铁路行业背景下“结构抗震”课程教学策略论文

 

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　　摘要：文章首先概述了铁路行业背景下的“结构抗震”课程，然后分析了铁路行业背景下“结构抗震”课程教学面临的挑战，最后论述了铁路行业背景下“结构抗震”课程教学策略，包括坚持改革创新原则，打造“沉浸式”线下课堂；坚持与时俱进原则，推出“互动式”线上课堂；坚持学以致用原则，有效利用结构抗震实践平台。

　　关键词：“结构抗震”课程教学；实践平台；铁路行业

　　高速铁路作为目前我国重要的一类交通基础设施，有着安全、高效、舒适、能耗低等优点，对铁路交通运输行业的发展起到了十分关键的作用。鉴于此，铁路行业背景下“结构抗震”课程教学的重要性不言而喻。故本文将对铁路行业背景下的“结构抗震”课程教学现状进行梳理，并结合线上线下混合教学模式及互动课堂，提出具体的改进策略，以求为高校特色专业教学改革提供借鉴和参考。

　　一、铁路行业背景下的“结构抗震”课程概述

　　铁路行业背景下的“结构抗震”课程是涵盖结构工程、铁路工程和结构防灾三个方向的综合课程，故要求学生兼具三者的综合素养。该课程要求学生具有扎实的工程结构概念，夯实理论力学、材料力学、结构力学、结构动力学、弹塑性力学等力学基础知识与技能，并在此基础上强化工程结构抗震设计理论学习，掌握工程结构抗震全过程设计方法，最终能从事一般甚至特殊的铁路工程结构抗震设计工作，且能够解决实际铁路工程中出现的地震灾害问题。

　　随着我国铁路行业的跨越式发展，高速铁路建设如火如荼。截至2020年7月，我国高速铁路营业里程已达3.5万公里，占世界高铁营业里程的66%以上，位居世界第一[1]。我国地处世界两大地震带，即欧亚地震带和环太平洋地震带之间，为地震最活跃的国家之一，如在5·12汶川地震中，宝成线、陇海线、宝中线、西康线等多座铁路桥梁发生支座破坏、墩身开裂、梁体移位及轨道严重扭曲等震害，造成铁路交通瘫痪，给震后抗震救灾工作增加了巨大难度，造成严重的次生灾害。同时，由于高速铁路具有交通流量大、行车密度高、车速快、造价高等特点，故作为抗震救灾重要生命线工程的桥梁结构一旦在地震中被破坏，将产生不可估计的损失，进而将使我国高速铁路桥梁面临一定的地震威胁[2]，这就对当前土木工程人才的培养提出了更全面的要求。由此，“结构抗震”课程迎来了新的机遇和挑战。

　　高速铁路无砟轨道-桥梁系统主要由无砟轨道结构、梁体、支座及桥墩等构成。与传统有砟轨道相比，无砟轨道使桥梁各跨间的连接整体性大大加强，桥梁各跨间的地震反应耦合效应增大；与公路桥梁相比，高速铁路桥梁为满足行车刚度需求，往往不是由强度控制设计，因此其墩柱厚重、纵筋率普遍较低，即便配筋率低于0.5%的少筋混凝土桥墩也大量存在，这些都导致高速铁路桥梁与公路桥梁的抗震性能有显著区别。铁路行业背景下的“结构抗震”课程内容主要包括场地与地基、结构地震反应分析与抗震计算、多层砌体结构抗震设计、多高层建筑钢筋混凝土抗震设计、多高层建筑钢结构抗震设计、单层厂房抗震设计、桥梁结构抗震设计、铁路工程结构抗震设计、隔振减震与结构控制初步等。通过该课程的学习，要求学生掌握以下知识：了解地震反应谱法，分析地震响应的基本原理；了解铁路工程建筑抗震的基本原则，树立集概念设计、计算分析和构造处理三方面于一体的铁路工程建筑抗震设计的正确理念；掌握常用铁路工程建筑结构抗震设计实用计算方法。
 

　　二、铁路行业背景下“结构抗震”课程教学面临的挑战
　　
　　课堂教学目前依旧是高校学生获取知识的主要渠道，但铁路行业背景下的“结构抗震”课程教学依然存在诸多问题[3]。第一，课时少。目前，“结构抗震”总课时仅有32课时，在如此短的时间内将课堂内容讲清楚是对教师的重大考验。第二，难度高。作为一门理论和应用同等重要的专业性学科，传统的“结构抗震”教学注重理论讲解，加之教学条件及其他因素限制，学生普遍反映教学内容复杂、抽象，基础知识难以记忆，推导过程不易理解。第三，知识难以用于实际。传统的“结构抗震”课程主要针对常规结构的抗震和减隔震设计，而结构设防目标主要针对结构的自身安全，与基于行车性能的抗震设计思想存在一定差距，不适用于高速铁路桥梁的抗震设计[4]。实践中，大量学生只能解决考试中出现的常规问题，对工程实际出现的问题却束手无策，导致教学效果难以突显。

　　三、铁路行业背景下“结构抗震”课程教学策略

　　随着教育的现代化和国际化发展，如何培养能担负时代使命和造福人类的高层次人才，是我国高等教育体系改革发展的方向。因此，作为一门土木工程本科生必修课程，“结构抗震”课程的教学应解决“日益增长的理论难度与课时日益缩减”之间的主要矛盾。一方面，教师需结合行业特色丰富学生的理论体系；另一方面，教师需利用学校现有的实验设备及联系相关企业强化学生的工程实践能力。换言之，“结构抗震”课程教学不能因循守旧，而应根据行业特色进行新模式的理论探索与工程实践，并通过整个知识体系的构建，培养学生终身学习能力、获取信息的能力、创新研发能力，使学生具有良好的专业素养及一定的国际视野。
　　
　　(一)坚持改革创新原则，打造“沉浸式”线下课堂

　　“结构抗震”课程教师要对传统的课堂教学模式进行改进，放弃“PPT式”的照本宣科，纠正“成绩是检验能力的唯一标准”的错误做法，优化“课上例题，课下作业”的教学方法，杜绝“代代相传”的作业模板，推陈出新，打造“沉浸式”线下课堂。

　　铁路作为重要的生命救援通道，一旦在地震中发生严重破坏，将进一步造成次生灾害，给人民的生命、财产造成严重危害[5]。基于铁路交通运输可持续发展的重大需求，“结构抗震”课程教师可根据教学大纲、教学目标、教学内容，在调查分析及研究国内外可借鉴的研究成果的基础上，收集并整理国内外著名的地震灾害资料，如汶川地震、唐山大地震、日本关东大地震、日本新潟地震、美国北岭地震等事件中结构震害资料，包括视频、音频、文字记载等形式；然后结合铁路工程结构特点，对铁路工程结构的震害成因、破坏特点及铁路震后灾害等方面进行全面专业的解读，总结铁路工程结构各关键构件的损伤特征、失效模式、骨架曲线、耗能能力、延性及刚度退化规律等抗震性能，揭示各关键构件在往复荷载作用下的易损部位、损伤机理、耗能机制，并通过相应软件将其做成教学视频[6]，引导学生了解铁路工程结构的抗震设计思路及其与房屋工程结构、公路工程结构的不同之处，使其掌握抗震构造的特点和常用方法，从而达到教学目的。

　　“结构抗震”课程教师要依托学校实验室及虚拟仿真实验教学共享平台，组织学生参观学习振动台实验室内开展的相关试验，优化课程的实践教学环节；划分研究小组，利用有限元仿真分析软件，如ansys、midas、abaqus等，针对铁路实际工程案例进行结构抗震全过程分析，包括搜集结构参数、抗震设计标准、地震动信息，建立结构有限元模型，开展时程分析，并进行结构抗震设计验算及参数优化分析，撰写结构抗震计算书等，以便让学生在自主实践过程中认识和理解整个铁路工程结构抗震分析与设计全过程，掌握几类常用铁路工程结构形式的抗震设计原理和设计方法，进而为未来从事铁路行业工作奠定良好的基础。
 

　　“结构抗震”课程教师在课堂上可将学生分为若干个小组，通过典型铁路工程结构的震害案例，引导学生探讨铁路工程结构抗震设计原则、要求及构造措施、减隔震技术，激发学生对铁路相关知识的学习兴趣，并让学生以组为单位进行汇报，以巩固学生的学习成果，提高学生分析及解决问题的能力；通过铁路行业的相关教学视频及学生讨论，将铁路行业特色形象深度融入教学内容。目前，我国高速铁路虽然得到快速发展，但未能配套先进的防震理念，难以将减隔震技术与震后行车性能相结合，相关技术应用和研究落后于建设，导致现有铁路结构减隔震技术面临巨大挑战[7]，故“结构抗震”课程教师要在调查研究及分析整理国内外可借鉴的研究成果及国内外规范条文的基础上，对国内外铁路结构前沿科研成果进行分析和总结，并根据教学目标和教学内容制定详细的教学大纲、规划清晰的教学线路，同时结合抗震设计原理，介绍铁路工程结构构件的破坏机理，使学生掌握常规的构造方法、基本的设计表达，了解抗震设计的最新发展，从而搭建起具有铁路行业特色的结构抗震方向“沉浸式”线下课堂。

　　(二)坚持与时俱进原则，推出“互动式”线上课堂

　　受疫情影响，大部分高校正常线下教学的开展存在不确定性，故在扎实巩固校园防疫成果的前提下，如何保证学生学习质量是教师必须面对的挑战，因此高效合理地应用线上教学软件，如腾讯会议、慕课平台和雨课堂等进行线上教学具有重要意义[8-11]。凭借线上平台，高校进入了共享时代，对此，“结构抗震”课程教师可借助线上平台分享铁路工程结构抗震公开课及相关学术讲座，上传高质量的电子书籍、学习课件、视频教程、课后答案等资料，破除学习壁垒，共享优势资源，减少学生之间的资源差距，使学生有足够的学习素材，从而提升课堂教学效率，同时使学生对于铁路工程结构的抗震设计有深入的认识和了解，进而掌握地震作用计算方法，达成完善整体知识体系的目的。

　　在“结构抗震”线上课堂开始前，学生可以在线上平台(如“腾讯会议”)向教师和其他学生展示自己的课前学习成果，而教师可通过投票等方式了解学生不懂的疑点和难点，并有针对性地调整授课计划[12-14]。讲课过程中，针对当节课的疑点和难点，教师可结合铁路行业典型案例进行启发式教学，并通过提问的方式引入专业知识点，还可以通过抢答的形式激发学生学习铁路工程结构抗震的热情，从而增强其对学校、专业的认同感和归属感。课堂之余，教师可利用学校平台邀请一些科研学者和铁路工程从业者通过视频会议的方式现身说法，并进行答疑，从而使学生更好地熟悉铁路工程结构的抗震特点，同时开阔学生的视野。课后，教师可将课堂中的疑点和难点进一步以线上讨论题的方式发布，激励学生结合铁路工程实际进行讨论，分析铁路工程结构与公路工程结构、房屋工程结构的抗震性能差异，以夯实铁路工程结构抗震防灾专业基础，最终掌握铁路工程结构抗震方面的基本理论和基本方法，并熟练运用抗震规范进行铁路工程结构抗震设计，从而为以后快速融入铁路行业特色工作岗位奠定良好的专业基础。

　　(三)坚持学以致用原则，有效利用结构抗震实践平台

　　为了加深学生对结构基本抗震措施、结构减隔震装置、结构抗震原理等知识点的理解程度，培养学生对结构抗震中减震、隔震装置及结构地震响应数据进行整理和分析的能力，“结构抗震”课程教师要坚持学以致用原则，将结构抗震实践平台引入教学，以强化学生工程实践能力。在这一过程中，教师可按照具体实训要求或实验要求，指导学生实训或实验方法、流程，从而让学生基于结构抗震实践平台的功能完成相应的实训或实验。以中南大学为例，笔者依托中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室，组织学生参观中南大学振动台实验室内开展的相关试验，包括高速铁路桥梁支座减隔震试验、高速铁路站台抗震性能试验、高速铁路桥墩震致破坏试验、高速铁路桥梁震时及震后桥上行车性能试验等，以加强“结构抗震”课程的工程实践教学，从而有效培养了学生的工程意识和分析实际问题的综合能力。

　　此外，“结构抗震”课程教师还要鼓励学生参加以实际工程为背景的国际或全国大学生高速铁路结构工程抗震设计邀请赛，跟进高速铁路发展，以此进一步引导学生弘扬科学精神，增强创新意识，提高开拓探索能力，最终促进学生综合素质的全面发展[15-16]。例如，自2018年以来，中南大学依托中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室连续开展了多次国际大学生高速铁路工程结构抗震设计竞赛，通过国内外数十所高校的参与，实现了来自全球不同高校师生的同台竞技和思想碰撞，进一步培养了学生的创新意识、团队协同能力和行业特色工程实践能力，最终切实提高了创新人才培养的质量。

　　四、结语

　　当前，国家铁路建设对铁路行业人才培养有了更高的要求。基于此，本文对铁路行业背景下的“结构抗震”课程进行了梳理，发现其教学存在诸多问题。针对当前教学中出现的这些问题，笔者针对性地提出了改进策略，包括坚持改革创新原则，打造“沉浸式”线下课堂；坚持与时俱进原则，推出“互动式”线上课堂；坚持学以致用原则，有效利用结构抗震实践平台，如此既提高了“结构抗震”课程教学的质量，又为高校教学改革提供了借鉴和参考。

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