多维度桥梁教学研究方法探究

摘  要：桥梁工程是道路桥梁渡河工程专业的一门必修课，其具有课程综合性较强、实践要求较高、研究范围较广的学科特点，传统的教学方式难以满足培养具备现代工程设计能力的工程师的教学要求，亟需教学方式的改革及研究手段的深化。以此为切入点，该文提出一种基于课堂教学、软件渗透、工程项目相结合的多维度桥梁工程教学手段，构建理论-仿真-实践的多层次学科研究体系。该文所建立的桥梁工程教学研究方法可全方位地提升课堂教学的理论性和应用性效果，大范围地拓展学生处理桥梁工程相关问题的思路逻辑，为其日后的科研工作夯实基础。

关键词：教学研究方法；桥梁工程；多维度教学设计；工程实践；理论-仿真-实践

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：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：陕西省自然科学基础研究计划重点项目“考虑高温、腐蚀及疲劳耦合作用下钢-混组合梁力学性能研究”（2022JZ-32）；中央高校基本科研业务费专项资金项目“钢-纤维MPC混凝土叠合板组合梁负弯矩力学性能研究”（300102212212）

作者简介：武芳文（1980-），男，汉族，河北邯郸人，工学博士，副教授，博士研究生导师。研究方向为高性能混凝土结构和桥梁结构理论。

桥梁工程作为道路桥梁渡河工程专业必修课，该课程的教学目标包括却不限于培养学生对各类桥型及组成部分受力特点的基础认知，掌握大跨、中小型桥梁及新型桥梁结构的构造原理，熟悉常见施工方法的设计特点及应用范围。作为大基建、智能交通背景下交通特色高校的核心课程，其课堂教学效果对于学生工程技术能力的培养具有深远的影响。然而，考虑到该类课程具有应用范围广、桥型复杂多变、设计规范条文烦琐和计算内容难度较大的教学特点，传统教学方法仅针对于理论知识的讲解，往往忽视了桥梁学科相关软件技术及工程项目实践的穿插结合，造成学生们的课堂积极性及参与性下降，教学效率大幅度折减。因此，对于桥梁教学研究方法的探索与变通显得尤为重要。

已有教学工作者对桥梁工程课程的教学研究方法展开了如下探讨：贺绍华、李笑芳等[1-2]通过深入剖析道路桥梁与渡河工程专业的教学改革特点，提出了基于专业人才培养现状课程教学改革新方向。张菊辉、林智敏等[3-4]认为实践学科教学中需要融入课程思政元素，全方面地梳理了如何在“桥梁工程”中实施课程思政，从而实现专业知识与德育的融合。石雪飞、彭卫等[5-6]基于新工科强调对学生复合交叉、实践创新能力的培养要求，提出淡化传统的工程科学体系，围绕桥梁工程特点安排教学总体思路，并认为教学内容重点应放在现有桥梁设计与施工方法的形成过程上。黄信等[7]结合桥梁工程课程的教学实践，基于强化工程应用能力的目标对桥梁工程的课堂教学内容进行设计，提出了以工程项目全过程设计为主线的课堂教学新思路。周明等[8]针对应用型本科高校土木工程道路与桥梁方向专业教学中存在的问题，基于任务驱动方法，开展了桥梁博士软件应用教学研究，文章认为有限元软件可有效地提升学生们对于桥梁课程的研究兴趣。布占宇[9]提出了翻转课堂结合在线课程的桥梁工程教学新模式，这种新型教学模式充分利用了“互联网+”技术，可大幅度提高学生学习的积极性、自主性。张夏[10]融合中国桥梁维护与加固发展和现状，认为教师在教学中可结合学科特征与学生学情基于多方面展开分析，培养学生成为集文化知识与良好思想道德品质于一身的高质量、高水平人才。

尽管教学工作者们对桥梁工程的教学研究方法提出了针对性强且有效的革新意见，但教学研究重点仍集中于理论或实践的某一固定角度，教学改革方法未能实现理论-仿真-实践的多维度融合。因此，本文提出基于课堂教学、软件渗透、工程项目相结合的多维度桥梁工程教学手段，实现多元化理论课堂、有限元仿真技术及桥梁项目实践的多体系交叉融合。教学革新旨在大幅提升学生们的理论接受效率，帮助其构建理论-仿真-实践的多角度学习体系，为其走向科研工作岗位奠定牢固基础。

一  桥梁工程教学内容的特点与发展趋势

传统桥梁工程课程的教学内容较为固定，主要分为桥梁上下部结构的介绍及受力特点、常见桥梁施工方法的适用范围及优缺点、桥梁设计过程及考虑原则和桥涵水文相关规范等。部分高校会结合自身的优势学科，针对研究较为深入的桥型进行教学与探讨。如长安大学、同济大学等公路优势高校，桥梁工程的教学点主要集中在公路桥梁及大跨径索桥的特征分析及建造上，北京交通大学及西南交通大学则侧重于铁路桥梁的建设过程，教学内容的分流及教学方法的定式务必造成学生们对于部分桥型的了解程度不够深入。同时随着大跨桥梁建设的崛起，许多新兴的桥梁建设技术也被运用进来。如2016年建成的贵州北盘江第一桥（图1），设计师利用云技术，研发建立一个集“建设、管理、养护”于一体的桥梁管养综合信息化平台。通过安装在桥上的传感器，把桥梁的索塔、桥面等数据传送到桥梁基础信息云和桥梁监测养护信息云，然后分析决策云对前面传送的数据进行分析。该桥的健康监测技术涉及桥梁工程与计算机专业的交叉融合，传统的桥梁工程教学方法无法使学生完全熟悉该项技术，突出了教学方法更新的重要性。

新材料的崛起使得部分大跨径桥梁桥面板真正意义上做到了轻质高强，超高性能混凝土（UHPC）因其优异的耐久性及抗裂增韧性能，在许多桥梁上得到了运用。如2018年建成通车的湖南杭瑞洞庭大桥（图2），该桥采用了超高性能混凝土组合钢桥面，该桥采用的板桁结合结构，开展薄钢桥面板与超高性能混凝土形成组合桥面板，在保证桥面承载能力的同时，大大提高了桥面板刚度，从根本上解决了钢桥面板疲劳开裂这个世界性技术难题。传统的桥梁工程教学内容并未涉及新材料的介绍，考虑到高强材料结构必将成为日后桥梁建设的研究设计热点，只有对桥梁教学研究方法进行革新，才能真正意义上使学生了解桥梁发展的趋势。桥梁科普视频教学及有限元仿真技术的融合，可使学生在了解新型高强材料力学特性的同时，掌握该类桥梁的力学结构及受力特点。

综上所述，只有对传统的桥梁工程教学研究方法进行革新，才能适应桥梁建设技术的飞速发展，使学生全面掌握新兴的桥梁设计方法及工程技术运用。本文提出的多维度桥梁教学方法，可有效解决传统桥梁工程教学研究方法的弊端，下面本文将分述这种教学方法的构建重点及过程。

二  多维度桥梁教学研究方法的构建

（一）  多元化理论课堂的形成

桥梁工程相关理论具有较强的实践性，单纯且枯燥的课本知识教学无法提高学生们的研究兴趣。因此引入多媒体技术，形成多媒体+课本的双向教学体系，可有效提升学生们的理解效率，也是构建多元化理论课堂的关键。传统的黑板教学很难做到理论细节的全方位渗透，造成学生们对知识点了解不具体、不深刻、不形象。例如桥梁施工方法的教学，这类内容工程性较强，对于未经历过工程项目实践的本科生而言，理论知识较为晦涩难懂。如已有桥梁教材中对于顶推施工法的描述，其专业术语及工法细节占大部分介绍比例，学生们很难即时地对该施工技术建立形象的认知体系。多媒体技术可高效解决这一弊端，借助目前国内外已比较成熟的桥梁施工渲染动画配合理论教学（图3），可对理论细节形成实时解释的效果。两种教学方法相结合，可在激发学生们研究兴趣的同时，改善教学效果，弥补传统教学方法所带来的理论知识接受缺陷。

桥梁工程课程并不是孤立的学科，其涉及专业基础课较多，如结构力学、结构设计原理、材料力学等。因此，良好的教学研究效果离不开其余课程的相关联系。结构设计原理作为桥梁工程非常重要的一门专业基础课，在讲授桥梁工程教学内容的同时，需注重结构设计原理的讲解与拓展，从而使学生们能够更快、更全面地掌握桥梁结构设计计算方法，理解及熟悉运用各类桥涵规范。与其余土木理论课程相比较，桥梁工程更注重某一工程技术的运用与创新，教学点应着重于学生桥梁设计方法及时间应用能力的培养，这就需要给学生建立桥梁工程组成结构的力学理论基础。因此，教学研究过程应注意各类力学理论课程与桥梁工程的衔接与联系，帮助学生构筑理论基础-实践能力的多元逻辑体系。同时，软件工程学科、材料科学学科也是如今桥梁工程教学研究内容所交叉融合的重点。如神经网络技术，该信息理论可对一系列的桥梁结构样本数据进行训练，从而得到准确性较高的桥梁损伤、开裂预测结果。在如今桥梁病害难以被外观检测的情况下，该项技术可有效提升桥梁健康检测模块的运行效率，大幅度降低工程成本。高性能材料更能有效解决桥面板开裂的工程难题，延长桥梁服役寿命。因此，在桥梁工程教学研究过程中，应多注意与其他大类学科进行交叉讲解，使学生掌握最全面、最新颖、最有效的桥梁设计与建造方法。

（二）  有限元仿真技术的培养

随着计算机技术的飞速发展，有限元模拟软件也得到了不断升级。有限元仿真技术可在降低科研成本的同時，验证所开展模型试验的准确性，实现研究目标的参数化分析，提升桥梁结构的计算精准度。因此，培养学生有限元仿真技术的应用能力是桥梁工程教学研究工作的关键内容。桥梁工程中常见的有限元分析软件包括ANSYS、ABAQUS、MIDAS等，在对课本理论教学的同时，穿插有限元仿真技术的介绍与应用方法，可有效拓展学生结构分析思维，激发其探究积极性。以大型结构分析软件ANSYS为例，该软件可实现桥梁结构某一局部构建的应力应变分析，具有高度的精确性。预制拼装接缝的ANSYS应力分析结果如图4所示，从图4中可以准确判断出结构损伤部位及应力分布，学生们可以更加深入地了解桥梁细部结构的受力状态，从而加深其对于桥梁工程理论知识的理解，为其日后的科研工作及论文撰写积累经验。

荷载试验是桥梁方向本科生专业课程涉及的重要试验之一，是构成学生们桥梁工程专业基础体系不可或缺的一部分。该部分教学内容需要大量的试验器材、加载设备及人力成本，在实验室内无法重现。即使学生们参与了现场的试验工作，考虑到荷载试验较大的体量，学生们也无法全面掌握相关知识，形成深入、全面的认知体系。然而，借助有限元仿真技术，运用桥梁工程、结构力学、材料力学等专业知识，对荷载试验进行精细化建模，即可对现实中的桥梁动静载试验进行仿真模拟。MIDAS分析的某一连续刚构桥抗震计算结果如图5所示，该类软件可高效运用在大型结构的模态及受力分析中，同时结合CDN软件可对计算结果进行验算，保证分析精确度。对于结构体量较大的桥型，可结合该类软件辅佐教学研究，为学生建立生动且透彻的理论知识接受体系。同时，该类软件也是学生们今后从事桥梁设计工作的必备技术，理论知识与仿真技术融合的教学方法，可在提高桥梁工程教学研究效率的同时，为学生们日后的设计工作奠定技术储备。

（三）  工程项目全流程的融入

桥梁工程的关键教学研究目标是培养工程应用型人才，将工程实践环节融入到理论知识的课堂教学中，实现理论-实践的有机结合，可最大限度地提高学生对理论知识与实践之间相互关系的认知。同时，理论教学服务于工程设计，利用课堂教学最大限度地促进应用型人才培养的课堂教学内容改革或设计工作，使学生掌握桥梁设计的基本知识，理解桥梁设计的基本构造措施，并能够进行常规桥梁设计，这是高等工程教育的初衷。因此，本文提出一种基于工程项目全流程的教学研究，将桥梁工程设计、桥梁施工过程、桥梁运维管养技术融合于基础理论知识的教学方式，该模式将工程项目的重要阶段分散于相关的基础理论部分，提升学生的研究目标性及工程项目全流程参与感。

该教学模式需以工程项目为主线开展桥梁理论教学，在讲授某一部分基础理论知识的同时，联系到工程项目的设计、施工及管养，以实际工程案例详解基础桥梁结构理论的应用与变式，做到理论指导工程、工程解释理论的有机结合。例如在关于桥梁结构针对特定荷载工况的结构计算教学中，同时应联系介绍桥梁基础方案必选及实际施工案例的建设经验，从而拓宽学生的桥梁设计知识和思路，激发学生的创新思维能力。实地工程学习也是该教学模式的重要部分，通过实地项目考察，学生可以更快速、更准确地实现桥梁理论知识的对应及运用。让学生站在工程师的角度对课堂知识点进行思考，并按照能够满足施工单位进行施工的要求，对课程中所学施工图设计的具体细节知识点进行深化与巩固。

三  结论

针对传统桥梁教学研究方法的弊端，本文提出基于课堂教学、软件渗透、工程项目相结合的多维度桥梁工程教学手段，构建理论-仿真-实践的多层次学科研究体系，旨在为国家培养工程应用型、创新型桥梁工程设计人才。本文所建立的教学研究方法可高效改善桥梁课堂教学效果，提高学生们的应用技术能力，加深其对于工程项目全流程的设计认知，为培养面向工程应用型人才的桥梁工程教学研究提供了借鉴和参考。因此，面向工程应用型人才的培养是高等工程教育的本质，教学中应强化理论知识与应用能力同步提高。结合桥梁工程的基础理论、仿真技术及工程实践，帮助学生构筑多层次的思维逻辑体系，建立全面的工程设计应用能力。

参考文献：

[1] 贺绍华，禹智涛，孙晓龙，等.省级一流本科专业建设背景下的教学改革实践——以道路桥梁与渡河工程专业为例[J].大学教育，2023（7）：24-26.

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