土木工程專業(yè)本科課程《橋梁抗震與抗風(fēng)》教學(xué)方法探討

劉福壽 董峰輝

摘要：《橋梁抗震與抗風(fēng)》是土木工程專業(yè)一門理論性很強(qiáng)同時(shí)又緊密結(jié)合工程實(shí)踐的課程。作者結(jié)合自身的教學(xué)工作，通過(guò)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)現(xiàn)狀、教學(xué)方法改進(jìn)等方面對(duì)本課程的教學(xué)方法進(jìn)行探討，以進(jìn)一步提升本課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：橋梁抗震與抗風(fēng);教學(xué)方法;案例教學(xué);實(shí)踐環(huán)節(jié);課程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）41-0188-02

一、引言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，我國(guó)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面取得了飛速的發(fā)展。橋梁結(jié)構(gòu)作為交通基礎(chǔ)設(shè)施中的樞紐工程，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)和保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全中起到至關(guān)重要的作用。然而，近年來(lái)地震與風(fēng)災(zāi)導(dǎo)致的橋梁結(jié)構(gòu)破壞時(shí)有發(fā)生，2008年汶川大地震造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，橋梁的安全直接關(guān)系到整個(gè)交通生命線的暢通與否，進(jìn)而直接影響抗震救災(zāi)和災(zāi)后重建工作的大局[1]，2018年即將通車的港珠澳大橋就經(jīng)受了17級(jí)臺(tái)風(fēng)“山竹”的考驗(yàn)。因此，對(duì)于現(xiàn)代的橋梁設(shè)計(jì)師和工程師而言，掌握一定的橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)的理念和方法十分必要。

《橋梁抗震與抗風(fēng)》課程是培養(yǎng)橋梁設(shè)計(jì)師的一門必修課程，本課程的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生今后從事橋梁結(jié)構(gòu)的抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)及相關(guān)施工工作具有重要意義[2]。由于本課程理論性強(qiáng)，同時(shí)又緊密聯(lián)系工程實(shí)踐的特點(diǎn)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生基本上很難單純依靠課本上的理論知識(shí)來(lái)了解抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)的細(xì)則和掌握具體的計(jì)算方法。這就要求主講教師具備相當(dāng)?shù)氖谡n技巧，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和思考能力，使他們真正掌握橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)的要領(lǐng)。鑒于本課程的上述特點(diǎn)，為了更好地提高教學(xué)質(zhì)量，我們有必要在傳統(tǒng)教學(xué)方法上進(jìn)行一些思考和改進(jìn)。筆者根據(jù)自身的教學(xué)經(jīng)歷，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)現(xiàn)狀、教學(xué)方法改進(jìn)等方面對(duì)本課程的教學(xué)方法進(jìn)行探討。

二、教學(xué)目標(biāo)

《橋梁抗震與抗風(fēng)》作為土木工程專業(yè)（交通土建工程方向）的一門專業(yè)課程，是培養(yǎng)橋梁設(shè)計(jì)師和工程師的必修課程，該課程包含理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、橋梁工程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等一系列專業(yè)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，是一門理論性很強(qiáng)的專業(yè)課程。

本課程首先要求學(xué)生掌握地震基本知識(shí)、橋梁震害的特點(diǎn)、橋梁抗震與抗風(fēng)的基礎(chǔ)知識(shí)、計(jì)算理論和分析方法，其次要求學(xué)生掌握橋梁抗震與抗風(fēng)的發(fā)展歷程與最新研究成果，熟悉橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范，初步具備橋梁結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)的能力，在提出解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)或環(huán)境下橋梁抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)有創(chuàng)新意識(shí)。

三、教學(xué)現(xiàn)狀

（一）課程理論較深，學(xué)生感覺(jué)難學(xué)

《橋梁抗震與抗風(fēng)》課程以結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，綜合了橋梁工程、力學(xué)、地震工程和風(fēng)工程等多個(gè)學(xué)科的理論知識(shí)。專門從事橋梁抗震與抗風(fēng)的研究人員需要掌握結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模、偏微分方程求解、有限元分析以及數(shù)值計(jì)算等多種分析方法和計(jì)算手段。作為一門本科生的專業(yè)課程，《橋梁抗震與抗風(fēng)》理論較深，而通常學(xué)時(shí)又相對(duì)較少，導(dǎo)致學(xué)生覺(jué)得自己在很短的時(shí)間內(nèi)“被灌輸”了大量理論知識(shí)，感覺(jué)“這門課程很難學(xué)”，失去了學(xué)習(xí)的信心和興趣，影響了教學(xué)效果。

（二）學(xué)生理論與實(shí)踐結(jié)合不夠

《橋梁抗震與抗風(fēng)》不僅理論性強(qiáng)，同時(shí)又是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。本課程培養(yǎng)目標(biāo)中的重要一條就是要讓學(xué)生具備橋梁結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)的能力。但是，由于本課程理論深、學(xué)時(shí)少，課堂上教師要將大部分學(xué)時(shí)放在基本原理和方法的講解上。盡管有一些工程案例的講解，但學(xué)生參與實(shí)踐的程度不夠，缺乏獨(dú)立進(jìn)行橋梁抗震抗風(fēng)計(jì)算與設(shè)計(jì)的鍛煉，導(dǎo)致學(xué)生很難單純依靠課本上的理論知識(shí)來(lái)理解和掌握抗震與抗風(fēng)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)和完成相關(guān)計(jì)算，難以達(dá)到獨(dú)立進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)的要求。

四、教學(xué)方法改進(jìn)措施

（一）明確教學(xué)目標(biāo)，把握教學(xué)重點(diǎn)

本課程涉及橋梁抗震與抗風(fēng)計(jì)算中的許多理論推導(dǎo)過(guò)程，且計(jì)算公式較為復(fù)雜，對(duì)于本科生來(lái)說(shuō)，短時(shí)間內(nèi)完全掌握十分困難。因此，在教學(xué)過(guò)程中需要明確教學(xué)目標(biāo)，把握教學(xué)重點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，首先是注重學(xué)生對(duì)基本概念和基本原理的理解和掌握。以橋梁抗震設(shè)計(jì)計(jì)算中反應(yīng)譜法為例，從單自由度體系的振動(dòng)方程出發(fā)，將反應(yīng)譜的推導(dǎo)過(guò)程作為基本原理重點(diǎn)講解，使學(xué)生能夠準(zhǔn)確地理解和掌握反應(yīng)譜的概念和反應(yīng)譜法的基本原理。又例如，橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)涉及顫振、馳振、抖振和渦激振動(dòng)幾個(gè)比較相似的概念，在教學(xué)中教師宜從原理出發(fā)，深入地剖析這幾個(gè)概念之間的區(qū)別與聯(lián)系，加深學(xué)生的理解，不至于使學(xué)生混淆概念。其次，在講課過(guò)程中注重書本知識(shí)與抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范之間的聯(lián)系。這樣既能使學(xué)生以書本理論為基礎(chǔ)，更好地理解設(shè)計(jì)規(guī)范中的具體細(xì)則，又能使學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)一步明確學(xué)習(xí)書本理論知識(shí)的重要性，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）增加案例式教學(xué)的運(yùn)用

橋梁抗震與抗風(fēng)課程分為兩大部分，一部分是基本理論和計(jì)算方法，另一部分則是圍繞實(shí)際工程進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)和分析。由于該課程理論較難，傳統(tǒng)教學(xué)方法效果不甚理想。實(shí)踐結(jié)果表明，案例教學(xué)法更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性，提高課堂效率。在案例教學(xué)過(guò)程中，案例的選取至關(guān)重要，教師應(yīng)根據(jù)本課程的培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)目的，選擇既能體現(xiàn)相關(guān)專業(yè)知識(shí)，又能增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)、提高其分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的案例，分不同的階段引入課堂教學(xué)。

本課程案例主要有兩大類：一是實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的震害和風(fēng)毀破壞;二是實(shí)際橋梁抗震和抗風(fēng)設(shè)計(jì)的案例[3，4]。在介紹橋梁震害和風(fēng)毀案例時(shí)，采用圖片和視頻等方式為學(xué)生直觀地展示橋梁在地震和風(fēng)荷載作用下的各種破壞形式，并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)知識(shí)對(duì)不同震害的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析、討論，為學(xué)生營(yíng)造工程現(xiàn)場(chǎng)氛圍，啟發(fā)學(xué)生自主思考，激發(fā)學(xué)生的探索意識(shí)。在進(jìn)行實(shí)際橋梁抗震和抗風(fēng)設(shè)計(jì)的案例教學(xué)時(shí)，以實(shí)際橋梁的抗震設(shè)計(jì)為案例，從橋梁圖紙和地質(zhì)資料的讀取，到應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行實(shí)橋的模型建立、參數(shù)確定、邊界條件施加，以及地震荷載輸入等方方面面入手，使學(xué)生能夠較快掌握橋梁結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的一般性方法，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。另外，對(duì)于本課程中一些較為抽象的概念，宜采用圖像和視頻等方式進(jìn)行講解，使學(xué)生易于理解和掌握。例如，塔科馬大橋在風(fēng)振下的破壞視頻，可以讓學(xué)生很容易理解什么是橋梁顫振。

（三）增加學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)

針對(duì)本課程中學(xué)生參與實(shí)踐的程度不夠的問(wèn)題，首先建議增加課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，以實(shí)際工程為背景，讓學(xué)生進(jìn)行橋梁的抗震或抗風(fēng)設(shè)計(jì)。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生需要綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件、工程制圖軟件，與老師討論和交流設(shè)計(jì)方案，分工完成具體計(jì)算、施工圖繪制，以及設(shè)計(jì)說(shuō)明書的編寫等工作。課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不僅增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于軟件的運(yùn)用和規(guī)范的掌握，也加強(qiáng)了學(xué)生和老師之間、學(xué)生和學(xué)生之間的協(xié)調(diào)與合作，培養(yǎng)了學(xué)生的合作意識(shí)。

另外，建立與橋梁抗震抗風(fēng)有關(guān)的教學(xué)實(shí)習(xí)基地，提供學(xué)生認(rèn)識(shí)與實(shí)踐的機(jī)會(huì)。通過(guò)與橋梁設(shè)計(jì)、施工以及橋梁設(shè)備制造企業(yè)合作，建立橋梁抗震與抗風(fēng)教學(xué)實(shí)習(xí)基地，使學(xué)生能夠更多地接觸到橋梁在設(shè)計(jì)、施工以及設(shè)備制造過(guò)程中與抗震和抗風(fēng)有關(guān)的細(xì)節(jié)和實(shí)物，真正做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。

五、結(jié)語(yǔ)

《橋梁抗震與抗風(fēng)》是土木工程專業(yè)一門理論性很強(qiáng)，同時(shí)又緊密結(jié)合工程實(shí)踐的課程。在教學(xué)過(guò)程中存在理論較深、學(xué)生難學(xué)，以及學(xué)生理論與實(shí)踐聯(lián)系不足的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者認(rèn)為首先應(yīng)該明確教學(xué)目標(biāo)、把握教學(xué)重點(diǎn)，提高課堂教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的效率;其次，通過(guò)增加案例式教學(xué)的運(yùn)用，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)、啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，提高其分析和解決問(wèn)題的能力;最后，建議增加課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在實(shí)踐中加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。

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