案例式教學(xué)方法在《橋梁抗風(fēng)》課程中的應(yīng)用

許福友 張麗娜

摘要：國內(nèi)有多所高校為橋梁工程專業(yè)研究生開設(shè)《橋梁抗風(fēng)》課程。由于該課理論較難，傳統(tǒng)教學(xué)方法效果不甚理想。筆者結(jié)合親身經(jīng)驗和體會，以其親自參與過的四座大跨度橋梁抗風(fēng)研究報告作為藍(lán)本，設(shè)計制作四種大跨橋型的抗風(fēng)教學(xué)案例。另外，將國際上最著名的抗風(fēng)專家的經(jīng)歷及其學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)也做成案例。在大連理工大學(xué)，嘗試將這些案例引入到《橋梁抗風(fēng)》課程的課堂教學(xué)。實踐結(jié)果表明，案例教學(xué)方法更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性，提高了課堂效率，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：橋梁抗風(fēng)；傳統(tǒng)教學(xué)；案例式教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）50-0152-02

一、《橋梁抗風(fēng)》課程開設(shè)的必要性

近年來，橋梁向著大跨輕柔方向發(fā)展。目前，世界上已建成的最大跨徑拱橋為主跨達(dá)552m重慶朝天門大橋，俄羅斯島大橋作為目前世界上跨度最大斜拉橋，其主跨已達(dá)到1104m，日本明石海峽懸索橋主跨為1991m。世界跨度最大的10座拱橋、斜拉橋和懸索橋，分別有7、7、6座建在中國，而且都是近20年內(nèi)建成的。而風(fēng)荷載又是很多大跨徑橋梁的設(shè)計控制荷載。因此，大跨橋梁抗風(fēng)設(shè)計的重要性不言而喻。

21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)競爭更為激烈，在這個時代我們要在國際上有競爭力，最需要有一支高度創(chuàng)新素質(zhì)的人才隊伍，因此必須注重研究生的培養(yǎng)和教育。為了使橋梁工程專業(yè)研究生了解橋梁工程抗風(fēng)設(shè)計相關(guān)專業(yè)知識，提高競爭力，勝任今后的工作，為國家培養(yǎng)橋梁專業(yè)的全面人才，開設(shè)《橋梁抗風(fēng)》這門課程非常必要。目前國內(nèi)已有多所高校橋梁工程專業(yè)為研究生開設(shè)了《橋梁抗風(fēng)》課程，如：同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)、湖南大學(xué)、大連理工大學(xué)等。

二、《橋梁抗風(fēng)》傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

目前，《橋梁抗風(fēng)》課程在多所高校主要采用傳統(tǒng)教學(xué)授課方式。傳統(tǒng)教學(xué)方式通常有其固定的模式：課前，教師根據(jù)教材和教學(xué)大綱，確定教學(xué)目標(biāo)和方法，設(shè)計一系列相關(guān)的問題。課堂上，教師循序漸進(jìn)地不斷講授教學(xué)內(nèi)容、提問相關(guān)問題來吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動學(xué)生的積極性。課后，教師通常會留一些與課程相關(guān)的問題讓學(xué)生自己理解和學(xué)習(xí)。然而，橋梁抗風(fēng)課程涉及面較廣，如數(shù)學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、空氣動力學(xué)、風(fēng)洞試驗技術(shù)、計算流體動力學(xué)等，理論比較深奧，接受較難。教學(xué)課時一般在24～32之間。傳統(tǒng)教學(xué)方式主要以教師講授為主，教師是中心，學(xué)生只是被動接受，課堂氣氛可能比較沉悶、壓抑，很多內(nèi)容學(xué)生不容易理解和接受，不能很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。這種“填鴨式”的傳統(tǒng)教學(xué)方式，忽視了學(xué)生的主體作用及學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動學(xué)習(xí)[1]。具體而言，傳統(tǒng)教學(xué)方式主要存在以下幾個方面的問題：（1）以教材和教師為中心，以“講”代“學(xué)”忽視了學(xué)生在教學(xué)中的主體地位；（2）注重理論知識傳授，輕實踐技能培訓(xùn)；（3）教學(xué)方法單一，直觀性較低，形象化差[2]。

三、案例式教學(xué)方法的優(yōu)點

所謂“案例式教學(xué)”，就是在精心提煉主要教學(xué)要義和旨?xì)w的基礎(chǔ)上，課堂教學(xué)時以專題為單位設(shè)計教師講授內(nèi)容，并綜合運用多媒體等多種教學(xué)方法和手段，尤其是與案例教學(xué)法融合的教學(xué)模式。案例式教學(xué)主要是以對案例的講解和分析為主線，設(shè)置相關(guān)教學(xué)問題，以此來激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，調(diào)動學(xué)生的積極性，使學(xué)生真正參與到教學(xué)活動中來。具體而言，這種教學(xué)模式具有以下幾個優(yōu)點：（1）目的明確，打破傳統(tǒng)編教材的章節(jié)體系，立足于實際問題。（2）注重教師講授和學(xué)生參與雙向互動的問題域的拓寬、問題情景的建構(gòu)等教學(xué)設(shè)計。（3）摒棄過去“一言堂”完全灌輸式的教法，綜合運用案例教學(xué)、多媒體課件和專題式教學(xué)，形成立體的、多方位的教學(xué)動態(tài)體系和整體化解決方案[3]。

案例教學(xué)方式現(xiàn)已被成功地運用到世界各國大學(xué)的法學(xué)、醫(yī)學(xué)、工商管理教育等學(xué)科，并取得了顯著的成果[4]。橋梁工程專業(yè)作為實踐性很強的專業(yè)，將理論知識與工程實踐相結(jié)合至關(guān)重要。工程案例來源于工程實踐，促進(jìn)了理論知識的理解，避免了單純的理論教學(xué)的短板，凸顯了專業(yè)的實踐性，非常有必要在橋梁程專業(yè)中實施案例教學(xué)。對于《橋梁抗風(fēng)課程》，為了提高課堂上學(xué)生的積極性，使課堂變得生動活潑，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力，提高授課效率，將那些比較經(jīng)典大跨橋型的抗風(fēng)工程實例與基本知識相結(jié)合，應(yīng)用到課堂教學(xué)具有較好效果。案例式教學(xué)并非將所有的知識點都通過案例來講解，在講案例之前也需要介紹一些基本理論和概念。注重教師講授和學(xué)生參與雙向互動問題域的拓寬、發(fā)散性思維的誘導(dǎo)、問題情景的建構(gòu)等教學(xué)設(shè)計，力避從理論到理論。

四、案例教學(xué)法在《橋梁抗風(fēng)》課程中的實踐

2014年，大連理工大學(xué)嘗試了將案例式教學(xué)法應(yīng)用于研究生《橋梁抗風(fēng)》課程，該課程學(xué)時為24，其中案例教學(xué)14課時，傳統(tǒng)課堂授課8課時，風(fēng)洞實驗室參觀、試驗教學(xué)、風(fēng)洞儀器設(shè)備介紹2課時。

對于案例的選取，第一個案例即為舊塔科馬的風(fēng)毀事故。

首先對該橋的相關(guān)背景進(jìn)行介紹，讓人不可思議的是，主跨800多米的懸索橋在建成只有幾個月，在不到20m/s風(fēng)速下就發(fā)生了完全倒塌事故。然后，在講解過程中，配以真實風(fēng)毀照片和錄像，形象直觀，身臨其境，具有很強的視覺沖擊和心理震撼力。最后交代相關(guān)的研究結(jié)論及仍然存在的問題，并指出那種大幅振動的確切機(jī)理直到目前都沒有得到很好的揭示。學(xué)生的好奇心和興趣也會調(diào)動起來。在介紹該橋風(fēng)毀過程中，會涉及到一些概念，如風(fēng)級、振動模態(tài)、渦激振動、顫振、顫振后狀態(tài)、大幅非線性振動、振動控制、設(shè)計風(fēng)速、氣動外形、風(fēng)洞試驗、現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬、機(jī)理解釋等概念，了解了歷史上國內(nèi)外比較著名的風(fēng)工程專家，風(fēng)工程研究中心。學(xué)生聽起來也沒有那么抽象和晦澀。學(xué)生還會問很多的問題，由此學(xué)到了很多知識。看似一個非常簡單的例子，也不涉及復(fù)雜的計算分析理論，但可以起到“引人入勝”的效果。興趣是最好的老師，讓學(xué)生對這門課不排斥，不是被動地去學(xué)，2個課時很快就會愉快地過去了。舊塔科馬橋的風(fēng)毀開啟了現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)研究的新紀(jì)元，自此以后，橋梁風(fēng)工程發(fā)展迅速，并取得了一系列的研究成果。

常見的大跨橋梁主要有四種類型：連續(xù)梁橋（連續(xù)剛構(gòu)）、斜拉橋、懸索橋、拱橋。這些大跨度橋型更需要進(jìn)行抗風(fēng)研究。授課教師結(jié)合教學(xué)要點，針對每種橋型分別選取一座橋的抗風(fēng)作為案例進(jìn)行講解，分別是蘇通長江大橋輔橋、蘇通長江大橋、大連星海灣跨海大橋、大連市普灣新區(qū)16號路跨海大橋。這四座橋都由授課教師親自負(fù)責(zé)或參與完成橋梁抗風(fēng)研究工作，對內(nèi)容非常熟悉，而且也相對更有感情。這樣可以設(shè)計制作四個案例，每種案例的講解重點和傳達(dá)的知識要點有所不同，所占課時也不盡相同，總計10個課時。

每個橋型案例基本都涉及到的內(nèi)容和問題包括：（1）橋梁簡介，包括橋名、橋型、橋跨、橋位等；（2）基本風(fēng)速、設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速、顫振檢驗風(fēng)速等；（3）結(jié)構(gòu)有限元分析，包括建模方法、模態(tài)分析、等效質(zhì)量計算等；（4）模型設(shè)計制作，節(jié)段模型、氣彈模型設(shè)計方法、原則、加工制作、調(diào)試等；（5）風(fēng)洞試驗，包括風(fēng)場模擬方法、常用儀器設(shè)備、測力、測壓、測速、測振，靜三分力試驗、顫振導(dǎo)數(shù)試驗、渦振試驗、抖振試驗、顫振試驗、馳振試驗等；（6）數(shù)值模擬方法，數(shù)值建模、計算分析；（7）理論分析，靜風(fēng)、顫振、馳振、抖振、渦振、時域方法、頻域方法；（8）振動控制方法，氣動措施、機(jī)械措施、結(jié)構(gòu)措施。另外還涉及到斜拉索風(fēng)雨振問題，風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場實測。成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)關(guān)注點可能有所不同，不同橋型驗算的抗風(fēng)內(nèi)容也有或多或少的差異。橋塔、拱肋、主纜、吊桿的抗風(fēng)問題。以上所有內(nèi)容有的在基本理論已經(jīng)講授，有的在案例中重點講解。但都是實際橋梁抗風(fēng)中遇到的問題，并給出實際是如何解決的，不抽象、接地氣。通過講解這四座大跨橋梁的抗風(fēng)實例，一方面激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，另一方面學(xué)生更容易接受，提高了課堂效率。在學(xué)習(xí)中學(xué)生不僅學(xué)到了橋梁抗風(fēng)的基本知識和理論，而且了解了實際橋梁抗風(fēng)研究的具體過程和涉及的內(nèi)容，做到理論與實際相結(jié)合。

最后案例就是風(fēng)工程研究的最著名的專家，加拿大Davenport教授和美國Scanlan教授的生平事跡和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，2課時。主要內(nèi)容包括：個人簡介、發(fā)表的主要論文、主要研究領(lǐng)域、學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)、人格魅力、逸事、研究思想、榜樣力量、成功要素、奮斗經(jīng)歷。主要目的是讓學(xué)生了解兩位大師的成才之路、發(fā)展軌跡，起到開闊思路、帶動鞭策的作用，而且在介紹過程中，會涉及到大量的專業(yè)詞匯的理解和研究方法。

五、結(jié)語

為了提高教學(xué)效率，保證教學(xué)質(zhì)量，教師應(yīng)根據(jù)所教授的課程的特點，選取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式。《橋梁抗風(fēng)》課程由于理論較難，使用傳統(tǒng)教學(xué)方法學(xué)生難以理解，接受效果不好。大連理工大學(xué)在《橋梁抗風(fēng)》課程教學(xué)中打破傳統(tǒng)教材的章節(jié)體系，結(jié)合實際問題，綜合運用多種能夠激發(fā)學(xué)生興趣的案例進(jìn)行教學(xué)，取得了較好的實踐效果，可以為兄弟院校課程教學(xué)提供參考借鑒作用。

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