“橋梁檢測與加固”課程實驗教學改革探索

摘"要：本文針對目前“橋梁檢測與加固”課程實驗教學中遇到的問題進行了教學改革探索，從虛擬仿真實驗、實驗教學策略以及創新的評估方法等多個維度對教育教學方法進行了深度改革與研究。應用虛擬仿真實驗教學系統開展虛實結合仿真實驗，因其實驗進度可控制、一次性研發、可重復使用以及費用低等優勢，可有效解決實踐教學質量不高等問題，還可增強學生在進入現場前對具體構部件在工程空間位置關系的感知認識，了解橋梁工程檢測與技術狀況評價的規范化操作流程，實現提升學生的實驗操作能力、科研思維以及創新精神。

關鍵詞：橋梁檢測與加固；教學改革；虛擬仿真；實驗教學

一、概述

2021年，中共中央、國務院聯合印發的《國家綜合立體交通網規劃綱要》［1］明確提出了加快推進綠色低碳發展，交通領域二氧化碳排放盡早達峰，以實現交通與自然之間的平衡發展。在應對“雙碳”背景下，“智慧交通、智能交通和碳中和與道路養護綠色低碳”等新技術不斷涌現，如橋梁智能檢測、橋梁信息化模型和數據挖掘一體的創新解決方案，以及橋梁運維保障、橋梁故障診斷與風險預警等技術正在逐步推進智能化養護。因此，各大高校也開始逐漸關注“橋梁檢測與加固”課程，重視實驗教學的設計。“橋梁檢測與加固”不僅是力學、數學、傳感系統、信號處理等多個技術分支的交匯領域，而且還需要在理論層面上進行深度研究和強調實際應用［23］。然而，當前“橋梁檢測與加固”的實驗教學模式面臨知識面廣泛、檢測儀器多樣、技術復雜和綜合性強等挑戰，傳統的實驗方法已經不能滿足工程應用的需求，因此迫切需要對課程實驗教學模式進行改革，以適應新形勢的要求。

二、課程現狀以及存在的問題

內蒙古農業大學能源與交通工程學院為道路橋梁與渡河工程專業的大三學生開設了“橋梁檢測與加固”課程。該課程要求的先修課程涵蓋了“高等數學”“結構設計原理”“理論力學”“材料力學”“結構力學”“道路建筑材料”和“橋梁工程”等專業課程。這門課程的核心內容是使學生熟悉和掌握橋梁的常見問題、基礎的橋梁診斷和評估手段以及日常的維護和加固方法。課程旨在讓學生對各種檢測設備的操作程序和操作技巧有深入了解，并主動探索新穎的檢測方法。該課程注重將已掌握的專業知識運用到現實的橋梁結構檢測任務中，目的是為學生日后在橋梁檢測、健康評估、維修加固和養護管理等方面奠定堅實的基礎［2］。本校這一門課程的總學時為32個學時，其中包括理論課程24個學時以及實驗部分8個學時。然而，由于實驗室設備不足以及部分指標的現場檢測困難等問題，比如橋梁承載力試驗具有高投入、耗時較長、學生參與度不高和實驗安全管理存在挑戰等，導致該課程實際教學效果不佳。另外，學生對于橋梁施工及其結構的基本理論了解不夠深入。盡管在課堂中使用了多媒體的教學手段，這些內容與他們的實際操作經驗和感知體驗之間仍然存在很大的脫節，這帶來了一定局限性。

現階段，本課程的評估標準主要是30%的平時成績和70%的期末考試，這樣的評價方法比較單調。期末筆試只能部分反映學生知識獲取情況，無法全面評估學生對課程知識的掌握和應用能力，也未能有效考查學生的實際操作能力［4］，這與學院培養應用型人才的目標存在較大差距，未能達到提升學生動手和實踐能力的預期目標。

三、教學改革方案

（一）虛擬仿真實驗

目前，“橋梁檢測與加固”課程覆蓋了包括橋梁動靜載試驗、橋梁無損檢測和橋梁長期監控等主要檢測手段。動靜荷載試驗基于荷載—響應關系，通過施加不同類型和大小的荷載，觀察橋梁結構的響應變化，從而得出結構的力學特性和安全性能［5］。動態與靜態載荷測試在理論方面比較嚴謹，但在實踐層面則相對較少。橋梁的無損檢測技術以及橋梁的健康監測是教學實驗課中不可或缺的部分，其實際應用能力相對更強。但是，由于大跨度橋梁的應力應變監控試驗經常需要大量時間、高昂成本，具有高操作風險，且受工程時長制約，所以很難進行實地試驗［6］。

通過應用三維仿真技術開發虛擬仿真實驗并模擬實驗全部流程，因其實驗進度可控、一次性開發、重復使用及費用低等優勢，可有效解決實踐教學質量不高等問題。在虛擬仿真的實驗環境中，創建針對動、靜載的虛擬仿真試驗和用于大跨度橋梁全生命周期內的安全監控，同時也能實施應變監測的仿真實驗項目。基于實際橋梁設計參數與實驗數據，可應用橋梁動靜載實驗的現場條件以及高度仿真的加載測試工具，實現在實驗室難以全面模擬的橋梁動靜載試驗仿真工作。在大跨橋梁的安全監控項目中，應變監控的模擬實驗主要依賴應變監測模擬實驗，同時實驗室的大跨橋梁模型作為輔助。此仿真實驗可讓學生有機會深入參與實際大跨橋梁的全周期應力應變監測實驗，掌握從方案設計、設備的布設和安裝到測點的安排，再到分步加載、數據評估、深入分析和最后的報告整理的全過程［78］。如下表所示，學生通過積極參與完整的模擬實驗教學，逐漸形成了以學生為中心、教師引導的教學模式，這一模式取代了傳統的“教師講、學生聽”的模式。這種教學方式不僅增強了學生的實踐能力，而且鼓勵學生積極參與、相互合作。通過虛實結合仿真實驗的教學方式，全面地培養學生的實驗操作能力、科學思維方法及創新能力。

通過實施虛擬仿真實驗平臺，不但實現了動靜載和應變監測實驗的仿真實驗，還為學生提供了完整的、實際參與“橋梁檢測與加固”的教學過程。這一舉措有效地增強了課程的實踐教學成果，并幫助學生的全面技能得到提升。

（二）實驗教學方法

圍繞教學目標和教學進度，“橋梁檢測與加固”課程實驗主要實施虛擬仿真實驗、現場實驗及檢測報告等三方面內容。學生通過橋梁技術狀況評定虛擬仿真實驗教學系統，學習虛擬仿真實驗、橋梁荷載實驗和應變監測實驗，實驗過程中統一組織安排學生現場完成簡支橋的外觀質量檢查及技術狀況綜合評定工作。

期末考核制訂完整的橋梁加固方案并完成橋梁檢測報告。如圖1所示，實驗成績綜合評估將從虛擬仿真試驗的考核成果、現場檢測表現和檢測報告質量等三個維度進行考核。

具體操作如下所示：

1.虛擬仿真實驗（以靜載試驗為例）

（1）理論知識。虛擬仿真教學平臺協助學生熟練掌握靜載試驗，其模型依據真實橋梁設計參數而定，且可選擇裝配式預應力砼空心板橋或連續預應力混凝土小箱梁橋進行仿真實驗。橋梁荷載試驗的主要目的是評估橋梁結構的承載能力、優化橋梁結構設計、驗證橋梁結構的安全性和可靠性以及指導橋梁養護與管理等工作。首先，學生在系統內選定待測橋梁參數。其次，學生通過虛擬仿真三維模型理解靜載試驗的工況及測試截面選定原則，試驗車輛軸重、軸距及輪間距，掌握橋梁設計荷載取值及內力影響線的布載原則。最后，學生完成其相應知識點的考核，考核內容包括了有限元法分析荷載作用下的內力計算、通過影響線設計測試截面的加載位置、靜載試驗效率計算等內容。

（2）測試設備布設。在虛擬仿真平臺的提示和幫助下，學生需了解試驗流程，掌握理論知識后，依據試驗設備熟悉和掌握傳感的布設和應變片的粘貼步驟。測試橋跨一般根據受力較大、外觀較差、加載及測試方便等原則選取。以裝配式預應力混凝土空心板梁為例，測試截面每片板梁底面布置2個應變測點，每跨12片梁，共布置24個應變測點；測試截面每片板梁底面布置1個撓度測點，每跨12片梁，共布置12個撓度測點。

（3）加載方案設計。以裝配式預應力混凝土空心板梁為例，測試試驗跨各控制斷面在最不利荷載作用下的應力（應變）、撓度（變形）及變形。根據規范選取模型橋梁的工況，本系統上部結構共設置了1個加載測試截面，其為跨中正彎矩最大（左、右偏載）。以跨中正彎矩最大截面為例，學生可參考影響線計算該測試截面的加載方案。

（4）加載組織實驗實施。加載方案設計完成后，虛擬仿真系統將進入加載測試模塊。根據加載位置的不同，所有的加載工況采用分級加載的方式進行。加載實施過程中，學生首先對跨中正彎矩最大截面進行測試，根據各加載程序及分級讀數需在加、卸載后各測讀一次，并在加、卸載穩定后再讀取穩定讀數。加、卸載過程中的多排多列加載車輛的合理順序將以三維動畫形式展現，可幫助學生更直觀地認知在橋上加載布設。卸載結束后，將跨中正彎矩最大截面的最不利效應進行等效換算，得到實驗荷載效率η。一般情況下，荷載效率接近于0.95～1.05之間，特殊情況加載至0.85～1.05之間。采用影響線加載的方法得到活載的內力包絡圖，活載采用極限抗拉強度對應的設計荷載。在控制內力或位移計算時，按規范規定計入汽車的沖擊系數為μ=0.45。試驗結果處理模塊將引導學生掌握包括校驗系數在內的核心參數，如溫度影響修正、支點沉降影響修正、測點變位與應變校驗系數、應變與撓度相對殘余等。

（5）試驗數據整理及分析。學生完成所有測試截面的加載測試及數據處理后，測量到的測點應變可按彈性工作狀態的應力—應變關系換算其應力。數據整理分析出的荷載—變形曲線可宏觀地說明結構的基本狀態和工作性質，同時也能反映局部現象如開裂及節點的工作狀態等。結構位置—變形曲線主要有以下兩種：①變形與構件位置曲線；②應變沿梁高分布曲線。通過這些曲線可宏觀判斷撓度測試結果是否正確，卸載后的殘余變形如何分布等問題。驗證橫向分布計算理論的合理性可利用橫向各測點撓度值連線進行橫向分布系數的計算。

2.現場實驗（期中）

統籌協調學生完成簡支橋梁外觀的全面檢測以及技術狀況的綜合評價。

3.檢測報告（期末）

完成對橋梁各構件病害檢測與評定試驗操作流程，形成完整的橋梁檢測報告。

4.成績評估

實驗成績按照以下三個方面進行全面綜合評估：虛擬仿真實驗的考核分數、現場檢測成績及檢測報告的質量。

通過這種多元化的實驗教學方法，課程不僅實現了理論與實踐的結合，還通過綜合評價體系提升了學生的全面能力，確保學生在橋梁檢測和加固方面具備堅實的理論知識和實踐應用能力。

（三）創新多樣化的考核形式

為了有效推進教學改革，需改變考核方式單一的現狀。對考核方式做出了以下修訂，由原設定的30%的平時成績和70%的期末考試成績，調整為10%的平時成績、40%的實驗成績以及50%的期末考試成績，如圖2所示。實踐成績具體細分為：在實際操作的表現及虛擬仿真成績占20%，現場實驗成績占10%，檢測報告成績占10%。這種改革不僅深化了教學體制，同時促進了學生理論與實踐的有機融合，更全面地體現學生對課程的掌握和應用能力。采取此種措施有助于達到教學的目的，為學生日后進行橋梁檢測和加固實踐奠定穩固的基石。

通過這種創新多樣化的考核形式，不僅能夠深化教學體制改革，還能促進學生更好地將理論知識與實踐技能結合起來，全方位增強他們對于“橋梁檢測與加固”課程的知識掌握和實際運用技能。

結語

“橋梁檢測與加固”課程在實驗教學中存在諸多問題，本文因而提出了虛擬仿真實驗、改進實驗教學方法和創新多樣化的考核形式等探索研究。通過虛擬仿真實驗與實際實驗的有機結合，課程實驗教學改革旨在提升教學效果，使學生能夠將所學知識有效應用于實際工程中。這種實踐與探索不僅提高了教學質量，符合新時代高等教育推進“智能+教育”模式的發展，為學生未來從事橋梁結構領域的職業生涯奠定了堅固的基礎。

參考文獻：

［1］中共中央，國務院.國家綜合立體交通網規劃綱要［J］.中華人民共和國國務院公報，2021（08）：2537.

［2］譚國金.《橋梁檢測與加固》課程教學方法探討［J］.當代教育實踐與教學研究，2017（3）：179.

［3］夏英志.地方本科院校應用技術轉型發展與實踐研究：以道路橋梁與渡河工程專業為例［J］.高教學刊，2018（4）：188190.

［4］梁路.橋梁檢測與加固技術課程教學中存在的問題及解決策略：以石河子大學水利建筑工程學院為例［J］.西部素質教育，2018，4（08）：151153.

［5］焦陽.公路橋梁荷載試驗檢測在橋梁養護中的作用和對策［J］.建筑技術開發，2022，49（2）：109111.

［6］馮唐政.橋梁結構健康監測實驗教學平臺設計［J］.實驗室研究與探索，2019（8）：169172.

［7］李曉飛.大跨橋梁全壽命應變監測虛擬教學模式研究與實踐［J］.中國現代教育裝備，2022（7）：6668.

［8］何春木.道路橋梁檢測與加固虛擬仿真實驗的建設與應用［J］.科教導刊：下旬，2019（30）：2224.

基金項目：內蒙古自治區自然科學基金項目（2023"LHMS05003）；內蒙古自治區教育科學研究“十四五”規劃2023年度課題（NGJGH2023082）

作者簡介：阿榮（1981—"），女，蒙古族，內蒙古通遼人，博士，講師，研究方向為橋梁健康狀態診斷與評估。