小型地震模拟振动台教学试验的课堂实践与探讨

陈 伟，王欣宇，叶继红

（1.中国矿业大学徐州市工程结构火安全重点实验室 江苏 徐州 221000；2.中国矿业大学力学与土木工程学院 江苏 徐州 221000）

在各类自然灾害中，地震是一种极具破坏性的自然灾害，严重威胁公众安全、危害人民生命和财产安全[1]。为减轻地震灾害的损害，土木工程专业防灾减灾课程中加强抗震设计原理与方法的教学，显得尤为迫切和重要[2]。目前土木工程抗震相关课程往往以PPT 讲学或者专题讲座的形式开展，教学手段传统且单一，学生的探索与实践能力亟须提高。进行地震实验成为提高学生探索能力的一种有效手段，但由于地震的不规律与复杂性，进行真实的地震实验存在很大的难度[3]。当前，拥有大型抗震试验设备的高校或研究机构较少，且大型实验设备需要定期维护和更新以确保其性能和安全性[4]。但设备日常使用与维护费用高昂，这意味着在有限的时间内，实验的频率和规模严重受限[5]。因此，学生在校期间往往缺乏机会参与地震实验，无法亲身体验地震的力量，限制了其实践经验的积累[6]。而地震工程往往需要将理论知识与实际应用相结合，学生只通过课堂教学和书本知识难以全面理解抗震设计的复杂性，导致理论与实践脱节，难以将所学知识应用于实际工程项目[7]。此外，地震实验实践经验的缺乏也限制了学生在该领域兴趣度与创新性的提升。

近年来，一些企业研发了小型土木工程教学实验设备，例如小型地震模拟振动台等，这些设备为课堂实验实践教学的展示提供了可能。鉴于此，本文提出了微课堂实践教学新模式。通过将这些先进的小型设备应用于教学，实现课堂理论教学与实践演练的高度融合。

1 教学试验设计

抗震课堂试验依托多功能小型地震模拟系统，结合MOOC 等现代教学资源，进行课堂微试验教学，构建了一套完整的“课前探索―课堂实践―课后研究”教学模式。这种教学模式突破了传统实验教学模式，以趣为核探索理论与实践相融合的施教方案，建立了过程与结果并重的实验教学评价体系，并在教学实践中持续改进。强调学习的自主性、能动性与创新性，鼓励学生大胆尝试，增强学生的学习自主性，提高学生的实践操作能力，提升其专业核心竞争能力。

相较于传统教学方法，结合振动台的动力试验方法能够更加生动地演示结构动力特性，揭示地震不同模式的动力学原理，基于本课题研发的全新多功能电动加载装置和试验控制系统为学生的课堂实践提供了更加完整、实时、精确、灵活的教学演示，激发了学生的学习兴趣。

1.1 课前自主学习基础理论知识

学生应积极参与课前自主学习。他们可以使用教材、参考书籍、学术论文和在线资源来研究结构动力学和工程结构抗震的基础理论知识。这些知识将为他们提供必要的背景和理论基础，以更好地理解和参与后续的试验。

1.2 汇报展示和讨论试验方案

学生在课堂上汇报课前自主学习成果，分享查阅的资料和知识。这种知识分享和汇报有助于加深学生对课程内容的理解，同时也能调动他们与同学之间交流和合作的积极性。教师引导学生讨论制订试验方案，包括确定试验的目标、选择合适的试验参数和方法等。

1.3 课堂抗震微试验

在这个阶段，学生将进入实验实操阶段。依托小型地震模拟振动台进行抗震微试验，学习如何正确设置试验设备，包括振动台的操作和控制。学生分组自主搭建，构建3层不同支撑与配重的钢框架结构，根据试验方案进行试验。体验振动台模拟的地震情况，观察结构的振动和变形情况。

1.4 试验观察和记录

试验正式开始后，学生密切观察模型的振动响应和变形情况。他们将记录实验数据，包括加速度、位移和应变等参数。教师应提醒学生注意不同试验模式和振动波形对结构的影响，以及不同构造之间的性能差异。这个过程要求学生保持专注和细致的观察，以便后续的数据分析和报告撰写。

1.5 报告撰写和提交

试验结束后，学生将开始撰写试验报告。在此过程中学生将收集的数据进行整理和分析，以确保报告具有清晰的结构和准确的信息，这份报告将包括以下内容：①试验的目的和背景；②试验方法和步骤的详细描述；③实验结果的数据记录和图表展示；④对实验结果的分析和解释；⑤结论和建议。学生将最终的试验报告提交给教师，教师根据报告对学生的实验操作和分析能力进行评估和反馈。

2 教学试验设备

教学试验设备是学校自主研发的一套基于先进技术的震动平台装置。该设备旨在为微课堂试验提供全面、实时、准确和灵活的教学演示。该设备的核心特点如下：

该设备具有开阔的试验空间，其台面尺寸为300mm×400mm，可承载最大20kg 的荷载，最大加速度可达1g，最大速度为1m/s2，最大行程200mm，为使其能够满足不同试验频率和振幅的要求，频率范围从0.1Hz 到50Hz，确保试验具有高适应性和灵活性。此外，这套设备还具备强大的控制系统和全面的模拟功能，采用模块化虚拟技术，配置触摸屏操作界面，为用户提供便捷的操作体验。控制系统整合了伺服控制，预置了多种地震波曲线、道路振动和飞行振动载荷曲线，用户可根据试验需求进行自定义配置。它还支持多种标准波形播放，如正弦、方波、三角波和随机波，并提供循环、扫频和拍波等多种功能，以满足各种教学展示试验的要求。同时，设备还提供Simulink 仿真模型接口，可用于混合仿真试验，进一步扩展了其应用领域。值得一提的是，该系统的工作电压为220V，即插即用，可随时布置于任何位置，为用户提供了极大的操作便捷性和空间灵活性。

综合而言，这一设备具备高频率范围、高加速度和速度、位移控制、多种标准波形播放以及Simulink 仿真模型接口等多种功能，是一款全面的教学试验设备，能够满足各种振动试验的需求，是一款理想的教学工具，能够为相关专业的学生提供高质量的小型课堂试验体验。

3 教学试验实践

本次教学实验主要围绕小型地震模拟振动台展开。教学开始前，首先由教师及相关技术人员对学生进行详细的设备介绍和安全指导，确保每位学生都能熟练掌握设备的操作流程。实验过程主要分为以下几个阶段。

3.1 准备阶段

在准备阶段，学生在教师的细心指导下，深入了解实验的科学原理和目标。教师详细解释地震模拟振动台的工作机制，强调实验中的关键变量和预期的观察结果。接下来，学生参与设备操作的演示和实践，确保每个人都能熟练操作实验仪器。安全培训也是这一阶段的重中之重，包括了解实验室安全规则、正确使用防护装备，以及在紧急情况下的应对措施。

3.2 设计阶段

设计阶段要求学生将理论知识与实践操作相结合。在教师的引导下，学生讨论并确定实验的具体内容，如选择模拟的构造类型、设定地震波的频率和振幅。学生还需要设定实验中的监测指标，如钢框架模型的位移、加速度等关键参数。此阶段不仅考验学生对地震工程理论的理解，也锻炼了他们的创新思维和团队协作能力。

3.3 执行阶段

执行阶段，学生们亲自操作振动台，实际模拟地震对钢框架的影响。学生在教师的监督下，仔细调整设备设置，确保实验的准确性。实验进行中，系统实时监控并记录数据，学生观察模型在不同震动参数下的响应。这一阶段，学生体验理论知识在实际中的应用，学习如何处理和记录科学数据，提高解决实际问题的能力。

3.4 分析阶段

实验完成后，学生进入分析阶段。在这一阶段，学生需要整理和分析实验中收集的数据。通过对比实验结果与理论预测，深刻理解理论与实践之间的联系和差异。教师引导学生讨论实验中出现偏差的原因及该试验的局限性等，鼓励学生思考如何改进实验设计，提出创新的思路，为后续的微实验探索提供新的视角。

整个实验过程中教师担任引导者的角色，负责向学生详细介绍地震模拟振动台的操作方法和实验流程，确保实验的安全进行。学生则扮演实验者的角色，他们不仅要学习如何操作实验设备，还要参与实验设计、数据收集和分析。

4 教学试验探讨

4.1 学生参与度高

在动手操作的过程中，学生不仅亲身体验了理论知识的实际应用，而且通过这种互动式学习，他们的学习兴趣显著提升。实验的每一个环节，从实验设计到结果分析，都要求学生的主动参与和思考，这种参与感使他们对于学习过程更加投入，促进了学生对知识的深入理解。

4.2 理论与实践相结合

通过亲自参与地震模拟实验，学生能够直观地观察到理论在实际操作中的体现，将课本上的抽象概念转化为具体可见的结果。这种实践经验加深了他们对地震工程基本原理的理解，同时也让他们认识到理论知识的实际意义和应用价值，架起了理论学习与实际操作之间的桥梁。

4.3 问题解决能力增强

实验过程中不可避免地会遇到各种预料之外的挑战和问题。面对这些问题，学生被迫离开舒适区，运用批判性思维去寻找解决方案。这不仅锻炼了他们的问题解决能力，而且通过这些实际的挑战，提高了他们应对未知和复杂情况的能力，为将来在更广阔的领域内解决问题打下了坚实的基础。

5 结语

此研究通过“小型地震模拟振动台试验”这一课堂微试验，将先进科技与教育实践理论相结合，展示了教学创新在理论与实践层面的有效融合。这种以学生为中心的教学模式不仅可以提高学生的实践操作能力，还能激发他们的创新思维和学术兴趣，在提升学生实践技能、创新思维以及学术探索方面成效显著。该教学模式的实施为教育理论与实践之间的互动提供了新的视角，为现代教育体系的发展贡献了新的思考，为教育领域构建一个更加多元化、交互式、创新导向的教育新格局提供了理论支持。