橋梁結(jié)構(gòu)電算課程理論與實(shí)踐一體化教學(xué)模式探索

徐略勤

摘要：為適應(yīng)中國(guó)橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展，改善高?！爸乩碚?，輕實(shí)踐”的人才培養(yǎng)模式，縮小橋梁專業(yè)本科生與社會(huì)需求之間的質(zhì)量缺口，針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)電算課程理論與實(shí)踐教學(xué)的困境，提出理論與實(shí)踐一體化的教學(xué)模式。從課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面將理論知識(shí)與實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)建模操作有效糅合。根據(jù)典型橋型，采用分組，引入“項(xiàng)目式”的教學(xué)方法，改變學(xué)生在課堂中的角色，從而讓學(xué)生由被動(dòng)記憶和接受有限元軟件的操作規(guī)則轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)掌握和探索有限元軟件的功能和原理，以提高學(xué)生就業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和未來(lái)職業(yè)發(fā)展的適應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)電算；理論教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)；項(xiàng)目式教學(xué)；分組學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G6420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10052909（2015）01007504 橋梁結(jié)構(gòu)電算課程是橋梁工程專業(yè)本科階段的一門必修課，主要講授橋梁結(jié)構(gòu)分析中有限元建模的原理和計(jì)算方法，以及有限元軟件的使用，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。隨著材料科學(xué)、設(shè)計(jì)理念和施工技術(shù)的飛躍發(fā)展，現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)正朝著大型化、輕型化、復(fù)雜化的方向大步邁進(jìn)。因此，采用有限元軟件解決橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算和分析問(wèn)題已經(jīng)成為工程技術(shù)人員必備的專業(yè)技能。為推動(dòng)高校人才培養(yǎng)，提高教學(xué)質(zhì)量和水平，縮小橋梁專業(yè)本科畢業(yè)生與社會(huì)需求的缺口，國(guó)內(nèi)眾多土木工程院校都開設(shè)了結(jié)構(gòu)電算這一類課程。然而由于受教育體制和傳統(tǒng)教學(xué)理念的禁錮，包括有限元原理、靜動(dòng)力分析方法、數(shù)值求解過(guò)程等理論教學(xué)往往占據(jù)主導(dǎo)地位，而應(yīng)用大型商業(yè)軟件針對(duì)各類實(shí)際典型橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、分析、糾錯(cuò)、判斷的實(shí)踐教學(xué)卻未引起足夠重視，導(dǎo)致實(shí)際教學(xué)效果與預(yù)期目標(biāo)出現(xiàn)偏差。

實(shí)際上，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)都各有其無(wú)可替代的作用，兩者是緊密聯(lián)系的而非對(duì)立的教學(xué)體系[1-3]。理論教學(xué)以理論知識(shí)體系為框架，向?qū)W生傳授理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維能力，而實(shí)踐教學(xué)作為對(duì)理論教學(xué)的補(bǔ)充和升華，可以幫助學(xué)生掌握和理解核心知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從認(rèn)識(shí)走向應(yīng)用?？梢姡碚摻虒W(xué)與實(shí)踐教學(xué)是彼此加強(qiáng)、相互補(bǔ)充的關(guān)系，任何一方的衰微都會(huì)直接影響另一方的教學(xué)效果[4]。有鑒于此，筆者基于重慶交通大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)電算課程理論與實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，對(duì)該課程的理論與實(shí)踐一體化教學(xué)模式進(jìn)行了探索，提出了初步的改革方案及思路。

一、橋梁結(jié)構(gòu)電算課程理論與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合的現(xiàn)狀及困境

（一）重理論、輕實(shí)踐的課程設(shè)置

橋梁結(jié)構(gòu)電算課程設(shè)置分為理論教學(xué)和上機(jī)實(shí)踐兩個(gè)部分，上機(jī)實(shí)踐的課時(shí)量?jī)H為理論教學(xué)的一半。理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)同步進(jìn)行，即每周設(shè)置4個(gè)課時(shí)的理論教學(xué)量和2個(gè)課時(shí)的實(shí)踐教學(xué)量。由此導(dǎo)致的問(wèn)題是：在教學(xué)初期，由于理論教學(xué)大都圍繞數(shù)值有限元的基本原理展開，不針對(duì)具體的商業(yè)軟件，學(xué)生在同步的上機(jī)實(shí)踐課堂中面對(duì)軟件的操作界面無(wú)所適從，沒(méi)有具體的上機(jī)任務(wù)和目標(biāo)；而在教學(xué)后期，隨著各種理論和操作方法講授完畢，學(xué)生在上機(jī)實(shí)踐課堂中又缺乏足夠的時(shí)間進(jìn)行各種橋型結(jié)構(gòu)的建模訓(xùn)練。這種課程設(shè)置方式將實(shí)踐教學(xué)當(dāng)作了理論教學(xué)的輔助，與課程設(shè)置的初衷本末顛倒，很難實(shí)現(xiàn)“讓學(xué)生掌握一種工程實(shí)用軟件”的教學(xué)目標(biāo)，也無(wú)法真正激發(fā)學(xué)生掌握和探索橋梁結(jié)構(gòu)電算原理和方法的主動(dòng)性和積極性。

（二）重理論、輕實(shí)踐的教學(xué)過(guò)程

橋梁結(jié)構(gòu)電算是一門基于有限元原理、圍繞橋梁結(jié)構(gòu)、面向?qū)I(yè)化軟件的課程。為了使學(xué)生掌握基本原理和方法，大部分教材都會(huì)重點(diǎn)闡釋一般性和普適性的理論和原則。但由于有限元理論涉及數(shù)學(xué)、彈性力學(xué)、數(shù)值分析等多個(gè)學(xué)科，內(nèi)容豐富，概念抽象?；A(chǔ)較差的學(xué)生對(duì)理論教學(xué)覺得枯燥乏味、難懂、聽不進(jìn)去；基礎(chǔ)較好的學(xué)生則感到茫然，不知道如何運(yùn)用這些知識(shí)。純粹的有限元原理教學(xué)容易使理論與實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的建模脫節(jié)，而重理論、輕實(shí)踐的課程設(shè)置又加劇了這一矛盾，掩蓋了該課程的工程性和操作性。在上機(jī)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，由于學(xué)生人數(shù)較多，每個(gè)機(jī)房的電腦數(shù)量有限，學(xué)生通常被分在幾個(gè)隔離的機(jī)房中，這給教師的授課帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，學(xué)生逃課現(xiàn)象嚴(yán)重。

（三）重理論、輕實(shí)踐的考核方式

在現(xiàn)有的考核方式中，學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)情況和完成作業(yè)的質(zhì)量只占最終成績(jī)的30%，期末的卷面成績(jī)占70%。在平時(shí)的作業(yè)練習(xí)中，個(gè)別學(xué)生難免會(huì)抄襲、拷貝他人的計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果，授課教師很難通過(guò)作業(yè)全面了解學(xué)生對(duì)軟件操作的掌握程度。在期末的卷面考試中，軟件操作很難體現(xiàn)，所占分值一般不高，因此，理論知識(shí)的考核自然而然成為考試的重點(diǎn)。這違背了橋梁結(jié)構(gòu)電算這門課程開設(shè)的初衷和培養(yǎng)目標(biāo)。作為學(xué)生今后工作常用的主要工具之一，掌握有限元軟件的原理，精通有限元軟件的操作同等重要，如何平衡這兩者在課程考核中的角色值得商榷。

二、理論與實(shí)踐一體化教學(xué)模式的構(gòu)建

（一）教學(xué)模式改革的目標(biāo)

通過(guò)理論與實(shí)踐一體化教學(xué)模式的構(gòu)建，使抽象化的理論教學(xué)和工程實(shí)例化的實(shí)踐教學(xué)融合，讓學(xué)生在工程化的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中掌握橋梁結(jié)構(gòu)電算的基本理論，并在實(shí)踐中升華對(duì)基本理論的理解，使他們更清晰、更全面地把握不同類型橋梁結(jié)構(gòu)有限元建模的原則和方法，從而達(dá)到由被動(dòng)地記憶和接受有限元軟件的操作規(guī)則轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)掌握和探索有限元軟件的功能和原理，以適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)對(duì)專業(yè)人才、技能的需求，提高學(xué)生就業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和未來(lái)職業(yè)發(fā)展的適應(yīng)能力。

（二）教學(xué)模式改革方案

1.課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容的改革

中國(guó)工程院原副院長(zhǎng)朱高峰[5]曾強(qiáng)調(diào)，高等教育要正確處理三個(gè)關(guān)系：理論與實(shí)踐的關(guān)系、探索與應(yīng)用的關(guān)系、分析與綜合的關(guān)系。工程教育的目標(biāo)是要培養(yǎng)工程師的毛坯。諸如橋梁結(jié)構(gòu)電算這類工程專業(yè)性突出的課程，更應(yīng)該在實(shí)踐教學(xué)中融合理論教學(xué)。因此，在指定教學(xué)計(jì)劃、編制教學(xué)大綱時(shí)，首先，要堅(jiān)持理論教學(xué)和與實(shí)踐教學(xué)并重，在教學(xué)課時(shí)分配上應(yīng)基本相當(dāng)。偏于理論，學(xué)生無(wú)法將之與實(shí)際建模操作相結(jié)合，最終對(duì)理論和實(shí)踐都是一知半解，而且容易因?yàn)榻虒W(xué)內(nèi)容抽象、空洞而失去學(xué)習(xí)興趣和積極性；但過(guò)分注重實(shí)際工程結(jié)構(gòu)建模操作，則會(huì)使學(xué)生淪為軟件操作工匠，對(duì)軟件內(nèi)部運(yùn)行原理認(rèn)識(shí)不夠，無(wú)法判斷模型和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。其次，在教學(xué)內(nèi)容編排上，將理論知識(shí)的講授穿插于結(jié)構(gòu)建模方法和上機(jī)實(shí)踐操作教學(xué)之中，而非游離于具體的工程實(shí)例之外。圖1是筆者對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)電算課程基于理論與實(shí)踐一體化教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容編排設(shè)想。這樣既可以使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中掌握它在結(jié)構(gòu)建模中的運(yùn)用，又可以使學(xué)生在實(shí)際操作中升華對(duì)理論知識(shí)的理解。

通過(guò)將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)在課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容上的一體化改革，在課堂教學(xué)中，采用工程實(shí)例驅(qū)動(dòng)、互動(dòng)教學(xué)方式實(shí)現(xiàn)課堂理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的對(duì)接；在典型橋梁結(jié)構(gòu)建模過(guò)程的教學(xué)中穿插各種有限元、數(shù)學(xué)、數(shù)值分析等基本理論知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的互融；通過(guò)布置實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的分析任務(wù)實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)的延伸。

首先，激發(fā)學(xué)生的積極性。加涅指出：“離開了學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)……不能引起學(xué)習(xí)”；同樣，離開了教師的激發(fā)，動(dòng)機(jī)只能處于潛伏狀態(tài)[6]。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)電算這種專業(yè)性很強(qiáng)的課程，采用教師灌輸為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式，教學(xué)效果很難保證。因而，倡導(dǎo)啟發(fā)式、互動(dòng)式教學(xué)方法是提高教學(xué)效果的有效方式。為了實(shí)現(xiàn)這種教學(xué)模式，可以引入所謂“訂單式”和“項(xiàng)目式”的教學(xué)方法，讓學(xué)生自主選擇感興趣的橋型（如圖1中的連續(xù)梁橋、斜拉橋等），并按照橋型分成若干學(xué)習(xí)小組。每個(gè)小組針對(duì)本組橋型的典型橋梁結(jié)構(gòu)，預(yù)習(xí)教材并查找相關(guān)資料，自行軟件進(jìn)行建模操作。教師在講授時(shí)，與學(xué)生互動(dòng)，以提問(wèn)的方式有針對(duì)性地檢查每個(gè)小組學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效果，并讓學(xué)生提出自己在實(shí)際操作過(guò)程中的疑問(wèn)，以此實(shí)現(xiàn)有目的地“傳道”和有針對(duì)性地“解惑”。

其次，改變學(xué)生在課堂中的角色。橋梁工程是一門復(fù)雜且寬泛的學(xué)科，常規(guī)的橋梁分類包括：簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋、剛構(gòu)橋、斜拉橋、懸索橋、組合體系橋，等等，每一種橋型中又包含多種橋型變化。因此，40個(gè)教學(xué)課時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在實(shí)際教學(xué)中，教師以講授基本原理和基本操作為主，每個(gè)學(xué)習(xí)小組則針對(duì)本組橋型的建模原理、方法和一般過(guò)程進(jìn)行深入探索。在后期，教師留出足夠的課時(shí)，讓每一個(gè)小組全面介紹本組橋型的詳細(xì)建模過(guò)程。講解完畢后，由其他小組進(jìn)行評(píng)議，指出其優(yōu)點(diǎn)和不足之處。各組就講解過(guò)程中不清晰之處，或不懂的地方展開討論。最后由教師對(duì)學(xué)生講解中的謬誤和遺漏進(jìn)行修正和補(bǔ)充，并進(jìn)行最后的總結(jié)。

3.考核方式的改革

建立科學(xué)合理的考核方式不僅可以客觀公正地評(píng)定學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，而且可以引導(dǎo)學(xué)生有所側(cè)重，從而提高教學(xué)質(zhì)量。筆者認(rèn)為，諸如橋梁結(jié)構(gòu)電算這類融合理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的專業(yè)課程，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)應(yīng)包含三部分：一是，平時(shí)學(xué)習(xí)情況，如預(yù)習(xí)情況、上機(jī)操作情況、出席情況、在各自學(xué)習(xí)小組中的參與情況等；二是，期末卷面成績(jī)，這部分主要反映學(xué)生的理論掌握水平；三是，實(shí)橋建?；静僮鞯目己顺煽?jī)，主要考察學(xué)生當(dāng)場(chǎng)完成建模操作的熟練程度，也是當(dāng)前考核中所欠缺的部分。

首先，教師需建立學(xué)生出席、預(yù)習(xí)與否、回答問(wèn)題頻次及準(zhǔn)確性、小組任務(wù)等評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。在課堂上，教師通過(guò)與學(xué)生互動(dòng)，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和預(yù)習(xí)情況。在最后各個(gè)小組建模講解階段，讓小組成員合理分工，分別回答其他小組的提問(wèn)，以此考察學(xué)生在小組學(xué)習(xí)中的參與情況。

其次，在期末卷面考核中，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的建模過(guò)程，突出理論知識(shí)點(diǎn)，重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)理論知識(shí)在實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目中的運(yùn)用情況，理論知識(shí)與實(shí)際建模的結(jié)合情況，學(xué)生用所學(xué)的理論知識(shí)解釋橋梁結(jié)構(gòu)有限元建模過(guò)程中的原理，以及針對(duì)特殊橋梁結(jié)構(gòu)、特殊荷載形式、特殊分析工況提出有效模擬方法的情況。

第三，構(gòu)建典型橋梁結(jié)構(gòu)電算分析“項(xiàng)目庫(kù)”，考核學(xué)生實(shí)橋建?；静僮?。學(xué)生隨機(jī)抽取“項(xiàng)目庫(kù)”中的試題，按照要求現(xiàn)場(chǎng)完成某種典型橋型某一個(gè)工況的建模分析，或在已有模型上添加某個(gè)分析工況，并提交有限元模型和最終計(jì)算結(jié)果。教師通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巡查，批閱學(xué)生提交的成果，客觀公正地給出分?jǐn)?shù)。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)建設(shè)水平的不斷提高，橋梁朝著大型化、輕型化、復(fù)雜化的趨勢(shì)發(fā)展愈加明顯，橋梁建設(shè)單位對(duì)工程實(shí)用型的高級(jí)技術(shù)人才的需求也越來(lái)越迫切。為了適應(yīng)這種需要，諸如橋梁結(jié)構(gòu)電算這類工程應(yīng)用型的課程應(yīng)擔(dān)負(fù)起培養(yǎng)學(xué)生核心競(jìng)爭(zhēng)能力的重責(zé)?；诖吮尘埃恼率紫壬钊肫饰隽藰蛄航Y(jié)構(gòu)電算課程理論與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合的現(xiàn)狀及困境，在此基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地提出了理論與實(shí)踐一體化的教學(xué)模式，并從課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面提出了具體措施。這種創(chuàng)新教學(xué)模式的提出有望打破傳統(tǒng)教學(xué)方法中“重理論、輕實(shí)踐”的弊端，讓學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，真正掌握工程實(shí)用技能，實(shí)現(xiàn)高層次應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，保證人才培養(yǎng)與社會(huì)需求的緊密銜接。

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