桥梁工程四维教学法实践研究

彭可可

（佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院，广东 佛山 528225）

1 桥梁工程教学现状及改进目标

1.1 桥梁工程教学现状

《桥梁工程》是土木工程专业关于桥梁设计计算的一门必修的专业课，也是一门理论与实践紧密联系的课程。其任务是使学生掌握常用的中小型桥梁上、下部结构的构造原理和设计计算原则，了解各种大跨度桥梁的构造计算特点。使学生在毕业后除能够从事常用中小型桥梁的设计计算工作以外，还能运用已学知识，联系实际，具备解决较复杂桥梁问题的能力。

目前国内外多种《桥梁工程》教材［1-4］主要内容为：介绍国内外桥梁发展的概况和趋势，介绍梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥等桥型的建筑构造，重点阐述梁桥和拱桥的结构计算方法。就师资情况来看，目前高校教师以应届博士毕业生为主，大部分具备扎实的理论知识，也参加过导师的一些科研和生产项目。但高校的科研和生产项目，与本科生毕业后主要从事的设计、施工、检测等桥梁工程相关工作有一定差异。就教学手段看，目前教学方式还是以PPT 结合桥梁工程教材、习题等方式进行，没有将规范、软件充分融入到教学中［5-7］。就教学效果考察的手段看，采取闭卷考试，学生仍处在应试学习层面，重理论而轻实践，毕业后面对实际工程不知从何入手，缺乏实践能力。近年来，已有学者开展了“项目教学”研究［8-9］，将工程项目引入教学已是专业课教学的发展趋势。针对上述问题，本文探索桥梁工程学科的内在规律，提出了四维教学法及其在教学实践中的应用，并通过具体的教学评价指标对该方法的教学效果进行了评估。指出高校教师应在教学、科研的同时，极积参与工程实践，在提高自身工程实践能力的同时，收集工程资料，采用四维教学法开展桥梁工程课程的教学，全方位提高学生的综合工程能力、改善教学效果，适应现阶段土木工程国际化人才培养目标。

1.2 桥梁工程教学改进目标

2017 年教育部发布《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，明确提出“新工科”背景下迫切需要工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。党的十八大报告中明确提出“增强学生社会责任感、创新精神、实践能力”、“创新高校人才培养机制”。这为新时期在党的教育方针指引下，应用型本科高校开展创新创业教育、提高大学生素质教育水平、推进高等教育科学发展指明了方向。现阶段土木工程国际化人才的培养目标是：毕业生综合素质全面，具有扎实的土木工程学科基础理论和全面的专业知识，能在国内尤其在国外土木工程领域的设计、施工、管理、研究等部门从事技术或管理工作［10-12］。要适应这一要求，片面掌握理论知识是不够的，还要熟悉本行业规范、精通本专业主流计算分析和绘图软件，并能基于理论知识，以规范为操作依据，将软件应用于实际工程，以达到对工程能力的培养。

2 桥梁工程四维教学法探索

2.1 桥梁工程四维教学法理论

四维教学法的四个维度为：理论、规范、软件、工程实例。就一个常规的桥梁工程而言，现阶段一般采用AutoCAD 绘图、采用MIDAS Civil、Bridge Doctor 建立有限元模型［13-14］。建模时，需对基础、上部结构、边界条件、作用力等进行设定，这些设定均以现行规范或该桥建设时的规范为依据。例如，我国现行的公路桥规［15-16］和美国的AASHTO 规范［17］，这些规范虽然是以条款的形式存在，但每个条款，都是以桥梁工程的理论作为基础的。这就是理论、规范、软件和工程实例四维度的内在关系，即理论知识点、规范条款、软件操作三者存在一一对应的关系，综合应用这三者即可有效地解决实际工程问题。

四维教学法在掌握桥梁工程四个维度内在关系规律的基础上，通过工程实例，在对每个知识点的理论讲解的基础上，引导学生查阅相关规范条款，使学生在课堂上就能熟悉规范，理解规范条文说明。在此基础上，演示软件相关建模操作，使学生不仅精通软件操作，还理解为何要这样操作，这样就能用之前学过的理论、规范来分析操作是否正确，结果是否合理。这一教学方法体现了桥梁工程知识体系四个维度的客观规律，把工程实例和每一个知识点、规范条款、软件操作步骤结合起来，使学生在潜移默化中完整、立体地掌握桥梁工程的知识，获得相关的实际工程能力。

2.2 桥梁工程四维教学法案例实践

2.2.1 维度一：工程问题

本节以主梁在活载作用下的弯矩计算为例，给出四维教学法的实践应用案例。给出一个五梁式钢筋混凝土简支T 梁，其标准跨径为20 m，计算跨径为19.5 m。按“比拟正交异性板法”计算边梁的跨中荷载横向分布系数为：车道荷载：mc=0.504，冲击系数为（1+μ）=1.303，车道折减系数为ξ=1。需求解边梁在设计荷载为公路-II 级时，车道荷载的跨中弯矩。

2.2.2 维度二：知识点

该实例涉及到的理论知识主要是通过绘制桥梁结构的弯矩影响线，用先修课程《结构力学》中影响线求量值的方法计算跨中弯矩，计算式为

其中，M1/2，q为活载作用下跨中弯矩，（1+μ）为冲击系数，ξ 为车道折减系数，mc为跨中横向分布系数，Pk为车道荷载集中力，qk为车道荷载均布力，yk为集中力对应的影响线量值，Ω 为弯矩影响线面积。除影响线求量值的基本原理外，式（1）中涉及到的桥梁工程知识点共有4 个：①冲击系数、②车道折减系数、③横向分布系数、④车道荷载。

2.2.3 维度三：规范条款

桥梁工程的主要知识点均有相应的规范条款。在授课时，将规范电子版发给学生，引导学生按知识点查阅对应的规范及条文说明，与知识点对应学习，更好地理解规范的理论依据；同时帮助学生搭建从理论层面到专业层面的通道，养成良好的工作习惯，为以后在工作中遇到工程问题能迅速找到相应规范作打下坚实的基础。上述工程实例所涉及的4 个知识点均对应《公路桥梁设计通用规范》（JTJ D60-2015）［15］，其对应关系如下：

①冲击系数：对应《公路桥梁设计通用规范》4.3.2。

②车道折减系数：对应《公路桥梁设计通用规范》表4.3.1-5 横向车道布载系数（即桥梁工程课本中的车道折减系数）。在讲解横向车道布载系数的同时，指导学生查阅表4.3.1-6 纵向折减系数，并掌握两者的区别。

③横向分布系数：对应《公路桥梁设计通用规范》表4.3.1-6。在讲解该知识点时，将横向分布系数、车道折减系数、纵向折减系数三个系数对应起来学习，便于学生在后续软件分析时，能区分这三个系数的概念及对应操作。

④车道荷载：对应《公路桥梁设计通用规范》4.3.1-4。要注意本例中的设计荷载是公路II 级，在讲解中要强调根据4.3.1-4 中的第2 条，对公路I 级车道荷载进行折减。这是很多学生在分析荷载时容易遗漏的条款。

传统的算例教学中，学生只会根据已知条件应用理论知识求解，类似于做结构力学习题，面对实际工程问题时不知如何加载、如何对参数进行取值。查阅了上述相关规范后，就能明确公式中所有参数的计算方法、取值方法，形成分析工程问题的专业能力。毕业后，学生在处理相关工程问题时，无论情况怎样变化，都能根据规范获得相应的条件，进行计算分析。这个环节的训练对于培养学生的专业能力、良好的工作习惯，均有非常关键的作用。

2.2.4 维度四：软件操作

目前，桥梁工程领域的常用专业分析软件有Midas Civil、Bridge Doctor 和CSI Bridge 等，这些软件都是基于有限元原理、桥梁工程理论，依据现行规范制作的。桥梁工程的每个知识点、设计规范的全部条款，都体现在软件建模的相应操作中。在桥梁工程课堂上，讲解知识点和相关规范条款后，再将软件中的对应操作演示给学生，有利于学生直接将理论知识在专业层面上转化为职业技能，能够激发学生的学习积极性，促使他们更深刻地理解知识点并加以应用，充分实现理论与实践相结合。基于MIDAS Civil 软件、知识点②、③为例，讲解横向分布系数、车道折减系数、纵向折减系数三个系数在软件建模中的操作。

3 桥梁工程四维教学法的效果评价

自2017-2018 学年起，上述四维教学法已在佛山科学技术学院土木工程专业本科生的教学实践中使用。通过出勤率、期末考试成绩、及格率、毕业设计平均分、实习单位评分等评价参数，对四维教学法的效果进行评价。教学评估的分析结果如图1 所示。

图1 桥梁工程四维教学法效果评价

桥梁工程是一门具有挑战性的课程，在笔者教桥梁工程的最初几年里，许多学生在传统教学中开始失去信心，在第一章开始介绍之后，学习热情降低。学生对课程的参与度和热情降低表现为以下行为：上课迟到早退、在课堂上使用智能手机和注意力不集中。采用四维教学法后，结合规范和软件介绍了工程项目实例，笔者在教学中明显感到学生的学习积极性得到了显著提高。从图1 可以看出，与2016-2017 学年相比，2017-2022 各学年的出勤率显著提高。2017 至2022 各学年的出勤率同比增长率分别为12.33%、19.51%、0.51%、0.51%和0.0%。与2016-2017 学年相比，学生的学习效果显著提高，期末考试平均分数和通过率呈上升趋势，略有波动。由于期末考试的试题每年都不一样，这种波动可能是由于试题难度不同造成的。平均分和通过率提高，表明教学效果得到了改善，学生达到学习目标的比例有所增加。四维教学的另一个结果是佛山科学技术学院2019-2020 学年、2020-2021 学年和2021-2022学年从事桥梁工程的学生人数增加。从图1 可以看出，由于实习单位对学生的评估有所改善，因此桥梁工程专业学生就业率更高。学生的毕业设计成绩和实习成绩（实习单位给出的分数）有逐年上升趋势。

4 结论与展望

基于桥梁工程的知识点、设计规范的相应条款和软件建模的方法存在一一对应关系这一学习规律，笔者提出了以课本理论知识为基础，以常用设计规范为准则，以专业分析软件为手段，以实际工程为例的四维教学法。以主梁的活载弯矩计算为例，给出了该教学方法的实践应用案例。连续跟踪收集了六届学生的教学数据，对这些数据进行了统计分析，评价了四维教学法的效果。创新点如下：

（1）揭示了桥梁工程知识点、规范条款和软件操作之间一一对应的内在规律。

（2）根据桥梁工程技术的内在规律，提出了桥梁工程四维教学法。

（3）提出了综合评价学生学习效果的评价指标，包括出勤率、期末考试平均分、通过率、桥梁工程毕业设计成绩和实习成绩等5 个指标。出勤率主要反映学习热情；平均分数和通过率反映了学生对知识点的掌握程度。桥梁工程专业毕业设计成绩和实习公司的实习成绩反映了学生的工程实践能力。

上述教学方法对任课教师的工程水平有较高要求，适用于土木工程专业设计类课程群的其他专业课，可在专业课教学中进行推广应用。