“新工科”背景下土木工程專業(yè)課程教學(xué)探析——以橋梁工程為例

葉元芬 （廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院土木工程學(xué)院，福建 漳州 363105）

“新工科”自2016年提出后，先后奏響了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”。至此，“新工科”建設(shè)正式進入實質(zhì)性推進階段。土木工程作為傳統(tǒng)行業(yè)也面臨著標準化、工廠化、機械化、信息化等新型化工業(yè)變革；海綿城市、地下管廊等新興產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)以及“一帶一路”背景下的國際市場新機遇。因此，培養(yǎng)符合“新工科”發(fā)展需求的具有創(chuàng)新性、動態(tài)適應(yīng)能力及“大工程觀”的高素質(zhì)土木工程人才也成為學(xué)科建設(shè)迫在眉睫的任務(wù)。為此，本校已在廣泛調(diào)研市場需求的前提下，將人才培養(yǎng)方案進行科學(xué)調(diào)整，但將“新工科”人才培養(yǎng)方案落實到位仍在進行。在2020年3月頒布的《第二批新工科研究與實踐項目指南》中提到要進一步完善新工科建設(shè)的理論體系和實施路徑。即進一步抓政策落地，確保在教學(xué)各環(huán)節(jié)全過程踐行“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”的質(zhì)量理念。“新工科”人才培養(yǎng)不是一個教師的單打獨斗，是整個學(xué)科體系的聯(lián)合機動。但落實到具體教學(xué)過程中，針對每門專業(yè)核心課程建設(shè)應(yīng)如何操作，本文將以橋梁工程課程為例進行探討。

橋梁工程是土木工程道路與橋梁工程方向的專業(yè)主干課。但在實際教學(xué)工作中存在以下問題：①課時少，內(nèi)容多；②各知識點整體聯(lián)系不足，相互孤立；③學(xué)生被動聽講，課堂教學(xué)枯燥；④實踐教學(xué)不足，且學(xué)生尚未接觸實際工程，知識帶入感差；⑤學(xué)生前沿知識接觸不多，缺乏與時俱進；⑥部分學(xué)生責(zé)任意識較弱；⑦專業(yè)割裂，學(xué)科交叉融合能力較弱。其中，問題①、②、③直接導(dǎo)致學(xué)生理論知識不扎實、學(xué)習(xí)能力弱，無法實現(xiàn)創(chuàng)新及動態(tài)適應(yīng)能力培養(yǎng)。問題④、⑤將導(dǎo)致所學(xué)與所用脫節(jié)，未實現(xiàn)產(chǎn)出導(dǎo)向，無法很好地服務(wù)社會。問題⑥、⑦將導(dǎo)致綜合能力缺乏，無法實現(xiàn)“大工程觀”人才培養(yǎng)。為此，提出以下教改措施。

1 剔除落后知識，與時俱進

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和發(fā)展，橋梁工程的理論研究不斷深入，施工方法和施工工藝不斷更新提升。在教學(xué)內(nèi)容安排時，需將經(jīng)典理論及重要知識進行升華，而一些不適宜的內(nèi)容可以剔除或者弱化，從而實現(xiàn)與時俱進，持續(xù)創(chuàng)新。比如：在梁式橋介紹時，考慮到實際工程中懸臂梁橋因掛梁牛腿處或鉸處施工復(fù)雜及受力不合理已慢慢退出歷史舞臺，該部分內(nèi)容可簡要介紹說明結(jié)構(gòu)特點即可。在橋面鋪裝中，目前主要以瀝青混凝土及水泥混凝土橋面為主，瀝青泥結(jié)碎石等橋面鋪裝類型由于行車安全性和舒適性的考慮也慢慢退出歷史舞臺，可剔除該部分內(nèi)容；在伸縮縫部分關(guān)于橋面簡易連續(xù)介紹時，因接縫位置很容易出現(xiàn)開裂等實際問題，慢慢也不再使用該處理方法，也只需簡要介紹其特點即可。教學(xué)過程的推陳出新，有利于學(xué)生感受時代律動，主動與時俱進，提高創(chuàng)新能力及自我動態(tài)適應(yīng)能力。

2 精心設(shè)計，以實際工程為導(dǎo)向

學(xué)生學(xué)習(xí)過程中往往容易將橋梁工程課程內(nèi)各相關(guān)知識點割裂及無法建立橋梁工程與前續(xù)課程的聯(lián)系。為此，倡導(dǎo)進行以實際工程為導(dǎo)向的綜合能力訓(xùn)練。如關(guān)于橋梁概述部分的內(nèi)容，可以通過研讀一張《橋型一般布置圖》（如圖1所示）即可實現(xiàn)。在該圖中，會涉及橋梁的基本組成（橋跨結(jié)構(gòu)、支座、橋墩、橋臺、基礎(chǔ)及其他附屬設(shè)施，如橋面鋪裝、欄桿等），橋梁設(shè)計的內(nèi)容：平面設(shè)計（平面圖展示的內(nèi)容）、縱斷面設(shè)計（立面圖展示的內(nèi)容）、橫斷面設(shè)計（剖面圖展示的內(nèi)容），橋梁設(shè)計荷載等級（公路—I級，公路—II級及相關(guān)取值，如何加載），抗震設(shè)防要求等。除實際工程施工圖紙外，還可輔以實際工程照片、視頻，并帶領(lǐng)學(xué)生實地參觀考察，更能讓學(xué)生深刻理解相關(guān)知識。

圖1 橋型一般布置圖

通過實際工程為導(dǎo)向不僅可以串聯(lián)橋梁工程內(nèi)部知識點，還可以幫助建立橋梁工程與前序課程間的聯(lián)系，將邊緣交叉內(nèi)容進一步聯(lián)合。如：引入《橋位平面圖》（如圖2所示），讓學(xué)生將道路勘測設(shè)計中的路線設(shè)計相關(guān)內(nèi)容與橋梁平面設(shè)計相結(jié)合，繼而在《橋型一般布置圖》中完成橋梁關(guān)鍵信息表（里程樁號、高程及平豎曲線設(shè)計等）（如圖1左下角所示）。引入《地質(zhì)縱斷面圖》（如圖3所示），讓學(xué)生將工程地質(zhì)中關(guān)于工程

圖2 橋位平面圖

圖3 地質(zhì)縱斷面圖

地質(zhì)報告的內(nèi)容與橋梁設(shè)計中關(guān)于橋位選取及下部基礎(chǔ)計算中所需工程力學(xué)性質(zhì)指標相結(jié)合。引入《下部結(jié)構(gòu)一般構(gòu)造圖》，將墩臺基礎(chǔ)關(guān)于基礎(chǔ)的各項特點及力學(xué)計算方法與橋梁的墩臺構(gòu)造及計算相結(jié)合，繼而結(jié)合上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果、工程地質(zhì)資料及墩臺構(gòu)造等實現(xiàn)對基礎(chǔ)的驗算。將混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理中關(guān)于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)/普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點與橋梁的幾何構(gòu)造相結(jié)合，確定上部結(jié)構(gòu)的配筋情況，完成《上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖/普通鋼筋布置圖》。

以實際工程為導(dǎo)向，才能更好地理論聯(lián)系實際，認清目前實際工程存在的問題，并提出解決方案，進一步提高創(chuàng)新能力及動態(tài)適應(yīng)能力。

3 以學(xué)生為中心，引入“翻轉(zhuǎn)”理念

產(chǎn)出為導(dǎo)向在土木工程人才培養(yǎng)中即以實際工程為導(dǎo)向。該教學(xué)理念無疑是實現(xiàn)學(xué)科內(nèi)各專業(yè)主干課及課程內(nèi)部各知識點有效聯(lián)系的先進教學(xué)理念。實際工程項目的建設(shè)過程包括前期可行性研究階段、初期設(shè)計階段、后期施工及運營管理階段等。不同階段工作重點重心不盡相同。但就目前而言，這些工作均需依托實際工程圖紙進行開展?！皩嶋H工程圖紙”是土木工程工作者的表達載體。因此，在教學(xué)過程中，除可直接帶領(lǐng)學(xué)生參觀已建或在建橋梁工程項目、項目照片及相關(guān)視頻外，最易實現(xiàn)全面認識、分析項目信息的莫過于工程施工圖紙。當然，因一個完整工程項目的圖紙非常繁多，學(xué)生在識圖過程中仍有較多困難。為此，提出以下幾點解決方法。

3.1 抓重點，找經(jīng)典案例

一個完整的公路項目中有眾多的子項目。一套完整的工程設(shè)計施工圖紙往往包括總體設(shè)計、路線、路基路面、橋梁涵洞、隧道、路線交叉、交通工程及沿線設(shè)施、環(huán)境保護與景觀設(shè)計、其他工程、筑路材料、施工組織計劃、設(shè)計預(yù)算及工程地勘資料等內(nèi)容，通常有數(shù)千頁A3圖紙。如果全部翻閱，一是時間不允許；二是容易引起困頓，繼而影響指導(dǎo)效果。為確保學(xué)生愿意看，且看了有效果，一定要精選工程項目。最終教研室選取了《麗水市生態(tài)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)水閣至臘口公路工程兩階段施工圖設(shè)計》圖紙，該項目囊括的子項目內(nèi)容豐富，且案例典型、有代表性。考慮到目前中小跨徑橋梁仍較多采用簡支——連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋設(shè)計，因此橋梁工程課程授課時，選用該項目中包含胡洋大橋的路線設(shè)計圖紙、胡洋大橋設(shè)計圖紙及通用圖（包括上部結(jié)構(gòu)標準通用圖及各類橋梁附屬設(shè)施相關(guān)圖紙，圖紙數(shù)量60頁A3）進行教學(xué)。其他圖紙作為課后選讀內(nèi)容分享給學(xué)習(xí)意愿更強、自我要求更高的學(xué)生繼續(xù)深入學(xué)習(xí)。

3.2 求自主，引入“翻轉(zhuǎn)”理念

“翻轉(zhuǎn)”課堂蘊藏著課堂互動、交往、合作與探究的理念。目前，土木工程專業(yè)課程因理論知識難度較大，學(xué)時較緊等原因，除部分院校的計算機繪圖及實驗類課程采用“翻轉(zhuǎn)”課堂外，基本采用老師講基本理論知識要點，課后完成作業(yè)的方式進行，與傳統(tǒng)教育方式并無實質(zhì)性變化，學(xué)生實踐能力并無得到強化訓(xùn)練。但土木工程和所有的工科一樣，實踐性強，對學(xué)生實踐應(yīng)用能力要求高。人才培養(yǎng)現(xiàn)狀和需求的矛盾日益凸顯。所以本次橋梁工程的教學(xué)改革倡導(dǎo)引入“翻轉(zhuǎn)”理念，進一步提高學(xué)生的主動參與程度，繼而達到訓(xùn)練學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的目的。主要執(zhí)行方式為：首先，選擇部分適合“翻轉(zhuǎn)”的教學(xué)內(nèi)容。在課前，進行實際工程相關(guān)內(nèi)容接觸：圖紙識圖或各類超級工程視頻等（注意此處需要老師布置提出部分問題，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，效果更佳），并鼓勵學(xué)生自行提出問題；課堂上，同學(xué)們進行分享，老師對要點進行總結(jié)，對難點進一步深入解讀并引導(dǎo)學(xué)生舉一反三，讓學(xué)生真正讀懂實際工程設(shè)計圖紙或視頻資料及隱藏的相關(guān)理論知識信息；課后，針對目前實際工程項目存在的問題，要求學(xué)生提出改進方案，進一步激發(fā)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題，解決實際問題的能力。

其中，“翻轉(zhuǎn)”教學(xué)內(nèi)容選擇時有三點需要注意：①盡量難度適宜，讓學(xué)生參與度更高，更好實現(xiàn)“學(xué)生為中心”。②需與實際工程聯(lián)系緊密，更好實現(xiàn)“產(chǎn)出導(dǎo)向”。③需有一定的交叉性?？梢允菢蛄汗こ膛c道路勘測設(shè)計、路基路面工程、墩臺基礎(chǔ)等的學(xué)科內(nèi)交叉，也可以是橋梁工程與美學(xué)、機械、電子等學(xué)科間的交叉。進而，進一步促進“大工程觀”人才的培養(yǎng)。通過“翻轉(zhuǎn)”，進一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力，提高其動態(tài)適應(yīng)能力、創(chuàng)新意識及實踐能力。具體的翻轉(zhuǎn)知識點以第一篇總論為例，如表1所示。

《橋梁工程》教材內(nèi)容與實際工程案例對應(yīng)關(guān)系 表1

4 多管齊下，促“大工程觀”人才培養(yǎng)

4.1 大綜合訓(xùn)練找不足，勤總結(jié)

通過引入“翻轉(zhuǎn)”理念，以實際工程為導(dǎo)向，做到了化整為零各個擊破，讓學(xué)生將相關(guān)知識點牢牢掌握。但效果到底如何，還需進一步驗證。因此，在課程的后續(xù)，要求學(xué)生完成一座橋梁的綜合設(shè)計，通過化零為整讓學(xué)生形成一項完整的橋梁工程，并在實踐中進一步提高實踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)“大工程觀”。從2017級道路橋梁工程方向的學(xué)生提交成果看，部分同學(xué)對邊緣交叉性內(nèi)容的掌握還不到位，對上部結(jié)構(gòu)掌握較好，但下部計算相對偏弱，還需進一步加強，也為后續(xù)的教學(xué)工作指明了方向。

4.2 多學(xué)科聯(lián)動，促“大工程觀”人才培養(yǎng)

為了培養(yǎng)高素質(zhì)綜合性人才，我校人才培養(yǎng)方案中已安排大量通識類課程（21學(xué)分通識必修課+12學(xué)分通識選修課）以及大量技能類課程（22學(xué)分技能必修課+8學(xué)分技能選修課），讓學(xué)生能對感興趣的學(xué)科進一步深入學(xué)習(xí)。此外，在大一新生人才培養(yǎng)方案解讀時，就將今后專業(yè)學(xué)習(xí)可能涉及的交叉邊緣學(xué)科和同學(xué)們分享，如與橋梁方案選定相關(guān)的美學(xué)和環(huán)境科學(xué)、與橋梁制造和健康監(jiān)控相關(guān)的計算機、機械、電子等。鼓勵學(xué)生將個人興趣與所學(xué)專業(yè)有機結(jié)合，進一步促進多學(xué)科融合，繼而實現(xiàn)“大工程觀”人才培養(yǎng)。

5 結(jié)語

為主動應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，服務(wù)國家戰(zhàn)略和區(qū)域發(fā)展需求，推動新工科建設(shè)再深化、再拓展、再突破、再出發(fā)，務(wù)必要踐行“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”。為了進一步培養(yǎng)符合“新工科”發(fā)展需求的具有創(chuàng)新性、動態(tài)適應(yīng)能力及“大工程觀”的高素質(zhì)土木工程人才，本文以橋梁工程為例，在以下幾個方面提出要求：

①剔除落后知識，與時俱進，培養(yǎng)學(xué)生動態(tài)適應(yīng)能力；

②精心進行教學(xué)設(shè)計，以實際工程為導(dǎo)向，實現(xiàn)產(chǎn)教融合；

③以學(xué)生為中心，引入“翻轉(zhuǎn)”理念，進一步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力，并提高其動態(tài)適應(yīng)能力；

④多管齊下，不僅注重學(xué)科內(nèi)課程間交叉，還加強學(xué)科間融合，促進“大工程觀”人才培養(yǎng)。