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【关键词】 物理实验; 比较法; 放大法; 平衡法; 转换测量法
物理实验的目的是为了揭示与探索自然规律。掌握有关的基本实验方法,对提高科学实验能力有重要作用。实验方法和测量方法很多,就同一个实验也会体现多种方法且各种方法又相互渗透和结合,如何根据大学物理实验课程的需要,采用最优的实验方法,达到实验目的是一个必须思考的重要问题。本研究归纳了几种常用的基本实验方法,并进一步讨论了各种方法如何与具体实验课程相结合,发挥大学物理实验课程在高等教育中的重要基础性作用。常见的物理实验方法有比较法、放大法、平衡法、转换测量法等。 1 比较法
比较法是根据一定的原理,通过与标准对象或标准量进行比较来确定待测对象的特征或测量数值的实验方法。它又可分为直接比较、间接比较、特征比较3种。例如在长度,质量测量实验当中用最小分度为一毫米的米尺测量长度,“1毫米”就是作为比较的标准量。天平称质量、秒表计时等都属于直接比较。而多数物理量是不能通过直接比较去测量的,而要用间接比较去测量。借助中间量或通过某种变换使待测量与标准量发生间接比较。惠斯登电桥测电阻实验就是将待测电阻与标准电阻 进行间接比较得出。电位差计测电动势或电压是通过将待测电压或电动势与标准电池电动势进行间接比较来实行比较测量,测量固体、液体密度时,可与密度已知的标准液体(水、酒精等)进行比较。
图1 惠斯登电桥电路示意图(略)
2 放大法
放大法是在实验中有时遇到由于被测量量过分小,以至无法被实验者或仪器直接感受和反应,此时可先通过一些途径将被测量量放大,然后再进行测量,放大被测量量所用的原理和方法称为放大法。常用的放大法有累积放大法、电学放大法、光学放大法等。在最简单的单摆实验的周期测量中,假定单摆周期T为1.50s,人开启和关闭秒表的平均反应时间为T=0.2s,则单次测量周期的相对误差为T/T=30%,若我们测量50个周期,则将由人开启和关闭秒表的平均反应时间引起的误差降到T/T=30% 。回旋加速器也是利用了积累放大的原理,电子每通过加速器半圆的出口进行一次加速,使电子的能量不断增加。电学放大法是将微弱电信号(电流、电压或功率)通过电子线路放大进行测量的方法。在光电效应实验中,夫兰克赫兹实验应用微电流放大器来观测微弱电流。示波器中的示波管将电信号放大到能明显的观察和测量。光学放大法是通过光学仪器比如放大镜、显微镜和望远镜将待 测对象放大。这类仪器只是在观察中放大视角,并不是实际尺寸的变化,所以并不增加误差。因而许多精密仪器都是在最后的读数装置上加一个视角放大装置以提高测量精度。微小变化量的放大原理常用于检流计、光杠杆等装置中。光杠杆镜尺法就是通过放大被测量的微小长度变化,其原理如实验杨氏模量的测量中有关公式b=2DΔL/ l 所示,ΔL 原来是一个微小的长度变化量,当取D远大于光杠杆的臂长 (光杠杆的支脚尖到刀口的垂直距离)后,经光杠杆转换后的变化量 却是一个较大的量,可在标尺上直接读出。其中,2D/ l 为光杠杆装置的放大倍数。一般在实验中,l 约为4~8cm,D约为1~2m,因此光杠杆的放大倍数可达到25~100倍。
3 平衡法
平衡法是利用平衡状态进行测量的方法。根据平衡条件可以得到等量关系,从而达到测量的目的。天平是利用杠杆平衡原理制造的,就其仪器设计原理来说是平衡法,从测量方法来看是比较法。惠斯登电桥测电阻,就其电路原理( 检流计两端电位相等时达电桥平衡状态)也是平衡法。
4 转换测量法
转换测量法是根据不同物理量或不同物理效应之间的各种关系,利用变换原理进行测量的方法。其中参量换测法比较常用,该方法利用各种参量之间的相互关系测某一物理量。它在间接测量中比较普遍。比如在杨氏模量的测量实验中通过测应力与应变的关系来测杨氏模量;通过测光的衍射角、衍射级次并已知光栅常数而测出光波长;光的干涉法将长度的微小变化换成相干光光程差的变化,光程差的变化引起显微视场中干涉条纹的移动,测出条纹的移动的数目就得到了长度的微小变化(如热膨胀、磁致伸缩等)。还可以通过能量变换装置将一种形式的量转换成另一种形式的量进行测量。其优点是将不易测量的量转换为易测量的量。其测量条件是有换能器或传感器实现能量转换。大多数情况都是将非电量换成电量进行测量。较典型的有热电转换、力电转换、光电转换、磁电转换等。
图2 光杠杆原理图(略)
5 结论
另外还有补偿法、模拟法、强化法等物理实验方法,均根据实验项目的特点被运用到了具体的实验课程中设计教学内容,优化实验方案,恰当的把各种物理实验方法和实验课程有机结合,并鼓励学生积极思考新的实验方法,比较不同方法的优劣势,以求最大程度培养学生的动手能力和思维创新能力。
【参考文献】
1 刘作会.恰当地选择 合理地改进——例谈物理实验方法优化. 科学咨询(教育科研),2009,12:30.
2 刘名扬.大学物理实验教学改革及成效. 实验室研究与探索,2009,28(7):139~140.
【关键词】视界融合 音乐理解 教学活动
音乐教学实践活动离不开其他学科理论与方法的引导,只有在音乐教学理论与实践的研究中积极借鉴和吸收各种人文学科的营养,才能给音乐教学实践活动注入新鲜的活力。在当今人文学科领域中,哲学解释学的“视界融合”理论对语文、英语阅读等学科产生了深刻影响,但对于音乐教学的关注还不多。
一、基于“视界融合”的音乐理解教学的意义
“视界融合”是哲学解释学的重要内容,哲学解释学是关于理解的学说。哲学解释学大师伽达默尔认为,理解是理解者与理解对象之间的一种视界融合,不是一种主体对客体的单向度的认识活动。也就是说,人们在理解一个文本的认识活动中,不能像自然科学那样去追求文本的客观意义,而是以理解者自身的“理解”去参与文本意义的建构。
我们以“视界融合”来看待音乐教学具有重要的意义,尤其是对音乐文本的理解。在实际的音乐理解教学活动中,存在着两种偏激的现象:音乐作品至上论和音乐理解者至上论。前者强调音乐作品的权威地位,主张从音乐作品自身去提取意义和挖掘意义,引导学生去追求音乐作品中的标准答案;后者则不重视音乐作品自身的价值,主张音乐的意义不在于音乐作品本身,而是人们在音乐理解活动中的一种经验。能够促使一部音乐作品具有意义或没有意义是音乐理解者的赋予。前一个观点过于强调音乐作品的作用而忽视了音乐理解者赋予音乐作品的理解意义,它不尊重音乐理解者的主体地位,陷入了一种相对主义;后一种观点重视音乐理解者的主体地位,但又陷入了相对主义的臼窠。这两种观点普遍存在于实际的音乐教学活动中,尤其是以前一种观点甚为流行。从音乐理解的角度来说,“视界融合”的观点对实际的音乐理解教学活动中可以起到一定的偏纠作用,既不能因为强调学生的主体地位而放弃了教师的引导作用,也不能因为强调教师的主体地位而忽略了学生的主体性发挥。音乐的教与学是在师生相互沟通、交流与视界融合中去生成教学意义。“视界融合”认为,音乐教学应从师生各自的视界出发去建构音乐意义。
二、基于“视界融合”的音乐理解教学建构
音乐理解教学中的“视界融合”包含两个方面的内容:一是学生与音乐文本的“视界融合”,二是教师与学生之间关于音乐文本理解的“视界融合”,前者是后者的基础。
(一)音乐文本与学生的“视界融合”
1.“视界融合”与学生的精神建构
从哲学解释学视角来看,听赏音乐其实就是一种理解,是对他人、世界、自我的一种理解,正如伽达默尔所说的,理解一个文本就是使自己在某种对话中理解自己。从自我理解的角度来看,听赏音乐就是在理解自我、体验自我的人生、关注自我的生命。音乐理解教学就是对灵魂的唤醒。“教育的核心之所在就是唤醒学生的生命感、价值感,唤醒学生的人格心灵。”①音乐教学中的“视界融合”是听赏者与音乐文本之间情感和理智的交融与同构,是音乐欣赏者以“我”的“历史前见”和“期待视野”赋予音乐文本的“自我”意识,并以此观照自身生命的全过程。音乐理解教学是音乐欣赏者向音乐文本敞开的过程,音乐欣赏者将自身的音乐体验融注到音乐文本的生活表达中。在实际的音乐教学活动中,我们常有此体验:在音乐欣赏的过程中不禁心醉神迷,超越现实的束缚而遨游在自由的广阔之城,进而与音乐创作者的灵魂相遇而产生心灵的默契与人格的启迪,这是因为学生从自己的期待视野出发,与音乐文本所表现出来的“历史视野”相互交融,实现了“视界融合”。音乐文本的意义被创生,人生的意义开始敞亮,这正是“视界融合”中的欣赏共鸣的时刻。
2.“视界融合”与学生的音乐理解创造
音乐理解中的“视界融合”指向于欣赏者的音乐理解创造。在哲学解释学看来,理解不是历史的重建,而是包含理解者自身情境富有创造性的过程。在音乐理解活动中,学生并非完全抛弃个体的“前见”,而是从这一“前见”出发与音乐文本的“视界”融合成为一个新的“视界”,以此形成了一个既不同于学生原有视界,也不同于音乐文本原有视界的意义世界,而且这一意义世界处于无休止的动态形成之中,这就是音乐理解中的创造。如从期待视野的角度分析了读者的创造活动,在作者、作品、读者这三个关系中,读者并非被动的一端,读者本身是形成历史的一种力量。这样,音乐教学活动就成了一种富有吸引力和富有挑战性的活动,因为学生在音乐理解中敢于从自己的音乐“前见”出发向作者和前人进行挑战,在这里,学生不是被动的接受者,而是音乐文本意义的创造者,这对于培养学生的音乐创造性具有重要的意义。
(二)音乐理解教学中师生之间的“视界融合”
音乐理解教学中的“视界融合”并非仅限于作为理解者的师生与作为理解对象的音乐文本之间的沟通与融合,还表现为教师的“教”与学生的“学”之间,学生的“学”与“学”之间的对话、沟通与视界融合。正因为不同的音乐欣赏主体之间存在着相互沟通与交流,对音乐文本意义的理解、人与人之间的相互理解才成为可能。
1.“教”与“学”的融合
从“视界融合”的角度来看音乐教学活动中的“教”与“学”,就是教师和学生在以音乐文本为视界融合的基础上,将教师“教”的视界与学生“学”的视界再进行融合,也就是教师和学生在音乐理解教学过程中达成的相互理解与自我理解的过程。这种音乐教学活动不是以教师为主体而完全消融学生的音乐理解,或者以教师的体验音乐为主而替代学生的音乐体验,而是将教师和学生双方各自的音乐理解纳入到对方的音乐视界中,或者将对方的音乐视界纳入到自己的音乐视界的全过程。在这里,教师和学生的音乐视界都是一个开放的视界。正如钟启泉教授所说:“教师的‘教’,就像作家创作文本的过程,学生的‘学’,就好像读者阅读‘文本’的过程,教师需要精心设计教学文本的‘召唤结构’,以激发起学生学习的期待视野,实现教师的‘教’与学生‘学’的双向融合。”②“视界融合”中的音乐教学活动,教师和学生都是课堂教学的主体,对于音乐理解都是从各自的音乐“前见”出发去理解音乐文本,教师和学生对音乐文本的了解往往都会带有各自特定的立场、视角、观点。对于同一个音乐文本的体验、感知、理解,不同的人因为生活世界、人生阅历、价值观、文化传统等方面的差异,其审美期待不尽相同,音乐理解也就不同。因此,音乐教学活动中,教师和学生之间的“教”与“学”的融合不仅有着心灵的碰撞与共鸣,也存在着音乐体验和感知的差异,这时,音乐教师和学生需要在平等的对话中确保各自不同的音乐视界的真正相遇,并达成师生间的相互理解。
2.“学”与“学”的融合
音乐教学中的“教”与“学”的融合中,教师的“教”要由学生的“学”来定位,教学其实就是教学生学,教师所设计的一切“教”都以学生的“学”作为根本出发点。哲学解释学重视读者的积极作用。正如解释学大师伽达默尔所说的,文学作品就是在理解过程中作为审美对象而存在的,文学作品的存在展示为向未来的理解和永久开放的效果史,文学作品的历史性由读者的理解来决定。从这个角度来说,在音乐教学活动中,学生毫无疑问是真正的课堂教学主体,因为有了学生对音乐的审美体验、感知等理解活动,才使得音乐文本有着其存在的意义和价值,迸发出旺盛的生命力。没有人去感知、欣赏音乐文本,它便成为一潭死水而毫无生命力。正是因为有了学生的“学”,音乐教学活动才有其存在意义。在音乐教学活动中,学生创造性能力的养成、真实情感的展现、人生意义的理解、生命价值的感悟,这带给音乐教师启迪的同时也表明了学生的独立思考能力,因此,我们需要关注音乐教学活动中“学”与“学”的融合。
综上所述,音乐理解教学是一个充满了不同主体“视界融合”的教学过程,师生与音乐文本之间、不同的学生之间都存在着“视界融合”。在实际的音乐教学活动中,教师的“教”与学生的“学”之间以及学生的“学”与“学”同样存在着“视界融合”,由此可见,哲学解释学的“视界融合”理论为当前的音乐教学提供了重要的启迪,也拓展了当前的音乐教学理论与实践。
注释:
①张天宝.试论理解的教育过程观[J].陕西师范大学学报,2001(4).
②钟启泉.对话与文本:教学范式的转型[J].教育研究,2001(3).
参考文献:
[1]胡定荣.课程改革的文化研究[M].北京:教育科学出版社,2005.
[2]朱谦之.文化哲学[M].北京:商务印书馆,1935.
[3]殷海光.中国文化的展望[M].上海:上海三联书店,2002.
[4]舒扬.当代文化的生成机制[M].北京:中央编译出版社,2007.
1、计算思维理念指导的计算机程序语言教学
由于C语言是一种既可作为系统描述,又可编写系统软件和应用软件的计算机高级语言。因此,“C语言程序设计”是初学计算机语言的一门重要的程序设计语言课程。许多高校都将“C语言程序设计”课程作为计算机专业及其他专业学习计算机语言的第一门必修课。该门课程的开设不仅可以培养学生利用计算机解决问题的能力,还是后续计算机专业相关课程甚至非计算机专业一些课程的重要基础。
目前,语言程序设计课程的教学方法主要是基于案例或程序,利用多媒体辅助教学方法为主,任务驱动教学法和项目教学法也同时使用。课程的教学过程一般是按照教材编排的章节顺序进行讲授,即先介绍变量定义,再逐条介绍指令语句的语法,然后针对某—条指令列举一段简单程序,甚至_段不完整的程序。这样安排教学内容,会使学生很快就感到厌倦,造成看似明白某种问题要用某些指令语句或某种算法,但在实际解决问题或编程时,便不知如何下手的情况,特别是在讲授c语言程序设计中的一些相对较难的算法时,例如函数的递归调用方法以及建立动态链表,在讲授过程中,一般是按照为了解决某个问题,需要采用某种算法或方法,并直接给出算法案例或程序,用于解决该问题。这种讲授方法会让学生觉得算法很抽象,编写出的程序较死板,甚至会死记硬背,将程序代码与应用硬性结合,而不是将算法与应用结合,不懂得程序由算法而来,导致当遇到类似问题时,只会套用死记硬背的代码,而不能正确地写出解决新问题的程序代码。另外,这种课堂教学模式由于过于注重语句语法,不能突出解决问题的思路和方法,更没有让学生参与问题的思考,难以调动学生学习的积极性。学生甚至认为在学习语法和算法的过程中只要跟着老师或课本上讲授的方法学就可以了,不需要有自己的思考。
立足于培养创新型人才的需求,程序设计课程重要的是培养学生利用计算机技术解决实际问题的综合能力,体现的是知识运用的综合性、灵活性和探索性,这恰好符合周以真教授提出的计算思维的理念:运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。因此,程序设计课程可以运用计算思维的理念,讲授基本概念和编程的基本思路及方法,重点是对问题进行符合逻辑地、科学地分析,找出解决问题的抽象方法。在讲授程序语言基本概念、语法和算法的过程中使学生体会计算思维的理念,掌握如何通过约简、嵌入、转化和仿真等方法,把一个看似困难的问题重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的思维方法等。
笔者在教学实践过程中发现,在学生有了最基本的编程基础后:①当给出明确的算法时,由算法写出程序代码是没有太大问题的。即便要用到新的语句,只要在编程前讲解新语句,学生就会使用新的语句将算法用程序语句编写出来。②在不讲授算法和解决方法的情况下,如果学生遇到需要采用递归方法或建立链表来解决的实际问题时,自行解决是没有任何问题的,而且能很清晰地描述解决过程,只是缺少对过程的归纳和总结,从而形成某种算法。
因此,笔者结合培养计算思维能力的思路和方法,通过对c语言中较难知识点讲授方法的思考和分析,探索出一种给出实际问题,让学生自行解决,然后对问题解决过程归纳总结,并在教师引导下进行完善,得到算法,进而编写出程序代码的方法。在采用该方法讲授时,学生可以轻松地理解算法,快速写出程序,并能灵活运用算法,将算法用于解决类似问题,收到了较为理想的课堂教学效果。
2、函数递归调用算法的讲授方法
2.1 问题描述
给每位学生发一张纸条,纸条上给出该学生的x语言课程成绩的计算方法,让学生根据纸条上的方法计算出自己的成绩。纸条上的成绩计算方法有两种:一种是明确写出成绩,如“你的成绩是90分”;另一种是“你的成绩是你右侧学生的分数加3分”。
根据学生当时的座次情况,教师将第1种写有明确成绩的纸条发给每一排坐在最右侧的学生,将写有第2种成绩计算方法的纸条发给其余学生,再请各位学生算出自己x语言课程的成绩。
2.2 教学引导
学生拿到纸条后,会询问自己右侧的同学,但大部分同学还要再向坐在更右侧的学生询问,因此不少学生暂时安静下来等待回复,当回复从右到左慢慢传回来后,每个学生都会算出自己的成绩。在等待和计算的过程中,坐在教室靠近左侧,距离最右侧学生较远的学生会发现其右侧学生,以及右侧的右侧的学生的纸条上写的成绩计算方法都是“你的成绩是你右侧学生的分数加3分”,要想算出自己的成绩必须知道最右侧学生的分数。于是部分学生会离开座位去询问与其同一排的最右侧那位学生的成绩,然后数其所坐位置的右侧共有多少个学生。假设有n个学生,便用公式:最右侧学生的成绩+3+……+3,共加n-1个3”,来计算自己的成绩;而距离最右侧学生比较近的学生在询问的过程中也会了解到本排最右侧学生的成绩。之后,每位学生都会计算出自己的成绩。
2.3 算法分析及知识点讲授
根据学生计算成绩的过程,归纳总结出成绩计算有以下两种方法,并引入知识点——函数的递归算法。
①第1个学生(最右侧学生)的成绩已知;
②其余成绩按照固定算法:前一个学生的成绩+3。
该问题的解决算法可归纳为:若假设计算第n个(n≠1)学生的成绩的函数为s(n),则有s(n)=s(n-1)+3。该算法用C语言函数编写可描述为:
int s(int n)
{
int y;
y=s(n-1)+3;
return(y);
}
算法在使用函数s(n)计算学生的成绩时还要调用函数s(n)本身,这种函数调用方法就是函数的递归调用。
以上对函数s(n)的描述归纳总结出了计算成绩的第2种情况,其中还缺少当n=1的情况:若没有此条件,就如同没有给出最右侧学生的成绩,这样递归是不能得出最终结果的。因此递归算法能得到结果的前提是必须给出当n=l时函数s(n)的确切数据。假如最右侧学生的纸条上写着“你的成绩是90分”,则递归算法用c语言函数编写的完整描述为:
int s(int n)
{
inty;
if(n==1)
y=90;
else
y=s(n-1)+3;
return(y);
}
算法分析及程序语言描述结束后,请坐在每一排最右侧的学生念出自己纸条上写的成绩,请学生们写出自己所坐位置的计算成绩的函数s(n)。
2.4 问题解决方案
给出以上递归算法函数后,让学生书写主函数mainO调用函数s(n),并根据自己的座位情况,带入n的值,计算出自己的成绩,并分析调用s(n)的次数和调用过程。
这样,学生们能很迅速地写出如下主函数:
#Include
intmainO
{
int s(int n);
im score:
score=s(4);//我是本排右起第4个学生
prinff("My score is:%d\n",score);
return O:
}
然后结合“2.2教学引导”中计算自己成绩时的过程分析出调用s(n)的次数和调用过程,从而明白在每一次递归调用s(n-1)是得不到成绩值的,直到n=1的那次调用后才能依次倒着计算得到s(n-1)的值,最终算出自己的成绩。
采用此方法讲解递归算法后,学生们会发现问题的解决过程跟自己开始计算自己成绩的过程完全相同,只需将解决问题的过程进行归纳,总结成算法,就能轻松地写出程序。学生们再遇到递归方面的问题时,就会先找出问题求解的几种情况或相应过程,再将问题进行梳理总结成算法,编写出相应的递归函数,并写出正确的递归函数调用程序。汉诺塔问题也可以用此方法解决。
3、“建立单向动态链表”的讲授方法.
3.1 问题描述
在讲述了链表的节点、头指针、表尾等相关概念,以及单向链表的组成(如图1所示)后,给出如下问题,要求学生建立一个链表。
①链表由学号相邻的5个学生组成1组而建立,学号01-05的学生为一组,06-10的学生为一组,依次类推;链表的节点成员有num、name、score(自己拟定值)、next(下一个学号学生的地址,即座位号)。
②在每组中,若学号%5=1,该学号学生的地址(座位号)放在链表的头指针head中。
③在每组中,若学号%5=0,则该学生的信息放在链表表尾。
④若本组有学生请假未到,也将该学号学生的节点加在表中,但其中的数据和地址(座位号)是空白的。
教师在黑板上画出整个教室的座位编号,每个学生可以明确自己的座位号,即地址。如1-5排的学生座位号如图2所示。
3.2 问题解决过程
学生看到问题后,会根据问题描述分别画出head,并询问其他同学相关信息,填写head的值,然后依次画出连同自己的学号、座位号节点在内的本小组5位学生的信息节点,并询问与其学号相邻的学生的相关信息,填写节点中的信息,完成整个链表。
3.3 链表的建立及知识点讲授
每个学生都能根据问题描述和要求,画出相应的链表,并且每个小组5位学生的链表相同。图3所示为第3小组学生画出的单向链表。
让学生根据建立链表的过程,归纳总结出链表建立的方法及过程,学生能清晰地给出如下过程:
①画head;
②画链表中第一个节点,填写该学生信息,并将该学生的座位号填写在head中;
③重复过程②,将后一节点学生的座位号填写在前一节点的地址处,直到某种情况结束链表。
只需将学生给出的过程稍加解释,作出补充,便可得到如下算法:
①画head,即建立头指针head,并赋初值NULL;
②画链表中第一个节点,即建立一个新节点,并填写节点数据,将新节点的地址赋值给头指针head;
③重复过程②,将后一节点的地址赋值给前一节点的next,直到某种情况结束链表。
然后再将算法用相应的程序代码书写,或对相应的程序代码进行讲解,学生就很容易理解并掌握单向链表的建立。
图3中第2个节点的座位号为空,分析得出其下一个节点学号为10313的学生请假未到,因此可将后面学号为10314的同学的座位号填写在第2个节点空白的座位号中,然后将学号为10313的同学的节点从链表中删除。删除学号为10313后的链表如图4所示。如果该学生在下一节课来到教室上课,还可以将其节点再插入到链表中。
通过以上分析,学生能很好地理解单向链表的组成与建立,以及链表节点的插入与删除,特别是动态链表的。之后再进行用指针方法进行建立静态链表或动态链表的程序的讲述和分析就非常轻松了,学生也能很快掌握用指针进行链表的处理方法和程序的编写。
但基于未来设计者将越来越全面地考虑结构的性能、安全和经济等因素,结构基于性能的抗震设计思想将成为新的发展趋势。为此,本文对建筑结构基于性能的抗震设计具体的理论和方法设计方法进行初步探讨,并提出混凝土结构基于性能的抗震设计方案。
关键词:建筑结构 性能 抗震设计 设计方法
中图分类号: TU3 文献标识码: A 文章编号:
一 研究背景
2008年5月,四川发生8.0级大地震,数万人死亡,房屋建筑损毁无数,损失惨重。此次地震灾害再次表明,现代地震灾害的高度不确定性和其引起的巨大经济损失,结构工程界将不得不对现有建筑结构的抗震设计思想和方法进行深刻反思。同时,面对现代化技术的发展和人类生活质量的不断提高,设计者也将越来越全面考虑建筑建构的综合性能。因此,未来的抗震设计将从以往只注重结构安全,过渡到结构的性能、安全和经济等方面的综合考虑。
二 基于性能的抗震设计理论 (PBSD)研究
结构抗震设计思想[1]经历了刚性设计、柔性设计、延性设计、结构控制设计。目前普遍采用延性设计思想,但其允许次要构件甚至承重构件发生非弹性变形,造成难以修复的永久破坏,以致巨大的经济损失。结构控制设计在理论研究和工程应用上也取得了很大进展,但存在易老化且耐久性差的缺点。总的来说,现行抗震理论和设计方法中存在的问题可概括为:对损失的控制不力,难满足对结构选择的要求;结构性能概念不明确,设计透明度小;结构性能标准缺乏灵活性,性能目标的实现过程存在误区。
1基于性能的抗震设计概述
1992年美国SEAOC、ATC和FEMA等组织对基于性能的抗震设计理论进行权威描述[2],可概括为:基于性能的抗震设计理论是在现有的结构抗震性能分析基础上,针对每一种抗震作用水准,将结构的抗震性能划分成不同等级,设计者根据结构的用途和业主(使用者)的特殊要求,对结构系统和造型的选择进行概念设计,并根据结构的抗震性能目标,合理地进行结构抗震设计,使结构在各种水准地震作用下的破坏损失控制在业主可接受范围内,同时优化工程项目服役期内的费效,达到安全可靠和经济合理的一种优化平衡。
其设计特点是:拥有量化的多重设防目标,满足设计者对结构性能目标的需求;整个设计着重体现投资—效益准则和体现抗震设计的个性化;更强调实施性能目标的深入分析和论证,采用现行标准规范中还未规定的新的结构体系、新技术、新材料,实现建筑结构技术进步和创新;针对不同设防烈度、场地条件及建筑的重要性可灵活采用不同的性能目标和抗震措施等。
2 研究的主要内容
2.1抗震性能目标的确定
结构的抗震性能目标的选择,为后续的整个设计和建造过程设定了必须遵循的标准。抗震性能目标确定关键是对不同的地震作用水准的评价,限定结构在一定超越概率的地震发生时的最大破坏状态,这种破坏状态包含结构体系的适用性、安全性、耐久性和整体性等功能。若破坏状态的水平设计得太高,建筑结构固然安全可靠,却导致投入的增加;若破坏状态水平设计得太低,固然可以降低工程造价,却存在使用风险和较高的维护成本。目前结构抗震性能目标的确定,大多采用“投资一效益”准则,综合结构安全、功能、经济、社会等因素进行评估,以结构可靠度为决策变量,以结构全寿命周期为时间范围,以相应的寿命周期总费用最小为决策目标,优化抗震设计方案。
但由于地震的随机性所造成的结构破坏变异性较大,结构失效模式复杂,以致结构体系可靠度的概念还不很明确,且地震所造成的非结构损失所占总损失的比例越来越大。因此,需要进一步的研究,目前尚难直接应用到工程结构设计中。
为此美国学者根据建筑物的重要性将结构的抗震设防目标分为三类[3]:基本设防目标、重要/防危设防目标、特别设防目标,提供三个结构抗震性能目标作为它们的最低性能界限。
2.2 抗震性能水准的确定
为了有效控制结构的破坏程度,使得结构破坏导致的财产损失控制在可以接受的范围内,实际的设计需要考虑不同设防水准的地震,明确结构应该具有的性能水平。
由于结构的性能与结构设计的破坏状态相关联,而结构的破坏状态又可由结构的反应参数或某些定义的破坏指标来确定,所以结构性能水平可以这些参数来划分。尽管结构性能由某个参数来划分可能不尽完善,但鉴于目前的研究水平,不少学者认为结构位移变形可以有效地反映结构破坏情况,且以位移(变形)来划分结构性能水平比较方便实用。因此一般的建筑抗震性能水准划分如表1:
表1
三基于性能的抗震设计方法研究
1 综合设计法
此法以概率为基础,要实现最优的设计方案,使建筑物服役期内既达到基本性能目标,费用效果又最优,最大程度地体现基于性能的抗震设计思想。但设计中要全面考虑重要因素,设计过程复杂繁琐。
2 承载力设计方法
适用于相对简单、场地条件好的建筑物的性能设计,目前各国规范所普遍将其应用于所有性能目标设计中,计算简单。
3 基于位移的设计法
假定位移或层间位移是结构抗震性能的控制因素,整个抗震设计中用位移控制,设计后以应力验算,不满足后采用增大刚度方法来改进,以位移目标为基准来配置结构构件。该法是在性能设计的理论中很有前途的一种方法。根据设计思路的不同可以分为:目标位移法、能力谱方法和按延性系数方法。
3.1 目标位移法
根据FEMA 273[5]推荐,直接以目标位移为控制因素,通过设计位移谱得出在此位移时的结构有效周期,进一步得出结构的有效刚度,求出此时基底剪力并进行具体配筋设计,此法在设计初始就明确的结构设计的性能目标,避免重复设计而增加设计费用,方法比较直观、简单,但设计精确性不够理想。
建筑顶层的质量中心定为结构位移的控制点,则目标位移为:
T——弹性基本周期,有弹性动力分析确定
,——结构弹性侧向刚度和结构有效侧向刚度
——谱位移与顶点位移修正系数
——最大非弹性位移与由线弹性反应计算出的位移差异修正系数
——滞回线形状对最大位移反应的影响修正系数
——考虑动力P—效应修正系数
3.2 能力谱方法
能力谱方法最初是由Freeman等人在1975年提出的,后来经过很多学者不断改进而成,将结构分析得到能力谱曲线(曲线)。基本步骤[6]:
1)建立合适的结构单元恢复力模型,通过非线性静力(Push-over)分析,得到结构的底部剪力一顶点位移曲线(能力曲线)。(由于目标位移已知,故可假定一个偏大的位移作限值,保证结构能力谱与地震需求谱相交。)
2)将结构能力曲线(曲线)转化为等效单自由度体系的谱加速度一谱位移曲线(曲线),即能力谱曲线。
, ,,
其中,,分别为结构第一振型的等效模态质量和振型参与系数。为第j 层的集中质量;是基本振型在 j层的分量;N为结构的层数。当所用的模态不同时,和不同,曲线曲线也不相同。
3)建立结构的地震需求谱曲线。
4) 评估结构抗震性能。
5)将得到的单自由度体系的目标位移反变换为实际的多自由度体系的顶点位移,由能力曲线求得此时结构相应的底部剪力,再根据Push-over各步的计算结果,计算各铰截面此时的塑性铰转角值。
3.3 延性系数法
Park和Paulay最早此法进行研究,其实质是建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系,由约束箍筋来保证核心区混凝土能达到要求的极限压应变,从而使得构件具有要求的延性系数。
基本步骤如下:
1)计算结构在小震下的承载力,求出截面内力并配筋。
2)由在大震情况下的强度验算,选定截面、配筋得到结构实际强度,采用静力弹塑性分析方法,确定结构的底部剪力和顶点侧移关系曲线(),求出结构位移延性系数。
3)根据和结构体系的塑性变形机制,计算构件截面曲率延性系数。
4)通过构件的或与塑性铰区混凝土极限压应变的关系,约束箍筋,使得构件具有要求的延性系数
4 能量法
假设地震输入的总能量与结构耗散的能量共同决定结构构件和功能设施的破坏,通过设置耗能元件控制结构或构件的耗能能力,以控制整个结构抗震性能。此法能够直接估计结构的潜在破坏程度,但是结构体系较复杂性,结构滞回耗能的计算很大程度上取决于于构件单元恢复力模型的选取,其中不确定因素较多,计算精确性不高。
四 混凝土结构基于性能的抗震设计
基于性能的抗震设计尚处于研究中,鉴于其复杂性以及人们认识的局限性,目前还不能够完全依靠计算设计来确保结构的安全可靠,但混凝土结构基于性能的抗震设计可着重加强结构概念设计和细部构造设计。设计步骤[7]如下:
1) 评估场地安全性 (确定场地适用性和设计地震动水平)。
2)根据结构用途、投资效益准则和业主要求选择可接受的破坏程度,将混凝土结构抗震目标性能划分为多个水准,并量化指标。结构目标性能水准采用可靠度理论和优化思想来确定。
3)加强概念设计,合理选择结构系统和造型(着重对结构总体方案、设计策略和结构构造进行定性引导,保证结构和结构构件的延性,提高结构综合抗震能力)。
4)结构方案设计(考虑多级水准地震作用下强度设计,选择恰当抗震措施和设计方法等完成结构设计)。
5)采用变形指标对结构抗震性能进行评估。通过控制结构构件的损伤程度和非结构构件的性能水平,使结构在服役期内的费用最小,地震破坏控制在业主可接受范围内。
整个设计需要定性定量,准确简便,通过设计周期的缩短,提高工作效率,同时整个设计应强调对结构刚度的控制。
五结束语
目前,基于性能的抗震设计得到广泛的研究和国际的认可,成为结构抗震设计方法的新的发展趋势。由于这一设计方法研究才刚刚起步,还存在着许多急需解决的问题,如性能目标和性能水准的合理划分、结构分析模型和参数的选用、模型试验和震害资料、非结构和设施的抗震性能要求、震后灾害估计等,以致工程中还未得到广泛的应用。但笔者相信,随着这些问题的解决、研究工作的不断深入和工程实践应用,基于性能的抗震设计理论和方法将会日趋完善,满足未来业主对结构的自由选择和使用要求。
参考文献
[1] 周云 .耗能减震加固技术与设计方法[J]. 北京:科学出版社,2006:198-199
[2] 马宏旺,吕西林. 建筑结构基于性能抗震设计的几个问题 [J]. 上海:同济大学学报,2002,30(12)
[3] 徐如贵. 基于性能的抗震设计理论与方法研究进展[J]. 2006,32(22)
[4] 柏章朋,邱永东 .基于性能的结构抗震设计研究的主要内容[J].北京:科技咨询导报,2007
[5] FEMA 273 NEHRP Guidelines for seismic Rehabilitation of buildings[R]. Federal Einergeney Management Agency,1997
Abstract:Article from the internal dynamics of urbanization, city size and concentration of the best cities, cities and other new methods of analysis of the convergence of the urban economy and urban evolution of the dynamic process of urbanization come to the basic law of the process of research and found that the optimal size of cities to develop a reasonable policy of urban development to provide the theoretical basis.
关键词:集聚经济效应 信息外溢效应 城市集中度 城市趋同
Key words: Economic effects of agglomeration; information spillovers; urban concentration; urban convergence
作者简介:王维健(1968.3 -),男,经济师、造价工程师,1994年毕业于天津大学,现于江西赣州正源工程造价咨询有限公司工作;卓凡(1983.8-)女,研究生,2008年毕业于江西理工大学,现于赣州市章贡区财政局工作。
【中图分类号】F7 【文献标识码】A 【文章编号】1004-7069(2009)-05-0049-02
城市既是经济发展的动力,又是经济发展的产物。但长期以来经济学者在对城市经济的理论分析却进展甚微。自二十世纪八十年代末以来,随着新增长理论的兴盛,越来越多的学者开始用新方法分析城市经济,取得了一些重要的进展。
一、城市化的内在动力
1.1.集聚经济效应
任何一个区域,无论是小的区域,还是一个大的综合经济区,它的全部产业在宏观上都要求组成一个规模适当、结构合理、联系密切的集聚体,才能最大限度获得集聚经济效应。在社会中,每个企业都因与其他关联企业接近而改善了自身发展的外部环境,并从中受益。因集聚而造成的有利环境,被称作集聚经济效应。
集聚效应用弹性系数来表示。假若某个行业的集聚弹性系数为0.06,那么就意味着本地同行业的就业人数增加1%,就会给企业的产出带来0.06的增长。不同的行业集聚效应也不相同,其中运输业的集聚效应最高,重型加工制造业次之,而传统行业最低。
1.2.信息外溢效应
除集聚效应之外,还存在与其相关联的另一种效应,信息外溢(information spillovers)效应。信息外溢需要较近的空间集结,其效应也随着空间距离的增大而迅速递减。
研究者发现工人总的教育水平将会增进企业的生产率,增进的途径是靠提高本地信息外溢的质量来增加集聚的外部性。例如对美国的计量分析发现,一个城市中大学毕业生每增加1%就会增加高中肆业生的2.3%、高中毕业生的1.4%和大学毕业生的1.2%的劳动生产率。城市中的劳动生产率,特别是在高技术人员密集的生产性行业的生产率将从集聚经济、知识外溢和二者的相互作用中获益,美国的硅谷、北京的中关村就是典型的例证。
二、城市规模与城市最佳集中度
由于城市的外部成本在相当程度上不由企业或个人承担,在城市进入完全不受限制,而要素市场又未充分发育的情况下,在一定发展阶段上城市会吸引人口大量涌入,常常使城市过度膨胀而超过合理规模,造成资源配置恶化。研究和发现城市的最优规模,制定合理的城市发展政策,对经济发展甚为关键。然而,城市规模往往受到历史、地理、经济、技术条件的影响,主要是自然选择的结果,寻找城市的最优规模在理论上永远难以争论清楚。况且,不能脱离城市体系和城市的分布特征来谈论城市的最优规模。因为城市的规模、分布、方向是否合理,内部结构是否协调,关系到其中各个组成部分是否合理。
城市体系是由金字塔式的多级城市组成的,它们的规模不同,级别不同,主要功能不同,在城市系统中所起的作用也不一样。各级城市的功能是与它们的规模相对应的。在研究各级城市的最优规模时,一般着重研究的是系统中最基层城市的最优规模,然后以此为基准,按一定的比例关系来推算各级城市的最优规模。因此,在探讨一个地区的城市化问题时,对城市体系、城市规模分布以及与这两个概念相近的城市集中度(urban concentration)的关注就十分重要。城市集中度反映了中心城市或首位城市在整个城市体系中的作用。在给定的城市化水平下,城市集中度或城市规模的分布可能会差别较大,而这种差别一定会对经济增长产生影响,因此,存在着一个最佳的城市集中度。
三、城市趋同与城市演变的动态过程
3.1.城市趋同与“威廉姆森―汉森假说”
在城市的演变过程中,促进城市集中和分散的两种力量都起着作用。那么,一旦给定这两种正反两方面的作用力,对城市的发展又会发生什么样的结果?另外,集中和分散的两种力量间的平衡又是怎样形成发展中国家的城市增长的?根据威廉姆森假定,在从低收入水平开始的增长过程中,国家将首先经过区域趋异和产业集中的阶段。随着经济的发展,原先的发展区域变得拥挤,对进一步的投资服从收益递减的法则;并且,随着对基础设施和人力资源的投资,国家能负担起对其他区域的开发。这就会导致工业的分散,落后区域的增长和朝区域趋同方向的推进。所谓的城市趋同(urban convergence)指的是,在经济发展过程中,随着时间的推移,国家或区域内的城市集中程度将逐渐下降的趋势。城市趋同与国家或地区趋同的概念的内涵十分近似。城市发展中的倒“U”假说被称之为“威廉姆森―汉森假说”或者是“城市趋同假说”。
3.2.城市演变的阶段
“威廉姆森―汉森假说”或“城市趋同假说”主要关注的是针对城市体系和城市集中度的演变过程,而单独的一个城市或整个城市化也有着一定的规律,从空间结构演变的角度,我们大体可把产业革命以来近代城市化过程分为前后相继的三个阶段:
早期发展的集中的城市化阶段。在西方,近代城市化是与产业革命同时开始的。在产业革命前,少数地理位置优越的地方最初成为人口集聚中心。产业革命后,经济的迅速发展,导致人口、产业特别是制造业活动向这些早期的人口集聚中心急剧集聚,从而形成区域的主要城市。
集中后分散的郊区化阶段。一方面,主要城市尤其是首位城市的集聚效应继续增强,诱致人口和产业活动从郊区以外的更广大地区向城市及其周围地区集聚;另一方面,交通运输的迅速发展以及原有城市中心承载能力的限制,使狭小的市区已容纳不下集中来的人口和产业,不得不向城市的外缘地区扩散。于是,便开始了城市向郊区延伸扩展的趋势,亦即各种经济活动向郊区分散,中心城市郊区次级中心如卫星城镇大量出现。
分散后地方中心增长的逆城市化阶段。城市的郊区化导致了城市中心人口、产业活动的减少。当然,这一郊区化过程并非是无止境的,它同样受到其区域承载力的限制。这一限制导致了人口和产业在更广阔的地域范围内扩散。其结果,城市中心区和郊区人口都在减少,整个城市人口出现负增长或衰退。相反,作为区域次级中心的一些中小城市,其人口增长开始加快。这种以主要城市增长缓慢或出现衰退、次级中心迅速增长为特征的城市化现象,一般称之为“逆城市化”。
3.3.城市化演变的动态过程――以韩国汉城为例
韩国汉城在1970年左右的相对城市规模处于顶点,而自1970年之后,汉城的人口和制造业在全国和所在省的份额开始迅速下降。下降的主要原因是由七十年代末期和八十年代初期工业的大规模转移所引起,当时,大多数行业,特别是化工和金属冶炼和加工业都转移到汉城附近的卫星城。