新工科理念下桥梁工程教学方法研究

石雪飞 马海英

摘要：根据新工科强调对学生复合交叉、实践创新能力的培养要求，对桥梁工程这一传统工程课程设定了培养学生创造能力的总体目标，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，并将教学内容重点放在现有桥梁设计与施工方法的形成过程上，通过讲课、讨论、课后帮助等方法培养学生的思考能力，通过注重工程思维的考核引导学生注重思考，逐渐培养创新能力。

关键词：桥梁工程;新工科;教学法

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）49-0122-04

桥梁工程是土木工程专业桥梁工程方向的传统专业课，过去的教学大部分以教会学生特定桥梁的几种特定构造及相应算法为主，并通过习题和课程設计对这几种桥梁的设计过程进行练习。经过比较扎实的训练，学生对常规定型桥梁能够遵照规范进行完整设计，这样培养出来的学生在用人单位还是比较受欢迎的。但是，随着社会需求的改变与市场竞争的加剧，近年来提出了新工科教育理念，其主要特点是强调培养学生的复合交叉和实践创新能力。为了达到让学生在具备专业技能的前提下具有创造性的思维能力，笔者在桥梁工程这一传统工科课程教学中进行一系列探索，以期培养学生的空间感、关联力、想象力、宏思维、批判性思维能力。本文从教学思想、教学体制、教学计划、课程教学等方面介绍探索研究过程。

一、课程教学改革的总体思想

古代土木工程技术是以师傅传徒弟的方式代代相传，徒弟直接从师傅那里学习综合建造技术。自现代科学体系形成以来，土木工程技术已经越来越科学化。目前，土木工程教育形成一整套系统的科学体系，其特点是将工程问题高度抽象化、规律化，这样的教育体系可以使学生的知识结构全面、系统，具备工程师所必需的知识。桥梁工程教学与此相同，也越来越系统化。基于上述认识，为了让学生在具备专业技能的前提下具有创造性思维能力，课程教学改革的思想主要是尽量体现桥梁工程技术特点，以建造技术贯穿课程安排。本文从教学内容、教学方法两方面着手改革，通过考核方法的改革培养学生的思考习惯。下图显示了桥梁工程课程教学改革的基本框架。

二、教学内容改革

（一）教学内容选择

改变过去主要教授学生常规桥梁设计与施工方法的教学内容，将重点放在对现有桥梁设计与施工方法的形成过程上，通过分析已有桥梁的构造、设计方法、施工方法形成过程中前人所经历的成功和失败，找到目前桥梁工程结构常规做法的合理性与缺点。上述过程是一个思考的过程，而不是只教会一种结构设计方法，不注重结构构思。表1以简支梁桥教学内容为例，显示了改革前后教学内容的变化。

桥梁工程常用构造是结构力学体系、材料特点和施工方法综合影响下形成的。每一种常用构造均有材料受力的合理性和经济性，而构造和施工方法对计算分析方法又有很大影响。

以往教学主要以简单介绍各种构造形式为主，改革后则主要强调这些构造形成的原因。表2显示了介绍简支梁桥跨径布置时同时介绍它们的控制因素。这不仅便于学生在将来选用，而且让学生了解到不同条件下进行创新设计的努力方向。

结构计算分析是桥梁工程设计的重点，经过百年发展，对于常规桥梁结构已经形成一整套计算理论体系，工程教学的重点也逐渐转移到基于理论体系的计算方法上来。实际上，桥梁结构分析的各种计算方法都是将实际结构简化而得到的，在简化过程中充分利用结构受力特点、施工过程、计算手段，目的是在满足足够计算精度的前提下，尽量简化计算过程。因此，结构分析方法存在多方案性，如何根据实际结构特点选用合适的计算方法是结构分析的关键。随着计算机技术的发展，常规桥梁设计计算方法已发展成软件，只要输入结构参数就能完成计算。

根据上述特点，改革后的桥梁结构计算分析方法的教学重点从计算方法本身转变为计算方法形成的过程，以及计算方法存在的问题及改进的可能方向。表3显示了改革前后刚性横梁法计算主梁活载内力教学的变化。

（二）教学内容安排

在原有教学体系下，将桥梁的力学体系、建造材料、施工方法分门别类讲授，这是将工程问题高度抽象化后最有效率的做法，但这也造成学生熟悉某种局部构造或设计计算方法，而不会针对实际桥梁设计进行综合应用。针对这一问题，在教学内容的安排上，我们努力还原工程本质，从对工程结构的需求出发，用如何建造某种体系桥梁作为主线，串联构造原理、施工方法、计算方法，将材料特点融汇到上述主线中去。表4为简支梁桥教学内容的组织。

三、教学方法改革

在上述教学内容改革的基础上，教学手段也进行了大幅度改革，从课堂教学、讨论课设置、课后讨论思考等方面进行。

（一）利用多媒体技术提高实践教学效率

讲解结构构造、计算方法的演变过程将会大大增加课程内容，特别是介绍桥梁结构建造方法，传统的讲课方式效率很低。多媒体技术提供了很好的应用手段，笔者在以下两方面开展工作。

1.全新制作教学课件。构造与工艺部分以示意图与实际工程图片为主要表现手法，讲解内容以教师的口头讲解为主。分析原理部分大量利用框图、动画介绍各种理论方法的来龙去脉，具体的公式推导留给学生作为课后复习内容。

2.开发多媒体桥梁资料库，帮助学生理解实际结构，提高教学效率。资料库包括工程图片库、桥梁构件三维动画库、桥梁施工录像库。

（二）开设习题课和讨论课

为促进学生培养良好的思考习惯，笔者大量增加讨论和习题课，二者均要求学生做主题发言。

习题课的主要内容是将原来的课堂讲解的具体计算方法，通过习题完成后课堂讨论的形式加深学生对具体设计方法的理解。讨论课的主题是结合目前出现的工程问题，利用已经教授的原理进行分析，寻找可能的解决方案，在讨论中有意将焦点引向工程与社会生活的关系，培养学生作为工程师的社会责任感。以下是习题课、讨论课的一些议题。

（三）利用课程教学论坛提高学生学习兴趣

桥梁工程课程在校园网上开设了教学论坛，作为师生课后交流的工具，通过师生共同讨论热门工程问题激发学生思考的兴趣。议题主要有两方面：一是课堂上提出的、与讲课内容不很紧密的思考问题;二是工程中出现的与本课程教学内容相关的问题。例如：（1）为什么铁路桥梁中很少适用整体钢箱梁？（2）一座小跨径多跨连续预应力混凝土梁桥为什么在施工过程中开裂？（3）某大跨度预应力连续刚构桥为什么施工阶段0号段底板开裂？（4）独柱弯桥为什么会侧翻？

通过有争议的主题的讨论，学生了解到目前梁工程结构常规做法的合理性是有实践性、局部性的，存在改进的空间以及改进的出发点，逐渐培养学生的工程思维能力。

（四）布置内容比较广泛的课后论文

为了培养学生查阅资料、阅读文献的习惯，课后除了布置作业外，每个学期布置一篇议题范围比较广泛的小论文，如桁架桥的形式及演变过程，其内容不易在一本书中直接找到，要求学生大量阅读后进行总结分析。

四、考核方式的改革

考核方式对学生的引导起很大的作用，结合上述教学内容与教学方法的变化，考核方法也做了相应改变。

首先，将学期成绩组成由传统的主要由期末考试决定，转变为由考试和平时各项教学内容评分综合决定，内容包括考试、课堂讨论、课后作业与论文、论坛讨论等，在学期开始即将考核的方法、内容在学生中公布，便于学生控制学习进度。

其次，考试题目设计由传统的概念叙述、计算方法与流程应用转变为工程问题的解决，在解决问题过程中自主决定应用什么原理、如何应用。表6列出刚性横梁法计算横向分布系数考题设计的变化。

五、小结

毕业生工程创新能力不足是目前我国工程教育中普遍存在的问题。就桥梁工程教学而言，以往的不足之处在于将工程问题过于科学体系化，脱离工程实践的特点。笔者针对这一问题，提出尽量遵循工程特点的总体教学改革思路，将教学内容重点转移到现有桥梁设计与施工方法的形成过程上。通过讲课、讨论、课后帮助等方法培养学生的思考能力，通过注重工程思维的考核方式引导学生注重思考，逐渐培养创新能力。