章敏 馮國瑞 程欣 牛琪瑛

[摘 要]傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震實驗教學(xué)多以構(gòu)件動力測試為主，內(nèi)容較為單一，缺乏對學(xué)生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。項目組通過借助小型振動臺，將管樁地震響應(yīng)、復(fù)合樁加固液化地基和多層鋼框架振動響應(yīng)三項科研課題轉(zhuǎn)化為探究型實驗教學(xué)，闡述了實驗教學(xué)的實施過程，對實驗選題、教學(xué)團隊組建、考核評價體系等方面提出了建議。實踐結(jié)果表明，教學(xué)與研究相結(jié)合的教學(xué)理念培養(yǎng)了學(xué)生的初步科研能力，加深了對結(jié)構(gòu)抗震概念的理解，促進了師生間的交流。

[關(guān)鍵詞]振動臺實驗;科研課題;教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）06-0058-04

中共中央、國務(wù)院在《關(guān)于深化教育改革全面推進素質(zhì)教育的決定》中明確提出了“高等學(xué)校要重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神，普遍提高大學(xué)生的人文素質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)”的要求。在這種背景下，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和實踐操作能力就顯得尤為重要，尤其是土木工程這類實踐性較強的學(xué)科。實驗教學(xué)作為教學(xué)體系的一個重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實踐操作能力和創(chuàng)新意識的重要途徑[1]。將前沿科研成果不斷轉(zhuǎn)化成新的實驗內(nèi)容，一方面增加了實驗教學(xué)的廣度和深度，使傳統(tǒng)和經(jīng)典實驗更加生動有趣，另一方面也有利于帶動和促進學(xué)科建設(shè)的整體發(fā)展[2]。

于學(xué)生而言，實驗是在掌握理論知識的基礎(chǔ)上對所學(xué)知識進行實際、綜合的運用，有利于幫助學(xué)生更加深刻地理解相關(guān)原理，能培養(yǎng)動手和解決問題的能力和科學(xué)的思維能力，是理論教學(xué)無法代替的[3]。對于有志于繼續(xù)深造的學(xué)生來說，在本科畢業(yè)前掌握一些從事科研實驗的基本方法，可為其今后繼續(xù)從事學(xué)術(shù)研究打下基礎(chǔ)。這也為科研儲備了生力軍。對于社會而言，成功的實驗教學(xué)可為企業(yè)培育急需的應(yīng)用型人才，滿足社會建設(shè)和經(jīng)濟持續(xù)增長的需求。另外，實驗教學(xué)工作水平的高低，也是衡量一所高校教學(xué)和科研水平及學(xué)生綜合素質(zhì)的一個重要參考指標(biāo)[4]。

為有效激發(fā)學(xué)生參與實驗教學(xué)的主體意識和積極性，擴充本科實驗教學(xué)內(nèi)容，加強實驗教學(xué)在結(jié)構(gòu)抗震教學(xué)體系中的地位。本文在傳統(tǒng)“驗證型”的構(gòu)件動力測試教學(xué)基礎(chǔ)上設(shè)置“探究、創(chuàng)新型”的動載實驗教學(xué)，力求實驗?zāi)Ｐ汀⒔Y(jié)構(gòu)體系和激勵形式多樣化，并從實驗選題、教學(xué)方法和考核機制等方面對探究性試驗教學(xué)進行了有益的探索。

一、實驗教學(xué)改革

（一）實驗?zāi)Ｊ?/p>

實驗?zāi)Ｊ綄嵭序炞C型實驗與探究創(chuàng)新型實驗并重。其中驗證型實驗主要以框架結(jié)構(gòu)低周往復(fù)靜載試驗為主，以驗證課堂傳授的結(jié)構(gòu)抗震基本理論和方法，熟悉加載設(shè)備以及結(jié)構(gòu)實驗的量測技術(shù)。探究型實驗則主要以科研課題為依托，開展結(jié)構(gòu)動力加載試驗。學(xué)生通過獨立設(shè)計、獨立操作、綜合運用所學(xué)知識，達(dá)到培養(yǎng)解決工程實際問題或科學(xué)問題的能力，養(yǎng)成初步的學(xué)術(shù)研究能力的目的。

（二）實驗選題

實驗教學(xué)選題應(yīng)遵循可行性、先進性、實踐性強、切合工程實際等原則，并充分發(fā)揮學(xué)校或?qū)W院研究特色?；诖?，考慮到筆者所在學(xué)院在液化砂土地基加固、PHC管樁抗震性能等領(lǐng)域進行大量的研究，在開展振動臺實驗和動力測試方面積累了豐富的經(jīng)驗。實驗主要借助小型電磁激勵器，無需對大型科研設(shè)備進行改進和拓展，成本低，在經(jīng)費投入不大的情況下可進行多組實驗教學(xué)。對于尚處在研究階段的項目，包括研究生論文實驗、教師科研項目，鑒于實際情況，通過選拔、吸收一部分感興趣的學(xué)生共同參與[5]。如此一來，既實現(xiàn)了科研資源的有效利用，又培養(yǎng)提升了學(xué)生的科研素質(zhì)和綜合能力。同時，也避免了傳統(tǒng)實驗項目無法推陳出新的缺陷，保障了試驗教學(xué)資源始終與科研前沿的緊密聯(lián)系。此外，考慮到本科學(xué)生尚未學(xué)習(xí)完全部課程，知識體系不完整，進行探究型實驗比較困難，為此開設(shè)了“科研專題入門”講座，授課內(nèi)容圍繞實驗所涉及的理論知識、操作方法和科技論文撰寫等，以幫助學(xué)生快速入門。

（三）團隊組建

學(xué)生采取4～6人為一組的小組形式，并按照動手能力、知識掌握程度等指標(biāo)均衡分配，保證每個小組可以順利組織實驗。教學(xué)團隊以理論授課教師和實驗技術(shù)人員相結(jié)合，并選拔具有豐富的理論與實踐知識以及出色組織管理能力的教師擔(dān)任負(fù)責(zé)人。在人員配置上，選聘研究生作為助教，每位助教輔導(dǎo)2～3組學(xué)生進行實驗、協(xié)助教師解決實驗過程中各小組遇到的問題，以及協(xié)助批改實驗報告[2]。

（四）教學(xué)實施

小組實驗按照文獻(xiàn)查閱、理論分析與計算、實驗驗證與分析、論文撰寫、專利申請等步驟進行[6]。實驗前，各小組通過查閱文獻(xiàn)、搜集資料，了解實驗背景、基礎(chǔ)理論和研究現(xiàn)狀，并掌握相關(guān)的試驗操作方法，制定初步的實驗方案。此后，在教師指導(dǎo)下，修正方案并進行試驗前的理論分析及計算，以此作為后續(xù)試驗的參照。在實驗過程中，將實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果進行對比驗證，分析結(jié)果差異和原因。待實驗結(jié)束后，組織學(xué)生按論文格式對研究成果進行整理，并鼓勵他們撰寫論文或申請專利。

（五）多元化考核評價

為提高實驗教學(xué)的效果和改變傳統(tǒng)學(xué)生只注重卷面成績的情況，考核方式摒棄了傳統(tǒng)的筆試和操作考試，學(xué)生成績由平時實驗G1（20%）、成員討論G2（20%）、實驗報告G3（40%）和口頭匯報G4（20%）等綜合評定，并將實驗成績G單獨計入學(xué)期末考試成績。

二、結(jié)構(gòu)抗震實驗教學(xué)改革實踐

我國地處歐亞和環(huán)太平洋兩大地震帶之間，重大結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防是社會和工程建設(shè)者共同關(guān)注的焦點。建筑物的抗震性能與災(zāi)變機理已成為土木工程與地震工程領(lǐng)域的核心問題，而振動臺實驗是抗震設(shè)計理論的重要研究手段之一，試驗采用DYS-1000-8-08伺服液壓式小型振動臺，額定正弦推力9800N、額定加速度122.5m/s2、頻率范圍1-2000Hz、額定位移51mm、額定荷載300kg。接下來以“PHC管樁抗震性能實驗”“多元樁復(fù)合地基抗液化實驗”和“多層鋼框架結(jié)構(gòu)振動實驗”三項課題的實驗教學(xué)為例，介紹探究性實驗教學(xué)實施的具體過程。

（一）PHC管樁抗震性能實驗

利用小型振動臺裝置模擬簡諧地震波（SH波），研究管樁在地震作用下的響應(yīng)特征和破壞形式。在模型箱中埋置加速度傳感器、應(yīng)力、應(yīng)變及位移傳感器，通過動態(tài)應(yīng)變測試儀采集不同地震激勵條件（加速度峰值和頻率）下樁土響應(yīng)結(jié)果，獲得與之對應(yīng)的樁身位移分布、樁身內(nèi)力分布和樁土界面壓力，以此評價管樁的抗震性能（見圖1和2）。

實驗教學(xué)過程如下：第一階段，各學(xué)生小組就樁-土動力相互作用和振動臺實驗進行文獻(xiàn)查閱，初步制定實驗方案，交由指導(dǎo)老師審核完善，并進行實驗前的理論計算。小組成員根據(jù)實驗方案設(shè)計模型圖紙、購買材料和模型管樁（有機玻璃管），制作能最大限度消除邊界效應(yīng)的剪切模型箱，分層填筑模型土及布置傳感器，并測定土體密度、剪切強度和動剪切模量等力學(xué)指標(biāo)，整個過程由學(xué)生獨立完成。第二階段，指導(dǎo)學(xué)生掌握地震波加載方法，動態(tài)信號的采集和分析，以及設(shè)備操作流程和方法。由學(xué)生開展實驗，觀測記錄各項實驗數(shù)據(jù)，并對照之前的理論推導(dǎo)，對結(jié)果的可靠性進行驗證。實驗過程中，教師要及時對學(xué)生遇到的問題給予解答和修正，并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)的力學(xué)及土力學(xué)等課程，對實驗現(xiàn)象給出合理解釋，若是實驗比較成功，可嘗試設(shè)計其他不同工況進行實驗。

（二）多元樁復(fù)合地基抗液化實驗

液化是飽和無粘性地基（如砂土）發(fā)生震害的主要原因之一。針對天然地基、碎石樁地基、水泥土樁地基和兩種樁聯(lián)合加固地基，開展小型振動臺模型試驗，分析振動過程及結(jié)束后一段時間內(nèi)的超靜孔隙水壓力、孔壓比及上部承壓板沉降的變化，探討多元樁加固液化土的機理及復(fù)合地基抗液化特性（見圖3和4）。待試驗準(zhǔn)備工作完成后，分別制備碎石樁、水泥土樁、碎石-水泥土聯(lián)合樁加固地基和天然地基各2組，布置好孔隙水壓力傳感器和位移傳感器，實驗過程中記錄各項數(shù)據(jù)并觀察模型箱內(nèi)地基土振動的宏觀表現(xiàn)，分析不同加固模型下，孔隙水壓力、土壓力、沉降量峰值隨地基深度和水平位置的變化規(guī)律，探討各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系以及不同樁體對液化土的加固機理，并就加固效果進行評價。

（三）多層鋼框架結(jié)構(gòu)振動實驗

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計教學(xué)中，多層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計是重點授課內(nèi)容。通過開展鋼框架結(jié)構(gòu)振動臺實驗，探究框架柱振動響應(yīng)規(guī)律，總結(jié)不同頻率地震波下鋼框架的抗震特性，鞏固學(xué)生對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法的學(xué)習(xí)（見圖5和6）。試驗中，教師在振動臺臺面上安裝固定一個4層鋼框架，掛好載荷掛件、標(biāo)定好傳感器，通過掃頻確定框架的基本頻率和自振特性;然后進行4組不同頻率下的試驗，記錄鋼框架柱頂?shù)乃轿灰?、加速度等各項結(jié)果，由此分析鋼框架的自振特性及動力響應(yīng)特點。同時，將結(jié)構(gòu)簡化成多自由度結(jié)構(gòu)體系，進行振型分解計算，并指導(dǎo)學(xué)生利用SAP2000等軟件建立空間桿系力學(xué)模型，并進行模態(tài)分析。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識對實驗現(xiàn)象和抗震性能進行解釋和評價，并對比實驗測試、理論計算和數(shù)值模擬三者的結(jié)果，分析差異產(chǎn)生的原因，并將分析過程以論文格式寫成實驗報告。

三、教學(xué)效果

經(jīng)過一個學(xué)期的實驗教學(xué)實踐，我們觀察到，學(xué)生參與實驗的熱情有明顯提高，學(xué)生普遍反映得到了較好的實踐鍛煉，無論是文獻(xiàn)檢索能力、實踐動手能力、自學(xué)能力還是分析問題的能力均得到了較大的提升，其中一名學(xué)生在口述報告時說：“一學(xué)期的實驗課程使自己認(rèn)識到自身許多不足，特別是在實驗遇到困難那段時間感覺特別‘痛苦，可喜的是實驗最終順利完成，找到了自己需要努力的方向，并且對實驗課程越發(fā)感興趣了，感覺付出非常值得?！贝送?，部分學(xué)生還將實驗結(jié)果整理成論文和專利進行發(fā)表。其次，通過三項振動臺實驗的科研訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生的初步科研能力、團隊協(xié)作與溝通能力;同時，也提高了教師的教學(xué)組織水平，實現(xiàn)了教學(xué)相長。

四、尚待改進的問題

實驗過程一般會涉及許多本科生了解不多甚至是未接觸過的知識，需要學(xué)生根據(jù)實驗要求去自學(xué)、消化，并將所學(xué)的內(nèi)容應(yīng)用到科研當(dāng)中。此過程往往緩慢而枯燥，不少學(xué)生受到挫折中途放棄，因而其對學(xué)生的耐心與毅力有較高的要求。在今后的實施中，對這方面的問題教師應(yīng)該給予必要的關(guān)注，及時與學(xué)生溝通解決實驗中遇到的問題。

本科階段課程多，留給本課程可利用的時間少，而實驗從方案制定到模型制作、熟悉設(shè)備操作需要大量的時間，學(xué)生在兼顧課業(yè)的同時，可能無法留給實驗太多的時間，導(dǎo)致實驗中斷。這對學(xué)生本身能力起不到鍛煉的作用，且浪費了科研資源。因此，實驗的開展需要靈活利用和安排時間，除了正常的教學(xué)時間之外，可以利用假期時間繼續(xù)實驗。

此外，對學(xué)生初步科研能力的評價體系尚缺乏系統(tǒng)性和整體性。目前高校普遍采用一些定性的方法，或僅從一些側(cè)面對學(xué)生科研素質(zhì)進行評價，很少采用一套定量指標(biāo)將其明確表現(xiàn)出來，并構(gòu)成完善的指標(biāo)體系。這種半定性的評價方法往往帶有教師的主觀性，在科學(xué)性和客觀性上存在不足，難以為學(xué)生科研能力培養(yǎng)方案的制定提供定量支持。

五、結(jié)束語

本文通過借助小型振動臺將三項科研課題融入抗震實驗教學(xué)，闡述探究型實驗教學(xué)的方法、選題依據(jù)和考核評價機制。教學(xué)實踐表明，學(xué)生參與實驗的熱情明顯提高，體會到了科研的樂趣，教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)也得到了明顯改善。在今后的教學(xué)工作中，我們將根據(jù)學(xué)生的課業(yè)情況，結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的最新研究進展，提煉出形式更為多元化的抗震試驗教學(xué)項目，以進一步提高實驗教學(xué)效果。

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]