基于小型振动台的抗震实验教学改革研究
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[摘 要]传统结构抗震实验教学多以构件动力测试为主，内容较为单一，缺乏对学生科研创新能力的培养。项目组通过借助小型振动台，将管桩地震响应、复合桩加固液化地基和多层钢框架振动响应三项科研课题转化为探究型实验教学，阐述了实验教学的实施过程，对实验选题、教学团队组建、考核评价体系等方面提出了建议。实践结果表明，教学与研究相结合的教学理念培养了学生的初步科研能力，加深了对结构抗震概念的理解，促进了师生间的交流。
[关键词]振动台实验;科研课题;教学改革
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）06-0058-04
中共中央、国务院在《关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》中明确提出了“高等学校要重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神，普遍提高大学生的人文素质和科学素养”的要求。在这种背景下，提高学生的综合素质和实践操作能力就显得尤为重要，尤其是土木工程这类实践性较强的学科。实验教学作为教学体系的一个重要组成部分，是培养学生实践操作能力和创新意识的重要途径[1]。将前沿科研成果不断转化成新的实验内容，一方面增加了实验教学的广度和深度，使传统和经典实验更加生动有趣，另一方面也有利于带动和促进学科建设的整体发展[2]。
于學生而言，实验是在掌握理论知识的基础上对所学知识进行实际、综合的运用，有利于帮助学生更加深刻地理解相关原理，能培养动手和解决问题的能力和科学的思维能力，是理论教学无法代替的[3]。对于有志于继续深造的学生来说，在本科毕业前掌握一些从事科研实验的基本方法，可为其今后继续从事学术研究打下基础。这也为科研储备了生力军。对于社会而言，成功的实验教学可为企业培育急需的应用型人才，满足社会建设和经济持续增长的需求。另外，实验教学工作水平的高低，也是衡量一所高校教学和科研水平及学生综合素质的一个重要参考指标[4]。
为有效激发学生参与实验教学的主体意识和积极性，扩充本科实验教学内容，加强实验教学在结构抗震教学体系中的地位。本文在传统“验证型”的构件动力测试教学基础上设置“探究、创新型”的动载实验教学，力求实验模型、结构体系和激励形式多样化，并从实验选题、教学方法和考核机制等方面对探究性试验教学进行了有益的探索。
一、实验教学改革
（一）实验模式
实验模式实行验证型实验与探究创新型实验并重。其中验证型实验主要以框架结构低周往复静载试验为主，以验证课堂传授的结构抗震基本理论和方法，熟悉加载设备以及结构实验的量测技术。探究型实验则主要以科研课题为依托，开展结构动力加载试验。学生通过独立设计、独立操作、综合运用所学知识，达到培养解决工程实际问题或科学问题的能力，养成初步的学术研究能力的目的。
（二）实验选题
实验教学选题应遵循可行性、先进性、实践性强、切合工程实际等原则，并充分发挥学校或学院研究特色。基于此，考虑到笔者所在学院在液化砂土地基加固、PHC管桩抗震性能等领域进行大量的研究，在开展振动台实验和动力测试方面积累了丰富的经验。实验主要借助小型电磁激励器，无需对大型科研设备进行改进和拓展，成本低，在经费投入不大的情况下可进行多组实验教学。对于尚处在研究阶段的项目，包括研究生论文实验、教师科研项目，鉴于实际情况，通过选拔、吸收一部分感兴趣的学生共同参与[5]。如此一来，既实现了科研资源的有效利用，又培养提升了学生的科研素质和综合能力。同时，也避免了传统实验项目无法推陈出新的缺陷，保障了试验教学资源始终与科研前沿的紧密联系。此外，考虑到本科学生尚未学习完全部课程，知识体系不完整，进行探究型实验比较困难，为此开设了“科研专题入门”讲座，授课内容围绕实验所涉及的理论知识、操作方法和科技论文撰写等，以帮助学生快速入门。
（三）团队组建
学生采取4～6人为一组的小组形式，并按照动手能力、知识掌握程度等指标均衡分配，保证每个小组可以顺利组织实验。教学团队以理论授课教师和实验技术人员相结合，并选拔具有丰富的理论与实践知识以及出色组织管理能力的教师担任负责人。在人员配置上，选聘研究生作为助教，每位助教辅导2～3组学生进行实验、协助教师解决实验过程中各小组遇到的问题，以及协助批改实验报告[2]。
（四）教学实施
小组实验按照文献查阅、理论分析与计算、实验验证与分析、论文撰写、专利申请等步骤进行[6]。实验前，各小组通过查阅文献、搜集资料，了解实验背景、基础理论和研究现状，并掌握相关的试验操作方法，制定初步的实验方案。此后，在教师指导下，修正方案并进行试验前的理论分析及计算，以此作为后续试验的参照。在实验过程中，将实验结果与理论分析结果进行对比验证，分析结果差异和原因。待实验结束后，组织学生按论文格式对研究成果进行整理，并鼓励他们撰写论文或申请专利。
（五）多元化考核评价
为提高实验教学的效果和改变传统学生只注重卷面成绩的情况，考核方式摒弃了传统的笔试和操作考试，学生成绩由平时实验G1（20%）、成员讨论G2（20%）、实验报告G3（40%）和口头汇报G4（20%）等综合评定，并将实验成绩G单独计入学期末考试成绩。
二、结构抗震实验教学改革实践
我国地处欧亚和环太平洋两大地震带之间，重大结构的抗震设防是社会和工程建设者共同关注的焦点。建筑物的抗震性能与灾变机理已成为土木工程与地震工程领域的核心问题，而振动台实验是抗震设计理论的重要研究手段之一，试验采用DYS-1000-8-08伺服液压式小型振动台，额定正弦推力9800N、额定加速度122.5m/s2、频率范围1-2000Hz、额定位移51mm、额定荷载300kg。接下来以“PHC管桩抗震性能实验”“多元桩复合地基抗液化实验”和“多层钢框架结构振动实验”三项课题的实验教学为例，介绍探究性实验教学实施的具体过程。 （一）PHC管桩抗震性能实验
利用小型振动台装置模拟简谐地震波（SH波），研究管桩在地震作用下的响应特征和破坏形式。在模型箱中埋置加速度传感器、应力、应变及位移传感器，通过动态应变测试仪采集不同地震激励条件（加速度峰值和频率）下桩土响应结果，获得与之对应的桩身位移分布、桩身内力分布和桩土界面压力，以此评价管桩的抗震性能（见图1和2）。
实验教学过程如下：第一阶段，各学生小组就桩-土动力相互作用和振动台实验进行文献查阅，初步制定实验方案，交由指导老师审核完善，并进行实验前的理论计算。小组成员根据实验方案设计模型图纸、购买材料和模型管桩（有机玻璃管），制作能最大限度消除边界效应的剪切模型箱，分层填筑模型土及布置传感器，并测定土体密度、剪切强度和动剪切模量等力学指标，整个过程由学生独立完成。第二阶段，指导学生掌握地震波加载方法，动态信号的采集和分析，以及设备操作流程和方法。由学生开展实验，观测记录各项实验数据，并对照之前的理论推导，对结果的可靠性进行验证。实验过程中，教师要及时对学生遇到的问题给予解答和修正，并引导学生根据所学的力学及土力学等课程，对实验现象给出合理解释，若是实验比较成功，可尝试设计其他不同工况进行实验。
（二）多元桩复合地基抗液化实验
液化是饱和无粘性地基（如砂土）发生震害的主要原因之一。针对天然地基、碎石桩地基、水泥土桩地基和两种桩联合加固地基，開展小型振动台模型试验，分析振动过程及结束后一段时间内的超静孔隙水压力、孔压比及上部承压板沉降的变化，探讨多元桩加固液化土的机理及复合地基抗液化特性（见图3和4）。待试验准备工作完成后，分别制备碎石桩、水泥土桩、碎石-水泥土联合桩加固地基和天然地基各2组，布置好孔隙水压力传感器和位移传感器，实验过程中记录各项数据并观察模型箱内地基土振动的宏观表现，分析不同加固模型下，孔隙水压力、土压力、沉降量峰值随地基深度和水平位置的变化规律，探讨各参数之间的内在联系以及不同桩体对液化土的加固机理，并就加固效果进行评价。
（三）多层钢框架结构振动实验
在钢结构设计教学中，多层钢框架结构的抗震设计是重点授课内容。通过开展钢框架结构振动台实验，探究框架柱振动响应规律，总结不同频率地震波下钢框架的抗震特性，巩固学生对结构抗震设计方法的学习（见图5和6）。试验中，教师在振动台台面上安装固定一个4层钢框架，挂好载荷挂件、标定好传感器，通过扫频确定框架的基本频率和自振特性;然后进行4组不同频率下的试验，记录钢框架柱顶的水平位移、加速度等各项结果，由此分析钢框架的自振特性及动力响应特点。同时，将结构简化成多自由度结构体系，进行振型分解计算，并指导学生利用SAP2000等软件建立空间杆系力学模型，并进行模态分析。引导学生根据所学钢结构设计和结构动力学知识对实验现象和抗震性能进行解释和评价，并对比实验测试、理论计算和数值模拟三者的结果，分析差异产生的原因，并将分析过程以论文格式写成实验报告。
三、教学效果
经过一个学期的实验教学实践，我们观察到，学生参与实验的热情有明显提高，学生普遍反映得到了较好的实践锻炼，无论是文献检索能力、实践动手能力、自学能力还是分析问题的能力均得到了较大的提升，其中一名学生在口述报告时说：“一学期的实验课程使自己认识到自身许多不足，特别是在实验遇到困难那段时间感觉特别‘痛苦’，可喜的是实验最终顺利完成，找到了自己需要努力的方向，并且对实验课程越发感兴趣了，感觉付出非常值得。”此外，部分学生还将实验结果整理成论文和专利进行发表。其次，通过三项振动台实验的科研训练，培养了学生的初步科研能力、团队协作与沟通能力;同时，也提高了教师的教学组织水平，实现了教学相长。
四、尚待改进的问题
实验过程一般会涉及许多本科生了解不多甚至是未接触过的知识，需要学生根据实验要求去自学、消化，并将所学的内容应用到科研当中。此过程往往缓慢而枯燥，不少学生受到挫折中途放弃，因而其对学生的耐心与毅力有较高的要求。在今后的实施中，对这方面的问题教师应该给予必要的关注，及时与学生沟通解决实验中遇到的问题。
本科阶段课程多，留给本课程可利用的时间少，而实验从方案制定到模型制作、熟悉设备操作需要大量的时间，学生在兼顾课业的同时，可能无法留给实验太多的时间，导致实验中断。这对学生本身能力起不到锻炼的作用，且浪费了科研资源。因此，实验的开展需要灵活利用和安排时间，除了正常的教学时间之外，可以利用假期时间继续实验。
此外，对学生初步科研能力的评价体系尚缺乏系统性和整体性。目前高校普遍采用一些定性的方法，或仅从一些侧面对学生科研素质进行评价，很少采用一套定量指标将其明确表现出来，并构成完善的指标体系。这种半定性的评价方法往往带有教师的主观性，在科学性和客观性上存在不足，难以为学生科研能力培养方案的制定提供定量支持。
五、结束语
本文通过借助小型振动台将三项科研课题融入抗震实验教学，阐述探究型实验教学的方法、选题依据和考核评价机制。教学实践表明，学生参与实验的热情明显提高，体会到了科研的乐趣，教学质量和学生专业素养也得到了明显改善。在今后的教学工作中，我们将根据学生的课业情况，结合结构抗震领域的最新研究进展，提炼出形式更为多元化的抗震试验教学项目，以进一步提高实验教学效果。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 张学军， 王锁萍. 全面改革实验教学 培养学生创新能力[J]. 实验室研究与探索， 2005（1）：4-6.
[2] 段家忯， 曹惠贤， 王煜，等. 美国高校物理实验教学和管理情况考察报告[J]. 大学物理， 2004（3）：42-45.
[3] 卢文胜， 黄宝锋. 结构抗震实验教学探索与实践[J]. 实验室研究与探索， 2009（3）： 217-219.
[4] 钟桂辉， 刘曙光， 匡翠萍，等. 港航工程模型实验教学改革的探索与实践[J]. 实验室研究与探索， 2011（1）：120-122.
[5] 章敏， 董晓强， 郭昭胜. 科研课题引入土木工程实验教学的探索与实践[J]. 高等建筑教育， 2017（4）：104-107.
[6] 李静， 张君， 蔡立凡. 本科生科研创新实践的探索与思考——以华南理工大学为例[J]. 中国建设教育， 2015（1）：120-123.
[责任编辑：刘凤华]
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