基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的《建筑結(jié)構(gòu)抗震》互動式教學(xué)模式

方釗 劉少波

摘? 要：《建筑結(jié)構(gòu)抗震》是土木工程專業(yè)的必修專業(yè)課，然而當(dāng)前該課程的教學(xué)存在理論授課脫離實(shí)際工程設(shè)計(jì)案例的問題。本文針對《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程，從大綱及授課計(jì)劃的制定、教材選用、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程設(shè)計(jì)及考核方法等方面探討以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)、基于PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)模式改革，實(shí)現(xiàn)抗震理論知識和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件演示的互動式教學(xué)模式，從而給該課程在應(yīng)用型人才培養(yǎng)背景下的改革提供參考。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型人才培養(yǎng)? 建筑結(jié)構(gòu)抗震? PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件? 互動式教學(xué)模式

中圖分類號：G642;TU352.11-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（a）-0162-05

Interactive Teaching Mode of Seismic Resistance of Building Structures Based on Structural Design Software

FANG Zhao? LIU Shaobo

（School of Architecture Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing， Jiangsu Province， 211167? China）

Abstract： The Seismic Resistance of Building Structures is a compulsory course for Civil Engineering majors. However， the current teaching process of this course often has the problem that theoretical teaching is divorced from actual engineering design cases. Aiming at the course Seismic Resistance of Building Structures， this paper discusses the teaching mode reform based on PKPM structural design software with the goal of cultivating applied talents from the aspects of outline and teaching plan formulation， textbook selection， teaching content， teaching process design and assessment methods， so as to realize the interactive teaching mode of seismic resistance theoretical knowledge and structural design software demonstration， So as to provide reference for the reform of the course under the background of applied talent training.

Key Words： Applied talents cultivation; Seismic Resistance of Building Structures; PKPM structure design software; Interactive teaching mode

應(yīng)用型人才培養(yǎng)是目前我國較重視的一種人才培養(yǎng)模式，其培養(yǎng)過程應(yīng)基于大學(xué)內(nèi)所學(xué)的各門專業(yè)課程。《建筑結(jié)構(gòu)抗震》是土木工程專業(yè)的必修課程，該課程主要闡述建筑結(jié)構(gòu)的地震作用計(jì)算與抗震設(shè)計(jì)方法，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和綜合性。傳統(tǒng)的《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程的教學(xué)，主要基于教師在課堂上對理論知識和設(shè)計(jì)方法的講授，教學(xué)過程中往往脫離實(shí)際工程設(shè)計(jì)案例，與現(xiàn)階段許多高校制定的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)不符，因此需在教學(xué)中理論聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生接觸到更多的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例，培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)知識的實(shí)際應(yīng)用能力。

新時(shí)代由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流。其中，PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件由于操作簡便、便于理解及設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被一些開設(shè)土木工程專業(yè)的高校納入教學(xué)內(nèi)容。然而大部分高校均將該軟件作為為期一周的實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行教學(xué)，與以《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程為代表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論教學(xué)分開進(jìn)行。因此，在教學(xué)過程中，易出現(xiàn)軟件教學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論教學(xué)脫節(jié)的問題。部分對軟件較熟悉的教師在教學(xué)時(shí)僅教授學(xué)生軟件的使用方法，而往往未能教授學(xué)生利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論知識判別結(jié)果準(zhǔn)確性的方法，這導(dǎo)致學(xué)生僅會按部就班地進(jìn)行計(jì)算分析，但不會判斷結(jié)果的對錯(cuò);而與之對應(yīng)，部分對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論較熟悉的教師，則側(cè)重于理論知識和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的教授，傾向于讓學(xué)生自學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，這造成部分學(xué)生對軟件操作不熟悉。這種脫節(jié)現(xiàn)象源于兩課程的分開設(shè)置，從而對《建筑結(jié)構(gòu)抗震》的理論教學(xué)和PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的實(shí)踐教學(xué)均產(chǎn)生了不利的影響，因此應(yīng)當(dāng)嘗試將兩課程結(jié)合進(jìn)行互動式教學(xué)，使二者相輔相成。

本文將針對《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程，從大綱及授課計(jì)劃的制定、教材選用、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程設(shè)計(jì)及考核方法等方面探討以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)、基于PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)模式改革，從而實(shí)現(xiàn)抗震理論知識和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件演示的互動式教學(xué)模式。

1? 教學(xué)研究現(xiàn)狀

目前，已有部分教學(xué)研究者針對《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程的教學(xué)模式進(jìn)行了不同程度的改革探索，如彭亞萍、胡大柱[1]結(jié)合課程的教學(xué)實(shí)踐，探索了《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)模式改革;潘月月等[2]探討了適用于《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的途徑和方法;任玲玲等[3]探討了專題模塊化教學(xué)在結(jié)構(gòu)抗震課程中的應(yīng)用;曹秀麗[4]針對應(yīng)用型本科土木工程專業(yè)中《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了思考和探索;范萍萍等[5]嘗試將思政教育融入于《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程的教學(xué)中;Charleson[6]針對新西蘭抗震設(shè)計(jì)的教學(xué)現(xiàn)狀，采用案例研究的方式，討論了抗震設(shè)計(jì)課程所需要的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教職工素質(zhì)，并提出最為關(guān)鍵的兩個(gè)方面，即課程與設(shè)計(jì)的相關(guān)性及授課呈現(xiàn)方式的多樣性，由此提出教學(xué)方法，并提供了很多有益的參考資料;Beltran[7]介紹了一套從定性和定量兩個(gè)角度、基于抗震設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)原則進(jìn)行課程教學(xué)的教學(xué)方法。與此同時(shí)，越來越多的教育研究者也逐步重視基于工程案例進(jìn)行《建筑結(jié)構(gòu)抗震》的教學(xué)，如吳琛等[8]分析了《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程建立教學(xué)案例庫的必要性，并且設(shè)計(jì)了整個(gè)案例庫的建設(shè)內(nèi)容和建設(shè)方法;周小龍等[9]提出了工程案例與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式。但迄今為止，基于PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程改革的相關(guān)教學(xué)研究較為匱乏。

2? 教學(xué)模式改革詳述

2.1 教學(xué)大綱及授課計(jì)劃的制定

教學(xué)大綱和授課計(jì)劃是課程實(shí)施的基礎(chǔ)和參照物，其中教學(xué)大綱設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合課時(shí)的情況，盡可能滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求。針對基于PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程，設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)包括課程目標(biāo)及與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的關(guān)系（應(yīng)突出工程設(shè)計(jì)實(shí)踐方面的目標(biāo)和指標(biāo)點(diǎn)）、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求、各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)分配（尤其是理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)的分配）、教學(xué)組織與方法、課程成績評定與達(dá)成度分析、推薦教材和教學(xué)參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。授課計(jì)劃應(yīng)當(dāng)包括授課順序、需用課時(shí)數(shù)、授課性質(zhì)及課外作業(yè)等內(nèi)容。

2.2 教材選用

現(xiàn)階段，《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程的教材種類較多，大部分教材的脈絡(luò)也較清晰，但卻幾乎沒有涵蓋PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的教材，因此還需額外配備一本關(guān)于PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的教材，且應(yīng)盡可能不是一本純粹的軟件說明書，而應(yīng)有工程實(shí)例的講解。此外，教師也可自己編寫既能闡述建筑結(jié)構(gòu)抗震理論，又穿插PKPM軟件教學(xué)的教材或講義。

除此之外，部分教材由于編寫年代較為久遠(yuǎn)，因此與現(xiàn)行的我國《建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》脫節(jié)。尤其是《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在2016年期間進(jìn)行過一次修訂，因此應(yīng)盡可能選擇在2016年后進(jìn)行過修訂的教材，保證結(jié)合最新的抗震規(guī)范進(jìn)行授課。

2.3 教學(xué)內(nèi)容

《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程的理論課教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)因地制宜、結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況制定，一般應(yīng)包括以下主要內(nèi)容[10-11]。

（1）緒論，包含地震基本知識、結(jié)構(gòu)的震害與結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防。

（2）場地與地基基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)，包含場地、液化現(xiàn)象、地基基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)。

（3）結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析與抗震驗(yàn)算，包含結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析、水平地震作用計(jì)算、豎向地震作用計(jì)算、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及結(jié)構(gòu)的抗震驗(yàn)算，這部分內(nèi)容應(yīng)重點(diǎn)講授。

（4）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，包含結(jié)構(gòu)震害、抗震概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算、構(gòu)件截面設(shè)計(jì)與抗震構(gòu)造措施。其中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于應(yīng)用最為廣泛，因此應(yīng)當(dāng)為該部分的重點(diǎn)內(nèi)容，而砌體結(jié)構(gòu)在目前使用逐漸變少的趨勢下，篇幅可適當(dāng)降低。

（5）隔震與耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這部分內(nèi)容并非課程重點(diǎn)，可適當(dāng)壓縮。

與此同時(shí)，還應(yīng)包含PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，主要包括PKPM結(jié)構(gòu)建模（PMCAD模塊）、SATWE設(shè)計(jì)參數(shù)詳解及分析計(jì)算、結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工圖設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置及構(gòu)件布置（JCCAD）等。

2.4 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.4.1 理論教學(xué)部分

理論教學(xué)過程應(yīng)以課堂講授為主、學(xué)生問答和習(xí)題練習(xí)形式為輔，以多媒體課件與板書相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)，且必須結(jié)合最新的《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》授課，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，播放建筑結(jié)構(gòu)震害現(xiàn)場的相關(guān)視頻。建筑結(jié)構(gòu)抗震理論教學(xué)與PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件展示應(yīng)當(dāng)是相輔相成、同時(shí)進(jìn)行并互動的，在理論教學(xué)的過程中，采用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對理論知識點(diǎn)進(jìn)行演示。由于篇幅所限，以下選擇部分授課內(nèi)容，列表展示理論教學(xué)與PKPM軟件演示的互動，并列出學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)效果，以供參考（以PKPM V4版本為例），部分演示內(nèi)容的操作界面如圖1中的圖框所示。

從表1可知，在《建筑結(jié)構(gòu)抗震》的理論授課過程中，如采用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件作為輔助，二者互動進(jìn)行教學(xué)，可取得較好的教學(xué)效果，學(xué)生可加深對概念的理解，并熟悉參數(shù)取值方法及結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。

2.4.2 案例實(shí)踐部分

這是在完成或接近完成《建筑結(jié)構(gòu)抗震》理論授課時(shí)設(shè)置的綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可通過要求學(xué)生基于PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對某一具體工程案例進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，提高理論知識的實(shí)際應(yīng)用能力。由于在理論課中已經(jīng)讓學(xué)生熟悉了一部分PKPM的相關(guān)操作，因此實(shí)踐總時(shí)間可縮短并設(shè)置為2～3d。建議以結(jié)構(gòu)形式相對簡單的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)為案例，其基本教學(xué)過程如下所示。

（1）教師應(yīng)首先給出設(shè)計(jì)任務(wù)書，詳細(xì)描述該設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)的基本內(nèi)容、基本要求及最終需要學(xué)生提交的材料，如以某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，則設(shè)計(jì)任務(wù)書應(yīng)當(dāng)包含該結(jié)構(gòu)的基本功能要求和簡單布局，并要求學(xué)生基于該任務(wù)書進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書給出的設(shè)計(jì)基本條件及功能要求，參照抗震理論知識，確定各構(gòu)件的尺寸與位置，如柱網(wǎng)布置、柱距、柱截面尺寸、梁的布置、梁截面尺寸等，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)的布置。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行計(jì)算分析，得到構(gòu)件內(nèi)力值，從而完成構(gòu)件配筋，最終得到各構(gòu)件的配筋信息。在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，包括柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的截面信息與布置設(shè)計(jì)等方面。

（3）學(xué)生最終提交的文件應(yīng)包括梁配筋結(jié)構(gòu)平面圖、柱配筋結(jié)構(gòu)平面圖、板配筋結(jié)構(gòu)平面圖，以及基礎(chǔ)平面布置圖和基礎(chǔ)詳圖等圖紙及上部結(jié)構(gòu)計(jì)算書、基礎(chǔ)計(jì)算書等計(jì)算說明書。

通過該案例實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生不僅能在實(shí)踐過程中復(fù)習(xí)理論課知識點(diǎn)并加深理解和記憶，還能對采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有更加系統(tǒng)的認(rèn)識，這對大四下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)大有裨益。

2.5 考核方法

《建筑結(jié)構(gòu)抗震》平時(shí)成績的考核應(yīng)包含考勤、作業(yè)及案例實(shí)踐部分，其中，作業(yè)部分應(yīng)盡可能布置一些涉及到PKPM互動演示的練習(xí)，而期末評分可通過考試的方法進(jìn)行考核。由于有案例實(shí)踐環(huán)節(jié)的加入，因此平時(shí)分所占的比例應(yīng)適當(dāng)提高，建議考試占總成績的60%，平時(shí)成績占40%（包含10%的考勤、20%的案例實(shí)踐部分以及10%的作業(yè)部分）。以上述方法可取得較好的考核效果。

3? 結(jié)語

以上以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)、基于PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的《建筑結(jié)構(gòu)抗震》課程教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了《建筑結(jié)構(gòu)抗震》理論知識和PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的互動式教學(xué)，能夠加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，更好地為土木工程專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)服務(wù)，為畢業(yè)生今后去設(shè)計(jì)院進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作打下更牢固的基礎(chǔ)。

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