多維度橋梁教學研究方法探究

摘? 要：橋梁工程是道路橋梁渡河工程專業(yè)的一門必修課，其具有課程綜合性較強、實踐要求較高、研究范圍較廣的學科特點，傳統(tǒng)的教學方式難以滿足培養(yǎng)具備現代工程設計能力的工程師的教學要求，亟需教學方式的改革及研究手段的深化。以此為切入點，該文提出一種基于課堂教學、軟件滲透、工程項目相結合的多維度橋梁工程教學手段，構建理論-仿真-實踐的多層次學科研究體系。該文所建立的橋梁工程教學研究方法可全方位地提升課堂教學的理論性和應用性效果，大范圍地拓展學生處理橋梁工程相關問題的思路邏輯，為其日后的科研工作夯實基礎。

關鍵詞：教學研究方法；橋梁工程；多維度教學設計；工程實踐；理論-仿真-實踐

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）32-0040-04

Abstract： Bridge Engineering is a compulsory course for the specialty of road， bridge and river-crossing engineering， which has the disciplinary characteristics of strong course comprehensiveness， high practical requirements， and wide range of research. The traditional teaching method is difficult to meet the teaching requirements of cultivating engineers with modern engineering design ability， and there is a great need for the reform of the teaching method as well as deepening of the research means. Taking this as an entry point， this paper proposes a multi-dimensional Bridge Engineering teaching means based on classroom teaching， software penetration， engineering projects， and builds a multi-level disciplinary research system of theory-simulation-practice. The Bridge Engineering teaching and research method established in this paper can enhance the theoretical and applied effect of classroom teaching in an all-round way， expand the students' thinking logic in dealing with bridge engineering related problems in a wide range， and lay a solid foundation for their future scientific research work.

Keywords： teaching research methods; Bridge Engineering; multidimensional instructional design; engineering practice; theory-simulation-practice

基金項目：陜西省自然科學基礎研究計劃重點項目“考慮高溫、腐蝕及疲勞耦合作用下鋼-混組合梁力學性能研究”（2022JZ-32）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目“鋼-纖維MPC混凝土疊合板組合梁負彎矩力學性能研究”（300102212212）

作者簡介：武芳文（1980-），男，漢族，河北邯鄲人，工學博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為高性能混凝土結構和橋梁結構理論。

橋梁工程作為道路橋梁渡河工程專業(yè)必修課，該課程的教學目標包括卻不限于培養(yǎng)學生對各類橋型及組成部分受力特點的基礎認知，掌握大跨、中小型橋梁及新型橋梁結構的構造原理，熟悉常見施工方法的設計特點及應用范圍。作為大基建、智能交通背景下交通特色高校的核心課程，其課堂教學效果對于學生工程技術能力的培養(yǎng)具有深遠的影響。然而，考慮到該類課程具有應用范圍廣、橋型復雜多變、設計規(guī)范條文煩瑣和計算內容難度較大的教學特點，傳統(tǒng)教學方法僅針對于理論知識的講解，往往忽視了橋梁學科相關軟件技術及工程項目實踐的穿插結合，造成學生們的課堂積極性及參與性下降，教學效率大幅度折減。因此，對于橋梁教學研究方法的探索與變通顯得尤為重要。

已有教學工作者對橋梁工程課程的教學研究方法展開了如下探討：賀紹華、李笑芳等[1-2]通過深入剖析道路橋梁與渡河工程專業(yè)的教學改革特點，提出了基于專業(yè)人才培養(yǎng)現狀課程教學改革新方向。張菊輝、林智敏等[3-4]認為實踐學科教學中需要融入課程思政元素，全方面地梳理了如何在“橋梁工程”中實施課程思政，從而實現專業(yè)知識與德育的融合。石雪飛、彭衛(wèi)等[5-6]基于新工科強調對學生復合交叉、實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，提出淡化傳統(tǒng)的工程科學體系，圍繞橋梁工程特點安排教學總體思路，并認為教學內容重點應放在現有橋梁設計與施工方法的形成過程上。黃信等[7]結合橋梁工程課程的教學實踐，基于強化工程應用能力的目標對橋梁工程的課堂教學內容進行設計，提出了以工程項目全過程設計為主線的課堂教學新思路。周明等[8]針對應用型本科高校土木工程道路與橋梁方向專業(yè)教學中存在的問題，基于任務驅動方法，開展了橋梁博士軟件應用教學研究，文章認為有限元軟件可有效地提升學生們對于橋梁課程的研究興趣。布占宇[9]提出了翻轉課堂結合在線課程的橋梁工程教學新模式，這種新型教學模式充分利用了“互聯網+”技術，可大幅度提高學生學習的積極性、自主性。張夏[10]融合中國橋梁維護與加固發(fā)展和現狀，認為教師在教學中可結合學科特征與學生學情基于多方面展開分析，培養(yǎng)學生成為集文化知識與良好思想道德品質于一身的高質量、高水平人才。

盡管教學工作者們對橋梁工程的教學研究方法提出了針對性強且有效的革新意見，但教學研究重點仍集中于理論或實踐的某一固定角度，教學改革方法未能實現理論-仿真-實踐的多維度融合。因此，本文提出基于課堂教學、軟件滲透、工程項目相結合的多維度橋梁工程教學手段，實現多元化理論課堂、有限元仿真技術及橋梁項目實踐的多體系交叉融合。教學革新旨在大幅提升學生們的理論接受效率，幫助其構建理論-仿真-實踐的多角度學習體系，為其走向科研工作崗位奠定牢固基礎。

一? 橋梁工程教學內容的特點與發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)橋梁工程課程的教學內容較為固定，主要分為橋梁上下部結構的介紹及受力特點、常見橋梁施工方法的適用范圍及優(yōu)缺點、橋梁設計過程及考慮原則和橋涵水文相關規(guī)范等。部分高校會結合自身的優(yōu)勢學科，針對研究較為深入的橋型進行教學與探討。如長安大學、同濟大學等公路優(yōu)勢高校，橋梁工程的教學點主要集中在公路橋梁及大跨徑索橋的特征分析及建造上，北京交通大學及西南交通大學則側重于鐵路橋梁的建設過程，教學內容的分流及教學方法的定式務必造成學生們對于部分橋型的了解程度不夠深入。同時隨著大跨橋梁建設的崛起，許多新興的橋梁建設技術也被運用進來。如2016年建成的貴州北盤江第一橋（圖1），設計師利用云技術，研發(fā)建立一個集“建設、管理、養(yǎng)護”于一體的橋梁管養(yǎng)綜合信息化平臺。通過安裝在橋上的傳感器，把橋梁的索塔、橋面等數據傳送到橋梁基礎信息云和橋梁監(jiān)測養(yǎng)護信息云，然后分析決策云對前面?zhèn)魉偷臄祿M行分析。該橋的健康監(jiān)測技術涉及橋梁工程與計算機專業(yè)的交叉融合，傳統(tǒng)的橋梁工程教學方法無法使學生完全熟悉該項技術，突出了教學方法更新的重要性。

新材料的崛起使得部分大跨徑橋梁橋面板真正意義上做到了輕質高強，超高性能混凝土（UHPC）因其優(yōu)異的耐久性及抗裂增韌性能，在許多橋梁上得到了運用。如2018年建成通車的湖南杭瑞洞庭大橋（圖2），該橋采用了超高性能混凝土組合鋼橋面，該橋采用的板桁結合結構，開展薄鋼橋面板與超高性能混凝土形成組合橋面板，在保證橋面承載能力的同時，大大提高了橋面板剛度，從根本上解決了鋼橋面板疲勞開裂這個世界性技術難題。傳統(tǒng)的橋梁工程教學內容并未涉及新材料的介紹，考慮到高強材料結構必將成為日后橋梁建設的研究設計熱點，只有對橋梁教學研究方法進行革新，才能真正意義上使學生了解橋梁發(fā)展的趨勢。橋梁科普視頻教學及有限元仿真技術的融合，可使學生在了解新型高強材料力學特性的同時，掌握該類橋梁的力學結構及受力特點。

綜上所述，只有對傳統(tǒng)的橋梁工程教學研究方法進行革新，才能適應橋梁建設技術的飛速發(fā)展，使學生全面掌握新興的橋梁設計方法及工程技術運用。本文提出的多維度橋梁教學方法，可有效解決傳統(tǒng)橋梁工程教學研究方法的弊端，下面本文將分述這種教學方法的構建重點及過程。

二? 多維度橋梁教學研究方法的構建

（一）? 多元化理論課堂的形成

橋梁工程相關理論具有較強的實踐性，單純且枯燥的課本知識教學無法提高學生們的研究興趣。因此引入多媒體技術，形成多媒體+課本的雙向教學體系，可有效提升學生們的理解效率，也是構建多元化理論課堂的關鍵。傳統(tǒng)的黑板教學很難做到理論細節(jié)的全方位滲透，造成學生們對知識點了解不具體、不深刻、不形象。例如橋梁施工方法的教學，這類內容工程性較強，對于未經歷過工程項目實踐的本科生而言，理論知識較為晦澀難懂。如已有橋梁教材中對于頂推施工法的描述，其專業(yè)術語及工法細節(jié)占大部分介紹比例，學生們很難即時地對該施工技術建立形象的認知體系。多媒體技術可高效解決這一弊端，借助目前國內外已比較成熟的橋梁施工渲染動畫配合理論教學（圖3），可對理論細節(jié)形成實時解釋的效果。兩種教學方法相結合，可在激發(fā)學生們研究興趣的同時，改善教學效果，彌補傳統(tǒng)教學方法所帶來的理論知識接受缺陷。

橋梁工程課程并不是孤立的學科，其涉及專業(yè)基礎課較多，如結構力學、結構設計原理、材料力學等。因此，良好的教學研究效果離不開其余課程的相關聯系。結構設計原理作為橋梁工程非常重要的一門專業(yè)基礎課，在講授橋梁工程教學內容的同時，需注重結構設計原理的講解與拓展，從而使學生們能夠更快、更全面地掌握橋梁結構設計計算方法，理解及熟悉運用各類橋涵規(guī)范。與其余土木理論課程相比較，橋梁工程更注重某一工程技術的運用與創(chuàng)新，教學點應著重于學生橋梁設計方法及時間應用能力的培養(yǎng)，這就需要給學生建立橋梁工程組成結構的力學理論基礎。因此，教學研究過程應注意各類力學理論課程與橋梁工程的銜接與聯系，幫助學生構筑理論基礎-實踐能力的多元邏輯體系。同時，軟件工程學科、材料科學學科也是如今橋梁工程教學研究內容所交叉融合的重點。如神經網絡技術，該信息理論可對一系列的橋梁結構樣本數據進行訓練，從而得到準確性較高的橋梁損傷、開裂預測結果。在如今橋梁病害難以被外觀檢測的情況下，該項技術可有效提升橋梁健康檢測模塊的運行效率，大幅度降低工程成本。高性能材料更能有效解決橋面板開裂的工程難題，延長橋梁服役壽命。因此，在橋梁工程教學研究過程中，應多注意與其他大類學科進行交叉講解，使學生掌握最全面、最新穎、最有效的橋梁設計與建造方法。

（二）? 有限元仿真技術的培養(yǎng)

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，有限元模擬軟件也得到了不斷升級。有限元仿真技術可在降低科研成本的同時，驗證所開展模型試驗的準確性，實現研究目標的參數化分析，提升橋梁結構的計算精準度。因此，培養(yǎng)學生有限元仿真技術的應用能力是橋梁工程教學研究工作的關鍵內容。橋梁工程中常見的有限元分析軟件包括ANSYS、ABAQUS、MIDAS等，在對課本理論教學的同時，穿插有限元仿真技術的介紹與應用方法，可有效拓展學生結構分析思維，激發(fā)其探究積極性。以大型結構分析軟件ANSYS為例，該軟件可實現橋梁結構某一局部構建的應力應變分析，具有高度的精確性。預制拼裝接縫的ANSYS應力分析結果如圖4所示，從圖4中可以準確判斷出結構損傷部位及應力分布，學生們可以更加深入地了解橋梁細部結構的受力狀態(tài)，從而加深其對于橋梁工程理論知識的理解，為其日后的科研工作及論文撰寫積累經驗。

荷載試驗是橋梁方向本科生專業(yè)課程涉及的重要試驗之一，是構成學生們橋梁工程專業(yè)基礎體系不可或缺的一部分。該部分教學內容需要大量的試驗器材、加載設備及人力成本，在實驗室內無法重現。即使學生們參與了現場的試驗工作，考慮到荷載試驗較大的體量，學生們也無法全面掌握相關知識，形成深入、全面的認知體系。然而，借助有限元仿真技術，運用橋梁工程、結構力學、材料力學等專業(yè)知識，對荷載試驗進行精細化建模，即可對現實中的橋梁動靜載試驗進行仿真模擬。MIDAS分析的某一連續(xù)剛構橋抗震計算結果如圖5所示，該類軟件可高效運用在大型結構的模態(tài)及受力分析中，同時結合CDN軟件可對計算結果進行驗算，保證分析精確度。對于結構體量較大的橋型，可結合該類軟件輔佐教學研究，為學生建立生動且透徹的理論知識接受體系。同時，該類軟件也是學生們今后從事橋梁設計工作的必備技術，理論知識與仿真技術融合的教學方法，可在提高橋梁工程教學研究效率的同時，為學生們日后的設計工作奠定技術儲備。

（三）? 工程項目全流程的融入

橋梁工程的關鍵教學研究目標是培養(yǎng)工程應用型人才，將工程實踐環(huán)節(jié)融入到理論知識的課堂教學中，實現理論-實踐的有機結合，可最大限度地提高學生對理論知識與實踐之間相互關系的認知。同時，理論教學服務于工程設計，利用課堂教學最大限度地促進應用型人才培養(yǎng)的課堂教學內容改革或設計工作，使學生掌握橋梁設計的基本知識，理解橋梁設計的基本構造措施，并能夠進行常規(guī)橋梁設計，這是高等工程教育的初衷。因此，本文提出一種基于工程項目全流程的教學研究，將橋梁工程設計、橋梁施工過程、橋梁運維管養(yǎng)技術融合于基礎理論知識的教學方式，該模式將工程項目的重要階段分散于相關的基礎理論部分，提升學生的研究目標性及工程項目全流程參與感。

該教學模式需以工程項目為主線開展橋梁理論教學，在講授某一部分基礎理論知識的同時，聯系到工程項目的設計、施工及管養(yǎng)，以實際工程案例詳解基礎橋梁結構理論的應用與變式，做到理論指導工程、工程解釋理論的有機結合。例如在關于橋梁結構針對特定荷載工況的結構計算教學中，同時應聯系介紹橋梁基礎方案必選及實際施工案例的建設經驗，從而拓寬學生的橋梁設計知識和思路，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維能力。實地工程學習也是該教學模式的重要部分，通過實地項目考察，學生可以更快速、更準確地實現橋梁理論知識的對應及運用。讓學生站在工程師的角度對課堂知識點進行思考，并按照能夠滿足施工單位進行施工的要求，對課程中所學施工圖設計的具體細節(jié)知識點進行深化與鞏固。

三? 結論

針對傳統(tǒng)橋梁教學研究方法的弊端，本文提出基于課堂教學、軟件滲透、工程項目相結合的多維度橋梁工程教學手段，構建理論-仿真-實踐的多層次學科研究體系，旨在為國家培養(yǎng)工程應用型、創(chuàng)新型橋梁工程設計人才。本文所建立的教學研究方法可高效改善橋梁課堂教學效果，提高學生們的應用技術能力，加深其對于工程項目全流程的設計認知，為培養(yǎng)面向工程應用型人才的橋梁工程教學研究提供了借鑒和參考。因此，面向工程應用型人才的培養(yǎng)是高等工程教育的本質，教學中應強化理論知識與應用能力同步提高。結合橋梁工程的基礎理論、仿真技術及工程實踐，幫助學生構筑多層次的思維邏輯體系，建立全面的工程設計應用能力。

參考文獻：

[1] 賀紹華，禹智濤，孫曉龍，等.省級一流本科專業(yè)建設背景下的教學改革實踐——以道路橋梁與渡河工程專業(yè)為例[J].大學教育，2023（7）：24-26.

[2] 李笑芳，王麗玫，王延倉，等.《橋梁工程》基于課堂知識傳輸模型的教學探索[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2023，23（2）：104-107.

[3] 張菊輝，張佳慧，劉俊，等.“橋梁工程”專業(yè)課程實施課程思政思考與探索[J].教育教學論壇，2023（6）：160-163.

[4] 林智敏，楊華平，吳啟紅.“橋梁工程”課程教學改革對策研究與實踐[J].黑龍江教育（理論與實踐），2023（8）：62-65.

[5] 石雪飛，阮欣，吳迅.橋梁工程專業(yè)課程體系的改革[J].教育教學論壇，2013（49）：201-202.

[6] 彭衛(wèi)，王文軍，陳闖.新工科背景下橋梁工程課程群混合式教學改革[J].大學教育，2022（7）：72-74.

[7] 黃信，李龍海，齊麟，等.以項目全過程設計為主線的課堂教學設計——以橋梁工程為例[J].科教導刊（中旬刊），2019（8）：131-132.

[8] 周明，方金苗，卞祝，等.基于任務驅動的橋梁博士軟件應用課程教學[J].中國冶金教育，2018（4）：69-70.

[9] 布占宇.橋梁工程在線課程與翻轉課堂教學研究[J].教育教學論壇，2019（28）：173-174.

[10] 張夏.橋梁維護與加固教學中課程思政體系的創(chuàng)建[J].陜西教育（高教），2023（6）：45-47.