yīng)譜的曲線變化性質(zhì)和差別，從而使學生在腦海中能夠建立起3種反應(yīng)譜的圖像，實現(xiàn)抽象化向直觀化的有效轉(zhuǎn)化。

重點說明加速度反應(yīng)譜曲線隨結(jié)構(gòu)自振周期變化的性質(zhì)及阻尼比對反應(yīng)譜峰值的削弱性質(zhì)，通過2個工程案例（基底隔震結(jié)構(gòu)案例、耗能減震結(jié)構(gòu)案例）深化學生對上述性質(zhì)的理解，使其體會到反應(yīng)譜與工程實踐的緊密聯(lián)系，同時也將較新的研究進展和研究成果納入到教學，培養(yǎng)學生的科研能力和創(chuàng)新能力。

圖2“反應(yīng)譜的建立”流程（多媒體）分別給出不同場地條件下加速度反應(yīng)譜曲線的對比和不同震中距條件下加速度反應(yīng)譜曲線的對比，說明土質(zhì)條件和震中距對反應(yīng)譜形狀的影響，同樣也通過4個工程案例，即堅硬場地上結(jié)構(gòu)的震害、軟弱場地上結(jié)構(gòu)的震害、近震條件下結(jié)構(gòu)的震害、遠震條件下結(jié)構(gòu)的震害案例深化學生對上述性質(zhì)的理解，使其體會到反應(yīng)譜與工程實踐的緊密聯(lián)系。

（三）反應(yīng)譜的本質(zhì)

這一部分內(nèi)容在教材和以往的課程教學中強調(diào)得較少[5-6]，而關(guān)于反應(yīng)譜本質(zhì)的認識對于正確理解反應(yīng)譜的概念和建立原理具有重要的意義，因此本講中需要重點強調(diào)。

提出“反應(yīng)譜到底反映的是什么的特性”這一問題，再次開展交互性討論。

采用“單/多自由度體系動力分析軟件Nonlin”分別對3條不同地震波下的單自由度體系地震反應(yīng)進行數(shù)值模擬，分別繪制相應(yīng)的反應(yīng)譜曲線。通過反應(yīng)譜曲線的對比，誘導(dǎo)學生得出“只有改變地震動才能改變反應(yīng)譜的形狀”這一結(jié)論，從而使其能夠牢固建立起“反應(yīng)譜反映的是地震地面運動的特性，不反映具體結(jié)構(gòu)特性”，“結(jié)構(gòu)只是量測工具”等關(guān)于反應(yīng)譜本質(zhì)的重要概念。

要求學生課后學習操作Nonlin軟件，該軟件的主要功能可以用于線性單自由度體系的結(jié)構(gòu)振動特性分析、單自由度體系的地震反應(yīng)分析、阻尼對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響分析以及繪制地震反應(yīng)譜等，可以為抗震課程的理論學習和簡單應(yīng)用提供一個可視化的平臺。

（四）反應(yīng)譜與抗震設(shè)計

基于上述對反應(yīng)譜本質(zhì)的認識（通過“結(jié)構(gòu)”這一量測工具反映地震地面運動的特性）說明反應(yīng)譜的價值所在，建立反應(yīng)譜與抗震設(shè)計的聯(lián)系。

提出“由反應(yīng)譜如何得到結(jié)構(gòu)的地震作用”這一問題，開展交互性討論，啟發(fā)學生給出結(jié)構(gòu)在地震過程中經(jīng)受的最大慣性力的計算公式，以此說明通過反應(yīng)譜可以把動力問題簡化為靜力問題。

提出“設(shè)計中采用的反應(yīng)譜是什么”“多自由度體系如何運用”等問題，供學生課后思考，為下一講內(nèi)容做準備。

（五）小結(jié)

引述王前信教授《工程抗震三字經(jīng)》中的相關(guān)內(nèi)容，“二階段，反應(yīng)譜，豪與比，功卓著，單振子，擬結(jié)構(gòu)，震作用，反應(yīng)求，遠近震，場地土，與阻尼，作參數(shù)，峰反應(yīng)，自振周，縱橫標，繪譜圖”，對本講內(nèi)容進行總結(jié)和提煉。

本講的內(nèi)容進行了多次教學實踐，并不斷調(diào)整。教學實踐結(jié)果表明，通過擴展教學手段，優(yōu)化教學方法，在抗震課程中采用“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”相結(jié)合的教學模式，可以實現(xiàn)抽象化向直觀化的有效轉(zhuǎn)化，深化學生對抗震課程的理解，使其體會到專業(yè)課與工程實踐的緊密聯(lián)系，取得良好的教學效果。

五、結(jié)語

依據(jù)抗震課程特點，以實際工程案例為背景素材，借助有限元軟件的數(shù)值仿真實驗和多媒體演示手段，建立基于“多媒體-工程案例-數(shù)值仿真”的教學模式，可以有效解決該課程概念抽象、理論難度大、理論與實踐脫節(jié)及學生學習難度高、興趣低的問題，增強學生綜合運用知識的能力和分析、解決實際問題的能力，同時提高教師的業(yè)務(wù)水平，在教學上具有重要的實踐意義和推廣價值。

參考文獻：

[1]翟長海， 李爽， 徐龍軍， 等. 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計教學改革探索[J].高等建筑教育， 2011， 20（3）： 88-90.

[2]李英民， 伍云天， 楊溥， 等. 項目教學法在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程中的應(yīng)用[J].高等建筑教育， 2012， 21（4）： 94-96.

[3]鄭妮娜， 楊溥， 劉立平， 等. 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程教學問題調(diào)研[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（3）： 75-77.

[4]王前信. 工程抗震三字經(jīng)[M]. 北京： 地震業(yè)出版社， 1997.

[5]陳國興，柳春光，邵永健，等.工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原理[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2009.

[6]李愛群，丁幼亮，高振世.工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

“Multimedia， engineering case studies， and numerical simulations”

model in teaching of seismic principles of structures

SUN Guangjun， LI Hongjing

（College of Civil Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， P. R. China）

Abstract： According to the “multimedia， engineering case studies and numerical simulations” teaching model and knowledge modules， actual engineering cases were selected as teaching subjects， and numerical simulation experiments based on finite element software and multimedia technology were applied in teaching of earthquakeresistant of structure. In this sense， students were attracted into a real seismic engineering situation and the visualization of course contents was realized. Meanwhile， teachers and students were interacted. By using the teaching model， students ability to understand basic conceptions of earthquakeresistant of structure and their practical application ability were improved.

Keywords： multimedia； engineering case； numerical simulation； earthquakeresistant； teaching