基于信息化技術(shù)的橋梁工程教改探索

葛新廣

摘? 要? 橋梁工程是交通土建專(zhuān)業(yè)高年級(jí)的核心專(zhuān)業(yè)必修課。針對(duì)當(dāng)前橋梁工程課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，借助數(shù)字信息化技術(shù)對(duì)課程教學(xué)改革進(jìn)行探索，改革的重點(diǎn)是教學(xué)采用真實(shí)的橋梁工程場(chǎng)景，讓學(xué)生參與其中并提升大作業(yè)成績(jī)的比重。通過(guò)問(wèn)卷及訪(fǎng)談的方式，課程組對(duì)改革后的教學(xué)效果進(jìn)行了定性與定量分析，結(jié)果顯示：基于信息化技術(shù)的教學(xué)改革對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣卓有成效，對(duì)改善教學(xué)內(nèi)容、調(diào)動(dòng)課堂參與度、加大課后投入等方面效果顯著。本次教學(xué)改革為一流本科課程建設(shè)提供了借鑒，也為解決我國(guó)交通土建專(zhuān)業(yè)教學(xué)中諸多共性問(wèn)題、推進(jìn)專(zhuān)業(yè)改革提供了實(shí)證。

關(guān)鍵詞? 信息化技術(shù)；橋梁工程；新工科；復(fù)合型人才

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）01-0102-03

0? 引言

數(shù)字信息技術(shù)以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信、網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)所研究對(duì)象的各要素進(jìn)行數(shù)字化建模并能匯總至數(shù)據(jù)庫(kù)，供人們學(xué)習(xí)、生活、工作及輔助決策等，其具有數(shù)字化、可視化和智能化特點(diǎn)[1]。數(shù)字化就是將研究對(duì)象的各個(gè)組成部分用可以度量的數(shù)字、數(shù)據(jù)建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M(jìn)制代碼，存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)內(nèi)部，并可隨時(shí)調(diào)閱、編輯等處理；可視化是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維圖形或圖像并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)；智能化是利用數(shù)字技術(shù)將研究對(duì)象按照真實(shí)的物理過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，真實(shí)反映事物的發(fā)展規(guī)律。

數(shù)字化信息技術(shù)在各行各業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用，在教育行業(yè)也不例外，比如多媒體教學(xué)、微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)等數(shù)字信息化手段，解決了傳統(tǒng)教學(xué)以紙質(zhì)版為主且所反映的教學(xué)內(nèi)容為平面性、抽象性的缺點(diǎn)，調(diào)動(dòng)了大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性，夯實(shí)學(xué)生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和意識(shí)[2]。

對(duì)于土木工程專(zhuān)業(yè)而言，信息化技術(shù)應(yīng)用主要表現(xiàn)為各類(lèi)結(jié)構(gòu)分析軟件，如ANSYS、Midas、PKPM、橋梁博士等計(jì)算軟件、Revit等BIM軟件、廣聯(lián)達(dá)等造價(jià)軟件等。這些軟件主要是商業(yè)軟件，相當(dāng)一部分教師對(duì)這些軟件不夠了解，在教學(xué)中應(yīng)用較少，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法理解數(shù)字信息技術(shù)對(duì)行業(yè)所帶來(lái)的利好。因此，信息化技術(shù)在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用仍需要探索?！秶?guó)家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確指出，大力推動(dòng)數(shù)字信息技術(shù)與教育深度融合，綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等數(shù)字信息技術(shù)探索未來(lái)教育教學(xué)新模式?！稄V西教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》進(jìn)一步對(duì)廣西高等教育明確提出探索傳統(tǒng)教學(xué)手段與信息化技術(shù)相融合的新教學(xué)方法。

面對(duì)數(shù)字信息化技術(shù)對(duì)工科教育帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)及國(guó)家對(duì)于新工科教育發(fā)展的迫切要求，如何將數(shù)字信息技術(shù)融入橋梁工程的教學(xué)環(huán)節(jié)，全面提升課程教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，培育應(yīng)用型、創(chuàng)新型及復(fù)合型人才成為土工工程專(zhuān)業(yè)高等教育改革必須面對(duì)的問(wèn)題[3-4]。

1? 課程教學(xué)存在的問(wèn)題

1.1? 教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程應(yīng)用脫節(jié)

自改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)政府高度重視基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大量的超大體型橋梁如雨后春筍般出現(xiàn)在祖國(guó)大地上，各種新型結(jié)構(gòu)體系橋梁也遍地開(kāi)花。這得益于橋梁結(jié)構(gòu)的科研和實(shí)踐成果，得益于橋梁建設(shè)各類(lèi)施工設(shè)備的創(chuàng)新性發(fā)展。而現(xiàn)行橋梁工程教材仍然大量講解諸如先張法簡(jiǎn)支圓形截面空心板梁、T型梁、彎起普通鋼筋抗剪等橋梁技術(shù)[5]。圓截面空心板是20世紀(jì)90年代高速公路橋梁大量采用的一種結(jié)構(gòu)形式，促進(jìn)了當(dāng)時(shí)橋梁工程的發(fā)展，由于施工復(fù)雜且20世紀(jì)90年代建造的橋梁運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間之后發(fā)現(xiàn)該類(lèi)型橋梁出現(xiàn)大量的裂縫；T型梁橫向穩(wěn)定性差；彎起鋼筋由于梁體中鋼筋眾多導(dǎo)致混凝土澆筑質(zhì)量差和施工復(fù)雜效率低，自2010年后，此類(lèi)橋梁已不再采用，而是采用小箱梁，而現(xiàn)行教材卻缺少小箱梁的相關(guān)介紹。

中國(guó)被稱(chēng)為“基建狂魔”，各地四通八達(dá)的公路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)都離不開(kāi)橋梁結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，而目前教材里缺少典型橋梁結(jié)構(gòu)的介紹，不易激發(fā)專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)于自己所從事專(zhuān)業(yè)的自豪感。

1.2? 教學(xué)手段單一，教學(xué)對(duì)象抽象，導(dǎo)致學(xué)生難以理解

橋梁工程是橋梁工程專(zhuān)業(yè)的核心課，以橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)分析和施工為研究對(duì)象，其中設(shè)計(jì)分析牽扯到復(fù)雜的力學(xué)知識(shí)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的細(xì)部組成；橋梁施工涉及橋梁構(gòu)件的整個(gè)施工過(guò)程。前者涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)課程的知識(shí)點(diǎn)，而這些又都是土木工程較為難學(xué)的課程，學(xué)生掌握得不扎實(shí)，而橋梁工程課程涉及上述知識(shí)的綜合應(yīng)用。后者涉及具體構(gòu)件的建造，建造過(guò)程又與受力過(guò)程關(guān)系密切，同一座橋梁不同的施工方法會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和造價(jià)?，F(xiàn)行教材的教學(xué)內(nèi)容對(duì)此部分僅以文字?jǐn)⑹鰹橹?，比較抽象，無(wú)法激起學(xué)生的參與熱情，因此，所培養(yǎng)的橋梁畢業(yè)生很難適應(yīng)當(dāng)下橋梁工程施工和設(shè)計(jì)的需要。此外，目前從事橋梁教學(xué)的諸多老師都是高校研究生畢業(yè)后直接教學(xué)，由于缺乏實(shí)際工程施工的經(jīng)歷，也導(dǎo)致教學(xué)過(guò)程枯燥無(wú)味，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)[6]。

1.3? 現(xiàn)行教學(xué)缺乏沉浸式教學(xué)模式

近年來(lái)，電子信息技術(shù)飛速發(fā)展及互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及，各類(lèi)電子設(shè)備給知識(shí)的傳播提供了新的途徑，諸如手機(jī)、計(jì)算機(jī)及平板設(shè)備等給用戶(hù)帶來(lái)了前所未有的體驗(yàn)，表現(xiàn)為視聽(tīng)一體化體驗(yàn)。因此，現(xiàn)行的板書(shū)和PPT平面教學(xué)模式所提供的教學(xué)知識(shí)則受到時(shí)間、空間的限制，無(wú)法呈現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的細(xì)部特點(diǎn)和動(dòng)態(tài)的施工過(guò)程；同時(shí)現(xiàn)行教學(xué)方式主要是老師講學(xué)生聽(tīng)的模式，基本無(wú)法做到學(xué)生與老師互動(dòng)，無(wú)法使課堂的所有參與者沉浸到教學(xué)過(guò)程中，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和興趣[7]。

1.4? 課程實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)條件過(guò)于簡(jiǎn)單不符合應(yīng)用復(fù)合型人才培養(yǎng)的需要

橋梁工程課程的核心內(nèi)容之一是橋梁施工，為了追求美觀(guān)，當(dāng)代橋梁結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，橋梁施工過(guò)程也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)工程的理論分析和實(shí)踐要求越來(lái)越高，這些都需要在熟練掌握既有橋梁施工方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性思維。橋梁施工教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)踐部分采用現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)摩形式，實(shí)踐時(shí)間一般一個(gè)項(xiàng)目就2小時(shí)或者更短，而橋梁施工是個(gè)長(zhǎng)周期的過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)摩實(shí)習(xí)只能了解一個(gè)項(xiàng)目的局部工程或者某個(gè)工序，無(wú)法全面了解一座橋的施工過(guò)程，更無(wú)法了解一座橋梁建設(shè)過(guò)程中的受力情況。學(xué)生普遍反映所學(xué)理論知識(shí)無(wú)法應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)際中，對(duì)橋梁施工基本無(wú)概念，因此，橋梁施工教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際脫節(jié)嚴(yán)重。筆者所在學(xué)校作為應(yīng)用型本科大學(xué)，絕大部分學(xué)生畢業(yè)后從事橋梁施工，而從畢業(yè)生反饋來(lái)看，畢業(yè)數(shù)年內(nèi)基本無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜橋梁的施工管理工作。因此，橋梁工程教學(xué)改革必須抓住發(fā)展契機(jī)，加快實(shí)踐教學(xué)的改革升級(jí)，以適應(yīng)學(xué)校新工科建設(shè)對(duì)本科學(xué)生的培養(yǎng)要求。

1.5? 教師專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)未能滿(mǎn)足新工科人才培養(yǎng)的需求

國(guó)家提出新工科建設(shè)雖然已有一段時(shí)間，但由于歷史原因，大部分高校把精力放在學(xué)科建設(shè)上，而對(duì)應(yīng)用型教師的培養(yǎng)重視不夠。大部分高校教師來(lái)源于高等院校的碩士或者博士，橋梁施工知識(shí)缺乏，只重理論，無(wú)法做到理論聯(lián)系實(shí)際，無(wú)法利用數(shù)字信息技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、對(duì)橋梁工程施工過(guò)程進(jìn)行理論分析。而工程實(shí)踐單位高職稱(chēng)的工程師又缺乏理論知識(shí)，故“雙師型”師資力量的缺乏成為制約各高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的障礙。

不少教師側(cè)重傳統(tǒng)理論知識(shí)的講解，缺乏對(duì)前沿內(nèi)容的介紹，且教學(xué)仍然以教師講授為主，忽視師生之間的交流。此外，橋梁工程課程缺乏創(chuàng)新性習(xí)題的構(gòu)建，課程教學(xué)學(xué)時(shí)少，學(xué)生課后缺少自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力。這些都要求橋梁工程教師從新工科對(duì)人才的要求出發(fā)，以數(shù)字信息技術(shù)為手段，提升自身的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，促進(jìn)橋梁工程復(fù)合型人才的培養(yǎng)。

2? 課程教學(xué)的改革措施

2.1? 搜集各類(lèi)現(xiàn)行橋梁成套圖紙及施工方案，建立橋梁工程設(shè)計(jì)施工數(shù)據(jù)庫(kù)

為了滿(mǎn)足新工科工程教育的需要，圍繞培養(yǎng)具

有創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的應(yīng)用型橋梁工程人才， 必須結(jié)合當(dāng)前橋梁工程發(fā)展的現(xiàn)狀，搜集各類(lèi)現(xiàn)行橋梁完整圖紙及施工方案，建立橋梁工程圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)及施工方案數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用學(xué)校網(wǎng)站建立校內(nèi)可訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，供學(xué)生及老師調(diào)閱。橋梁圖紙是建立三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)，橋梁施工方案為橋梁施工過(guò)程力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。授課時(shí)，選擇典型橋梁項(xiàng)目作為課程的案例，可彌補(bǔ)現(xiàn)有橋梁工程教材內(nèi)容老舊的缺陷，改善現(xiàn)有單一課堂教學(xué)手段無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求的現(xiàn)狀。

2.2? 基于REVIT軟件，建立橋梁三維數(shù)字信息模型及施工措施模型庫(kù)

三維實(shí)體橋梁數(shù)字信息模型能形象地給出橋梁的細(xì)部結(jié)構(gòu)及構(gòu)造，對(duì)學(xué)生掌握各類(lèi)橋梁工程的結(jié)構(gòu)構(gòu)成具有十分重要的作用。施工過(guò)程措施模型能較好地顯示一座復(fù)雜橋梁的各類(lèi)支架及措施，易于學(xué)生理解各種橋梁的施工措施和方案。

目前由Autodesk公司發(fā)布的REVIT軟件廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，且有成熟的族，而對(duì)橋梁工程而言則需要重新開(kāi)發(fā)新的橋梁構(gòu)件族。為此，首先通過(guò)對(duì)BIM軟件的研究，建立基于REVIT軟件的橋梁各構(gòu)件和施工工具的族模型及各種橋梁的三維數(shù)字模型庫(kù)；然后在學(xué)生中成立課外小組，建立各種橋梁的三維數(shù)字模型，并錄制BIM模型建模過(guò)程，然后放置在學(xué)校的網(wǎng)站上，供師生學(xué)習(xí)。

2.3? 利用MIDAS和橋梁博士等力學(xué)分析軟件建立橋梁三維力學(xué)模型庫(kù)

由于橋梁工程的力學(xué)特點(diǎn)與施工過(guò)程密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)橋梁工程的施工方案和橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于Midas和橋梁博士等軟件的三維建模并獲得構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果。錄制各類(lèi)軟件的建模過(guò)程作為三維力學(xué)模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，并放置在學(xué)校的網(wǎng)站上，供師生學(xué)習(xí)。

2.4? 建立橋梁工程課程浸入式教法和科學(xué)的考核方法

橋梁工程是理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，理論性體現(xiàn)在橋梁的設(shè)計(jì)與施工對(duì)力學(xué)的高度要求；實(shí)踐性體現(xiàn)在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程和橋梁施工過(guò)程都需要滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)條件和滿(mǎn)足實(shí)際情況等。因此，橋梁工程教學(xué)必須采用真實(shí)的橋梁工程場(chǎng)景，讓學(xué)生參與其中，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和興趣。成績(jī)考核采用期末成績(jī)、大作業(yè)成績(jī)和平時(shí)成績(jī)，加重應(yīng)用方面的考核，即大作業(yè)以四類(lèi)橋型以基礎(chǔ)，給定學(xué)生不同的參數(shù)并創(chuàng)新發(fā)揮的空間，分別按照現(xiàn)行工程實(shí)踐的要求完成橋梁設(shè)計(jì)。平時(shí)成績(jī)?cè)趶?qiáng)調(diào)必要的教學(xué)秩序的基礎(chǔ)上，以與老師互動(dòng)性為標(biāo)準(zhǔn)考查學(xué)生。

3? 結(jié)束語(yǔ)

利用數(shù)字信息技術(shù)為橋梁工程搭建一個(gè)綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)，包括現(xiàn)行橋梁工程平面圖紙、施工方案、三維模型圖及力學(xué)模型圖，并為學(xué)生建立一種“沉浸式學(xué)習(xí)、探索式建模及啟發(fā)式應(yīng)用”的學(xué)習(xí)平臺(tái)，讓學(xué)生在教學(xué)平臺(tái)里根據(jù)設(shè)定的培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)應(yīng)相關(guān)的基本知識(shí)開(kāi)展學(xué)習(xí)，從而最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新、實(shí)踐能力，推動(dòng)應(yīng)用型學(xué)科建設(shè)，提升橋梁工程課程教學(xué)質(zhì)量。

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