摘要
建筑结构抗震设计已成为土木工程专业本科阶段的一门重要课程。该课程理论内容较多，概念抽象难懂，传统教学方法难以将复杂原理进行具象化演示。针对抗震教学中的问题和难点，将可操作的教具引入课程教学，丰富教学手段，帮助学生理解教学内容中抽象的概念和理论。以单自由度体系的地震反应分析、杜哈梅积分、地震反应谱3个知识点为例，给出了教具在抗震教学中的应用案例，通过地震响应现象的展示，引导学生主动思考，让枯燥难理解的理论易懂。根据问卷调查的反馈信息，并与未采用教具教学的年级进行了对比，采用教具教学的年级取得了良好的教学效果，学生的学习兴趣得到激发，自主学习的能力得到增强，学习成绩得到提升，课堂教学的交互体验感更好。
我国是地震多发国家，尤其近年来四川省地震频发。2008—2022年，四川省先后发生了29次5.0级及以上的地
建筑结构抗震课程需要有理论力学、结构动力学、地震工程学、工程荷载与可靠度设计原理、混凝土结构设计原理、钢结构设计原理等理论基础，涉及的抗震概念比较抽象，抗震计算方法不易理
针对目前建筑结构抗震教学中存在的问题和难点，采用自制的工具，选择合适的软件，对教学方式进行改革，帮助学生理解教学内容中的难点，激发本科生的学习兴趣，提高学生的自主学习能力，培养符合《华盛顿协议》工程认证的高层次土木工程专业人才要求。
建筑结构抗震是一门建立在震害调查基础上的理论性和实践性都很强的课程。授课内容包括地震工程的基础知识、场地地基基础、建筑结构抗震概念设计、地震作用和结构抗震验算、地震作用计算方法、混凝土结构抗震设计、砌体结构抗震设计、钢结构抗震设计，以及减隔震的基本概念等。课程知识点前后关联性较强，仅靠教师板书及口头讲述，学生难以将知识点串联，形成知识体系。对2020级156名学生进行了调查，有2/3的学生认为该课程较难，见
| 总体课程难度 占比/% | 是否能自学 占比/% | ||
|---|---|---|---|
| 比较难 | 66.67 | 不能自学 | 37.23 |
| 一般 | 33.33 | 部分能自学 | 56.38 |
| 简单 | 0.00 | 基本能自学 | 6.38 |
建筑结构抗震内容中一些知识点较为抽象难懂，教学难度教大。例如：自由度及多自由度体系的地震反应、杜哈梅积分、地震反应谱等理论知识。在对2020级学生的调查中发现，学生认为难以理解的是抗震概念，如
| 建筑结构抗震课程的难点 占比/% | |
|---|---|
| 概念理解 | 88.89 |
| 公式推演 | 62.22 |
| 规范查找 | 73.33 |
| 参数计算 | 75.56 |
为了帮助学生理解教学难点，需要将抽象问题具象化。因此，采用可操作、可演示的教具（文中将自制的工具、编写的程序和合适的软件统称为教具）在课程教学中十分必要。
建筑结构抗震是一门实践性很强的学科。面对复杂抽象的抗震结构设计内容，如建筑结构地震反应分析、地震反应谱理论等教学难点，学生通常会有畏难心理。采用自制教具辅助教学，既丰富了教学手段，贴合教学内容，将抽象的概念和原理呈现出来，又能帮助学生深入浅出地理解枯燥乏味的知识点，改善了学生的课堂学习体验，提升了课堂教学效果；因此，如何设计和使用教具非常重要，建议根据建筑结构抗震课程的教学难点有针对性地设计或选择教具。
建筑结构抗震课程的各知识点联系紧密，前后互相衔接。学生往往学了后面的知识点，而模糊了前面的知识点，没有主动思考前后知识点的关联。多数学校的抗震课程缺乏教学实践环节，或者实践课程与理论课程分别开设，二者未紧密联系。通过教具的具体展示，给学生留下深刻印象，引导学生动手、动脑去思考抗震现象背后的原理和方法。从而弥补教学实践环节的不足，改变教学中“重理论、轻实践”的弊病。同时，通过不同教具之间的衔接，经教师引导，帮助学生串联不同的知识点，有利于巩固抗震知识，并为解决复杂工程问题打下基础。
地震反应谱是认识地震动特性的重要途径，也是建筑结构抗震设计的重要基础。但概念较为抽象，学生初次学习时，理解存在一定困难。以地震反应谱为例，讲解教具在课堂教学中的实际应用。
根据达朗贝尔（D'Alembert）原理，单质点要处于力的平衡，从而建立单自由度体系的运动微分方程
| 。 | （1） |
要理解
图1 单自由度体系教学展示模型
教学中，可让学生每3~4人组成一个小组。其中，1~2名学生随机选择任一质量球，对其施加初位移，并观察其自由振动情况，如
图2 学生动手操作教具 图3实测质量球的自由振动加速度时程曲线
由于8个质量球连接的弹簧钢片高度不同，从低到高，其自振周期T由小变大。教学中，邀请学生以不同速度往复推振动台，模拟不同的地震动，观察这一组自振周期各不相同的单自由度体系反应，并引导学生思考不同频率下的单个质量球不同反应，采取分组讨论的模式，让学生分析“同一次地震，不同建筑对地震的反应不同”及“同一个建筑，在不同地震作用下的反应不同”的原因。
在此基础上，通过单自由度体系教学展示模型，帮助学生建立8个质量球的自振周期T与一次地震模拟下的最大加速度反应之间的关系（
图4 单自由度体系的自振周期与最大加速度反应
杜哈梅积分也是建筑结构抗震设计中的一个重要方法。在单自由度体系的弹性地震反应分析中，常用杜哈梅积分计算单自由度体系的地震位移反应
| 。 | （2） |
教学中，板书或PPT难以很好讲述
图5 杜哈梅积分MATLAB编程示意
在单自由度体系的水平地震作用反应、杜哈梅积分的讲解基础上，引出地震反应谱的概念。为方便求解结构的最大地震作用，将单自由度体系的地震最大绝对加速度反应与其自振周期的关系直观表示出来。而这种关系就是地震加速度反应谱，简称地震反应谱。学生联系之前的单自由度体系教学展示模型，就很容易形成这种基本概念。但这还不够，毕竟和实际地震动有一定区别。为此，借助地震反应谱生成程序进一步认识地震反应谱的概念。地震反应谱生成程序可将地震动加速度记录输入，设定好加速度单位、步长、结构阻尼比等参数后，生成加速度反应谱，如
图6 地震反应谱生成程序
考虑不同场地类别，选取汶川地震卧龙台站、鲁甸地震龙头山镇台站和阪神地震加古川台站等3种典型地震动，将其东西向的加速度时程曲线展示给学生，如
图7 典型地震动的加速度时程曲线和傅里叶振幅谱
在地震反应谱生成程序中，输入选取的典型地震动，形成3条地震反应谱，如
图8 典型地震动的反应谱
地震反应谱一直是建筑结构抗震教学中的一个重点，也是难点。它是后续抗震教学内容的基础，克服这个难点有助于对建筑结构抗震的理解。自制工具的硬件和程序的软件相结合，将抽象的抗震概念变得具象化，也可把不同知识点串联起来，加深了学生的理解，激发了学生的学习兴趣，活跃了课堂气氛。
对2021级土木工程专业建筑工程方向的本科生进行了教学实践。为了解实际教学效果，在学期末对授课学生进行了问卷调查。此次调查共发放问卷106份，收回94份，回收率为88.67%。从接受程度、讲解效果和学习成绩等3个方面，与未使用教具的2020级进行对比，以分析教具使用前后的变化。
根据问卷调查结果看，超过90%的学生接受使用教具进行辅助教学，且87.76%的学生认为教具能帮助其理解教学内容，说明教具对课堂教学起到了积极作用；81.63%的学生认为教具增加了他们对建筑结构抗震设计课程的兴趣，证明教具确实能提高学生在课堂上的学习兴趣；接近90%的学生支持在下一届教学中使用教具辅助教学（
| 关于教具的问卷调查内容 | 选项（百分比/%） | ||
|---|---|---|---|
| 是否接受教具辅助教学 | 接受（93.88） | 一般（6.12） | 不接受（0.00） |
| 教具是否有帮助理解学习内容 | 有帮助（87.76） | 一般（12.24） | 无效果（0.00） |
| 教具是否增加对课程的兴趣 | 是（81.63） | 一般（14.29） | 否（4.08） |
| 是否支持在下一届教学中使用教具 | 是（89.8） | 一般（10.2） | 否（0.00） |
有关教师的课堂讲解效果，对比了2020级和2021级的问卷调查结果，如
图9 教师的教具讲解效果
学习成绩是教学效果的重要指标之一。将成绩分为5个分数段，对比2020级和2021级的学习成绩，所有成绩均取整数，如
图10 2020级和2021级学习成绩对比
在建筑结构抗震课程取得的教学改革成果基础上，顺应新的教学大纲，积极面对教学改革的挑战。从解决存在的问题入手，结合抗震课程的特点，引入教具辅助课堂教学，丰富了教学手段，将抽象问题具象化、可操作，强化了学生的感性认识，帮助学生理解教学难点。教学实践表明，教具吸引了学生的注意力，启发了学生主动思考，极大地调动了学生的积极性和好奇心，也活跃了课堂氛围。从学生反馈来看，对教具的接受度和认可度均比较高，课堂讲解效果较好，学习成绩进一步提高，教学效果明显增强。这对于培养学生的综合能力和创新能力有积极作用。
然而，教具并不能替代抗震理论知识的讲解，而是应与其互补。并非教具越多越好，不是所有的教学内容都适合使用教具辅助，而应选择适当的教学环节引入恰当的教具。因此，必须仔细梳理和分析教学难点，精心设计教具，使其发挥最佳效果。
参考文献
谢贤鑫，潘毅，寇创琦，等.泸定6.8级地震学校建筑典型震害调查与分析［J］.地震工程与工程振动， 2022， 42（6）：12-24. [百度学术]
潘毅，易督航，游文龙，等.泸县6.0级地震村镇建筑震害调查与分析［J］.土木工程学报，2023，56（5）：47-59. [百度学术]
建设工程抗震管理条例［S］.北京：中国法制出版社，2021. [百度学术]
潘毅，刘豪，林拥军，等.基于SC教学理念的土木工程专业课程教学改革——以建筑结构抗震设计课程为例［J］.高等建筑教育， 2020， 29（2）：101-108． [百度学术]
王建.建筑结构抗震设计课程教学方法探索［J］.高等建筑教育， 2018， 27（2）： 80-83. [百度学术]
王浩，张志强，徐明，等.工程结构抗震与防灾课程教学改革及疫情期教学实践分析［J］. 高等建筑教育， 2021， 30（3）：120-127. [百度学术]
陈俊岭，徐夷青.学时压缩后建筑结构抗震设计教学方法探讨［J］.教育教学论坛， 2019（37）： 183-184. [百度学术]
鲁正，龚依捷，周颖，等.虚拟实验在建筑结构抗震课程教学中的应用［J］.高等建筑教育， 2019， 28（2）：106-111. [百度学术]
周小龙，刘章军，卢海林，等.工程案例与虚拟实验在建筑结构抗震课程教学中的应用［J］. 高等建筑教育， 2020， 29（5）：149-155． [百度学术]
杨溥，贾传果，刘立平，等.工程实验与理论教学的融合方法研究［J］.高等建筑教育， 2020， 29（1）：140-147． [百度学术]