橋梁與隧道工程學科研究生課程體系改革

關鍵詞：橋梁與隧道工程；課程體系改革；研究生培養(yǎng)

進入21世紀以來，社會生產(chǎn)生活方式發(fā)生顯著變化，研究生培養(yǎng)模式也隨之不斷優(yōu)化完善。課程體系改革體現(xiàn)了高校對于人才培養(yǎng)的本質(zhì)要求。一方面，課程學習是研究生開展科研工作的基礎，能夠幫助研究生提升創(chuàng)新能力；另一方面，課程體系構建過程中的科學性、合理性，決定了高校人才培養(yǎng)導向與行業(yè)最新需求的契合度。橋梁與隧道工程作為一門實踐性強的學科，不僅對理論知識的寬度和深度有著很高的要求，而且需要在課程體系中密切聯(lián)系實踐。因此，橋梁與隧道工程學科必須建立起完備的課程體系，以培養(yǎng)橋梁與隧道工程學科研究生的核心素養(yǎng)和能力。之前，國內(nèi)開設橋梁與隧道工程專業(yè)的高校，其課程體系普遍存在重復性高、覆蓋面窄、學科特色不突出等問題［1-3］。在這一現(xiàn)象得到廣泛關注后，許多高校開展了針對橋梁與隧道工程學科的課程體系改革工作，且取得了良好的反饋［4-9］。

本文以哈爾濱工業(yè)大學橋梁與隧道工程學科研究生課程體系改革為依托，在廣泛調(diào)研各高校橋梁與隧道工程學科研究生培養(yǎng)方案的基礎上，吸納各高校優(yōu)點，對原有課程進行整合優(yōu)化，并加入契合時代特點的新課程，形成了層次清晰明確、適合行業(yè)需求的課程體系。

一、橋梁與隧道工程學科研究生核心能力

只有緊跟時代的腳步，研究生才能更好地適應當下社會與行業(yè)對人才的要求［10］?；诖?，本文總結概括了新時代橋梁與隧道工程學科研究生應具備的六項核心能力。

（一） 基礎知識運用能力

橋梁與隧道工程學科要求研究生具備扎實的數(shù)學及力學功底，以支撐更深層次的科學研究和工程實踐。首先，學生應掌握基礎數(shù)理知識，將其作為打開后續(xù)課程的“金鑰匙”；其次，以數(shù)理知識為基礎，學習包括材料力學、結構力學等在內(nèi)的基礎力學課程，并將課程知識內(nèi)化；最后，研究生應熟練地將數(shù)學、力學基礎知識用于解決實際工程問題，并從本科階段主要解決線性問題和定性問題的狀態(tài)脫離出來，逐漸習慣于解決非線性問題和定量問題。

（二） 橋隧力學分析能力

力學分析能力是本專業(yè)研究生進行橋隧結構計算的基礎。對于研究生而言，在本科階段已經(jīng)學習了理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學等方面的基礎課程。進入研究生階段，應該對學生提出更高的要求。研究生不僅要熟練掌握書本內(nèi)容，而且要具備理論聯(lián)系實際的思想。在工程實踐中，要靈活應用力學公式解決問題。必要時，要在已知公式的基礎上，進一步推導適用于具體工程問題的公式。

（三） 橋隧試驗設計能力

無論橋梁隧道結構處于未建成的施工階段，還是建成后的運維階段，結構試驗終貫穿于建養(yǎng)全過程。試驗設計的水平既反映了試驗設計者對橋梁隧道結構理解的深度，又體現(xiàn)了試驗參與者的動手實踐能力。合理的試驗設計加上準確的實際操作，能夠更為真實地測試橋梁隧道結構的建設和運營是否處于正常狀態(tài)。只有了解橋梁隧道結構的實際狀況，才能使其更好地服役。

（四） 橋隧體系構建能力

對于橋隧體系的學習，有助于研究生建立起從細節(jié)到整體的橋梁隧道結構概念。在學習過程中，知識分層遞進，以力學為基礎，逐步深入學習橋梁隧道結構構件的相關知識，并最終將這些知識整合為對結構整體的認識，從而構建一套完整的橋梁隧道結構認知體系。在國內(nèi)交通基礎設施飛速建設的同時，許多橋梁隧道在結構體系上設計不合理，從而影響其運營安全和耐久性。通過對橋梁隧道體系的學習，研究生能夠形成從整體出發(fā)的思維，為未來從事設計、施工工作打下堅實基礎。

（五） 橋隧結構運維能力

在經(jīng)歷大規(guī)模交通基建的熱潮后，基礎設施的運營與維護逐漸成為行業(yè)的重點工作。在橋梁隧道結構的運營過程中，為保證其安全性及耐久性，需要對結構開展定期檢測或者安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)。如果發(fā)現(xiàn)橋梁隧道結構出現(xiàn)問題，就要及時制定維護方案，解決橋梁病害。在培養(yǎng)過程中，應要求研究生熟悉基本的結構檢測方法，具備編寫和使用結構健康監(jiān)測程序的能力，能夠有針對性地對運營狀況較差的橋梁隧道結構進行加固處理。

（六） 學科交叉創(chuàng)新能力

橋梁與隧道工程學科發(fā)展歷史較長，許多基礎知識與理論的確立時間也較早，這使得多數(shù)人對這門學科的印象停留在傳統(tǒng)工科層面。實際上，隨著工程難度不斷增加，結構形式愈發(fā)復雜，僅靠橋梁與隧道工程學科的經(jīng)典理論，已無法完全解決實際工程問題。在研究生階段，要幫助學生樹立學科交叉的思想，以具體問題為導向，以本學科知識為基礎，積極探索與其他學科的交叉融合，以適應當下交通基礎設施智能化的大趨勢。

二、原培養(yǎng)方案的課程體系

（一） 基本內(nèi)容介紹

在原培養(yǎng)方案的課程體系中，課程分為公共學位課、學科核心課、選修課、必修環(huán)節(jié)四個模塊。由于公共學位課和必修環(huán)節(jié)在各個學科中相同，以下只介紹橋梁與隧道工程學科核心課和選修課。學科核心課共5門，分別為高等橋梁結構計算理論、橋梁結構非線性與穩(wěn)定理論、橋梁結構振動、大跨徑鋼橋與組合結構、箱形梁結構計算理論；選修課共9門，分別為橋梁結構抗震、高等橋梁結構試驗、橋梁病害診斷與加固設計、橋梁健康監(jiān)測與安全評價、橋梁學科發(fā)展前沿、隧道結構運營安全與防火、橋梁隧道智能管養(yǎng)技術、橋梁抗震加固設計及研究、BIM技術及其工程應用。在選修課模塊，學術型碩士和專業(yè)型碩士的共同課程為學術規(guī)范及論文寫作，專業(yè)型碩士需要增選項目管理與評價和工程倫理；在必修環(huán)節(jié)模塊，學術型碩士需要選擇社會實踐，專業(yè)型碩士需要選擇專業(yè)實踐，如表1所示。

（二） 原有課程體系缺點

1. 課程重復冗雜

研究生階段需要給予學生更多的自主學習時間，并為學生提供更多元化的學習方式。在原有課程體系中，課程設置過多。一方面，課程過度占用學生時間；另一方面，研究生入學之初，對課程和專業(yè)了解不夠深入，過多的課程會使其在選課時面臨困難。課程內(nèi)容重復是原有課程體系的另一個突出問題。學科核心課作為課程體系的首要組成部分，卻出現(xiàn)了高等橋梁結構計算理論和箱形梁結構計算理論課程內(nèi)容重復的現(xiàn)象。從課程名稱可以看出，高等橋梁結構計算理論包含多種結構形式橋梁計算理論，箱形梁結構計算理論應當屬于高等橋梁結構計算理論的子集。在學科核心課模塊開設兩門橋梁計算理論課程，且內(nèi)容存在重復和包含關系，占用了本就寶貴的學科核心課學時。在選修課模塊中，橋梁病害診斷與加固設計和橋梁抗震加固設計及研究兩門課程同樣存在部分內(nèi)容重疊的現(xiàn)象。

2. 課程分類不合理

在確定學科核心課范圍時，要充分考慮哪些課程更貼合當前的行業(yè)需求，嚴格把控課程質(zhì)量。在原有課程體系中，學科核心課與選修課的區(qū)分度不夠。以高等橋梁結構試驗為例，該課程屬于選修課模塊，不符合加強培養(yǎng)研究生實踐能力的要求。在課程質(zhì)量良好的前提下，還要考察課程是否具備泛用性。由于碩士研究生課程集中在研一學年，此時學生尚未確定研究方向，要盡量避免設置研究面極其單一的學科核心課程。

3. 學術型碩士和專業(yè)型碩士區(qū)分度低

學術型碩士和專業(yè)型碩士屬于同一培養(yǎng)層次，但設置兩種不同碩士學位的初衷是為了進行不同側重的培養(yǎng)，在培養(yǎng)方式和目標上應體現(xiàn)差異化［11］。在原有培養(yǎng)方案中，學術型碩士和專業(yè)型碩士在相同課程模塊的學分要求和開設課程均一致，無法體現(xiàn)國家對學術型碩士側重學術研究和專業(yè)型碩士側重專業(yè)應用的總體要求。

三、研究生課程體系改革方案

（一） 改革前期工作

在開展哈爾濱工業(yè)大學橋梁與隧道工程學科課程體系改革之前，調(diào)研了國內(nèi)多所開設橋梁與隧道工程學科的高校，分析了這些高校的培養(yǎng)方案和課程體系建設情況。這些高校分別是同濟大學、湖南大學、中南大學、西南交通大學、北京交通大學、清華大學、浙江大學、東南大學、長安大學。其中，同濟大學、湖南大學、中南大學、西南交通大學、北京交通大學五所高校的橋梁與隧道工程學科為國家重點學科；清華大學、浙江大學兩所高校的土木工程學科為國家重點學科；東南大學土木工程學科入選“世界一流學科建設”名單，并在第四輪學科評估中獲評A+；長安大學的橋梁與隧道工程學科作為國內(nèi)傳統(tǒng)優(yōu)勢學科，底蘊深厚，實力強勁。本文將針對同濟大學、東南大學、湖南大學的課程體系特色作詳細說明。

在同濟大學土木工程學院碩士研究生培養(yǎng)方案中，重點關注橋梁工程方向課群組和隧道及地下建筑方向課群組所開設的專業(yè)學位課，可以看出其課程設置的特點為重視力學基礎和計算能力、強調(diào)理論實踐結合，與本文所述的橋梁與隧道工程學科研究生六項核心能力高度契合，如表2所示。同濟大學土木工程學院的研究生課程設計簡潔清晰，各課程之間內(nèi)容交互而不重復，對研究生專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)考慮全面，有較強的邏輯性和層次性。相比于碩士研究生課程體系，橋梁工程方向課群組在博士研究生課程體系中加入了包括橋梁抗震、車橋耦合、橋梁風工程等方向在內(nèi)的細分課程，符合博士生課程對研究深度的要求。

東南大學橋梁與隧道工程學科研究生課程體系的設計非常全面，如表3所示。在課程類別安排上，專業(yè)必修課數(shù)量較少，給予了研究生更高的學習自由度。同時，專業(yè)選修課種類豐富，涵蓋了橋梁與隧道工程學科各方向的內(nèi)容，確保研究生能夠多樣化、特色化發(fā)展。在課程建設中，東南大學交通學院橋梁工程系教師在教學研討會上提出，希望力學課程和教學能夠更符合橋梁工程的特點。這一構想有助于研究生在基礎學科的學習過程中，更好地將力學知識與學科特色相結合。

湖南大學對不同類型、不同層次的研究生課程總要求進行了明確區(qū)分，在課程體系上保證了研究生能夠按照不同側重點發(fā)展，如表4所示。學術型碩士和學術型博士的課程分為公共課、學科基礎課、學科方向課三個類別；專業(yè)型碩士的課程分為公共課、專業(yè)基礎課、專業(yè)選修課三個類別。在課程設置上，學術型碩士和學術型博士側重于科學研究，專業(yè)型碩士側重于專業(yè)應用。學術型碩士和學術型博士的必修環(huán)節(jié)包括文獻閱讀、學術活動、開題報告、中期檢查、社會實踐五個部分；專業(yè)型碩士的必修環(huán)節(jié)包括專業(yè)實踐、開題報告、中期檢查三個部分。專業(yè)型碩士缺少文獻閱讀和學術活動環(huán)節(jié)，但其專業(yè)實踐環(huán)節(jié)比學術型碩士的社會實踐環(huán)節(jié)多出5個學分。社會實踐要求研究生參加競賽、調(diào)研、支教、科普、扶貧等活動，專業(yè)實踐則要求研究生參加課程實踐、企業(yè)實踐、課題研究等活動。兩種研究生培養(yǎng)思路具有相當高的區(qū)分度。

（二） 現(xiàn)行課程體系學科核心課模塊

針對學科核心課模塊的改革，把握一個中心思想，即“自力更生，特色辦學”?，F(xiàn)行課程體系學科核心課如表5所示。在整合各高校課程體系優(yōu)點的基礎上，結合哈爾濱工業(yè)大學橋梁與隧道工程學科的辦學特色，對原有培養(yǎng)方案進行了以下四方面的改革。

1. 夯實基礎知識

哈爾濱工業(yè)大學強大的多學科優(yōu)勢，給予了基礎課程建設堅實有力的支持。數(shù)學學院、物理學院、航天學院、土木工程學院的學科實力雄厚，所開設的課程多為全國精品課程，在全國范圍內(nèi)飽受贊譽。借助哈爾濱工業(yè)大學平臺高、學科強的優(yōu)勢，橋梁與隧道工程研究生在基礎課程的選擇上，不僅種類齊全，而且課程質(zhì)量高，可以充分滿足研究生對基礎知識的要求。

2. 提升應用能力

研究生在掌握了全面扎實的基礎知識后，需要掌握本學科的一些基本方法，例如，橋梁隧道結構的計算手段和試驗方法。這一方面對應高等橋梁計算方法和高等橋梁結構試驗兩門課程。結構計算能力是橋梁與隧道工程學科研究生的基本素養(yǎng)，研究生不僅要清楚計算原理，而且要掌握橋梁隧道結構電算方法，熟練運用各類有限元分析軟件。結構試驗則偏向于培養(yǎng)實踐能力，為研究生日后從事檢測工作提供技術支撐。

3. 總體把握學科

在研究生應用能力得到充分鍛煉的基礎上，需要對其提出更高的要求。通過橋梁結構體系和高等橋梁結構設計理論兩門課程的學習，研究生能夠熟悉學科核心內(nèi)容，從更宏觀的角度考慮問題。橋梁結構體系與橋梁結構設計是相輔相成的。只有對橋梁結構體系形成全方位、立體化的認識，才能更清晰地理解橋梁結構設計中的設計原則、經(jīng)驗取值。反之，橋梁結構設計涉及橋梁整體的孔徑布置和構件的尺寸要求等內(nèi)容，熟悉這些內(nèi)容有助于研究生深入理解橋梁結構體系的合理性及不足之處，從而拓展思維，將其運用在橋梁結構體系的創(chuàng)新工作中。

4. 突出優(yōu)勢方向

經(jīng)過多年探索，橋梁隧道結構健康監(jiān)測、橋梁結構抗震、車橋耦合振動已成為哈爾濱工業(yè)大學橋梁與隧道工程學科的優(yōu)勢方向，擁有國內(nèi)知名的學者教授及先進團隊，以及充足的科研成果和實踐項目，完全能夠將橋梁與隧道結構運營安全監(jiān)測、橋梁結構抗震、橋梁結構振動打造成為全國范圍內(nèi)的高層次、高水平課程。將以上三門課程作為研究生學科核心課，緊扣學科熱點，能夠保證研究生在學習過程中始終處于行業(yè)前沿。

（三） 現(xiàn)行課程體系選修課模塊

針對選修課模塊的改革，把握一個中心思想，即“資源整合，引領方向”。現(xiàn)行課程體系選修課如表6所示。綜合考慮橋梁與隧道工程學科教師的研究專長和行業(yè)發(fā)展動態(tài)，打造選修課模塊，具體舉措包括以下四方面。

1. 守住傳統(tǒng)方向

橋梁養(yǎng)護加固，一直是哈爾濱工業(yè)大學橋梁與隧道工程學科的重點研究方向。該研究方向的優(yōu)勢主要源于學科教師數(shù)十年來積累和傳承的豐富工程經(jīng)驗。學科一直堅持實踐與教學并重，21世紀初，編著了橋梁養(yǎng)護加固方面的經(jīng)典教材《橋梁病害診斷與改造加固設計》。在橋梁病害診斷與加固設計課程建設中，一方面結合新老教師教學經(jīng)驗，繼續(xù)發(fā)揚學科的傳統(tǒng)優(yōu)勢；另一方面增加新型橋梁巡檢設備的介紹，引入FRP新型材料用于實際橋梁加固的案例，賦予課程新的活力。

2. 涉足新型方向

“變則通，不變則壅”，在課程體系的改革中，必須追求創(chuàng)新，緊跟行業(yè)發(fā)展前沿。只有這樣，才能助力研究生適應快速變化的未來，走在前列。目前，鋼-混組合結構橋梁憑借其優(yōu)異的性能在國內(nèi)發(fā)展迅速。與此同時，BIM作為建筑行業(yè)的新興技術，具有直觀、高效傳遞信息的特點，可用于工程建養(yǎng)全周期管理。在關注到以上兩個新方向后，有針對性地開設了現(xiàn)代組合結構橋梁、BIM技術及其工程應用兩門課程，其中哈爾濱工業(yè)大學交通BIM中心可為課程提供技術支持和實操保障。

3. 完善課程體系

雖然學科名稱為橋梁與隧道工程，但是多數(shù)教師的研究方向為橋梁工程。為豐富課程體系內(nèi)容，滿足部分研究生對隧道工程方向知識的需求，開設了隧道工程及智慧運維課程。任課教師為橋隧結構智慧運維國際研究團隊中方負責人，有充足的科研經(jīng)驗支撐課程內(nèi)容。同時，團隊與國內(nèi)外多所高校、研究機構、企業(yè)建立了合作關系，有助于研究生拓寬國際化視野，了解行業(yè)最新發(fā)展動態(tài)。此外，針對在基礎學科領域有深入學習意愿的研究生，引入了斷裂力學和計算流體力學兩門課程。

4. 加強學科交叉

學科交叉是哈爾濱工業(yè)大學近年來的工作重點，橋梁與隧道工程學科積極響應，主動開設智慧交通基礎設施交叉方向，增加人工智能課程，推動學科建設向智能化、綠色化發(fā)展。例如：通過學習無人機視覺導航課程，學生可以采用無人機與計算機視覺相結合的方法，實現(xiàn)結構3D建模；通過學習人工神經(jīng)網(wǎng)絡原理和機器學習理論與算法課程，學生在掌握特定算法后，可以結合數(shù)字圖像處理課程的內(nèi)容，進一步了解結構健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理方法。

（四） 現(xiàn)行課程體系課程類型及學分要求

在現(xiàn)行課程體系中，學術型碩士、碩博貫通培養(yǎng)的博士、專業(yè)型碩士、普通博士的學分總要求如表7所示。針對不同類型、不同層次研究生，課程模塊各有側重。在學科核心課模塊，學術型碩士和碩博貫通培養(yǎng)的博士需選擇2門以上的數(shù)理類課程；學術型碩士需選擇4學分以上的博士層次課程；普通博士需選擇所在學科的所有博士層次課程；專業(yè)型碩士需選擇1門以上的數(shù)理類課程，并且必須選擇工程倫理課程。

（五） 新舊課程體系對比

針對原有課程體系存在的缺陷，本次改革從學科核心課、選修課和學分要求三個角度出發(fā)，提出了具體的改革方案，建立了較為完善的課程體系，如表8所示。首先，為改善課程重復冗雜的現(xiàn)象，結合橋梁與隧道工程行業(yè)最新發(fā)展，認真評估各課程價值，通過刪除、整合等方式，為課程體系“瘦身”，提高課程整體質(zhì)量。例如：不再單獨設置箱形梁結構計算理論課程，而是在高等橋梁結構計算理論課程的基礎上，融入箱形梁結構計算理論課程的部分核心內(nèi)容，整合為高等橋梁計算方法課程；把握橋梁病害診斷與加固設計、橋梁抗震加固設計及研究兩門課程的主要特色，將橋梁抗震加固設計及研究課程的加固設計部分內(nèi)容整合到橋梁病害診斷與加固設計課程中，剩余部分著重突出橋梁抗震原理，組成橋梁結構抗震課程。其次，通過對新時代行業(yè)人才需求的分析，重新審視課程分類原則，在改革中突出課程實踐性。例如：將原有課程體系中的高等橋梁結構試驗由選修課升級為學科核心課，由2學分提高至3學分，讓研究生進行理論學習的同時，能夠提升動手實操能力，鍛煉試驗設計思維；考慮到本校橋梁與隧道工程學科在結構健康監(jiān)測、橋梁結構抗震、車橋耦合振動方面的優(yōu)勢，將橋梁與隧道結構運營安全監(jiān)測、橋梁結構抗震、橋梁結構振動設置為博士研究生的必修課程，從而為博士研究生奠定堅實的科研基礎。最后，為解決碩士研究生培養(yǎng)區(qū)分度不夠的問題，從整體學分布置和具體選課要求兩個角度進行改革。在整體學分安排上，學術型碩士側重于課程學習，專業(yè)型碩士側重于必修環(huán)節(jié)，需參加多次專業(yè)實踐；在具體選課要求上，學術型碩士需選擇至少2門數(shù)學課程，專業(yè)型碩士需選擇至少1門數(shù)學課程。這一措施充分考慮了兩種碩士研究生培養(yǎng)模式的不同特點。

四、結語

相比于之前繁雜的課程體系，改革后的課程體系呈現(xiàn)形式簡潔、內(nèi)容豐富、多元培養(yǎng)、自由度高的特點。但橋梁與隧道工程學科的課程體系建設仍有進一步完善和優(yōu)化的空間。（1）建設更多具有實踐意義的課程，以提高研究生動手實操能力，避免培養(yǎng)出懂學術卻不懂專業(yè)的學生。（2）加大與其他學院共建交叉型課程的力度。例如，課程前期由其他學科教師講理論，后期由本學科教師講專業(yè)，以推出具有本學科特點且符合學生期望的交叉型課程，同時提升教師的教學能力和知識水平。（3）引進課程流動機制，重視研究生對課程的反饋和對知識的重點需求，將口碑良好、緊跟熱點的課程納入學科核心課模塊；將反響較差、知識更新迭代不及時的課程調(diào)整至選修課模塊，甚至予以刪除。相信在現(xiàn)行課程體系框架的基礎上持續(xù)落實以上構想，能夠將橋梁與隧道工程的人才培養(yǎng)和學科建設推向新的高度。