橋梁建造專業課程教學改進探討

施 洲， 張 瑩， 楊 逸， 趙旭潑

（西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610000）

橋梁建造是橋梁從規劃設計藍圖到完成全部現場施工且形成實物的關鍵環節，也是橋梁全壽命周期內風險最高的環節之一，并直接影響橋梁的長期服役質量。近年來，橋梁在施工過程中事故頻發，如天津南環臨港鐵路因整橋換枕作業時的不規范操作，導致橋梁垮塌而引發的鐵路交通較大事故，造成8人死亡、1人重傷和5人輕傷；貴州小尖山大橋［1］和福建廈門同安灣大橋［2］在建造過程中也都因支架坍塌造成人員傷亡和經濟損失。無獨有偶，在國際上，如新加坡銜接樟宜東路和泛島高速的高架橋部分結構坍塌、美國邁阿密一座在建天橋坍塌等［3］，層出不窮的橋梁施工事故背后，反映了施工技術人員未達到橋梁施工對技術和管理方面的嚴格要求。

既有橋梁的病害檢測工作表明，很多病害及劣化與施工息息相關。隨著我國經濟的發展，橋梁建設正在向大跨度、輕質等方向發展，對施工技術的要求越來越高，需要更多一線從事施工、基礎理論扎實的技術人才。橋梁建造作為本科土木工程專業課程中一門實踐性極強的課程，涵蓋橋梁施工中各種施工技術與工藝、施工組織管理等基本知識，傳授國內外橋梁施工新技術、新方法和新機具等，以培養學生的專業技能。可以說，課程的教學質量對土木工程專業學生的專業素質培養和工程實踐能力提升都產生了重要影響［4］。然而，橋梁建造課程內容龐雜、知識點分散和理論跨度大，且實踐性和綜合性較強，目前的課堂教學手段很難解決現存問題，尚難達到預期教學目的，課程教學改革仍需進一步深化研究。

針對專業課程課堂教學中存在內容枯燥、效果差等問題，很多教師針對教學方法、教學內容、虛擬仿真技術等展開了深入研究。教學方法方面，吳金榮［5］采用多媒體教學與傳統教學相結合、換位教學等方法來調動學生積極性；黃海東等［6］采用逆序“3W”教學法改變傳統橋梁施工課程教學模式，提升了課堂內容的真實性及趣味性；鄒云峰等［7］對案例教學法在橋梁施工課程中的運用展開討論，顯著增強了學生對課程內容的關注度，以及對專業知識的接受度。教學內容方面，2010年國家啟動了“卓越工程師教育培養計劃”，要求注重對復合型人才的培養，如朱勁松［8］結合“卓越工程師教育培養計劃”的三層次培養標準，對橋梁施工課程教學內容進行了調整和優化，強化了學生對課程內容的理解與掌握；朱大宇等［9］提出加大實踐教學內容，整合共享課程資源，為將卓越工程師培養計劃落到實處提供參考。在現代信息技術蓬勃發展的背景下，虛擬仿真等新技術在工程領域推廣迅速。唐咸遠等［10］基于互聯網+、BIM 技術、GNSS 等新技術發展，開展相關新技術教學，促進了產學研結合；王浩等［11］對道路橋梁工程施工課程推進虛擬仿真實驗教學改革進行研究，將課程內容轉換為虛擬現場，提升了教學效果。

既有相關工程施工的教學改革研究工作已經取得良好進展，在其基礎上，針對橋梁建造課程教學建設現狀，以提高學生的實踐能力和工程應用能力為指向，分析傳統課堂教學模式存在的具體問題，借助多媒體、虛擬仿真實驗等工程實踐平臺，討論教學方法與內容，改進教學理論與實踐，并以橋梁支架施工課程教學內容為例進行驗證。

一、課程教學面臨的問題

（一） 課程內容覆蓋面廣、知識點分散

橋梁建造課程涉及的學科體系如圖 1 所示。從課程所需學科理論基礎來看，橋梁建造涉及結構力學、材料力學、巖土力學等學科；從專業學科發展角度來看，橋梁建造涉及橋梁工程、基礎工程等學科。在各類橋梁建造工藝中，橋梁建造還涉及相鄰學科如工程地質、施工機械等課程。可見，橋梁建造是一門多學科交叉融合、理論跨度大、綜合性強的課程，具有內容涉及面廣、知識點分散等特征。對于基礎薄弱的學生而言，存在專業基礎知識補缺或整合的困難，易降低其學習的興趣與積極性。

工程施工的實踐性，需要橋梁建造進行結構檢測和試驗，這要求學生具有較好的動手能力。一方面，學生欠缺試驗等實踐性強的內容鍛煉，易失去學習動力；另一方面，在課程教學中，教師難以在課堂上全面、系統地展示工程實踐細節，導致教學效果不高。此外，橋梁建造還涉及設計規范、施工規范及指南等要求，其背后的理論及工程經驗等難以被詳細指出，降低了學生對知識點的接受及理解能力。結合橋梁工程實踐，橋梁的跨徑、橋型、細部構造等因所處橋址環境、建造要求不同而存在差異，且隨著施工技術的發展，不同橋型、不同構件的施工方法日趨多樣化，涉及的施工方法和知識點越來越多，且較為分散，都加大了課程教學的難點。

圖1 橋梁建造課程學科體系

（二） 課程教學方式設置不合理

橋梁建造課程是一門理論與工藝實踐緊密結合的課程，但限于現實條件，大部分高校教學仍以教室內理論介紹為主，現場實踐教學極少。橋梁建造課程內容中涉及施工工藝的周期普遍較長，長達數月甚至數年，導致學生實習時只能了解到某些時刻的工況，很難知悉施工全過程。如在教學橋梁懸臂施工法時，由于懸臂施工工期長約1-2 年，在校企學習實踐時都無法實現施工全過程認識，學生只能通過教師課堂上的圖片、動畫、視頻等課程資料，結合自身三維想象力對課程進行理解，常處于被動接受知識的狀態，總體學習效果并不好。此外，懸臂等施工方法的各工序間環環相扣、緊密連接，各工序間又有可替代方案，教學內容錯綜復雜，僅靠教師單向對學生灌輸知識，則容易出現對施工環節理解的偏差、漏聽和錯聽等問題，難以較好地理解相關知識，增加了學習難度。

橋梁建造課程設有不同工序結構和施工方法的教學內容，基于當前遵循厚基礎、寬口徑的教學理念，拓寬了課程知識面，壓縮了各知識點講授的課時［12］。然而，當前教學方式相對簡單和枯燥，盡管強化了學生機械式記憶，但難以激發學生的主觀能動性和學習興趣。此外，相比施工現場技術與機具的不斷發展，教材內容更新相對較慢，前沿施工技術教學也僅限于部分課件，不利于學生課前預習和課后復習。總之，當前教學方法實踐上還存在多方面受限，使學生難以將理論與實踐相結合，存在對專業知識一知半解的情況，無法滿足畢業后橋梁建造工程對施工技術人才的需要。

（三） 課程實踐環節的局限

課程實踐環節，一般會安排學生前往工地進行實習，現場了解橋梁施工過程。由于橋梁項目工期普遍較長，現場實習時間相對較短，導致無法跟進每個施工階段，更不能覆蓋不同橋型和施工工藝，即課程與實踐無法同步。如在安排現場實習時，工地正在進行下部基礎施工的基坑開挖，學生僅能接觸到該階段的部分項工程施工，無法全面了解把握整個項目的施工過程和各道工序。另外，實習學生人數眾多，難以精細化管理，加上工地現場的高危險性，致使實習時間過短、頻次低，學生無法真正融入工程實踐，對橋梁施工工藝缺乏直觀認識。在此條件下，學生現場實習對工程認識具有偶然性，碎片化的知識不利于學生形成整體學習框架；課程實踐環節嚴重薄弱、效果低，難以形成從理論到實踐、再從實踐到理論的全過程教學模式。

二、課程教學探討

基于橋梁建造課程教學現狀，從課程體系優化、知識點分類歸納、多媒體資源應用、施工現場信息系統及虛擬仿真平臺使用等方面進行課程教學改進討論。

（一） 課程體系優化及知識點分類歸納

基于橋梁建造課程內容覆蓋面廣、知識點分散的特點，對知識結構體系進行優化處理，將課程內容分為緒論、施工設備與基本作業、基礎施工、墩臺塔施工、支架施工、懸臂施工、大件轉移施工、BIM 信息化施工、施工控制等部分，各部分選取最為代表性的工藝流程作為主體內容進行教學。以懸臂施工為例，理順其每道工序間的主要關系，準確選擇各工序所用到的材料、機具、施工方法及施工組織，對繁雜內容進行簡化和取舍，指出實際懸臂施工中的運作原理、所需的共性設備（如掛籃）和基礎工藝流程（如掛籃前移、澆筑混凝土、張拉預應力），以及懸臂施工的內力變化情況等重點教學內容。對懸臂施工等工藝的發展歷程、掛籃種類等內容進行簡化教學，組合相似或相近的施工方法等內容，減少學生學習難度。此外，補充如組合式異步施工掛籃等懸臂施工的新技術、新工藝、新材料等知識點，幫助學生開拓知識面、激發學習興趣和培養創新意識。

（二） 多媒體資源課件設備的應用

鑒于實習等工程實踐的局限性和教材內容準確表述的困難，充分利用新技術設備在課堂上展示尤為必要。如圖 2-3所示，在課件PPT 中加入典型的施工機械設備、操作過程和施工結構實物等現場圖片，以精簡的施工動畫及實際施工視頻給學生最直觀的感受和感性認知。目前來看，對實際工程案例等多媒體資源的應用是解決課程教學呆板、枯燥等問題的主要手段。

除了線下課堂的改進，線上資源也應充分利用。MOOC 是目前最具有影響力的在線開放課程平臺［13］，具有控制視頻播放速度、隨時暫停和回放等視頻功能，可以滿足學生查漏補缺及個體差異化的學習需求。借助MOOC 平臺豐富的教學資源，學生隨時隨地可以利用課余時間進行課程預習和復習。

圖2 現場圖片

圖3 工程動畫

（三） 施工信息系統與虛擬仿真平臺的引入

雖然深入施工現場教學能夠事半功倍，但是由于多種現實因素的約束，無法實現全課程現場教學。隨著信息技術的發展，施工現場信息化平臺如實時監控系統、BIM 信息系統等得到越來越廣泛應用，當前施工現場的視頻、圖片、關鍵工序等記錄資料，以及相關新材料、新技術、新工藝等現場應用視頻越來越多，且質量越來越好。在橋梁建造課程教學中，將相關施工信息化平臺庫中的現場施工視頻、圖片等（圖 4）靈活引入課堂教學，使教學知識與工程現場接軌，實現理論知識與實踐課程緊密結合，不僅為學生提供現場實景及工作景象，開闊眼界、增加專業知識，也能夠更新教師自身的知識體系，及時跟蹤獲取施工現場信息與資料，將課堂與工地信息深度融合并交互學習，可有效提升教學效果。

此外，虛擬仿真實驗提供了近似工地的實習平臺，具有人機交互、智能化的特點［14］，可實現以技術人員身份進入施工模擬現場，讓學生完成設計施工方案和施工組織設計，并根據施工流程進行施工實驗操作（圖 5）。虛擬仿真實驗平臺提供三維可視化的施工現場與施工過程，既有新鮮感，也有挑戰性，提高了學生解決實際問題的能力，激發了學生的知識求知欲和探索欲，并大大降低了現場施工周期長的限制，以及現場學習帶來的安全隱患，很大程度解決了實訓時間不充足、實踐教學無法全面貫穿課程等難題。

圖4 現場施工記錄信息

圖5 虛擬仿真系統界面

三、橋梁支架施工課程教學實例驗證

（一） 課程教學過程驗證

課堂講授。在課堂教學中，以橋梁支架法施工為例，首先用支架垮塌事故視頻吸引學生的注意力（圖 6），引發學生對支架施工重要性的思考。其次，對橋梁支架法施工的知識點進行細分梳理（圖 7），為突出重點，教學中可先主要介紹支架現澆法的特點、工序及受力特性等，并在其基礎上介紹不同支架法施工技術和支架形式，讓學生了解不同支架法施工的優缺點，進而增強對橋梁支架施工的理解。用典型圖片和視頻展示不同支架法施工的構件、連接方式、機具及施工步驟等，加深學生的直觀認識和印象。最后，引入工程案例背景，與學生進行課堂互動，借助設計資料比較各支架法施工的合理性，來判斷最適合的施工方法，進而培養學生的知識應用能力。

要求學生借助MOOC 平臺進行預習和復習。教師通過在MOOC 平臺上傳支架施工的相關課件及施工視頻供學生預習和復習，幫助對支架施工知識有困惑的學生更好理解和實現知識鞏固。另外，鼓勵學生在網上搜索相關視頻、圖片等資料，以便能自主學習和拓寬知識面。在交流區與學生進行互動并答疑，了解學生對知識點的掌握情況，并針對性提出改善建議和方法。

虛擬仿真平臺練習。在虛擬仿真實驗平臺進行上、下行式移動模架現澆法等支架法施工的練習，深入了解每個施工工序，學習整個施工過程和掌握其涉及的材料、工具、設備等。如進行下行式移動模架現澆法的施工練習，學生可按照支座安裝—模架就位調試—底、腹板鋼筋綁扎—內膜安裝—頂板鋼筋綁扎—砼澆筑、養生—預應力張拉—移動模架過孔、合龍等施工順序來模擬橋梁施工，練習結束后系統會根據學生的操作給出評分，方便學生找出問題并及時改正，進而加深學生的理解，鍛煉學生的實際工程技術應用能力。

圖6 支架垮塌事故

圖7 橋梁支架法知識點

課程設計。課程設計能夠系統鍛煉學生對支架施工的理解、分析計算能力及創新性，培養學生解決實際問題的能力。在該部分課程結束后，可布置簡支梁支架設計的課程任務，以多跨簡支梁案例為對象，根據支架特點讓學生進行支架結構設計、支架計算分析、預算成本等，并論證不同施工方案的優缺點及其合理性，最后完成相應的圖紙繪制（圖8）。

圖8 課設成果

（二） 教學效果分析

本次課程教學實施于2021—2022 學年，授課對象為土木工程專業學生，共計38 人。為檢驗橋梁支架施工課程中相關內容的教學效果，通過線上線下的課堂表現和考試，以及課程設計對教學目標達成度情況［15］進行分析，共設置以下6個課程目標（表 1）。各課程目標的評價值為：

式中，i=1-6。其中，B1i為平時成績的評價依據；B2i為課程設計的評價依據；Di為考試的評價依據；αi為成績比例；P1i為平時成績的平均成績；P2i為課程設計的平均成績；Ki為課程設計的平均成績。各課程目標的達成度見表 1。

由表 1 可見，課程目標最高達成度為0.896，最低達成度為0.864。課程目標總體達成度C=∑ci×αi，C= 0.05c1+ 0.10c2+ 0.15c3+ 0.20c4+ 0.25c5+ 0.25c6= 0.879，總體達成情況較好。課程目標1-6達成度均大于預期的0.80，各目標達成度差距不大，達成情況較均衡。其中，課程目標5的達成度為0.864，為最低值，應進一步加強課程目標5的教學，即加強不同支架施工方法的對比分析。

表1 課程目標及成績比例表

通過橋梁支架施工課程內容分析發現，在突破傳統課堂教學后，學生學習效果得到顯著提升，并拓寬了知識面和研究視野。通過利用虛擬仿真實驗、完善課程內容和改進教學方式，加深了學生對工程實踐的感性認識，使學生對橋梁施工的印象不再停留于表層，提高了學生學習的主動性和積極性，教學效果也可達到預期目標。另外，相關教學方法也得到初步驗證，可為相近課程教學的優化和改進提供參考。

四、結語

橋梁建造因其課程的特殊性，存在課程多學科交叉、內容覆蓋面廣、知識點分散等特點；在教學中受現實條件約束，存在課程教學方法單一、課時少、內容滯后、實踐環節薄弱等現實困難。針對教學現狀，梳理課程典型知識，突出實際施工項目中的工程原理與共性設備、基礎工藝流程、受力變化等內容，并將其作為教學重點，拓寬學生認知范圍。針對橋梁支架施工課程內容，精準把握相關知識點，利用多媒體資源，通過展示現場圖片和視頻、施工動畫及實際工程案例對學生進行知識點講解；通過MOOC 平臺要求學生進行課程章節的預習和復習，以及師生交流互動，并借助虛擬仿真實驗平臺，將抽象內容進行三維可視化，有效提升了教學效果和學生解決實際工程問題的能力。支架施工課程教學目標達成情況表明：學生顯著提升了學習效果，拓寬了知識面和學術視野，提高了學生學習的主動性和積極性；教學效果基本達到預期目標，相關教學方法也得到初步驗證，可為相近課程教學優化和改進提供參考。