基于工程教育认证理念的桥梁结构电算课程教学探讨

吴文朋 赵少杰 唐盛华 王智超

[摘           要]  随着近年来工程教育认证理念逐渐在国内本科教学中的推广，如何结合我国工程实际情况构建满足工程教育认证“以学生为中心、产出导向、持续改进”三大教育理念的课程教学模式是值得探讨的问题。桥梁结构电算课程是一门近年来得到高校重视且理论和实践性都很强的课程。课程要求学生充分利用计算机的优势来解决实际工程问题，内容符合新时代发展的趋势和潮流。尝试从课程目标设计、教学方法、考核方式三个方面，对桥梁结构电算课程的教学提出建议。

[关    键   词]  工程教育认证;桥梁电算;教改

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2021）15-0104-02

一、前言

中国于2016年6月2日起已正式成为《华盛顿协议》成员[1]，但对于中国国内目前规模如此巨大的高等学校教育体系而言，能够完全滿足工程专业认正要求并取得国际高度认可的高校其实并不是很多。由于《华盛顿协议》倡导以学生为中心、以产出导向、持续改进的大教育理念[2，3]，学生的培养目标必是非常基础的，因此培养目标的制订必须首先符合当前本科教学教育的基本定位。对于土木工程专业的学生而言，由于现代大型复杂桥梁工程，在施工过程中需要进行多次的结构体系转换，从而使得桥梁正式通车之前往往存在多个中间结构状态，施工过程复杂导致计算量巨大[4，5]，很难通过传统的手算完成桥梁的设计和施工阶段模拟。然而，采用有限元设计软件代替手算内容可大幅度降低工作量并增加工作效率[6]。由此可见，开设桥梁电算课程或桥梁设计软件课程，对桥梁工程相关的教学，尤其是本科生毕业设计环节具有重要的促进作用，让本科生通过桥梁电算解决实际问题，大大增加学生对即将从事本职工作的自豪感。

然而，与传统理论课程教学不同的是，桥梁结构电算课程实践性很强，要求学生有充分利用计算机高效计算的优势来解决实际问题。然而，一方面结构有限元基本原理是桥梁电算理论基础之一，但目前国内大多数院校本科生没有开设结构有限元课程，造成学生理解桥梁结构电算有相当难度，电算软件对学生而言是一个黑匣子。另一方面科学合理的考核方式不仅可以客观公正地评定学生的学习情况，对于桥梁电算这种实践操作类课程，如何基于工程教育理念进行教学落实和成绩评定，进而合理评价与反馈的持续改进措施，也是当前面临的一个难点。我校土木工程专业自2017年开始申请认证并按工程教育认证理念的要求重新修订了培养计划、课程体系和教学大纲。本文将针对桥梁电算课程的教学大纲以及过去3年来的教学实践，对基于工程教育理念的桥梁电算课程目标设计、教学方法及考核方式的改革进行讨论，并给出了相应的建议。

二、桥梁电算课程目标设计改革建议

围绕土木工程专业评估（认证）的要求，我校土木工程专业充分考虑了课程体系对培养目标和毕业要求的支撑作用，将每一项毕业要求分解到各门课程及其教学环节中，制订每门课程的教学大纲和课程目标。在最新版本的培养方案中，桥梁电算课对土木工程专业学生毕业要求的支撑主要体现在以下三个方面：（1）能够选择和使用恰当的测试、监测和检测等现代工程工具分析土木工程领域的复杂工程问题，并理解其局限性。（2）能够选择、使用或开发数据库、计算机辅助设计与计算等信息技术工具分析土木工程领域的复杂工程问题，并理解其局限性。（3）能够就专业中的复杂工程问题进行有效的书面表达。由此可见，桥梁电算是桥梁结构基础知识与专业知识和设计技能的纽带，属性上被归类于工具类课程，主要承担着对工程问题进行分析计算和验算的作用，基于此可以制订桥梁电算课程的培养目标：①能够了解桥梁工程结构设计软件所必要的基本理论、专业基础知识和设计理论，从而能理解设计软件在复杂工程问题预测与模拟中的作用，并能够理解其在解决问题时的局限性;②能够掌握桥梁电算软件进行桥梁设计的基本理论和基本操作方法，并能结合国内的各种规范与设计习惯，进行桥梁建模、分析和设计;③能通过软件来实现桥梁施工过程的模拟和有限元分析，掌握规范条文在桥梁电算软件中的设置方法，并根据软件计算结果和相应的规范撰写出完整的桥梁设计分析报告。可见，以上三个目标与本课程对毕业要求的支撑有很好的对应关系。

三、桥梁电算课程教学方法改革建议

所谓“以学生为中心”其实就是要考虑学生的实际情况来组织相应的教学方法，由于土木工程专业课程系统设置中并没有安排有限元理论相关的基础课程，因此，首先在选择教学软件时最好选择本科生较容易上手的商业桥梁设计软件，而不是根据老师个人的科研需求来采用精细化通用有限元分析软件。例如，MIDAS软件和桥梁博士V4软件的界面也很友好，尤其是其菜单式界面和操作，建模时的渲染效果可视化，对于有一定CAD基础的本科生来说，理解起来相对容易。

此外，在当今互联网技术发达的时代，只要学生想学习和探索，网络上能找到他所需要的知识。因此，在桥梁电算的课堂上尽量不讲详细的基本理论及相关知识，而主要借用设计软件的界面菜单，将桥梁电算需要用到的相关理论，从桥梁工程结构设计全过程的角度，通过讲故事的形式把已学知识以及仍需进一步学习、值得探索的知识串联起来，重点说明不同专业知识点之间的关系，让学生在实践操作中寻找学习的乐趣，同时更好地掌握桥梁结构电算的基本理论，以提升实践中对已学专业和基本理论的理解，使他们可以更清晰、更全面地把握不同类型桥梁结构有限元建模的原则和方法，从而达到由被动地记忆和接受有限元软件的操作规则转变为主动掌握和探索有限元软件的功能和原理，以适应市场经济对专业人才、技能的需求，提高学生的就业竞争力和未来职业发展的适应能力。

具體教学实施过程中，桥梁电算课程涉及的教学方法有课堂讲授、在线演示法、课程练习等，具体实施可通过以下几个方面展开：（1）本课程以课堂演示和学生实操为主，首先要通过讲解有限单元法的基础知识与桥梁设计软件之间的关系，例如：从结构力学中“位移法”到“矩阵位移法”，最后引出有限单元法的基本概念，让学生认识到本课程与前面所学课程的联系，同时了解本课程的难点，从而更加自主地进行专业知识的补充和学习。（2）在课程中结合实际桥梁工程设计的案例，在课堂上通过教学软件对设计过程的电算方法实现进行详细的演示和讲解，要求学生在电脑上实时的跟踪操作，并通过课堂提问和讨论的方式，使学生养成主动思考的习惯。同时，在教学中引入“项目式”的教学方法，让学生自主选择感兴趣的桥梁结构形式，桥型如简支梁、连续梁桥、斜拉桥等。教师在讲授时与学生互动，以提问的方式有针对性地检查学生自主学习的效果，并让学生提出自己在实际操作过程中的疑问，以此实现有目的地“传道”和有针对性地“解惑”。（3）考虑到课堂课时较少，在实际课教学中，教师主要以讲授基本原理和基本操作为主，在课堂之外则要留出足够的课时，让学生讨论和动手操作，以掌握具体桥型的详细建模过程。如果时间充足的话，学生对所掌握桥梁型的建模方法进行PPT汇报和讨论。最后由教师对学生讲解中的谬误和遗漏进行修正。后面两个环节可以借助当前在线会议和在线课堂的模式进行展开，以节省线下课堂的教学资源，总的来说，桥梁结构电算课程具体的教学方法要结合学习的反馈情况不断地持续改进，形成有效的反馈改进机制。

四、桥梁电算考核方式改革建议

科学合理的考核方式不仅可以客观公正地评定学生的学习情况，而且可以引导学生有所侧重，更重要的是，有效的考核能通过学生成绩来反馈教学效果，从而不断改进教学方法，进一步提高教学质量，实现持续改进的闭环。桥梁结构电算课程属于“上机课”，在土木工程专业课程体系中是介于理论课程与实践课程之间的一门课，其考核与传统课程有一定的区别，不仅要进一步提升学生的专业知识水平，还要让学生有实际动手进行桥梁设计的能力，如何合理地设计考核环节显得十分重要。通过我院近三年来的实践教学经验表明，桥梁电算课程的最终考核可以把学生的学习成绩分成三个部分：（1）平时成绩。（2）桥梁建模实操成绩。（3）分析报告撰写能力成绩。其中，平时成绩考查学生课堂参加度以及平时作业完成情况，以督促学生学习;桥梁建模实际操作能力考核部分，要求学生在课程教学结束以后，以教师提前准备好的实际工程和相关资料为背景，在规定的时间内、指定的计算机教室里建立桥梁结构电算模型并进行验证，任课教师通过现场巡查，批阅学生提交的成果，客观公正地给出实操成绩。分析报告则需要学生课外进行规范和专业基础知识的调研梳理，体现学生今后从事具体工作时的继续学习能力。

参考文献：

[1]华尔天，计伟荣，吴向明.中国加入《华盛顿协议》背景下工程创新人才培养的探索与实践[J].中国高教研究，2017（1）：82-85.

[2]林健.如何理解和解决复杂工程问题：基于《华盛顿协议》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-26，38.

[3]李志义.对我国工程教育专业认证十年的回顾与反思之一：我们应该坚持和强化什么[J].中国大学教学，2016（11）：10-16.

[4]林建平.实际工程案例在“桥梁结构电算”课程教学中的应用[J].科教文汇（上旬刊），2017（5）：40-42.

[5]徐略勤.桥梁结构电算课程理论与实践一体化教学模式探索[J].高等建筑教育，2015，24（1）：75-78.

[6]赵金钢，贾宏宇，王学敏，等.基于毕业设计的桥梁电算课程教学方法探索[J].高教学刊，2020（31）：100-103.

◎编辑 鲁翠红

Discussion on Teaching of Bridge Structure Computing Course Based on the Concept of

Engineering Education Accreditation

Wu Wen-peng，Zhao Shao-jie，Tang Sheng-hua，Wang Zhi-chao

Abstract：In recent years，the concept of engineering education accreditation has been gradually popularized in domestic undergraduate education. It is worth discussing how to build a curriculum teaching mode that meets the three educational concepts of “student-centered，production-oriented and continuous improvement” for engineering education certification based on the actual situation of engineering in China. Bridge computing course is a course that has been paid attention to by colleges and universities in recent years，and it has strong theoretical and practical significance. It requires students to make full use of the advantages of the efficient computing to solve the practical engineering problems，which is in line with the trend of the development of the new era. This study tries to give some suggestions on the teaching of bridge structure computing course from three aspects that including the curriculum goal design，teaching methods，examining ways.

Key words：engineering education accreditation;bridge computer calculation;educational reform