新工科理念下橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程改革研究

姚小俊

河北工業(yè)大學土木與交通學院 天津 300401

實用性、交叉性和綜合性是“新工科”較傳統(tǒng)工科的特征。土木工程中各學科分支均為理論和實踐性很強的學科。互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能飛速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)的土木工程迎來了學科的升級改造與人才培養(yǎng)在創(chuàng)新型與復(fù)合型方向的提升[1]。學科體系的提升以課程改革為支撐，高校課程如何利用以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心的新興產(chǎn)業(yè)進行交叉融合，成為“新工科”導(dǎo)向下的關(guān)鍵所在，本文主要探討橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程的教學改革模式。

1 橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程性質(zhì)

橋梁結(jié)構(gòu)試驗是土木工程、橋梁工程等專業(yè)的重要專業(yè)必修課。改革開放30年，我國橋梁工程取得了舉世矚目的成就。橋梁工程是一項綜合性技術(shù)，其取得的巨大成就與先進的設(shè)計、施工、材料技術(shù)密切相關(guān)，同時也離不開試驗技術(shù)的進步。橋梁工程的發(fā)展由大規(guī)模的建設(shè)階段轉(zhuǎn)入建設(shè)與運維養(yǎng)護并重階段。橋梁結(jié)構(gòu)試驗不僅在驗證新理論、新工藝方面起著至關(guān)重要的作用，在新建橋梁質(zhì)量評定、已有橋梁承載能力評定和狀態(tài)評估等方面也是必不可少的手段[2]。

橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程教學的目的是培養(yǎng)學生在試驗方法和技術(shù)方面的理論能力，在試驗儀器設(shè)備使用方面的操作能力，在實際工程應(yīng)用中的試驗方案設(shè)計和數(shù)據(jù)分析能力，以及在大型橋梁結(jié)構(gòu)試驗中的團隊協(xié)作能力，從而培養(yǎng)學生綜合的科學素養(yǎng)與工程認識。

2 橋梁結(jié)構(gòu)試驗教學面臨的問題

隨著信息化和智能化腳步的加快，傳統(tǒng)的土木行業(yè)在不斷轉(zhuǎn)型和升級。在新工科建設(shè)背景下，傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程教學已無法滿足經(jīng)濟社會對高質(zhì)量工程技術(shù)人才的需求。橋梁結(jié)構(gòu)試驗應(yīng)側(cè)重于工程實踐能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，對該課程教學的改革勢在必行。目前，傳統(tǒng)的教學主要存在以下三方面的不足：

2.1 教學內(nèi)容涉及面廣，新技術(shù)新知識更新速度快

橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程教學的內(nèi)容主要包括橋梁試驗用儀器設(shè)備、橋梁現(xiàn)場靜載試驗與實際承載能力評定、橋梁自振特性參數(shù)與動力反應(yīng)測定、模型試驗、橋梁結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)等方面。作為一門“理論+實踐”型課程，試驗操作不可或缺，包括機械式測量儀器的使用、電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)、結(jié)構(gòu)靜載試驗、結(jié)構(gòu)振動測試試驗、無損檢測儀器設(shè)備的使用等項目。

橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程雖然一般課時量較少，但該課程涵蓋了結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)動力學、橋梁有限元軟件建模以及橋梁測試儀器原理等方面豐富的理論知識和軟件技能。不僅如此，人工智能和大數(shù)據(jù)飛速發(fā)展的背景下，智能測試儀器設(shè)備和新的數(shù)據(jù)分析方法層出不窮，信息化和智能化的進步加強了學科之間的交叉融合。為了緊跟學科前沿，課程教學需要在有限的課時內(nèi)兼顧基礎(chǔ)理論的夯實和新型儀器設(shè)備和試驗方法的拓展。

2.2 教學形式較為單一，學生在理論教學中參與度低

目前，橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程的教學分為課堂講解的理論教學和實驗室操作的實踐教學。理論課程教學以傳統(tǒng)的教師課堂講解為主，在“理論+實踐”型課程中的教學形式較為單一。由于課程內(nèi)容較多且具有一定的難度，學生存在畏難情緒，難以激發(fā)學生的興趣；課堂教學注重知識的傳授，缺乏與學生的互動，導(dǎo)致學生參與度低；理論教學與試驗操作之間的關(guān)聯(lián)度低，使得理論教學部分僅包含純理論內(nèi)容，加大了學生對試驗操作的理解難度。

2.3 試驗場地具有局限性，與工程實際情況存在差距

實驗室條件能夠滿足橋梁結(jié)構(gòu)試驗中的應(yīng)變片粘貼及應(yīng)變測量、無損檢測等小型試驗。然而，橋梁靜、動載試驗一般為現(xiàn)場試驗，實驗室條件無法滿足。大型橋梁的現(xiàn)場測試雖然項目眾多，但測試時間不固定，且危險系數(shù)高、綜合性強，不宜選為本科生的教學場地。因此，試驗課程的教學僅能通過課堂教學以及有限的實驗室條件實現(xiàn)，這與實際工程需求相差較大。

3 橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程教學改革思路

“新工科”建設(shè)的任務(wù)主要是提高高校畢業(yè)生的學用結(jié)合的能力。在新興產(chǎn)業(yè)蓬勃興起、傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的背景下，橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程的教學內(nèi)容應(yīng)緊跟科技和工程前沿，防止內(nèi)容過于陳舊。教學形式和實踐方式的改革應(yīng)將著力提升學生的創(chuàng)新能力、工程應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)作為出發(fā)點。

3.1 構(gòu)建完備教學體系

將教學內(nèi)容細化分類的方式有助于提高學生的接受能力。首先，構(gòu)建包括原理型、操作型和應(yīng)用型理論的類別化知識體系。橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程涉及橋梁工程、結(jié)構(gòu)動力學、儀器設(shè)備原理等原理型知識，儀器設(shè)備選取方法和使用操作方法等操作型知識，以及《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》和《公路橋梁技術(shù)狀況評價標準》等現(xiàn)行最新規(guī)范的應(yīng)用方法、橋梁竣工試驗和橋梁承載能力評定案例的工程實現(xiàn)等應(yīng)用型知識[3]。其次，建立基礎(chǔ)知識和前沿科技兩大知識模塊。對智能傳感技術(shù)、人工智能檢測技術(shù)、信息化技術(shù)和高新試驗技術(shù)等前沿科技動態(tài)更新到教學內(nèi)容中。最后，從工程應(yīng)用的需求出發(fā)，以掌握橋梁試驗和測試技能為導(dǎo)向，將教學內(nèi)容層次化為重點非難點、重點難點和非重點內(nèi)容，以便合理安排教學課時，加強重點難點內(nèi)容的教學。

3.2 豐富理論教學形式

為了使課堂教學更加生動形象，對于經(jīng)典的理論可借助動畫或者視頻的形式進行講解；對于單個類型的試驗，例如風洞試驗和振動臺試驗，可將實驗室錄制的教學視頻應(yīng)用在課堂教學中；對于大型橋梁現(xiàn)場靜、動載試驗可利用已有科研項目進行視頻錄制，使學生對儀器設(shè)備的布設(shè)和試驗流程有身臨其境的體會。此外，理論教學內(nèi)容不應(yīng)為單純的理論教學，應(yīng)將實踐內(nèi)容融合到理論教學的過程中。例如：可借助實物對儀器的原理和操作進行講解，甚至可提供課堂動手操作環(huán)節(jié)，達到提升學生興趣和參與度的目的。進一步，以實際研究項目為例，用學生分組的形式進行現(xiàn)場靜載試驗和動載試驗的設(shè)計，切實做到“學以致用”[4]。

3.3 創(chuàng)新實踐教學方式

在實踐環(huán)節(jié)中，大型綜合的全橋靜、動載試驗是難以實現(xiàn)的。對實踐教學的改革，可采用“模擬試驗”法。利用錄制已完成的大型橋梁現(xiàn)場靜、動載試驗視頻作為教學項目，在學生觀看視頻的過程中，指導(dǎo)學生以測試現(xiàn)場視角對試驗現(xiàn)場布置、儀器布設(shè)以及試驗流程進行總結(jié)，并提供已完成項目的測試數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學生對測試數(shù)據(jù)進行分析，并給出試驗結(jié)論。此外，充分利用實驗室條件，建立帶有移動車輛加載的實橋縮尺模型，實施傳感器布設(shè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等試驗過程，提高學生的實踐能力和綜合運用能力[5]。

結(jié)語

新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟社會環(huán)境下，對人才的工程實踐能力和創(chuàng)新能力需求大大增加。結(jié)合“新工科”建設(shè)的目標，對“橋梁結(jié)構(gòu)試驗”課程的改革進行了探索，提出了構(gòu)建完備的教學體系，包括構(gòu)建原理型、操作型和應(yīng)用型理論的類別化知識體系，建立基礎(chǔ)知識和前沿科技兩大知識模塊，以及層次化重難點教學內(nèi)容；豐富理論教學形式，采用試驗視頻、儀器實物進行輔助課堂教學，利用實際項目進行學用結(jié)合；創(chuàng)新實踐教學方式，通過實際工程項目的試驗視頻和試驗數(shù)據(jù)，模擬試驗過程與數(shù)據(jù)分析，建立實橋縮尺模型，提高學生的實踐能力和工程應(yīng)用能力。