橋渡設(shè)計課程發(fā)展趨勢與教學(xué)改革研究

陳啟剛 盧文良 解會兵 戰(zhàn)家旺 楊麗輝

摘 ?要：橋渡設(shè)計是高等院校土木工程專業(yè)橋梁工程方向或道路橋梁與渡河工程專業(yè)本科生的專業(yè)課。通過對北京交通大學(xué)、長安大學(xué)、東南大學(xué)、蘭州交通大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)、中南大學(xué)等典型高校橋渡設(shè)計課程的對比分析表明，盡管各?，F(xiàn)行培養(yǎng)方案對本課程的設(shè)置存在差異，但在人才培養(yǎng)理念及行業(yè)發(fā)展需求發(fā)生變化的新形勢下，該課程在各高校均面臨著授課內(nèi)容應(yīng)增多、上課學(xué)時在減少的普遍問題。針對上述變化趨勢，文章提出了包括新增行業(yè)急需教學(xué)內(nèi)容、授課方式線上與線下結(jié)合及教學(xué)與科研融合、實施基于能力的綜合型考核在內(nèi)的具體教學(xué)改革建議。

關(guān)鍵詞：橋渡設(shè)計;發(fā)展趨勢;教學(xué)內(nèi)容;授課方式;考核方法

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）02-0145-06

Abstract： Hydraulic Design of Bridges is a specialty course for undergraduates majoring in bridge engineering of civil engineering or road， bridge， and river-crossing engineering. Information on this course were compared among eight typical universities， including Beijing Jiaotong University， Chang'an University， Southeast University， Lanzhou Jiaotong University， Shijiazhuang Tiedao University， Tongji University， Southwest Jiaotong University， and Central South University. Results showed that arrangement of and requirements on this course are not the same in different universities. However， with new changes of the concept of talent training and the requirement of industry development， the course of hydraulic design of bridges in all universities faces the common situation of more teaching content and less teaching hours. In response to the above variation trend， suggestions on the teaching reform of the course were proposed. Firstly， knowledge urgently needed by the industry should be included in the course contents. Secondly， the combination of online and offline teaching and the merging of teaching and research should be adopted as the teaching method. Finally， capacity based comprehensive examination should be the assessment type of this course.

Keywords： Hydraulic Design of Bridges; development trend; course content; teaching method; assessment type

橋渡設(shè)計又稱橋涵水文，是我國高等學(xué)校面向土木工程專業(yè)橋梁工程方向或道路橋梁與渡河工程專業(yè)本科生開設(shè)的專業(yè)課。課程主要研究修建在河流、海洋上的橋涵結(jié)構(gòu)物與水流及泥沙之間的相互作用和影響，推求結(jié)構(gòu)物的設(shè)計水流條件，確定結(jié)構(gòu)物與水流相關(guān)的各種尺寸和布置，包括橋涵孔徑及基礎(chǔ)埋深的計算、橋位的選擇和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)物的布設(shè)等，內(nèi)容涉及水力學(xué)、水文學(xué)、河流動力學(xué)、海岸動力學(xué)、橋梁工程等多個學(xué)科，屬于典型的交叉型學(xué)科。

我國于20世紀(jì)50年代從蘇聯(lián)引入橋渡設(shè)計學(xué)科。1955年，錢鐘毅教授翻譯的蘇聯(lián)高等院校橋梁與隧道工程專業(yè)教材《橋位設(shè)計》由人民交通出版社出版，為國內(nèi)院校開設(shè)相關(guān)課程奠定了基礎(chǔ)。60年代初，同濟(jì)大學(xué)主編的《橋渡設(shè)計》和錢冬生教授主編的《橋梁水文》兩本教材相繼出版，標(biāo)志著我國高等院校橋渡設(shè)計課程體系的初步形成[1]。70年來，我國橋梁建設(shè)事業(yè)從無到有、蓬勃發(fā)展，對技術(shù)的需求促進(jìn)了相關(guān)科學(xué)研究的開展，使學(xué)科知識體系不斷完善;對人才的需求促進(jìn)了相關(guān)課程的升級完善，使課程教學(xué)改革不斷推進(jìn)。例如，多個高校的橋渡設(shè)計或橋涵水文任課教師結(jié)合學(xué)校特色，從不同角度開展了以提高教學(xué)效果為目的的教學(xué)改革研究[2-6];李想等[7]基于土木工程專業(yè)認(rèn)證的內(nèi)涵和要求，對橋涵水文課程設(shè)置、教學(xué)環(huán)節(jié)和考核方式進(jìn)行了全面改革。但現(xiàn)有教學(xué)改革研究大多只針對各高校在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)的具體問題而開展，缺少針對高校間共性問題的梳理和研究。

本文選取北京交通大學(xué)、長安大學(xué)、東南大學(xué)、蘭州交通大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)、中南大學(xué)八所培養(yǎng)橋梁工程專業(yè)本科生的典型高校為例，對比各高?，F(xiàn)行的2016版和最新的2020版培養(yǎng)方案針對橋渡設(shè)計課程的具體要求，分析面臨的共同問題，并結(jié)合行業(yè)發(fā)展新需求和人才培養(yǎng)新理念，提出新形勢下橋渡設(shè)計課程教學(xué)改革的具體建議。

一、2016版培養(yǎng)方案

（一）方案概況

目前，大多數(shù)高校均按照2016版（部分高校按照2015版）本科生培養(yǎng)方案開展橋渡設(shè)計課程的教學(xué)。表1詳細(xì)列舉了選取的八所代表性高?，F(xiàn)行培養(yǎng)方案及課程大綱對橋渡設(shè)計課程教學(xué)的具體安排，內(nèi)容包括課程名稱、課程性質(zhì)、學(xué)時安排、上課學(xué)期、教材等。

（二）課程名稱

目前，大多數(shù)高校均面向橋渡設(shè)計知識單獨(dú)開課，并沿用了橋渡設(shè)計或橋涵水文作為課程名稱。由于橋渡設(shè)計與水力學(xué)和水文學(xué)知識的內(nèi)在聯(lián)系最為緊密，長安大學(xué)和蘭州交通大學(xué)將兩個學(xué)科的知識合并為一門課程進(jìn)行授課，有助于知識體系之間的貫通銜接，但也使得水力學(xué)這門土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課只能面向橋梁工程方向的本科生開設(shè)。西南交通大學(xué)將橋渡設(shè)計知識作為橋梁規(guī)劃與總體設(shè)計課程的組成部分，符合橋渡設(shè)計的主要任務(wù)體現(xiàn)在實際橋梁工程的規(guī)劃、勘測和總體設(shè)計階段的一般規(guī)律。

（三）課程性質(zhì)

在所調(diào)研的八所高校中，有四所學(xué)校將講授橋渡設(shè)計知識的相關(guān)課程設(shè)置為專業(yè)必修課。其它高校盡管將課程性質(zhì)設(shè)定為專業(yè)選修課，但往往也將該課程設(shè)置為橋梁工程本科生的專業(yè)限選課預(yù)先置入學(xué)生課表，使得該門課程實質(zhì)上變?yōu)榱吮痉较驅(qū)W生的必修課（如北京交通大學(xué)）。由此可見，橋渡設(shè)計在橋梁工程本科生知識體系的培養(yǎng)方面具有舉足輕重的地位。

（四）課程學(xué)時及安排

授課學(xué)時方面，不同高校之間存在較大差異，多的如東南大學(xué)為40學(xué)時，少的如西南交通大學(xué)為16學(xué)時。課時的多少一方面取決于培養(yǎng)方案中對專業(yè)總課時的約束，另一方面可能也與學(xué)校在該領(lǐng)域的科研活躍度有一定關(guān)系。例如，東南大學(xué)、北京交通大學(xué)近十年以來均有從事橋渡設(shè)計領(lǐng)域科學(xué)研究的專門師資力量，為加強(qiáng)本課程的教學(xué)提供了良好條件。同時也應(yīng)該看到，盡管橋渡設(shè)計是一門與實際工程緊密結(jié)合的專業(yè)設(shè)計類課程，各高?，F(xiàn)行培養(yǎng)方案均沒有為本課程安排必要的實踐教學(xué)學(xué)時。

課程安排方面，大多數(shù)高校將橋渡設(shè)計或橋涵水文課程安排在了大三下學(xué)期或大四上學(xué)期。與之相對應(yīng)，作為本門課程先修課的水力學(xué)或流體力學(xué)一般安排在大二下學(xué)期或大三上學(xué)期（文中未列出）;另一方面，與本門課程有密切聯(lián)系的橋梁工程一般也安排在大三下學(xué)期，沒有明顯的先修或后續(xù)課關(guān)系。

（五）課程教材

在教材選用方面，除西南交通大學(xué)沒有明確指定課程教材外，有四所高校使用了本校自編的專門教材，另有兩所高校選擇由長安大學(xué)高冬光、王亞玲老師主編的《橋涵水文》教材，這表明各高校均比較注重專業(yè)教材的自主編寫工作。特別需要指出的是，高冬光、王亞玲老師主編的《橋涵水文》教材自1980年第一版問世以來，截止2019年已更新出版至第五版，可見其具有較高的行業(yè)認(rèn)可度。

二、新形勢下的課程建設(shè)趨勢

（一）課程形勢分析

2020年，全國大多數(shù)高校均進(jìn)入了新一輪本科生培養(yǎng)方案的修訂周期。此次培養(yǎng)方案是在深入貫徹黨的十九大和全國教育大會精神，落實新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議要求的背景下開展的，其顯著特點是課程體系需要響應(yīng)立德樹人、一流本科教育、以學(xué)生為中心、課程思政、新工科等新內(nèi)涵要求[8]。

具體于橋渡設(shè)計這門傳統(tǒng)課程，則進(jìn)一步面臨以下新問題：首先，面對新一輪科技革命及產(chǎn)業(yè)變革，本課程需要主動擁抱高端裝備、高性能計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的更新升級;其次，在全球氣候變暖導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)的背景下，跨海及山區(qū)橋梁建設(shè)面臨波浪、山洪、泥石流等復(fù)雜水流條件作用的新問題，橋渡設(shè)計學(xué)科知識體系正隨著科學(xué)研究和工程實踐的開展而不斷擴(kuò)張;再次，隨著我國在役橋梁規(guī)模的快速擴(kuò)大，橋梁運(yùn)維需要的水下監(jiān)測、檢測、防護(hù)等任務(wù)對橋渡設(shè)計知識體系提出了新要求。

（二）2020版培養(yǎng)方案

面對新形勢和新變化，高等學(xué)校橋梁工程專業(yè)必須對傳統(tǒng)課程體系進(jìn)行升級優(yōu)化，對課程內(nèi)容進(jìn)行更新，對課堂教學(xué)進(jìn)行改革。目前，本文調(diào)研的八所代表性高校均已完成2020版培養(yǎng)方案的編寫工作，表2列舉了各高校在新培養(yǎng)方案中對橋渡設(shè)計課程的具體要求。

（三）新舊培養(yǎng)方案對比

對比表1和表2可知，各高校在新形勢下編寫的培養(yǎng)方案中依然保留了橋渡設(shè)計或橋涵水文課程，但部分高校對課程信息進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。例如，北京交通大學(xué)將課程學(xué)時由24縮減為16;東南大學(xué)將課程學(xué)時由40縮減為32;蘭州交通大學(xué)將課程名稱由工程水文與橋渡設(shè)計變更為橋涵水文，課程性質(zhì)由專業(yè)方向選修課變更為專業(yè)基礎(chǔ)必修課，上課學(xué)期由大四上學(xué)期提前至大三下學(xué)期，學(xué)時由32學(xué)時變更為16學(xué)時;同濟(jì)大學(xué)將課程教材由本校自編的《橋涵水文》變更為高冬光、王亞玲主編的《橋涵水文》。

為了突出新舊培養(yǎng)方案的關(guān)鍵差異，對課程性質(zhì)和課程學(xué)時進(jìn)行詳細(xì)對比。圖1為代表性高校新舊培養(yǎng)方案中關(guān)于橋渡設(shè)計課程性質(zhì)的規(guī)定對比，其中設(shè)置為必修課的高校比例由原來的50%提高至62.5%，表明各高校在新形勢下進(jìn)一步增加了對橋渡設(shè)計課程的重視程度，這符合近年來橋梁建設(shè)實踐對橋渡設(shè)計知識和人才需求增長的變化趨勢。但是，在圖2所示的課程學(xué)時變化趨勢圖中，橋渡設(shè)計的教學(xué)學(xué)時整體被壓縮的趨勢較為顯著，這主要與各高校應(yīng)對科技革命及產(chǎn)業(yè)變革沖擊而實施的專業(yè)升級有關(guān)。

三、適應(yīng)新變化的課程改革建議

面對學(xué)科新知識不斷涌現(xiàn)但教學(xué)學(xué)時不增反減的新趨勢，橋渡設(shè)計課程唯有深入推進(jìn)教學(xué)改革，實現(xiàn)課程內(nèi)容升級、教學(xué)方式轉(zhuǎn)變、考核方法創(chuàng)新，才能適應(yīng)人才培養(yǎng)戰(zhàn)略和行業(yè)發(fā)展需求。

（一）課程內(nèi)容升級

1. 增加跨海橋梁設(shè)計知識

為滿足跨海大橋建設(shè)對橋渡設(shè)計知識與人才的需求，結(jié)合當(dāng)前跨海大橋基礎(chǔ)沖刷、波浪對墩臺作用力等工程問題研究的不斷深入，橋渡設(shè)計課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)在傳統(tǒng)跨河橋梁設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加波浪與近海岸流動基礎(chǔ)知識、設(shè)計波浪、波流作用下的墩臺沖刷以及波浪對墩臺作用力等專門知識。事實上，這些知識在最新出版的《橋涵水文》教材中已得到部分體現(xiàn)。

2. 增加水下檢測與養(yǎng)護(hù)知識

針對現(xiàn)代橋梁養(yǎng)護(hù)對于水下檢測與維修加固等技術(shù)需求的快速增長，結(jié)合學(xué)科現(xiàn)有知識體系，在橋渡設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容中增設(shè)現(xiàn)代橋梁基礎(chǔ)沖刷檢測與防護(hù)技術(shù)等知識（如圖3）。通過講解現(xiàn)代水下地形測量技術(shù)、橋梁沖刷應(yīng)急防護(hù)技術(shù)等實用知識，拓展學(xué)生的應(yīng)用知識面，增強(qiáng)理論與實踐結(jié)合能力，同時將無人潛水器、北斗導(dǎo)航、新型測量聲吶等現(xiàn)代技術(shù)與高端裝備引入課堂，為傳統(tǒng)課程注入現(xiàn)代科技的新鮮內(nèi)涵，增強(qiáng)了課程吸引力。

3. 增加智能化橋渡設(shè)計知識

針對土木工程“智能化”“綠色化”發(fā)展方向，結(jié)合特大型跨水域橋梁解決復(fù)雜橋渡設(shè)計問題的現(xiàn)實需要，在橋渡設(shè)計課程教學(xué)中增加橋梁智能建造相關(guān)內(nèi)容。初步介紹橋渡河段三維地形測量技術(shù)、建筑信息模型（BIM）技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)、現(xiàn)代水沙數(shù)值模擬技術(shù)（如圖4）等，使學(xué)生初步具備基于BIM+GIS+CAE的橋梁工程智能化設(shè)計理念，掌握面向未來工程需求的核心競爭力。

（二）教學(xué)方式轉(zhuǎn)變

在授課內(nèi)容量增多、授課學(xué)時在減小的新形勢下，橋渡設(shè)計課程的教學(xué)方式必須進(jìn)行顛覆式變革，才能達(dá)到良好的教學(xué)效果。針對本課程多學(xué)科交叉的特點，結(jié)合課程思政要求，教學(xué)方式應(yīng)線上與線下結(jié)合及教學(xué)與科研融合。

1. 線上與線下結(jié)合

選擇若干記錄重大橋梁工程建設(shè)歷程的專題紀(jì)錄片，作為學(xué)生線上學(xué)習(xí)素材。通過這些影視資料的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以直觀認(rèn)識開展橋渡設(shè)計的重要性、復(fù)雜性及主要任務(wù)，減少橋渡設(shè)計課程對這些內(nèi)容的講授學(xué)時。同時，紀(jì)錄片中對典型人物事跡的刻畫，生動詮釋了不同時代橋梁工程師建橋報國的感人事跡，是很好的課程思政素材。

針對橋渡設(shè)計涉及的水力學(xué)、河床演變學(xué)等多學(xué)科基礎(chǔ)知識，為了減少系統(tǒng)講授這些知識的教學(xué)學(xué)時，利用在線視頻公開課資源開展線上教學(xué)，鼓勵學(xué)生以學(xué)習(xí)小組的形式開展研討性自學(xué)，并通過布置針對性練習(xí)題，加強(qiáng)在線學(xué)習(xí)效果的實時監(jiān)督。

2. 教學(xué)與科研融合

為了使學(xué)生在有限的上課時間內(nèi)深入理解工程現(xiàn)場問題、熟練掌握基本概念和原理，針對墩柱繞流、橋墩及橋臺沖刷、橋梁壅水、橋梁調(diào)治構(gòu)造物、沖刷測量技術(shù)、沖刷檢測方法等與工程實際或科學(xué)研究密切結(jié)合的知識點，通過工程現(xiàn)場考察、開展數(shù)值模擬或水槽試驗等方式收集視頻、動畫及照片等多媒體資料，作為課堂講解對應(yīng)知識點的教學(xué)素材。圖5展示了北京交通大學(xué)科研團(tuán)隊在科學(xué)研究過程中收集橋渡設(shè)計教學(xué)素材的典型途徑。

除多媒體素材外，教師在科研與生活中收集與橋渡設(shè)計相關(guān)的代表性學(xué)術(shù)論文、相關(guān)新聞報道與科普讀物，通過微信等網(wǎng)絡(luò)方式推送給學(xué)生，并輔以簡短的文字評述，往往能起到很好的輔助教學(xué)效果，并初步培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。例如，橋梁基礎(chǔ)沖刷問題的國際權(quán)威Bruce W. Melville教授等于2017年發(fā)表的論文[9]、西南交通大學(xué)李亞東教授課題組于2019年發(fā)表的論文[10]皆為近幾年可供本科生拓展閱讀的典型論文。

（三）考核方法創(chuàng)新

針對課程內(nèi)容和授課方式的變化，橋渡設(shè)計課程的考核方式也應(yīng)由傳統(tǒng)的“知識性考試”向基于能力的“綜合型考核”轉(zhuǎn)變。首先，作為一門擁有基本概念、原理和計算方法的獨(dú)立學(xué)科，必要的知識性測驗應(yīng)作為衡量學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握情況的考核手段。其次，為了確保線上學(xué)習(xí)效果，應(yīng)針對這部分知識布置一定數(shù)量的作業(yè)，并將作業(yè)成績作為課程考核的重要組成部分。再次，作為面向工程實踐的應(yīng)用性課程，設(shè)置以實際工程為背景，涵蓋橋位選擇、橋孔布設(shè)、基礎(chǔ)沖刷設(shè)計、調(diào)治構(gòu)造物設(shè)計等內(nèi)容的研究性項目，可以考察學(xué)生對課程知識體系的綜合掌握情況。最后，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，可鼓勵他們自選橋渡設(shè)計論文進(jìn)行閱讀和交流，考察學(xué)生發(fā)現(xiàn)知識、掌握知識和分享知識的能力。

上述各考核環(huán)節(jié)在最終成績中的比例可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。在北京交通大學(xué)橋渡設(shè)計課程最新的教學(xué)大綱中，課程考核由期末考試、平時作業(yè)、研究性項目和文獻(xiàn)閱讀四部分組成，其中，期末考試占總成績的50%，平時作業(yè)占總成績的15%，研究性項目占總成績的20%，文獻(xiàn)閱讀占總成績的15%。

四、結(jié)束語

對北京交通大學(xué)、長安大學(xué)、東南大學(xué)、蘭州交通大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)、中南大學(xué)八所典型高校2016版和2020版教學(xué)大綱對橋渡設(shè)計課程的具體要求進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)該課程面臨著全新的變化趨勢，需要通過多種途徑開展課程改革。

（1）各高校現(xiàn)行培養(yǎng)方案對于橋渡設(shè)計課程各方面有不盡相同的規(guī)定，但在人才培養(yǎng)理念及行業(yè)發(fā)展需求發(fā)生變化的新形勢下，該課程在各高校均面臨授課內(nèi)容應(yīng)增多、上課學(xué)時在減少的問題。

（2）為了滿足行業(yè)發(fā)展對知識與人才的新需求，橋渡設(shè)計教學(xué)內(nèi)容應(yīng)增加跨海橋梁橋渡設(shè)計、橋梁水下檢測與防護(hù)、智能化橋渡設(shè)計等知識。

（3）為了適應(yīng)課程學(xué)時逐漸減少的新趨勢，橋渡設(shè)計授課方式應(yīng)注重線上與線下結(jié)合及教學(xué)與科研融合。

（4）針對教學(xué)內(nèi)容和授課方式的轉(zhuǎn)變，橋渡設(shè)計課程考核方式應(yīng)從傳統(tǒng)的知識性考試向基于能力的綜合型考核轉(zhuǎn)變。

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