橋梁工程課程教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐★

鄧 鳴 雷 鳴 趙志軍 彭旺虎

(長(zhǎng)沙學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410003)

1 案例庫(kù)建設(shè)的意義

橋梁工程是高校土木工程專業(yè)道橋方向一門必修的主干課程，一方面它以三大力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等課程為基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的理論性；另一方面該課程的很多知識(shí)可直接應(yīng)用于工程實(shí)踐，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。在教學(xué)過程中，傳統(tǒng)的以教師為中心、以教材為主要工具的講授方式難以吸引學(xué)生的興趣，學(xué)生在課堂打瞌睡、玩手機(jī)等現(xiàn)象屢禁不止，在考試前機(jī)械地背概念、背公式，依葫蘆畫瓢地做計(jì)算題，考完就忘，對(duì)基本理論及內(nèi)涵沒有掌握。因此，有必要探索《橋梁工程》教學(xué)新模式，以期更高效地完成《橋梁工程》教學(xué)目標(biāo)。案例教學(xué)法是一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，對(duì)于實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，采用案例教學(xué)可以吸引學(xué)生的興趣，通過分析案例中的實(shí)際問題，達(dá)到鞏固課程知識(shí)點(diǎn)、提高實(shí)踐能力、激發(fā)創(chuàng)新思維的目的[1]。好的教學(xué)案例應(yīng)來源于實(shí)際工程，而若以工程中出現(xiàn)的問題為案例，則更能吸引學(xué)生的注意力，達(dá)到事半功倍的效果。因此，有必要在實(shí)際工程項(xiàng)目中精心選取設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)等橋梁全生命周期出現(xiàn)的問題案例組成案例庫(kù)，為《橋梁工程》的案例教學(xué)提供有效的支撐條件。

2 橋梁工程案例教學(xué)現(xiàn)狀

案例教學(xué)法起源于20世紀(jì)20年代，80年代開始受到教育界的重視，我國(guó)90年代開始開展相關(guān)研究工作。近年來，橋梁工程專業(yè)的教師也在積極探索案例教學(xué)的教學(xué)改革。喻梅[2]介紹了橋梁工程案例教學(xué)的組織與實(shí)施，分析了其關(guān)鍵問題為積累豐富的案例庫(kù)、教學(xué)中的角色轉(zhuǎn)換以及培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。馮文杰[3]結(jié)合道鐵橋梁類本科生的專業(yè)特點(diǎn)，開展了案例教學(xué)探索，并取得較好的效果。陳小佳[4]對(duì)橋梁工程課程教學(xué)案例分類與特點(diǎn)進(jìn)行了探討，提出了以力學(xué)特征角度出發(fā)的案例教學(xué)設(shè)計(jì)原則。楊曉峰[5]以工程問題為導(dǎo)向開展了教學(xué)改革工作，列舉了若干個(gè)實(shí)際案例。吳琛[6]針對(duì)“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)”的主要內(nèi)容，設(shè)計(jì)了十余個(gè)案例庫(kù)，提升了教學(xué)質(zhì)量。

以上研究為《橋梁工程》課程的案例教學(xué)改革提供了較好的思路和借鑒作用，但大多是在案例庫(kù)的組成以及系統(tǒng)性方面略有不足。為使案例教學(xué)在橋梁工程教學(xué)中取得更好的效果，有必要將典型工程案例，尤其是工程問題案例與《橋梁工程》課程知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合，在案例的搜集、篩選、整理、教學(xué)組織等方面開展教學(xué)改革研究工作，構(gòu)建《橋梁工程》案例庫(kù)，開展教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。

3 《橋梁工程》典型案例庫(kù)的建設(shè)

組建“橋梁工程教學(xué)案例庫(kù)”團(tuán)隊(duì)進(jìn)行編寫和建設(shè)案例庫(kù)。團(tuán)隊(duì)教師進(jìn)行案例的收集、整理、總結(jié)，共同進(jìn)行教學(xué)方案的設(shè)計(jì)、探討教學(xué)案例的應(yīng)用。案例以工程問題為主，均來源于工程實(shí)際，包括團(tuán)隊(duì)教師多年的工程實(shí)踐、網(wǎng)上報(bào)導(dǎo)過的橋梁垮塌事例等。案例庫(kù)結(jié)合《橋梁工程》課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)，劃分為12個(gè)子案例庫(kù)如表1所示。每個(gè)案例庫(kù)由若干相關(guān)的案例組成，學(xué)生通過對(duì)案例的學(xué)習(xí)、分析、討論，可以加深對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解。

表1 《橋梁工程》主要知識(shí)點(diǎn)與子案例庫(kù)

1)“橋梁基本知識(shí)”子案例庫(kù)由國(guó)內(nèi)外古代橋梁、錢塘江大橋等近代橋梁、港珠澳大橋等現(xiàn)代典型橋梁的規(guī)劃設(shè)計(jì)思路組成，要求學(xué)生掌握橋梁的基本組成和分類，了解橋梁發(fā)展動(dòng)態(tài)，樹立“文化自信”；掌握橋梁的平面布置和縱斷面、橫斷面設(shè)計(jì)，了解橋梁設(shè)計(jì)的一般建設(shè)程序。

2)“橋梁上的作用”子案例庫(kù)包含某沿海高速公路重載交通下的荷載等級(jí)選取、塔科馬大橋在風(fēng)荷載作用下的垮塌、地震對(duì)橋梁的破壞、車輛超載致橋梁垮塌等內(nèi)容。要求學(xué)生通過案例了解作用的分類，掌握作用的規(guī)定與計(jì)算方式，理解作用的選定及效應(yīng)組合。

3)“橋面系”子案例庫(kù)。該子案例庫(kù)包含公交車沖破護(hù)欄墜江、廣澳高速車撞橋梁伸縮縫導(dǎo)致交通事故等內(nèi)容。要求學(xué)生通過案例掌握橋面系的基本布置與構(gòu)造，理解這些構(gòu)造的基本功能，同時(shí)通過典型事故明白，這些構(gòu)造物看起來并不起眼，但也起著很重要的作用。

4)“混凝土梁橋上部結(jié)構(gòu)典型病害”子案例庫(kù)包含普通鋼筋混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁的跨中裂縫、支點(diǎn)處裂縫等結(jié)構(gòu)性受力裂縫。要求學(xué)生理解混凝土橋梁的基本體系、受力特點(diǎn)，根據(jù)案例資料分析病害產(chǎn)生的原因，并討論處置方案。

5)“橫向分布”子案例庫(kù)引入某板梁橋單板受力導(dǎo)致斷裂事故、某鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁橋橫隔板開裂破損案例，從而提出橫向分布系數(shù)概念，要求學(xué)生通過案例掌握橫向分布系數(shù)的基本理論，討論加強(qiáng)橫向聯(lián)系的方案。

6)“連續(xù)梁橋典型病害”子案例庫(kù)包含預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋開裂、下?lián)系瘸Ｒ姴『?，要求學(xué)生理解連續(xù)梁橋的基本體系、受力特點(diǎn)，根據(jù)案例資料分析病害產(chǎn)生的原因。

7)“支座病害”子案例庫(kù)。該案例庫(kù)包括支座脫空、剪切變形、偏位等病害，通過病害分析使學(xué)生進(jìn)一步了解支座的分類、支座布置的原則。

8)“斜、彎梁橋”子案例庫(kù)包含多起彎橋傾覆事故。根據(jù)獨(dú)柱彎橋傾覆事故，建立力學(xué)模型，得出彎橋的傾覆機(jī)理，從而讓學(xué)生更深入的掌握彎橋的受力特征。此案例庫(kù)還包括目前常見的獨(dú)柱墩加固案例。

9)“混凝土橋梁施工事故”子案例庫(kù)收集了多起混凝土梁橋施工期事故，包括架橋機(jī)等施工機(jī)具引發(fā)的事故、支架垮塌引發(fā)上部結(jié)構(gòu)垮塌、施工順序錯(cuò)誤引發(fā)的事故，通過事故分析使學(xué)生更進(jìn)一步了解各種施工方法的特點(diǎn)。

10)“混凝土拱橋”子案例庫(kù)收集多座拱橋施工期、運(yùn)營(yíng)期垮塌事故的案例，如鳳凰大橋、孔雀河大橋、福建武夷山公館大橋、宜賓小南門大橋等影響極大的工程事故。通過分析這些事故產(chǎn)生的原因，掌握上承式拱橋、中承式拱橋及下承式拱橋的受力特點(diǎn)和主要組成，理解拱橋的優(yōu)缺點(diǎn)。

11)“混凝土斜拉橋”子案例庫(kù)收集了混凝土斜拉橋施工過程垮塌案例、運(yùn)營(yíng)過程斜拉索腐蝕或斷裂案例、混凝土主梁開裂病害案例，通過案例分析使學(xué)生了解斜拉橋的特點(diǎn)、斜拉索的布置，了解斜拉橋組成部分(斜索、塔柱、主梁)的構(gòu)造以及常見的施工方法。

12)“橋梁墩臺(tái)”子案例庫(kù)收集了由于洪水、船撞、沖刷等原因造成橋梁墩臺(tái)倒塌的工程案例。通過工程案例講解使學(xué)生了解墩臺(tái)計(jì)算的作用及組合，理解重力式橋墩臺(tái)計(jì)算及驗(yàn)算。

4 典型工程案例教學(xué)實(shí)踐：以橫向分布系數(shù)為例

教學(xué)目標(biāo)：掌握橫向分布系數(shù)的概念及計(jì)算。

工程案例：某鋼筋混凝土板梁橋，在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)橋面破損嚴(yán)重，其中順橋向有明顯的裂縫，如圖1所示。在一次重車過橋時(shí)，其中一片板梁發(fā)生斷裂事故，如圖2所示。

教學(xué)過程：首先，擺出案例，引導(dǎo)學(xué)生分組討論：圖2的板梁為何會(huì)發(fā)生斷裂，斷裂之前的橋面破損(如圖1所示)與板梁斷裂是否有關(guān)系，為什么；其次，分析該橋的受力特點(diǎn)。從一片梁的荷載影響線出發(fā)，擴(kuò)展至全橋多片梁時(shí)提出荷載效應(yīng)影響面的概念；為簡(jiǎn)化計(jì)算，將影響面的系數(shù)分解為單片梁影響線以及荷載橫向分布影響線；接著根據(jù)最不利布載的原則，引出橫向分布系數(shù)的概念，即某根主梁承受的荷載是各個(gè)軸重的倍數(shù)。再次，提出橫向無聯(lián)系和橫向剛度無窮大兩種特殊情況，引導(dǎo)學(xué)生思考這兩種情況下的橫向分布系數(shù)分別是多少，從而進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)橫向分布系數(shù)的理解。接著，探討和學(xué)習(xí)如何進(jìn)行橫向分布系數(shù)的計(jì)算。課程最后，回到工程案例，讓學(xué)生回答之前提出的問題，并布置作業(yè)：如果在平時(shí)的檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)如圖1所示的病害，為避免橋梁斷裂垮塌事故的發(fā)生，該如何進(jìn)行維修加固。

5 結(jié)語

《橋梁工程》是一門強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)科。要求學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠掌握常用的混凝土橋梁的設(shè)計(jì)和構(gòu)造原理、計(jì)算理論和分析方法，以及橋梁施工方面的知識(shí)；在工程設(shè)計(jì)建設(shè)過程中遇到與橋梁有關(guān)的問題時(shí)，能夠綜合運(yùn)用橋梁工程所學(xué)的知識(shí)去分析和解決問題，同時(shí)具備進(jìn)行工程探索創(chuàng)新的初步素質(zhì)和能力。然而由于傳統(tǒng)教學(xué)方法枯燥、重理論推導(dǎo)輕案例講解，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳，課程目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。

為此，將《橋梁工程》課程教學(xué)與真實(shí)工程案例相結(jié)合，建設(shè)《橋梁工程》案例庫(kù)并進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。實(shí)踐證明，通過案例教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的學(xué)習(xí)效果。案例庫(kù)的建設(shè)有利于學(xué)生對(duì)橋梁工程的基本概念有清晰的理解，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)方法有思路，對(duì)橋梁事故、養(yǎng)護(hù)中的問題能有一定的理解。學(xué)生通過對(duì)案例的前因、后續(xù)處理方案進(jìn)行討論、思考，其分析問題、解決問題的能力得到了充分的鍛煉，創(chuàng)新思維得到開發(fā)。