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建構主義學生錯誤概念成因轉化策略建構主義者提出,學習是學生通過原有認知結構與環境中的新信息相互作用主動建構信息意義的能動過程[1]。源于日常生活經驗或父母的早期教育,兒童在接受正式的教育前,已經獲得對外界環境和事物的初步理解,其中有些與科學概念相沖突,影響兒童對科學概念的學習,即“錯誤概念”(misconception)。
一、錯誤概念的形成原因及特點
錯誤概念的形成受學生、教師、學習內容等多種因素的影響。學習的實質是學習者在已有認知的基礎上對新刺激、新內容進行新的意義建構,這是建構主義關于學習的最重要觀點。在這個過程中,日常概念的干擾、知識的負遷移、心像系統的替代、學生的心理發展水平等,對學生錯誤概念的形成具有重要影響。
1.日常概念的干擾
日常概念(daily conception)是學生在日常生活中直接觀察事物的外部特征而形成的概念。它一般在專門的教學之前獲得。隨著兒童交往、提問的逐漸擴大,日常概念形成了兒童對于世界的觀念建構和再建構。如,剛出生的兒童會認為所有事物都有生命。隨著經驗的積累,這一觀念再次建構為:只有移動的物體才有生命。因為汽車是移動的,所以有生命,而小草是不動的,所以沒有生命。由于日常概念往往沒有觸及對事物的本質理解,因而具有寬泛性、多義性和模糊性等特點,對學生學習科學概念往往造成干擾。例如,學生在學習幾何中的“垂直”概念時,根據日常觀察和狹義的理解,總是認為,一條直線水平、另一條直線與之相交成90°所形成的圖形才叫垂直。又如,生物課上,學生往往認為果實都是可以吃的,鳥類就是會飛的動物等等,不一而足,從而導致錯誤概念的產生。
2.知識的負遷移
遷移是指一種學習情境對另一種學習情境的影響。知識的學習離不開遷移。從兩種學習情境相互影響的效果方面看,遷移分為兩種:正遷移和負遷移。兩種學習互相促進,形成正遷移;兩種學習互相干擾或沖突,則形成負遷移。知識的正遷移和負遷移取決于兩種學習在內容、過程、環境、條件等方面的相似性。當學生用先前經驗和心向去建構內容、環境、條件等已發生變化的新任務時,就會造成對新任務的干擾,影響當前任務的學習。如,兩種不同的語言,在語法規則上有很大的差異。學生如果根據先前的語法學習經驗來建構另一種語言情境中的語法知識,往往會造成對概念的錯誤理解。又如,同一種化學物質在不同的條件下會產生不同的化學反應。當條件發生變化后,先前化學反應過程和結果的習得性知識極易形成學生的某種心理定勢,對當前的認知產生不利影響,從而導致錯誤概念的發生。
3.心像系統的替代
1986年,加拿大心理學家Paivio及其團隊提出了人腦認知系統的“雙重編碼”理論[2]。該理論認為,言語系統和心像系統,作為人的大腦認知系統中的兩個子系統,分別對不同信息進行編碼、存儲等處理。前者主要處理言語類信息,后者主要處理聲音、圖像等非言語類信息。兩個系統既獨立又聯系,既分工又合作。同時運作,可以降低學習負荷,增強理解、記憶能力,大大提高學習效果。這就是人們常說的“左右腦”全腦學習。但是,這兩個系統在執行任務時并不是平均運作。多數情況下,某個系統比較強大時,另一個系統就會變得弱小。在早期概念教學中,這種不均衡被教師放大了。幼兒和小學教師在教授具體事物的概念時,一般直接用概念例子進行實物直觀或模型直觀,啟動了兒童的心像系統,卻疏忽了對兒童關于概念本質特征的言語信息輸入。比如,花朵、交通工具,昆蟲等概念。圖像等非言語類信息的過多輸入使得兒童的心像系統替代了言語系統本應發揮的作用。雖然,心像系統在理解和記憶概念時,有其自身的優點,如豐富性、深刻性、形象性、整體性等,但是它并不能取代概念定義的明確性、不變性和抽象性。最主要的是,它缺少概念定義的排他性。當然,把抽象的定義硬塞給低齡兒童確實不妥,但教師不可不作為,可將反映概念本質特征的抽象語言(即概念定義)進行具體、形象地言語轉化后,配合直觀教學,以靈活方式呈現出來。教師對概念定義的不作為,導致學生僅僅建立了概念的整體心理映像,對概念本質特征的理解模糊、易變,知其然而不知其所以然,為錯誤概念的產生提供了土壤。
4.學生心理發展水平的制約
20世紀最著名的發展心理學家Jean Piaget將學生從出生到成人的認知發展分為感知運動、前運算、具體運算和形式運算四個階段[3]。這就是著名的Piaget認知發展階段理論。它充分反映了學生心理和認知發展的階段性差異以及在同一階段內發展所具有的共性。知識的教學受到學生心理發展水平的制約。因此,教師在教學時,不能無視學生的心理發展水平(即學生的知識背景和認知水平)隨意選擇教學內容與方法,而應與之保持同步。如果教學內容與方法低于學生的心理發展水平,就會形成無效的教學,學生將得不到發展;超出了學生的心理發展水平,就會造成學生對概念的錯誤理解,甚至無法理解。例如,小學生的認知發展正處于具體運算階段,如果數學教師忽略了這一點,對學生傳授方程、函數等形式運算的內容,將會導致學生對這些概念的誤解甚至不解。
錯誤概念具有廣泛性和隱蔽性。不僅是兒童,即使是在大學生和成人中也屢見不鮮,并深藏于人的觀念之中。由于錯誤概念通常能“解釋”一些客觀事物的表面現象,符合直觀觀察,表現出“合理的”一面,因此還具有頑固性。原有的錯誤概念可以引發新的錯誤概念,形成知識學習的惡性循環,具有很大的破壞力。
二、概念轉化的條件
Posner等人在認知建構理論的基礎上,提出概念轉化(conceptual change)的條件理論[4]。他們認為,一個人的原有觀念要發生轉化,應具備四個條件:
一是對原有概念的不滿,即它已經無法解釋當前發生的學習情境,因而使學習者感到失望。二是新概念的可理解性。學習者能夠理解新概念及其組織方式,這是學習者建立新的科學概念的前提條件。三是新概念的合理性。新概念與個體的其他知識經驗、信念等保持一致,能夠實現有效整合,而不是相互發生沖突。四是新概念的有效性。新概念能夠提供對當前學習情境更好的解決方案,體現出巨大的價值和潛力。學生認識到新概念優于原有概念,是實現概念轉變的現實動力。
個體的經驗背景也是影響概念轉化的重要因素。Posner等人稱之為“概念生態”(conceptual ecology)[4]。它包含以下幾個組成因子:一是認識信念;二是原有概念;三是獲取知識的方式;四是解釋知識的方式;五是問題解決策略;六是情緒情感;七是對科學本質的看法。概念生態構成的要素,例如問題解決的策略、情緒情感等,對學生學習的過程產生非常重要的影響,也都可能對不同的學習者的概念轉化產生影響。1992年,針對該理論由于未重視學生的學習態度和動機所引起的質疑,Posner對此理論作了一些修改,把學習的動機因素也納入概念生態中,進一步完善了概念轉化的條件理論[5]。
三、促進錯誤概念轉化的教學策略
有效的教學策略是實現學生錯誤概念轉化的根本途徑。在研究學生的心理發展水平的基礎上,根據知識建構的過程和規律,嘗試“探測錯誤概念引發認知沖突建構科學概念運用科學概念元認知監控(反思)”的五步轉化法,是促使錯誤概念向科學概念最終轉化的完整的、行之有效的教學策略與方法。
研究學生的心理發展水平,是教育適應學生身心發展規律的必然反映,是教學促進學生發展的客觀要求,也是有效教學的基本條件。一切優化的教學都必須適應學生的心理發展水平和階段特征。中小學生的心理發展多數處于具體運算階段,在理解和運用概念時,需要具體經驗的支持。針對這一心理特點,教師在教學中應綜合使用實物直觀、模型直觀和言語直觀,引導學生動手動腦,深入觀察和實驗,在此基礎上進行感性概括,形成感性認識,并在教師的指導下進行理性概括,從而獲得正確的概念。
1.探測學生的錯誤概念
在教學過程中,教師需要探測學生的錯誤概念。這是實現錯誤概念轉化的前提。在揭示新概念之前,教師應首先盡力去了解學生對當前情境或任務的想法,采用具有揭示力的探測性問題,讓學生積極參與,根據自己的理解,大膽推測可能的結果。教師先提供一種開放的問題情境,采用“如果……將會如何”的形式,鼓勵學生說出自己的觀點。可以先將學生進行分組,學生通過組內討論充分發表意見,由自選代表進行綜合后發言,更有利于激發學生的積極性。
2.引發學生的認知沖突
這是實現錯誤概念轉化的重要環節。怎樣制造認知沖突呢?較可行的思路是:誘導學生暴露其原有的概念或想法,創設情境使其與科學概念發生強烈沖突,使學生認識到自己的原有概念與科學概念產生了無法調和的矛盾,讓學生產生“震撼”,以動搖其頑固信念的基礎,而不得不以批判的眼光審視他曾深信不疑的東西,才有可能發現其原有概念的局限性和錯誤之處,才能徹底地拋棄它們。
3.建構科學概念
引發學生的認知沖突不是最終目的。當認知沖突的情境發生后,教師應進一步組織學生進行討論,引導學生去思考現象背后說明的問題,促使學生主動思考造成沖突和差異的深層次原因。在討論中,教師不要過多地干涉,應該讓學生根據自己的理解充分發表意見,自然地進行感性概括。學生通過交流一一呈現對沖突情境的理解,并去粗取精,基本達成一致意見時,科學概念的重建就開始了。教師的任務是:其一,呈現科學概念的定義,深刻揭示概念的內涵與外延。概念的內涵是對概念本質屬性的界定,是此概念區別于彼概念的標志,也是解答認知沖突情境的鑰匙。概念的外延是概念所反映的對象的具體范圍。定義的教學是學習科學概念的關鍵環節;其二,綜合呈現與概念本質特征相關的言語信息和圖形圖像信息,同時啟動學生的“雙重編碼”系統,培養學生的全腦思維能力,提高學習和記憶效果;其三,呈現足夠的概念正例和適當的反例,促使學生對概念理解的精確化。呈現正例,把符合概念本質特征的對象變化范圍盡可能包括進來,可以防止“概括不足”;然后呈現適當表面相似的概念反例,可以防止“過度概括”,把不符合概念本質特征的成員排除出去。前者提供對概念的證明,后者提供對概念的辨別。二者的綜合使用,則會迅速促使學生對概念定義的精確理解;其四,解釋科學概念的可理解性、合理性和有效性。如上所述,新概念要被學生接受是有條件的。教師應該通過科學概念的內涵與外延、科學概念與其他相關概念之間的聯系、科學概念的運用等方面的具體解釋和直觀呈現,使學生在主觀上認識到它的種種“優點”,從而在心理上真正接納它,實現科學概念的重建。
4.運用科學概念
熟練地運用科學概念是檢驗概念掌握程度的標準,也是概念學習的最終目的。但是,錯誤概念的徹底轉化和科學概念的真正建構不是一朝一夕就能達到的,必須經過反復地運用和練習才可以實現。在概念的運用階段,教師應考慮到概念對象各種可能的變化類型(變式),通過訓練學生對概念對象各種變式的理解與運用,觸類旁通,才能促使學生錯誤概念的最終轉化和科學概念的真正建構。
5.元認知監控(反思)
元認知,就是對認知的認知。具體地說,是指認知主體對自身思維和學習活動的自我認識、自我評價、自我監督和自我調控等。元認知對學習狀態的改變具有監控、評價、管理等重要功能。在錯誤概念轉化的學習過程中,元認知的參與可以使學生激發學習動機、端正學習態度、提高注意力、選擇有效的學習策略等,使學習過程從死板低效變為富有生機和高效。在學習之后,通過反思概念轉化的過程及評價學習過程的得失,使概念學習得到升華,學習興趣得到培養,學習策略得到提高。
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參考文獻
[1] 陳琦,劉儒德.教育心理學.北京:高等教育出版社,2005.
[2] Clark,J.M.,Paivio,A.Dual coding theory and education.Educational Psychology Review,1991(Vol 3).
[3] 皮亞杰,英海爾德.兒童心理學.吳福元譯.北京:商務印書館,1980.
一、分析對象與方法
研究對象確定為高中數學教材中關鍵的數學概念,以及那些學生在理解和接受過程中感到困難的數學概念.首先從教學的角度羅列并分析這些概念的特點,學生在學習和認知過程中會產生怎樣的困難及為什么產生這樣的困難; 然后思考并探索這些概念的教學策略; 再分階段在高一、高二進行教學實驗; 最后通過考試分析、與學生交流、對照試驗,反饋并分析教學效果,總結相應的教學方法.
二、分析結果與建議
1.演繹建構教學
高中數學中有不少概念之間有著密切的邏輯關系,例如:函數與指數函數、對數函數、三角函數、數列,就是一般和特殊的關系.對數函數與指數函數通過反函數聯系起來.此時,概念的學習本身就是一個“同化”或“順應”的過程.概念間邏輯聯系的確定不僅能幫助高中學生建立一種較牢固的知識結構,也幫助學生體會一般到特殊,或從特殊到一般的認知規律.所以對于那些與學生原有認知結構中的概念有邏輯關系的概念,我們可以通過邏輯演繹過程,幫助學生主動建構概念.
僅以數列通項公式為例,因為教材中數列的通項公式是通過觀察規律引出的,很多學生甚至老師僅僅把它看作是數列的一種表達方式,根本未意識到數列的通項公式是一類特殊的函數(離散函數),所以后面在學習利用它研究單調性和求最值時,效果就打了折扣.其實我們可以通過利用研究函數概念的思想方法加深對數列通項的理解,一切顯得順理成章,只不過定義域變成正整數集而已.這樣處理對學生來說,數列不再是孤立的知識,而是函數體系中一個特殊的內容而已.樣題:已知數列{an}的前n項和為Sn=n2-7n,n∈[WTHZ]N[WTBX]*.問{an}的前幾項和最小?解:將Sn看作二次函數,其對稱軸為x=[SX(]7[]2[SX)],所以(Sn)min=S3=S4=-12.
2.類比建構教學
把類比方法用在兩個平行(或者說并列)的概念上有較好的學習效果.在高中教學中,指數與對數;指數函數與對數函數;平面角與二面角;等差數列與等比數列;排列與組合;橢圓、雙曲線與拋物線等概念,我們都可以將其看作有特殊關系的并列概念.
例如:指數運算與對數運算其實是逆運算的關系,我們完全可以提示學生通過指數運算的性質來主動尋找對數運算相應的性質;在學生完全掌握橢圓的概念和性質后,我們可以要求學生利用認識橢圓概念的方法和規律自己研究雙曲線和拋物線,學生通過自己主動的思維活動得到的結果,更容易理解和掌握;平面角和二面角其實是二維平面和三維空間的不同表示形式,我們可以借助二維平面上角的概念來幫助學生理解三維空間角的度量的有關概念.上述過程,教師都只須充當一個引導者就行了.
3.模型建構教學
多數抽象的數學概念,我們可以為其找到具體的模型.在教學中,可以通過對具體模型的學習和認識來幫助學生掌握抽象概念的性質及特點,這樣有助于學生對其產生形象的認識,促進學生對概念的主動建構.
例如:等差數列性質的學習,我們可以先選擇一個具體的等差數列,如{an}:1,3,5,7,…來考察它的特點,再推廣到一般的性質.又如:數學歸納法的學習,大多數學生對其中體現出來的遞推原理及有限與無限思想很難理解.我們可以不斷演示“多米諾骨牌”實驗,讓學生在其中體會“要使骨牌全部倒下,只需滿足兩個條件:(1)第一塊倒下;(2)前一塊倒下能使后一塊也倒下,就足夠了.”通過建立模型讓學生從直觀上對數學歸納法的思想有感性的認識,學生再利用這一思想去解決問題.課后反饋練習表明,超過九成的學生能理解數學歸納法的思想.這比不建立模型,而是單純進行理論分析的教學方式的學生超出一成左右.
4.活動建構教學
高中數學中有一些概念,在學生原有的認知結構中很少有與之關聯的內容,概念本身也顯得較為獨立.例如計數問題中的排列與組合概念,概率統計中的概率等概念.雖然高中學生有較強的邏輯思維和形式運算能力,但要在已有的認知結構中建構這些概念僅靠思維運算是不夠的,至少效率不高.教師切忌用自己的感受去揣度學生,認為這些概念簡單,學生很容易理解.
例如:為幫助學生建構排列的概念,我們可以創設情境,讓學生自己去羅列某個排列的各種可能,讓學生在羅列的過程中去體驗什么是排列,什么叫一個排列,什么叫排列數;還可以引導學生反思乘法原理,促進學生對排列知識的主動建構.再如:為幫助學生理解概率的概念,我們可以讓學生通過扔硬幣拋圖釘,在活動中體驗概率與頻率的關系,體會計算概率方法的合理性,引導學生主動建構概率的有關概念.
5.反思建構教學
對于很多抽象程度高又完全陌生的數學概念,學生即使能找到它與原有某個知識點的聯系,也常常會因為對概念本身理解程度淺顯而使這種聯系很快消失,建構起來的概念也特別容易遺忘.對于這類型概念,我們不僅要增加學生對概念本身的操作和體驗,更應幫助學生在這個過程中對自己的思維活動進行反思.
例如:對數的概念,雖然我們知道對數運算是指數運算的逆運算,但往往很多學生在剛開始接觸時,卻很難說出log39究竟是一個什么數.我們從數學概念的二重性(2)理論出發,因為對數既可以被看作一個過程,又可以被看作一個對象,而學生對這種概念的理解往往是從過程開始的,逐漸上升為一個對象.這種質變依靠反思更容易獲得.因此,我們可以從解諸如3x=9這些方程出發,指出x=log39既可以看作一個運算(過程),又可以看作一個結果(對象),幫助學生反思這種運算過程,從中主動建構對對數概念本身的認識.在反函數的教學中也有類似情況,很多學生僅知道如何求一個函數的反函數,而認識不到反函數首先是一個函數.而對這個問題反思的結果不僅加深了學生對反函數概念的理解,也加深了對函數概念的理解.
關鍵詞:建筑結構;結構設計;概念設計
中圖分類號:S611 文獻標識碼:A 文章編號:
1 引言
概念設計是指在建筑設計過程中,設計師對結構形式、結構的變形和內力等一系列設計關鍵點的總體把握,概念設計不完全依賴于計算機技術,顧名思義,它要求設計人員對結構具有總體概念和定性分析的能力。具體地講,概念設計就是要求設計人員在整個設計過程中,對結構的選型、結構分析計算、截面的設計以及細部的處理等方方面面,結合自身以往的結構設計經驗,對結構設計的各種影響因素進行全面詳細的考慮,在此基礎上,選擇合理的分析處理方式,最終完成一份優秀的結構設計。
當前隨著科技技術的不斷發展,尤其是計算機技術發展突飛猛進,各種設計輔助軟件層出不窮,在一定程度上,這些設計輔助軟件為廣大結構設計人員提供了非常多的便利,讓設計人員不再陷入各種費時費力的計算工作當中,也進一步提高了設計效率,縮短了設計周期,從這一角度來講,部分設計軟件的優越性得到了大家的一致認可。少部分設計人員對概念設計的重視程度相比以前,存在著一定程度的下滑。需要看到的是,當前設計軟件智能化遠未達到進行獨立設計的程度,因此不能迷信軟件,實踐證明的確存在著少部分設計人員由于過度依賴計算機,導致出現較為嚴重的設計失誤,所有的結構設計人員都應該避免出現這種情況。
2 概念設計的重要性
(1)結構設計雖然經歷了多年的發展,已經十分成熟,但時至今日結構設計仍然存在著一定的不可計算性,由此帶來了結構設計中某些結構構件存在無法計算的設計問題,眾多設計實踐證明,此類問題通過良好的概念設計以及通過采用合理的結構措施都可以解決。另外,設計軟件計算結果數字化,久而久之,設計人員對結構設計的認識也存在著一定的“數字化”,長期發展下去必然導致設計的呆板、僵化。但概念設計很大程度上可以彌補當前這一方面的缺失,經過對概念設計的良好學習,設計人員可以對自己的設計方案有更加直觀的認識,對結構的工作性能也有更深刻的體會。
(2)概念設計對方案設計也有著重要影響,初步設計當前還無法通過設計軟件進行設計,因此在這一階段,需要設計人員在沒有設計軟件高度精確的數據支持下,通過良好的概念設計能力,優選出效果與經濟性俱優的結構方案。良好初步設計要求工程師不斷豐富自身的結構概念知識,對各類結構的工作性能有著清楚而深刻的認識,并能夠在設計工作中靈活運用。
3 概念設計的主要工作內容
概念設計的工作內容主要包含以下四個方面:
第一個方面是結構體系,概念設計階段要重視結構的選型、注重建筑物平面與立面布置的規則性、重視結構體系的抗震與抗風性能、對結構體系的經濟性進行優選。
第二個重要方面是結構布局,要對整個結構的布置進行整體把握,合理分配,盡量確保結構的質量、剛度與承載力能夠合理布置,盡量規避采用不規則的結構設計方案,避免出現傳力途徑間斷、結構局部削弱或剛度發生突變、某些部位出現過大應力集中等情況,對結構設計方案中的薄弱部位采取合理的抗震措施,確保結構擁有足夠的變形能力的同時又能確保其薄弱層不發生轉移。
第三個重要方面是結構構件,要確保各個結構構件既有必要的抗震承載力與剛度,又擁有良好的承受非彈性變形的能力,可以設置多道抗震防線,保留一定數量的內外剩余度,以保證結構的局部破壞不會引發大范圍的倒塌。
第四個重要方面是結構的連接,結構構件的連接構造是需要重點考慮的部位,要確保結構各個節點之間的連接非常可靠、具有良好的延性以及具備耗散一定能量的能力,使得結構具有良好的整體穩定性。
4 建筑結構設計中概念設計應注意的問題
(1)適宜剛度概念
在建筑結構設計中,合理地確定建筑物的剛度是非常重要的。建筑物的剛度不宜太大,剛度大,結構自振周期就短,在地震時結構所承受的地震作用就大,相對后果較重,且造成材料的浪費;剛度也不宜過柔,過柔的建筑結構在地震時就會產生過大的變形,影響其強度、穩定性和正常使用。
(2)充分認識和掌握結構的破壞機制和塑化歷程
建筑結構的破壞機制一般分為樓層破壞機制和整體破壞機制,設計人員在設計中應盡量避免結構產生樓層破壞機制,因為這種破壞機制說明結構中存在著薄弱環節,即在其它構件承載能力尚未充分發揮作用之前,整個結構已經提前破壞,設計人員的責任和主要任務就是努力實現理想的建筑結構的整體破壞機制,就是正確布置和掌握塑性鉸出現的位置和出現順序。
(3)等強度與耗能設計原則
這是抗震結構總體設計時必須認真考慮的設計原則,在結構設計中一定要避免由于設計考慮不周,或施工的局部缺陷,造成在水平作用下部分主要承重結構提前破壞,整幢建筑物連續破壞的局面。在結構的整體設計上要注意加強薄弱環節,盡量做到等強度,在注意等強度設計原則的同時,一定要注意使建筑結構在恰當的部位具有能消耗大量能量的性能,一個好的結構設計必定是一個好的耗能系統。在選擇主要耗能構件時應注意以下幾點:1)耗能構件的屈服應力仍然處于彈性階段工作的構件的約束,即它們的屈服在整個建筑結構中應該是局部性的,不至于引起整體破壞;(2)耗能構件不應選用主要承受豎向荷載的構件,如柱、剪力墻等;3)為了更多地消耗地震能量,耗能構件應有相當的數量,且這些耗能構件應有較好的延性。
(4)結構延性設計原則
結構延性一般用延性系數表示,它表示的是結構極限變形與屈服變形的比值,該比值越大,結構的延性越好,如果組成整體結構的各個構件均具有較好的延性,那么整體結構本身會有較好的延性。
(5)強柱弱梁設計原則
強柱弱梁設計原則,其目的就是為了保證在強地震作用下,框架結構塑性鉸首先在梁上發生而不在柱上發生,避免框架結構出現樓層破壞機制。
5概念設計的意義
(1)展現先進設計思想的關鍵
概念設計的根本宗旨,是在特定的建筑空間及地理條件下,用整體概念來考慮建筑結構的總體方案,且能有意識地發揮和利用結構總體系與分體系之間的力學特性與關系。運用概念設計從整體上把握結構的各項性能,方能對計算分析的結果進行科學判斷和合理取舍。在概念設計之初的方案階段,能迅速、有效地對結構體系進行構思、比較、分析與選擇,可采用概念性設計到工程中去。
(2)彌補設計、計算理論的不足
目前的結構設計計算水平難以有效地保證結構設計的抗震、抗風性能,尤其是抗震設計。以“5?12 汶川大地震”為代表的近幾年國內外幾次震害的經驗教訓充分說明,從某種意義上講,概念設計確實比分析計算更為重要。目前,現行的結構設計理論和計算理論仍然存在著一些缺陷:如對混凝土結構設計,內力計算采用基于彈性理論的計算方法,而截面設計則采用是基于塑性理論的極限狀態設計方法,兩者的矛盾使計算結果與結構的實際受力狀態存在較大差距。為了彌補設計、計算理論的缺陷,或實現對實際存在的大量難以計算的結構構件的設計,也需要概念設計與結構措施來共同滿足結構設計的需要。
(3)體現結構設計的原則與靈活
建筑物是一個完整的空間結構,各構件都在以相當復雜的受力方式共同工作,而并非是獨立于總體結構體系之外的單獨構件。當前在建筑結構設計界,對具體空間結構體系的整體研究上還存在著局限性,以至于在設計過程中采用了許多假定與簡化方法。作為結構工程師,一方面在設計過程中既要做到嚴格遵守和執行相關的強制性規范和要求,堅持結構設計的原則不能改變,另一方面,又不應盲目、教條、機械地照搬照抄,尤其是對推薦性規范和要求,應把它作為一種結構設計中的指導和參考意見,從而可在實際的設計項目中做出更為正確的選擇。這就對結構設計工程師提出了要求,要對整體結構體系與各基本分體系之間的力學關系有更為透徹的認識和深入的了解,把建筑結構概念設計應用到實際工作中去。
6 結束語
結構設計歷經多年的發展,目前已經趨于成熟,尤其是以計算機技術為代表的科技爆發式發展,對結構設計也帶來了巨大的影響,工程軟件如雨后春筍般出現并在工程實踐中大量應用,隨之出現了少部分設計人員過于依賴計算機技術,使設計偏離了其原有軌道。在這樣的時代背景下,概念設計成為一座將建筑與結構聯系在一起的橋梁,使得兩個專業的設計人員在這一平臺上進行溝通與交流。概念設計的存在,也是對純計算式設計一統天下的否定,但它又不是與結構計算分析對立的,相反概念設計可以彌補結構計算分析當前存在的不足,而且對結構計算分析提出了更高的要求,做到正確理解規范和靈活運用規范,做到概念設計與計算設計的相輔相成,使結構概念設計更加科學化與合理化,進一步推動計算機分析計算技術發展邁上新的臺階。
綜上所述,建筑結構的概念設計對結構工程設計具有舉足輕重的作用,可以說得上是結構工程設計的靈魂。可喜的是,當前越來越多的結構工程師開始接受概念設計的思想,并逐步應用到日常的設計工作中,概念設計正發揮著越來越重要的作用。
參考文獻:
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【關鍵詞】概念設計;建筑結構;應用
傳統上,建筑結構設計是從考慮結構方案開始,需要經歷體系、布置、計算、構造到施工圖這樣一個過程,設計主要依據各種建筑結構設計規范,結合一些理論分析,基本上是按部就班、沒有太多創新實踐的流程性的活動,這樣的方式難以實現建筑功能、結構、美觀及建造的完美統一[1]。結構概念設計,在項目規劃設計階段就參與其中,通過宏觀的把握,運用結構設計的理論和比較現有結構設計的實踐成果,從建筑規劃的意圖、功能、材料、施工、造價等方面的綜合理解出發,進行概念性的分析、估算、評價和選擇,從而實現“多快好省”的設計目標。概念設計為建筑結構設計開創了新的設計空間,可以更好地適應當今建筑工程日趨復雜、不確定因素多的現實需求。因此,結構設計人員應當熟悉并用好概念設計方法,以達到更加合理、可靠、經濟的設計目標。
1、建筑結構概念設計方法
1.1 概念設計過程
概念設計過程,是經過分析-綜合-評價三個階段的不斷循環改進和提高而實現的,如圖1所示。分析即通過對問題的剖析,加深對問題的理解。由于信息不太清晰,數據也不夠完整,可供設計人員使用的是一些相對準確的描述性的概念。綜合過程就是產生方案的過程。在此過程中,通過運用結構設計理論和工程經驗,將方案以圖形表達出來,而實現這一過程需要創造性的思維方式,甚至是設計的靈感。評價即經過判斷和比較選擇最佳方案。設計人員通過分析模型,并進行數據計算等方式,對各種方案進行比較,從而選擇經濟合理、技術可行的方案。由于方案不會一次就令人滿意,需要經過多次的循環改進,直至令各方滿意為止[2]。
1.2 概念設計原則
(1)全面分析、注重協調
全面分析就是既要考慮整體要求,也要顧及局部需求。先從整體入手,在通盤考慮建筑、結構、施工三維關系的基礎上,思考建筑功能、技術、經濟之間的特點和關聯。根據建筑場地條件,確定主要分體系的結構形式、基礎選型,進而確定構件類型及其連接關系。再從結構的使用要求、安全性能、耐久性和整體穩定性上進行調整。解決了三維構思的問題,就要考慮豎向分體系(即基礎、柱、墻)和水平分體系(板、梁)之間的二維關系。最后就是進行一維施工圖設計[3]。
功能協調就是充分考慮建筑、結構、設備、施工之間的協調。建筑與結構之間要考慮建筑的使用與結構的配置、建筑的分區與結構的分段之間的功能協調;結構與設備之間應思考結構布局與設備布置、結構構造與設備安排之間的功能協調;結構與施工之間需設想結構構件與施工可行性、局部構件與施工便利性、構件受力狀態與施工做法之間的功能協調。
(2)因地制宜、精益求精
因地制宜就是設計方案要針對當地的實際情況,如了解氣象、水文、地質等自然條件;考察民情、民俗、傳統文化背景等社會環境;研究當地資源、設備供應、施工技術等施工所具備的能力。
精益求精就是設計方案要能夠做到優中選優。不僅從“面”上考慮,還要顧及到“點”和“線”;既要思考縱向體系,也要分析水平體系;不僅能分析問題,還要會提出問題;采用方法上,既要有理論定性分析,也需做模擬試驗來判斷;評價上,除了評價能否的問題,還要知道可否、值否,更要會分析應否。
(3)減輕自重、合理受力
努力減輕建筑自重,應成為結構設計人員不懈追求的目標和進行概念設計的原則。減輕自重的好處包括降低荷載、減小地震作用效應、節省成本、提高施工速度、節約資源等。減輕自重的方法是積極采用高強材料、新型材料;結構布置上更加合理;采用有效減輕自重的結構體系和高效結構型式,如預應力結構、網架網殼體系、空間桁架等。
合理受力是要求結構構件受力均勻、傳力簡捷和清晰。因此,應利用結構的對稱性、剛度的相對性以及變形的連續性和協同性,充分考慮受力的合理性。對于協調受力的構件,應將其作為整體來看待,如進行基礎設計時要將地基、基礎、上部結構視為整體,并利用等帶剛度法考慮上部結構對基礎的影響。
(4)空間作用、優化選型。
在進行建筑結構計算時,出于分析和計算的方便,而將建筑分解成平面狀態進行分析,而實際上建筑物是空間結構,因此進行概念設計時就應該考慮建筑空間作用,例如考慮板與梁的相互作用、剪力墻體系與框架體系的相互作用等。
優化選型主要是優化結構體系、優化結構布置及構造合理化等原則。優化結構體系,即根據建筑、使用、環境和荷載優化選用合適的構件,再構成體系;優化結構布置,是在滿足使用要求前提下,合理布置縱向體系、水平體系和基礎系統;構造合理化是構造的理論要求應與實際構造做法保持一致等。
2、概念設計在結構設計中的應用
2.1 在抗震設計中的應用
傳統結構設計方法,主要關心提高結構抗力 ,以至于陷入混凝土強度等級越用越高,配筋量越用越多,結構自重越來越大,造價越來越高的誤區。結果造成到處都是肥梁、胖柱、深基礎的怪現象。具體到抗震設計方面,初定尺寸、混凝土強度等級 結構強度 地震力 配筋率。為了抵御地震作用去配筋,必然增加結構剛度,整體剛度增加又必然導致地震作用效應增強[3]。
采用概念設計的思想,可以有效克服這種困境。譬如采用隔振消能的做法,在基礎與主體結構之間加設柔性的隔震層、隔震器,或者在建筑頂部安裝“反擺”裝置等,通過增加阻尼,降低加速度,減小地震作用效應,提高建筑的安全性,實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標。圖2是減震器的例子。
摘要:建構主義理論雖然起步較晚,但是其在借鑒和吸納了諸多國際關系理論流派的精髓之后,取得的進展卻是顯著的。在建構主義理論發展過程中,不可忽視的是亞歷山大·溫特所做出的重大貢獻,他奠定了建構主義躋身主流國際關系理論的基礎。憑借著嚴密科學的理論體系,建構主義在反思主義陣營中嶄露頭角,躍居國際關系理論主流行列,但其自身同樣存在著不可忽視的缺點。
關鍵詞:建構主義;理論體系;溫特;認識
20世紀80年代,建構主義應用于國際關系研究領域。建構主義作為一種思想理念,它的產生有著深刻的歷史淵源。在大量吸收社會學、語言學以及其他學科養分的基礎上不斷地發展壯大,在建構主義陣營中,最引人注目的,最具有標志性的莫過于溫特的理論。本文將通過介紹建構主義理論的發展歷程、理論體系和理論觀點,從而對建構主義進行評價,并對其在中國的發展前景作出相關思考。
一、建構主義理論的發展歷程
(一)思想淵源
首先從社會學方面說,建構主義的根源應溯及涂爾干和韋伯。涂爾干認為社會世界的核心概念是觀念,觀念具有自我完整性,無法簡約為其他因素。而韋伯認為社會科學可以獨立成為體系,人具有賦予世界以意義的特殊能力,這是自然界所沒有的,這在很大程度上影響了建構主義的認識論。
其次語言學是建構主義國際關系理論的另外一個主要思想源泉。這種對于語言學的借鑒在建構主義產生的早期較為明顯。后期的維特根斯坦、奧斯丁和塞爾等語言哲學家對建構主義理論的發展也作出了重要貢獻。此外,建構主義理論也直接借鑒英國學派、新功能主義和交流溝通理論等流派的思想。
(二)理論產生
上世紀八十年代,新現實主義與新自由制度主義這兩個占據主流地位的國際關系理論之間的爭論為開拓新的研究領域提供了客觀環境。九十年代以來,出現了一系列對主流理論發起了挑戰的理論。建構主義是其中的重要一支。
冷戰的結束與建構主義理論的興起有重要關系。1989年奧努弗首先提出了“建構主義”這一概念。到后來溫特的《國際政治的社會理論》的發表,期間經歷十年的發展,建構主義形成了相對完善的理論體系。從總體來看,建構主義重視文化、規范、認同、實踐、主體間性、知識等社會性因素在國際關系中所起的作用。
二、建構主義的理論體系
從本體論而言,建構主義是反理性主義的,認為國際政治的社會性結構不僅僅影響行為體行為,更重要的是建構行為體的身份和利益。在方法論上,建構主義是整體主義。從世界觀而言,建構主義不否認物質的客觀存在,但反對把物質的客觀存在作為解釋行為體行為的惟一和最主要原因的單純物質主義觀點。建構主義是理念主義的觀點,認為權力主要是由觀念和文化情境建構的。權力分配的意義在很大程度上是由利益分配建構的,利益的內容在很大程度上又是由觀念建構的。因此,正是由于觀念建構作用的存在,才使得權力和利益的作用得以充分發揮。
建構理論采用科學實證主義的認識論,但其解釋模式是根據部分規律(每一階段的規律)的個性化模式,即研究者解釋某一事件是通過對引起該事件發生的前后一系列情況進行詳盡的描述。
三、亞歷山大·溫特的主要理論觀點
建構主義的興起與溫特的貢獻息息相關,特別是《國際政治的社會理論》的問世,奠定了建構主義與傳統主流學派并駕齊驅地位的基礎。
(一)施動者與結構互相建構
溫特建構主義的核心是結構與施動者之間的建構關系。溫特認為施動者與結構是相互依存的,施動者是受結構界定的,結構只有通過施動者及其活動的中介才會存在。施動者與結構的相互建構對于解釋社會行為是很有意義的:并不完全由個體行為就決定了社會形式,也不是完全由社會形式決定了個體行為。
(二)身份、利益與行為
溫特認為由于身份具有不同程度的文化內容,所以利益也有不同程度的文化內容。身份和利益是共同起作用的,身份決定利益,利益決定行為,兼顧考慮身份、利益、認識,才能解釋行為。
(三)無政府狀態的三種文化
溫特反對將無政府狀態作為國際關系研究的理論前提和基本假設。溫特認為,無政府狀態是一種體系結構,通過行為體間的相互作用機制,不同的行為就可以產生不同特征的無政府狀態。因此,溫特提出了可能存在的三種無政府文化:人人為敵的霍布斯“敵人”文化、自己生存也讓他人生存的洛克式“對手”文化和非暴力互助康德式文化。建構主義更加強調對外政策決策者的行為選擇。
四、對建構主義理論的認識
建構主義推動了國際政治社會學研究的深入、系統發展。建構主義將一些主流理論忽視的概念或主流理論認為是假設前提、自變量的變量重新提了出來,它從認識論、方法論上升到本體論,涉及無政府狀態、實踐、國家、身份、利益、權力、、制度等幾乎所有的基本概念,以社會學的最新工具,達到一種國際政治社會學研究的新的理論綜合。建構主義理論的主要貢獻之一就是重視和強調觀念因素的建構作用。
每一種理論范式的強項也正是其弱點所在,建構主義也不例外。建構主義闡明并豐富了為新現實主義忽略的國際生活的一些方面,但在解釋力和預測力方面建構主義無法與新現實主義匹敵。建構主義的不足還在于至今未建立起關于觀念認同產生發展的系統理論,使其陷人解釋歷史強于預測未來的境地。
總之,我們不能期望有一個理論強大到可以解釋當代世界政治的全部紛繁復雜的問題,當然我也不認為存在那樣一種理論。每個時期都會有不同的特征,理論會隨著時代應運而生,甚至同一時期不同階段,不同事件也會有不同理論加以詮釋。和只有一個正統理論相比,更希望有不同的理論聲音及其爭論。
五、建構主義在中國的發展前景
總的來說,建構主義在中國前途樂觀,一方面是因為中國具備建構主義發展的社會土壤,另一方面是它在世界秩序、中國和平崛起以及臺灣等問題上擁有較強的解釋力。建構主義理論在客觀上滿足了處于社會轉型期的中國的需求,特別是隨著當前國際形勢的變化,中國在國際社會的地位的變化和角色的調整,運用建構主義國際關系理論的身份、利益和行為等相關的理論觀點,將有助于我們更加全面、清晰地認識和觀察當今國際社會形勢的演變過程。而這對于中國塑造和平與負責任的大國形象,以更加建設性的姿態投身到國際組織與國際事務的活動之中,積極構建和諧世界和與相關國家建立新型大國關系具有十分重要的啟迪作用。
正是由于建構主義國際關系理論范式與中國傳統文化的特質有某種程度的契合性以及建構主義對中國和平發展道路的解釋功用,使得這一理論在中國找到了合適的土壤并得以迅速發展。但同時也必須認識到,建構主義并不是中國的國際關系理論,它產生于西方的文化環境,因此必須使之本土化以為我國的國家利益和和平發展服務。(作者單位:河南師范大學)
參考文獻:
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