基于信息化技术的桥梁工程教改探索

葛新广

摘  要  桥梁工程是交通土建专业高年级的核心专业必修课。针对当前桥梁工程课程教学中存在的问题，借助数字信息化技术对课程教学改革进行探索，改革的重点是教学采用真实的桥梁工程场景，让学生参与其中并提升大作业成绩的比重。通过问卷及访谈的方式，课程组对改革后的教学效果进行了定性与定量分析，结果显示：基于信息化技术的教学改革对提高学生学习兴趣卓有成效，对改善教学内容、调动课堂参与度、加大课后投入等方面效果显著。本次教学改革为一流本科课程建设提供了借鉴，也为解决我国交通土建专业教学中诸多共性问题、推进专业改革提供了实证。

关键词  信息化技术；桥梁工程；新工科；复合型人才

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）01-0102-03

0  引言

数字信息技术以计算机技术、通信、网络及数据库等技术为基础，对所研究对象的各要素进行数字化建模并能汇总至数据库，供人们学习、生活、工作及辅助决策等，其具有数字化、可视化和智能化特点[1]。数字化就是将研究对象的各个组成部分用可以度量的数字、数据建立起适当的数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码，存储于计算机内部，并可随时调阅、编辑等处理；可视化是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成三维图形或图像并进行交互处理的理论、方法和技术；智能化是利用数字技术将研究对象按照真实的物理过程进行动态模拟，真实反映事物的发展规律。

数字化信息技术在各行各业都得到了广泛应用，在教育行业也不例外，比如多媒体教学、微课、慕课、翻转课堂、移动教学平台等数字信息化手段，解决了传统教学以纸质版为主且所反映的教学内容为平面性、抽象性的缺点，调动了大部分学生的学习兴趣，能发挥学生的主观能动性，夯实学生专业基础，激发学生的创新思维和意识[2]。

对于土木工程专业而言，信息化技术应用主要表现为各类结构分析软件，如ANSYS、Midas、PKPM、桥梁博士等计算软件、Revit等BIM软件、广联达等造价软件等。这些软件主要是商业软件，相当一部分教师对这些软件不够了解，在教学中应用较少，导致学生无法理解数字信息技术对行业所带来的利好。因此，信息化技术在土木工程教学中的应用仍需要探索。《国家教育事业发展“十三五”规划》明确指出，大力推动数字信息技术与教育深度融合，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术等数字信息技术探索未来教育教学新模式。《广西教育事业发展“十三五”规划》进一步对广西高等教育明确提出探索传统教学手段与信息化技术相融合的新教学方法。

面对数字信息化技术对工科教育带来的机遇和挑战及国家对于新工科教育发展的迫切要求，如何将数字信息技术融入桥梁工程的教学环节，全面提升课程教学效果，激发学生创新意识，培育应用型、创新型及复合型人才成为土工工程专业高等教育改革必须面对的问题[3-4]。

1  課程教学存在的问题

1.1  教学内容与实际工程应用脱节

自改革开放以来，中国政府高度重视基础设施建设，大量的超大体型桥梁如雨后春笋般出现在祖国大地上，各种新型结构体系桥梁也遍地开花。这得益于桥梁结构的科研和实践成果，得益于桥梁建设各类施工设备的创新性发展。而现行桥梁工程教材仍然大量讲解诸如先张法简支圆形截面空心板梁、T型梁、弯起普通钢筋抗剪等桥梁技术[5]。圆截面空心板是20世纪90年代高速公路桥梁大量采用的一种结构形式，促进了当时桥梁工程的发展，由于施工复杂且20世纪90年代建造的桥梁运营一段时间之后发现该类型桥梁出现大量的裂缝；T型梁横向稳定性差；弯起钢筋由于梁体中钢筋众多导致混凝土浇筑质量差和施工复杂效率低，自2010年后，此类桥梁已不再采用，而是采用小箱梁，而现行教材却缺少小箱梁的相关介绍。

中国被称为“基建狂魔”，各地四通八达的公路网、铁路网都离不开桥梁结构的贡献，而目前教材里缺少典型桥梁结构的介绍，不易激发专业学生对于自己所从事专业的自豪感。

1.2  教学手段单一，教学对象抽象，导致学生难以理解

桥梁工程是桥梁工程专业的核心课，以桥梁构件设计分析和施工为研究对象，其中设计分析牵扯到复杂的力学知识和结构构件的细部组成；桥梁施工涉及桥梁构件的整个施工过程。前者涉及结构力学、混凝土结构设计原理、钢结构设计原理、结构力学和材料力学课程的知识点，而这些又都是土木工程较为难学的课程，学生掌握得不扎实，而桥梁工程课程涉及上述知识的综合应用。后者涉及具体构件的建造，建造过程又与受力过程关系密切，同一座桥梁不同的施工方法会影响桥梁结构的设计和造价。现行教材的教学内容对此部分仅以文字叙述为主，比较抽象，无法激起学生的参与热情，因此，所培养的桥梁毕业生很难适应当下桥梁工程施工和设计的需要。此外，目前从事桥梁教学的诸多老师都是高校研究生毕业后直接教学，由于缺乏实际工程施工的经历，也导致教学过程枯燥无味，无法激发学生的创新意识[6]。

1.3  现行教学缺乏沉浸式教学模式

近年来，电子信息技术飞速发展及互联网的广泛普及，各类电子设备给知识的传播提供了新的途径，诸如手机、计算机及平板设备等给用户带来了前所未有的体验，表现为视听一体化体验。因此，现行的板书和PPT平面教学模式所提供的教学知识则受到时间、空间的限制，无法呈现桥梁结构的细部特点和动态的施工过程；同时现行教学方式主要是老师讲学生听的模式，基本无法做到学生与老师互动，无法使课堂的所有参与者沉浸到教学过程中，难以激发学生的学习动力和兴趣[7]。

1.4  课程实践环节教学条件过于简单不符合应用复合型人才培养的需要

桥梁工程课程的核心内容之一是桥梁施工，为了追求美观，当代桥梁结构异常复杂，桥梁施工过程也越来越复杂，对工程的理论分析和实践要求越来越高，这些都需要在熟练掌握既有桥梁施工方法的基础上进行创新性思维。桥梁施工教学环节的实践部分采用现场观摩形式，实践时间一般一个项目就2小时或者更短，而桥梁施工是个长周期的过程，现场观摩实习只能了解一个项目的局部工程或者某个工序，无法全面了解一座桥的施工过程，更无法了解一座桥梁建设过程中的受力情况。学生普遍反映所学理论知识无法应用在生产实际中，对桥梁施工基本无概念，因此，桥梁施工教学内容与实际脱节严重。笔者所在学校作为应用型本科大学，绝大部分学生毕业后从事桥梁施工，而从毕业生反馈来看，毕业数年内基本无法适应复杂桥梁的施工管理工作。因此，桥梁工程教学改革必须抓住发展契机，加快实践教学的改革升级，以适应学校新工科建设对本科学生的培养要求。

1.5  教师专业素养未能满足新工科人才培养的需求

国家提出新工科建设虽然已有一段时间，但由于历史原因，大部分高校把精力放在学科建设上，而对应用型教师的培养重视不够。大部分高校教师来源于高等院校的硕士或者博士，桥梁施工知识缺乏，只重理论，无法做到理论联系实际，无法利用数字信息技术对桥梁结构进行建模、对桥梁工程施工过程进行理论分析。而工程实践单位高职称的工程师又缺乏理论知识，故“双师型”师资力量的缺乏成为制约各高校应用型人才培养的障碍。

不少教师侧重传统理论知识的讲解，缺乏对前沿内容的介绍，且教学仍然以教师讲授为主，忽视师生之间的交流。此外，桥梁工程课程缺乏创新性习题的构建，课程教学学时少，学生课后缺少自主学习的动力。这些都要求桥梁工程教师从新工科对人才的要求出发，以数字信息技术为手段，提升自身的专业素养，促进桥梁工程复合型人才的培养。

2  课程教学的改革措施

2.1  搜集各类现行桥梁成套图纸及施工方案，建立桥梁工程设计施工数据库

为了满足新工科工程教育的需要，围绕培养具

有创新能力和实践能力的应用型桥梁工程人才， 必须结合当前桥梁工程发展的现状，搜集各类现行桥梁完整图纸及施工方案，建立桥梁工程图纸数据库及施工方案数据库，并利用学校网站建立校内可访问的数据库，供学生及老师调阅。桥梁图纸是建立三维数字模型的基础，桥梁施工方案为桥梁施工过程力学分析奠定基础。授课时，选择典型桥梁项目作为课程的案例，可弥补现有桥梁工程教材内容老旧的缺陷，改善现有单一课堂教学手段无法满足学生个性化学习需求的现状。

2.2  基于REVIT软件，建立桥梁三维数字信息模型及施工措施模型库

三维实体桥梁数字信息模型能形象地给出桥梁的细部结构及构造，对学生掌握各类桥梁工程的结构构成具有十分重要的作用。施工过程措施模型能较好地显示一座复杂桥梁的各类支架及措施，易于学生理解各种桥梁的施工措施和方案。

目前由Autodesk公司发布的REVIT软件广泛应用于建筑结构，且有成熟的族，而对桥梁工程而言则需要重新开发新的桥梁构件族。为此，首先通过对BIM软件的研究，建立基于REVIT软件的桥梁各构件和施工工具的族模型及各種桥梁的三维数字模型库；然后在学生中成立课外小组，建立各种桥梁的三维数字模型，并录制BIM模型建模过程，然后放置在学校的网站上，供师生学习。

2.3  利用MIDAS和桥梁博士等力学分析软件建立桥梁三维力学模型库

由于桥梁工程的力学特点与施工过程密切相关，通过对桥梁工程的施工方案和桥梁结构进行基于Midas和桥梁博士等软件的三维建模并获得构件的计算结果。录制各类软件的建模过程作为三维力学模型的数据库，并放置在学校的网站上，供师生学习。

2.4  建立桥梁工程课程浸入式教法和科学的考核方法

桥梁工程是理论性和实践性较强的课程，理论性体现在桥梁的设计与施工对力学的高度要求；实践性体现在桥梁设计过程和桥梁施工过程都需要满足现场条件和满足实际情况等。因此，桥梁工程教学必须采用真实的桥梁工程场景，让学生参与其中，促进学生自主学习，激发学生的学习动力和兴趣。成绩考核采用期末成绩、大作业成绩和平时成绩，加重应用方面的考核，即大作业以四类桥型以基础，给定学生不同的参数并创新发挥的空间，分别按照现行工程实践的要求完成桥梁设计。平时成绩在强调必要的教学秩序的基础上，以与老师互动性为标准考查学生。

3  结束语

利用数字信息技术为桥梁工程搭建一个综合数据平台，包括现行桥梁工程平面图纸、施工方案、三维模型图及力学模型图，并为学生建立一种“沉浸式学习、探索式建模及启发式应用”的学习平台，让学生在教学平台里根据设定的培养目标，对应相关的基本知识开展学习，从而最大限度地激发学生的学习兴趣，提高学生的创新、实践能力，推动应用型学科建设，提升桥梁工程课程教学质量。

4  参考文献

[1] 张爱琴.移动教学平台的软件课程教学信息化实践[J].微型电脑应用，2021，37（2）：63-65.

[2] 万加武，卓泽文，王宇.基于多媒体技术的大学生物类课程教学改革探究[J].教育教学论坛，2020（27）：181-182.

[3] 邹云峰，何旭辉，杨孟刚，等.“互联网+”背景下“桥梁工程”课程教学改革的实践探究[J].教育教学论坛，2021（5）：61-64.

[4] 李志华，郭悬.基于工程应用能力培养的桥梁工程教学方法[J].教育现代化，2020，7（39）：82-85.

[5] 邵旭东.桥梁工程[M].5版.北京：人民交通出版社，2019.

[6] 管仲国，张超峰，阮欣.全过程桥梁设计课程教学实践、改进与思考[J].教育教学论坛，2020（10）：192-194.

[7] 侯铎，陈玉祥，张智.创新创业教育过程中沉浸式课程教学模式研究[J].教育教学论坛，2021（3）：77-80.