新工科理念下橋梁工程教學(xué)方法研究

石雪飛 馬海英

摘要：根據(jù)新工科強(qiáng)調(diào)對學(xué)生復(fù)合交叉、實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，對橋梁工程這一傳統(tǒng)工程課程設(shè)定了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力的總體目標(biāo)，提出淡化傳統(tǒng)的工程科學(xué)體系，圍繞橋梁工程特點(diǎn)安排教學(xué)總體思路，并將教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)放在現(xiàn)有橋梁設(shè)計(jì)與施工方法的形成過程上，通過講課、討論、課后幫助等方法培養(yǎng)學(xué)生的思考能力，通過注重工程思維的考核引導(dǎo)學(xué)生注重思考，逐漸培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;新工科;教學(xué)法

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）49-0122-04

橋梁工程是土木工程專業(yè)橋梁工程方向的傳統(tǒng)專業(yè)課，過去的教學(xué)大部分以教會學(xué)生特定橋梁的幾種特定構(gòu)造及相應(yīng)算法為主，并通過習(xí)題和課程設(shè)計(jì)對這幾種橋梁的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行練習(xí)。經(jīng)過比較扎實(shí)的訓(xùn)練，學(xué)生對常規(guī)定型橋梁能夠遵照規(guī)范進(jìn)行完整設(shè)計(jì)，這樣培養(yǎng)出來的學(xué)生在用人單位還是比較受歡迎的。但是，隨著社會需求的改變與市場競爭的加劇，近年來提出了新工科教育理念，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)合交叉和實(shí)踐創(chuàng)新能力。為了達(dá)到讓學(xué)生在具備專業(yè)技能的前提下具有創(chuàng)造性的思維能力，筆者在橋梁工程這一傳統(tǒng)工科課程教學(xué)中進(jìn)行一系列探索，以期培養(yǎng)學(xué)生的空間感、關(guān)聯(lián)力、想象力、宏思維、批判性思維能力。本文從教學(xué)思想、教學(xué)體制、教學(xué)計(jì)劃、課程教學(xué)等方面介紹探索研究過程。

一、課程教學(xué)改革的總體思想

古代土木工程技術(shù)是以師傅傳徒弟的方式代代相傳，徒弟直接從師傅那里學(xué)習(xí)綜合建造技術(shù)。自現(xiàn)代科學(xué)體系形成以來，土木工程技術(shù)已經(jīng)越來越科學(xué)化。目前，土木工程教育形成一整套系統(tǒng)的科學(xué)體系，其特點(diǎn)是將工程問題高度抽象化、規(guī)律化，這樣的教育體系可以使學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)全面、系統(tǒng)，具備工程師所必需的知識。橋梁工程教學(xué)與此相同，也越來越系統(tǒng)化。基于上述認(rèn)識，為了讓學(xué)生在具備專業(yè)技能的前提下具有創(chuàng)造性思維能力，課程教學(xué)改革的思想主要是盡量體現(xiàn)橋梁工程技術(shù)特點(diǎn)，以建造技術(shù)貫穿課程安排。本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法兩方面著手改革，通過考核方法的改革培養(yǎng)學(xué)生的思考習(xí)慣。下圖顯示了橋梁工程課程教學(xué)改革的基本框架。

二、教學(xué)內(nèi)容改革

（一）教學(xué)內(nèi)容選擇

改變過去主要教授學(xué)生常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)與施工方法的教學(xué)內(nèi)容，將重點(diǎn)放在對現(xiàn)有橋梁設(shè)計(jì)與施工方法的形成過程上，通過分析已有橋梁的構(gòu)造、設(shè)計(jì)方法、施工方法形成過程中前人所經(jīng)歷的成功和失敗，找到目前橋梁工程結(jié)構(gòu)常規(guī)做法的合理性與缺點(diǎn)。上述過程是一個思考的過程，而不是只教會一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，不注重結(jié)構(gòu)構(gòu)思。表1以簡支梁橋教學(xué)內(nèi)容為例，顯示了改革前后教學(xué)內(nèi)容的變化。

橋梁工程常用構(gòu)造是結(jié)構(gòu)力學(xué)體系、材料特點(diǎn)和施工方法綜合影響下形成的。每一種常用構(gòu)造均有材料受力的合理性和經(jīng)濟(jì)性，而構(gòu)造和施工方法對計(jì)算分析方法又有很大影響。

以往教學(xué)主要以簡單介紹各種構(gòu)造形式為主，改革后則主要強(qiáng)調(diào)這些構(gòu)造形成的原因。表2顯示了介紹簡支梁橋跨徑布置時同時介紹它們的控制因素。這不僅便于學(xué)生在將來選用，而且讓學(xué)生了解到不同條件下進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的努力方向。

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析是橋梁工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，經(jīng)過百年發(fā)展，對于常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成一整套計(jì)算理論體系，工程教學(xué)的重點(diǎn)也逐漸轉(zhuǎn)移到基于理論體系的計(jì)算方法上來。實(shí)際上，橋梁結(jié)構(gòu)分析的各種計(jì)算方法都是將實(shí)際結(jié)構(gòu)簡化而得到的，在簡化過程中充分利用結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、施工過程、計(jì)算手段，目的是在滿足足夠計(jì)算精度的前提下，盡量簡化計(jì)算過程。因此，結(jié)構(gòu)分析方法存在多方案性，如何根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選用合適的計(jì)算方法是結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算方法已發(fā)展成軟件，只要輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)就能完成計(jì)算。

根據(jù)上述特點(diǎn)，改革后的橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法的教學(xué)重點(diǎn)從計(jì)算方法本身轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算方法形成的過程，以及計(jì)算方法存在的問題及改進(jìn)的可能方向。表3顯示了改革前后剛性橫梁法計(jì)算主梁活載內(nèi)力教學(xué)的變化。

（二）教學(xué)內(nèi)容安排

在原有教學(xué)體系下，將橋梁的力學(xué)體系、建造材料、施工方法分門別類講授，這是將工程問題高度抽象化后最有效率的做法，但這也造成學(xué)生熟悉某種局部構(gòu)造或設(shè)計(jì)計(jì)算方法，而不會針對實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合應(yīng)用。針對這一問題，在教學(xué)內(nèi)容的安排上，我們努力還原工程本質(zhì)，從對工程結(jié)構(gòu)的需求出發(fā)，用如何建造某種體系橋梁作為主線，串聯(lián)構(gòu)造原理、施工方法、計(jì)算方法，將材料特點(diǎn)融匯到上述主線中去。表4為簡支梁橋教學(xué)內(nèi)容的組織。

三、教學(xué)方法改革

在上述教學(xué)內(nèi)容改革的基礎(chǔ)上，教學(xué)手段也進(jìn)行了大幅度改革，從課堂教學(xué)、討論課設(shè)置、課后討論思考等方面進(jìn)行。

（一）利用多媒體技術(shù)提高實(shí)踐教學(xué)效率

講解結(jié)構(gòu)構(gòu)造、計(jì)算方法的演變過程將會大大增加課程內(nèi)容，特別是介紹橋梁結(jié)構(gòu)建造方法，傳統(tǒng)的講課方式效率很低。多媒體技術(shù)提供了很好的應(yīng)用手段，筆者在以下兩方面開展工作。

1.全新制作教學(xué)課件。構(gòu)造與工藝部分以示意圖與實(shí)際工程圖片為主要表現(xiàn)手法，講解內(nèi)容以教師的口頭講解為主。分析原理部分大量利用框圖、動畫介紹各種理論方法的來龍去脈，具體的公式推導(dǎo)留給學(xué)生作為課后復(fù)習(xí)內(nèi)容。

2.開發(fā)多媒體橋梁資料庫，幫助學(xué)生理解實(shí)際結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)效率。資料庫包括工程圖片庫、橋梁構(gòu)件三維動畫庫、橋梁施工錄像庫。

（二）開設(shè)習(xí)題課和討論課

為促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)良好的思考習(xí)慣，筆者大量增加討論和習(xí)題課，二者均要求學(xué)生做主題發(fā)言。

習(xí)題課的主要內(nèi)容是將原來的課堂講解的具體計(jì)算方法，通過習(xí)題完成后課堂討論的形式加深學(xué)生對具體設(shè)計(jì)方法的理解。討論課的主題是結(jié)合目前出現(xiàn)的工程問題，利用已經(jīng)教授的原理進(jìn)行分析，尋找可能的解決方案，在討論中有意將焦點(diǎn)引向工程與社會生活的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生作為工程師的社會責(zé)任感。以下是習(xí)題課、討論課的一些議題。

（三）利用課程教學(xué)論壇提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

橋梁工程課程在校園網(wǎng)上開設(shè)了教學(xué)論壇，作為師生課后交流的工具，通過師生共同討論熱門工程問題激發(fā)學(xué)生思考的興趣。議題主要有兩方面：一是課堂上提出的、與講課內(nèi)容不很緊密的思考問題;二是工程中出現(xiàn)的與本課程教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的問題。例如：（1）為什么鐵路橋梁中很少適用整體鋼箱梁？（2）一座小跨徑多跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋?yàn)槭裁丛谑┕み^程中開裂？（3）某大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槭裁词┕るA段0號段底板開裂？（4）獨(dú)柱彎橋?yàn)槭裁磿?cè)翻？

通過有爭議的主題的討論，學(xué)生了解到目前梁工程結(jié)構(gòu)常規(guī)做法的合理性是有實(shí)踐性、局部性的，存在改進(jìn)的空間以及改進(jìn)的出發(fā)點(diǎn)，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。

（四）布置內(nèi)容比較廣泛的課后論文

為了培養(yǎng)學(xué)生查閱資料、閱讀文獻(xiàn)的習(xí)慣，課后除了布置作業(yè)外，每個學(xué)期布置一篇議題范圍比較廣泛的小論文，如桁架橋的形式及演變過程，其內(nèi)容不易在一本書中直接找到，要求學(xué)生大量閱讀后進(jìn)行總結(jié)分析。

四、考核方式的改革

考核方式對學(xué)生的引導(dǎo)起很大的作用，結(jié)合上述教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的變化，考核方法也做了相應(yīng)改變。

首先，將學(xué)期成績組成由傳統(tǒng)的主要由期末考試決定，轉(zhuǎn)變?yōu)橛煽荚嚭推綍r各項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容評分綜合決定，內(nèi)容包括考試、課堂討論、課后作業(yè)與論文、論壇討論等，在學(xué)期開始即將考核的方法、內(nèi)容在學(xué)生中公布，便于學(xué)生控制學(xué)習(xí)進(jìn)度。

其次，考試題目設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)的概念敘述、計(jì)算方法與流程應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ虇栴}的解決，在解決問題過程中自主決定應(yīng)用什么原理、如何應(yīng)用。表6列出剛性橫梁法計(jì)算橫向分布系數(shù)考題設(shè)計(jì)的變化。

五、小結(jié)

畢業(yè)生工程創(chuàng)新能力不足是目前我國工程教育中普遍存在的問題。就橋梁工程教學(xué)而言，以往的不足之處在于將工程問題過于科學(xué)體系化，脫離工程實(shí)踐的特點(diǎn)。筆者針對這一問題，提出盡量遵循工程特點(diǎn)的總體教學(xué)改革思路，將教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到現(xiàn)有橋梁設(shè)計(jì)與施工方法的形成過程上。通過講課、討論、課后幫助等方法培養(yǎng)學(xué)生的思考能力，通過注重工程思維的考核方式引導(dǎo)學(xué)生注重思考，逐漸培養(yǎng)創(chuàng)新能力。