基于結構算例專題的橋梁電算課堂教學方法

熊文 葉見曙

摘要：針對路橋方向本科生橋梁電算系列課程一直存在的授課難點，提出基于結構算例的橋梁電算系列課程專題式教學模式。該教學模式試圖以解決實際問題的分類形成不同的橋梁電算應用專題，以學生熟悉的結構力學習題算例入手，有目的性的對這些算例進行重新設計，使得每一算例與相應的橋梁電算應用專題一一對應。通過對簡化的力學算例進行電算求解，讓學生在解決具體問題的過程中，以單個專題的形式學習橋梁電算知識及其在實際問題中的應用方法。這種方法會大大減少學生進行電算理論學習時的枯燥感，跟隨每一個結構算例的電算過程，不僅使得重要知識點與前期課程結構力學建立關聯，而且使理論學習與實際工程緊密聯系，最終培養學生理解軟件、應用軟件的能力，同時使學生具備基于電算理論對軟件分析結果正確與否進行判斷的能力。

關鍵詞：結構算例；專題；橋梁電算；實際工程；課堂教學

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）14-0168-03

橋梁電算中的位移法理論屬于結構力學的必修內容，在橋梁電算課程中沒必要進行重復講授；但是其針對橋梁這種特殊結構以及施工工藝又會有很多變化，這些變化的講授卻一直是難點。而橋梁結構實際構造復雜，直接針對復雜結構應用這些電算原理，學生又難以理解與接受。另外，以界面演示基本操作為主的橋梁電算軟件講授方法雖然學生學習起來容易，但是在解決實際問題時軟件應用的變化與操作技巧卻仍然缺失。如何將橋梁電算系列課程與學生在未來工作中的實際需求緊密聯系，讓學生更加真正掌握橋梁電算軟件在橋梁計算分析中的應用，是該系列課程現階段面臨的一個教學難點，亟待解決。

針對路橋方向本科生橋梁電算系列課程一直存在的授課難點，提出基于結構算例的橋梁電算系列課程專題式教學模式。該教學模式試圖以解決實際問題的分類形成不同的橋梁電算應用專題，以學生熟悉的結構力學習題算例入手，有目的性的對這些算例進行重新設計，使得每一算例與相應的橋梁電算應用專題一一對應。通過對簡化的力學算例進行電算求解，讓學生在解決具體問題的過程中，以單個專題的形式學習橋梁電算知識及其在實際問題中的應用方法。這種方法會大大減少學生進行電算理論學習時的枯燥感，跟隨每一個結構算例的電算過程，不僅使得重要知識點與前期課程結構力學建立關聯，而且使理論學習與實際工程緊密聯系，最終培養學生理解軟件、應用軟件的能力，同時使學生具備基于電算理論對軟件分析結果正確與否進行判斷的能力。

一、改革措施

（一）建立專業知識與前期課程的關聯點

該教學模式主要措施之一，就是通過簡單結構算例的設計，將橋梁電算專業知識與前期課程進行關聯，將簡單結構算例作為橋梁讓學生基于先學課程內容很自然地過渡至新的橋梁電算知識點中。例如通過結構力學簡單梁結構體系說明橋梁實際結構與有限元模型之間的轉換關系；利用結構力學簡單桿系結構合理簡化實際橋梁結構，其正確數值模擬結構復雜構造與力學行為；利用結構力學的基本概念判斷數值計算結果的正確性與適用性。

（二）建立專業知識與實際工程應用的關聯點

任何橋梁專業知識均為實際工程服務，每一個實際工程的背后都蘊含著理論知識，都是被課堂上所學的專業知識所支撐。該教學模式發掘并建立橋梁專業知識與實際工程應用的關聯點，然后以結構算例作為關聯點為入口在課堂上引出教授的專業知識。以實際工程作為應用背景建立簡單結構算例，從而引入橋梁電算專業知識，避免枯燥被動的去接受。這種教學模式還能使理論知識點與實際應用緊密聯系，在教授理論知識的同時就將其實際應用的方法告知，使學生在未來的工作中始終建立在理論指導的基礎上，確保專業判斷的準確性。

（三）建立橋梁概念設計理念

該教學模式中，簡單結構體系的力學概念貫穿其中，對所有橋梁結構按力學類型進行分類講授，加強對學生創造理念和能力的培養，即不僅教簡單結構體系設計的基本功，更重要的是培養學生進行基于簡單結構體系以及相應數值計算結果分析的概念設計的創造能力。讓學生理解“正確的概念設計將指引我們不斷進步和取得成功，而錯誤的概念設計卻會把我們引入歧途”這句話。

二、實施方案

在實際教學過程中發現，橋梁工程軟件針對實際橋梁結構的正確應用方法是整個教學內容的難點，主要體現在以下幾個方面：1）實際橋梁結構的簡化建模方法；2）實際橋梁荷載的合理等效方法；3）軟件計算結果的定性判斷方法；4）實際復雜構件及力學現象的有限元處理方法；5）實際橋梁結構設計/驗算完整過程的軟件實現方法。但是，現階段的教學方法難以很好地解決這一教學難點，主要是缺乏課堂教學內容與實際橋梁工程之間的有效銜接，往往學生學習了一個學期的既定教學知識，研究或工作中面對實際橋梁問題時仍然不知道如何正確、合理、系統地應用軟件來解決。

基于結構算例的橋梁電算系列課程專題式教學模式按橋梁工程軟件關鍵使用功能與復雜橋梁結構主要設計內容之間的對應關系，分為以下六個專題，進而分別按該六個專題進行基于實際橋梁工程的教學案例的設計與建立，在橋梁軟件使用方面，將教學內容與實際工程應用之間建立一個系統且有針對性的理論聯系實際的橋梁，讓學生不僅全面扎實地掌握橋梁電算理論知識，而且可以通過橋梁軟件學以致用，在實際橋梁工程應用中充分發揮理論指導實踐的作用。

（一）橋梁結構非線性分析專題

結構算例設計：具有微小傾角的二力桿在集中力作用下非線性特性計算算例（圖1（a））。

工程背景：基于望東長江大橋的超長斜拉索的非線性特性，建立拉索垂度效應計算案例；通過ANSYS有限元非線性分析模塊的使用，結合望東長江大橋實際拉索設計結果，說明ANSYS橋梁工程軟件分析結構非線性特性的具體應用步驟與方法，同時加深學生對結構非線性迭代分析計算原理的理解。

（二）斜拉橋索力優化方法

結構算例設計：僅設置一根拉索的簡單斜拉橋體系索力優化算例（圖1（b））。

（三）橋梁活載影響面加載分析方法

結構算例設計：利用簡支梁與等間距的汽車荷載進行橋梁活載影響線加載算例。

工程背景：基于安徽省典型獨柱墩橋梁的抗傾覆偏載驗算實例，建立橋梁活載影響線加載案例；通過ANSYS有限元動態規劃分析模塊的使用，結合實際項目中獨柱墩橋梁活載偏載計算時縱橫向影響線加載分析全過程，說明ANSYS橋梁工程軟件進行活載影響線加載的具體應用步驟與方法，同時加深學生對動態規劃理論與實際應用方法的理解。

（四）復雜橋梁梁格建模方法

結構算例設計：利用集中力與面荷載針對板梁建立多種形式的梁格模型算例。

（五）橋梁結構徐變效應計算方法

結構算例設計：利用VB程序自己編制的混凝土-鋼組合橋塔徐變計算算例。

工程背景：基于蘇通大橋主塔設計實例，建立混凝土橋塔徐變效應分析案例；通過ANSYS有限元二次開發功能的使用，結合實際項目中橋塔徐變對結構體系的影響分析，說明ANSYS橋梁工程軟件進行混凝土結構徐變分析的具體應用步驟，同時加深學生對徐變效應所引起的內力重分布現象的理解。

（六）懸索橋設計分析建模方法

結構算例設計：基于彈性理論的懸索橋結構計算算例（解析解公式推導）。

工程背景：基于舟山西堠門大橋設計實例，建立懸索橋合理狀態確定方法案例；通過ANSYS有限元循環迭代功能的使用，結合實際項目中主纜找形分析全過程，說明ANSYS橋梁工程軟件進行懸索橋合理狀態分析的具體應用步驟，同時加深學生對懸索橋主纜-主梁設計力學狀態確定方法與原理的理解。

學生通過教師設置的簡單結構力學算例對想要驗證的力學模型與力學概念進行研究，可以直觀地得到問題的解答。這種方式讓學生帶著興趣與思考去主動理解橋梁結構專業知識，從而完成橋梁結構計算分析部分的學習，同時加強對學生創造理念和能力的培養，即不僅教結構設計的基本功，更重要的是培養學生進行概念設計的創造能力。

三、教學理論與實踐效果

首先針對教學中的結構構造數值建模方面的教學難點，該教學模式試圖將橋梁結構構造與其背后蘊含的力學概念緊密聯系，通過讓學生理解構造設計的力學概念來學習橋梁的構造設計。這樣，學生在學習過程中可以將之前所學的《結構力學》、《結構設計原理》以及《橋梁工程》等先期課程與橋梁電算類課程的學習順利銜接，從學生既有的簡單的結構力學概念知識入手來學習構造建模，理解上也會水到渠成。

針對橋梁結構計算部分，本文提出的教學模式是以實際工程為背景的專題式力學算例為講授主線，首先將計算基本原理與方法通過對概念的深刻理解灌輸給學生，讓學生先定性地接受計算分析方法，然后再通過簡單的結構力學模型與算例來證明定性分析的結果。這種講授方法可以減少計算公式推導過程的枯燥性，讓學生帶著興趣與思考去主動推導公式，從而完成橋梁結構電算分析部分的學習。

在整個教學過程中，力學概念貫穿其中，對所有橋梁結構按簡單的結構力學算例進行分類講授，加強對學生創造理念和能力的培養，即不僅教橋梁電算的基本功，更重要的是培養學生進行概念設計的創造能力。

所以本教改的中心理念是利用簡單結構力學算例，結合實際橋梁工程背景，將學生既有力學、結構知識與該課程教學內容緊密聯系，讓學生在力學概念上運用結構基本知識對教學難點進行理解與接受，進而再進行簡單結構算例的講授與定量的分析來證明之前已接受的定性分析結果，這種方法會大大減少學生由于一開始對教學難點的不理解從而放棄對后續知識學習的興趣。通過建立橋梁電算專業知識與前期課程的關聯點，以及建立橋梁專業知識與實際工程應用的關聯點，最終培養學生進行概念設計的創造能力。

基于結構算例的橋梁電算系列課程專題式教學模式不僅可以用于橋梁電算類課程中，還可以用于相關課程，如《橋梁工程》等專業課程。事實上，只要是基于《高等數學》、《結構力學》、《結構設計原理》等結構專業基礎課內容的相關課程，以實際工程項目為背景，均可以采用本文提出的教學模式。

四、未來研究方向

1.學生對基礎知識或者前期知識的掌握水平存在差異，如何選擇更為合適的前期知識來建立結構算例與橋梁工程專業知識之間的聯系還需要在后續的課堂教學中不斷改進；

2.進一步加強《橋梁實習》這種實踐類專業課與橋梁電算類專業課之間的聯系，將結構算例的思想貫穿在實踐類與理論類專業課程中，使本文提出的教學模式能夠更好地發揮其預定的教學效果；

3.結合正在進行的實際橋梁工程建設，不斷更新與補充橋梁專業知識與結構算例以及實際工程應用之間的關聯點；

4.繼續進行橋梁電算類該教學模式的課程建設工作，并應用于碩士階段的橋梁電算類課程，形成本科教學與碩士教學在基于結構算例教學模式上的良好銜接。

參考文獻：

[1]熊文，葉見曙.基于人機交互平臺的《橋梁工程》課堂教學方法[J].教育教學論壇，2015，（8）：175-176.

[2]潘文軍，吳輝琴，鄒萬杰.結構可靠度理論課程教學改革與實踐[2].大眾科技，2013，15（172）：173-175.