新工科理念下桥梁结构试验课程改革研究

姚小俊

河北工业大学土木与交通学院 天津 300401

实用性、交叉性和综合性是“新工科”较传统工科的特征。土木工程中各学科分支均为理论和实践性很强的学科。互联网、大数据、人工智能飞速发展的背景下，传统的土木工程迎来了学科的升级改造与人才培养在创新型与复合型方向的提升[1]。学科体系的提升以课程改革为支撑，高校课程如何利用以互联网和工业智能为核心的新兴产业进行交叉融合，成为“新工科”导向下的关键所在，本文主要探讨桥梁结构试验课程的教学改革模式。

1 桥梁结构试验课程性质

桥梁结构试验是土木工程、桥梁工程等专业的重要专业必修课。改革开放30年，我国桥梁工程取得了举世瞩目的成就。桥梁工程是一项综合性技术，其取得的巨大成就与先进的设计、施工、材料技术密切相关，同时也离不开试验技术的进步。桥梁工程的发展由大规模的建设阶段转入建设与运维养护并重阶段。桥梁结构试验不仅在验证新理论、新工艺方面起着至关重要的作用，在新建桥梁质量评定、已有桥梁承载能力评定和状态评估等方面也是必不可少的手段[2]。

桥梁结构试验课程教学的目的是培养学生在试验方法和技术方面的理论能力，在试验仪器设备使用方面的操作能力，在实际工程应用中的试验方案设计和数据分析能力，以及在大型桥梁结构试验中的团队协作能力，从而培养学生综合的科学素养与工程认识。

2 桥梁结构试验教学面临的问题

随着信息化和智能化脚步的加快，传统的土木行业在不断转型和升级。在新工科建设背景下，传统桥梁结构试验课程教学已无法满足经济社会对高质量工程技术人才的需求。桥梁结构试验应侧重于工程实践能力和综合素质的培养，对该课程教学的改革势在必行。目前，传统的教学主要存在以下三方面的不足：

2.1 教学内容涉及面广，新技术新知识更新速度快

桥梁结构试验课程教学的内容主要包括桥梁试验用仪器设备、桥梁现场静载试验与实际承载能力评定、桥梁自振特性参数与动力反应测定、模型试验、桥梁结构无损检测技术等方面。作为一门“理论+实践”型课程，试验操作不可或缺，包括机械式测量仪器的使用、电阻应变片的粘贴技术、结构静载试验、结构振动测试试验、无损检测仪器设备的使用等项目。

桥梁结构试验课程虽然一般课时量较少，但该课程涵盖了结构设计、结构动力学、桥梁有限元软件建模以及桥梁测试仪器原理等方面丰富的理论知识和软件技能。不仅如此，人工智能和大数据飞速发展的背景下，智能测试仪器设备和新的数据分析方法层出不穷，信息化和智能化的进步加强了学科之间的交叉融合。为了紧跟学科前沿，课程教学需要在有限的课时内兼顾基础理论的夯实和新型仪器设备和试验方法的拓展。

2.2 教学形式较为单一，学生在理论教学中参与度低

目前，桥梁结构试验课程的教学分为课堂讲解的理论教学和实验室操作的实践教学。理论课程教学以传统的教师课堂讲解为主，在“理论+实践”型课程中的教学形式较为单一。由于课程内容较多且具有一定的难度，学生存在畏难情绪，难以激发学生的兴趣；课堂教学注重知识的传授，缺乏与学生的互动，导致学生参与度低；理论教学与试验操作之间的关联度低，使得理论教学部分仅包含纯理论内容，加大了学生对试验操作的理解难度。

2.3 试验场地具有局限性，与工程实际情况存在差距

实验室条件能够满足桥梁结构试验中的应变片粘贴及应变测量、无损检测等小型试验。然而，桥梁静、动载试验一般为现场试验，实验室条件无法满足。大型桥梁的现场测试虽然项目众多，但测试时间不固定，且危险系数高、综合性强，不宜选为本科生的教学场地。因此，试验课程的教学仅能通过课堂教学以及有限的实验室条件实现，这与实际工程需求相差较大。

3 桥梁结构试验课程教学改革思路

“新工科”建设的任务主要是提高高校毕业生的学用结合的能力。在新兴产业蓬勃兴起、传统行业转型升级的背景下，桥梁结构试验课程的教学内容应紧跟科技和工程前沿，防止内容过于陈旧。教学形式和实践方式的改革应将着力提升学生的创新能力、工程应用能力和综合素质作为出发点。

3.1 构建完备教学体系

将教学内容细化分类的方式有助于提高学生的接受能力。首先，构建包括原理型、操作型和应用型理论的类别化知识体系。桥梁结构试验课程涉及桥梁工程、结构动力学、仪器设备原理等原理型知识，仪器设备选取方法和使用操作方法等操作型知识，以及《公路桥梁承载能力检测评定规程》和《公路桥梁技术状况评价标准》等现行最新规范的应用方法、桥梁竣工试验和桥梁承载能力评定案例的工程实现等应用型知识[3]。其次，建立基础知识和前沿科技两大知识模块。对智能传感技术、人工智能检测技术、信息化技术和高新试验技术等前沿科技动态更新到教学内容中。最后，从工程应用的需求出发，以掌握桥梁试验和测试技能为导向，将教学内容层次化为重点非难点、重点难点和非重点内容，以便合理安排教学课时，加强重点难点内容的教学。

3.2 丰富理论教学形式

为了使课堂教学更加生动形象，对于经典的理论可借助动画或者视频的形式进行讲解；对于单个类型的试验，例如风洞试验和振动台试验，可将实验室录制的教学视频应用在课堂教学中；对于大型桥梁现场静、动载试验可利用已有科研项目进行视频录制，使学生对仪器设备的布设和试验流程有身临其境的体会。此外，理论教学内容不应为单纯的理论教学，应将实践内容融合到理论教学的过程中。例如：可借助实物对仪器的原理和操作进行讲解，甚至可提供课堂动手操作环节，达到提升学生兴趣和参与度的目的。进一步，以实际研究项目为例，用学生分组的形式进行现场静载试验和动载试验的设计，切实做到“学以致用”[4]。

3.3 创新实践教学方式

在实践环节中，大型综合的全桥静、动载试验是难以实现的。对实践教学的改革，可采用“模拟试验”法。利用录制已完成的大型桥梁现场静、动载试验视频作为教学项目，在学生观看视频的过程中，指导学生以测试现场视角对试验现场布置、仪器布设以及试验流程进行总结，并提供已完成项目的测试数据，指导学生对测试数据进行分析，并给出试验结论。此外，充分利用实验室条件，建立带有移动车辆加载的实桥缩尺模型，实施传感器布设、数据采集、数据分析等试验过程，提高学生的实践能力和综合运用能力[5]。

结语

新产业和新经济社会环境下，对人才的工程实践能力和创新能力需求大大增加。结合“新工科”建设的目标，对“桥梁结构试验”课程的改革进行了探索，提出了构建完备的教学体系，包括构建原理型、操作型和应用型理论的类别化知识体系，建立基础知识和前沿科技两大知识模块，以及层次化重难点教学内容；丰富理论教学形式，采用试验视频、仪器实物进行辅助课堂教学，利用实际项目进行学用结合；创新实践教学方式，通过实际工程项目的试验视频和试验数据，模拟试验过程与数据分析，建立实桥缩尺模型，提高学生的实践能力和工程应用能力。