基于桥梁工程课程的探究式教学模式研究

黄海云 周军勇 李宁宁 吕金浩

【摘要】桥梁工程是土木工程学科桥梁工程方向的一门专业主干课程。课程以公路桥梁的基本理论和方法为研究对象，综合性、实践性较强，对培养学生从事桥梁工程的工作能力具有重要作用。但是，作为一门综合性、实践性较强的工程学科专业课程，在传统教学模式的选择和课堂教学中还存在着亟待解决的问题，因此本文从探究式教学模式下出发，阐释了存在的问题，提出不同探究方法，并进行了相关探索和尝试，改进了课堂教学存在的问题，取得了较好的教学效果。

【关键词】探究式教学  桥梁工程  模型制作

【基金项目】2018年广州大学教育教学研究项目（黄海云，《桥梁工程》课程探究式教学方法的研究）;2016年度广东省本科高校高等教育教学改革项目（孙卓，基于“卓越计划”高级工程人才培养的《桥梁工程》教学改革研究）;2017年度广州市高等学校第八批教育教学改革项目（叶锡钧，“基于卓越计划《桥梁工程》的‘理论+工程+创新高级工程人才培养教学改革研究” ）。

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）18-0030-02

一、教学现状分析

桥梁工程作为土木工程学科的一门主干课程，是一门综合性强的课程，涉及到结构力学、材料力学、建筑材料以及结构设计原理等本科基础课程，需要学生主动融会贯通各科课程知识。同时具有工程学科实践性和应用性较强的特点，需要结合实际工程或实践活动才能真正理解和掌握。

传统教学方式常以教材为中心、课堂理论教学为主、缺少相关的实践环节作配合，评价方式单一，导致课程知识过于枯燥、难于理解和掌握。近年来，随着我国桥梁建设事业的蓬勃发展，卓越的建设实践大力促进了桥梁工程的设计计算理论、建造工法、工程材料等各方面的长足进展，虽然这些最新发展并未能及时写入教科书中。

在大数据和互联网技术不断发展、创新的新时代，社会对于人才的需求不仅仅满足于有扎实的基本功，同时还要富有创新能力、開放性的逻辑思维。这就需要教师运用灵活的教学手段激发、引导学生对桥梁工程的兴趣。对于高校理论课程教学的而言，则需要考虑教学研究的重心从知识传授向能力培养转变，从重视结果向重视过程转变，鼓励指导学生多发现问题、解决问题，逐步培养创新意识;需要教师根据教学实际采用适应差异、注意个性发展的多样化教学形式，以弥补传统教学模式的不足 [1-4] 。

如何将当前桥梁发展建设新进理论、实践融入到高校桥梁工程的课程教学之中？如何根据现阶段高等教育的新要求进行教学方法的改进？这是新时代对桥梁工程课程教学提出的新问题。

二、探究式教学法的内涵

最早提出在教学中使用探究式教学的是杜威，他认为，科学教育不仅仅是要让学生学习大量的知识，更重要的是要学习的过程或方法，“思维起源于疑难”，应用在教学上，便是“从做中学”。从1950年到1960年，探索作为一种教学方法的合理性变得越来越明确了。

探究式教学（Inquiry Teaching），又称发现法、研究法，是指学生在学习概念和原理，教师只是给他们一些事例和问题，让学生自己通过阅读、观察、实验、思考、讨论、听讲等途径去独立探究，自行发现并掌握相应的原理和结论的一种方法。指导思想是在教师的指导下，以学生为主体，让学生自觉地、主动地探索，掌握认识和解决问题的方法和步骤，研究客观事物的属性，发现事物发展的起因和事物内部的联系，从中找出规律，形成自己的概念。主要过程包括：给予问题、提出假设、组织探究、形成结论、进行反思。

可见，在探究式教学的过程中，学生的主体地位、自主能力都得到了加强。探究式教学方法目前已逐渐应用到国内外的中学、高校的某些与实践相关性较大的理论课程教学中[5-7]。

三、运用探究式教学模式改进课程教学（探究式教学模式策略）

根据桥梁工程的教学内容、教学大纲及教学目标，综合考虑深入围绕探究式教学方法的各个相关环节，进行探究式教学模式的设计，提出适宜学生独自或小组探究的工作内容和方式，最后通过总结和评价达到教学相长的效果。主要尝试和探索包括以下方面：小组桥梁模型制作、校外主题活动、有限元建模分析等。

（一）桥梁模型制作

1.布置任务

给定模型桥梁的基本设计指标（标准跨径、桥面宽度）和基本材料（木棒、木片、木板、有机玻璃棒、塑胶棒、竹签、卡纸等），结构类型、结构截面形式均不限制。目标是制作一个符合要求、结构合理、且具有一定的承载能力的桥梁模型。模型完成后采用砝码和沙包进行加载测试，承载重量与模型自重比值较高而且结构合理者为优胜。

2.分组探究

全班约按每5人一组分组进行探究，每组制作一个桥梁模型。各小组推荐一名组长负责主管和组织工作。各小组的任务包括：讨论模型设计方案、模型材料的选择和购买、模型制作、模型预测试、以及最后提交一份桥梁制作活动的总结报告。任务下达后，各组围绕以下问题集体进行热烈的讨论、探索和研究，这是一个小组探究的环节。

1）桥型的比选。从承载能力大、稳定性好、自重轻、美观、易于制作，以及模型桥梁固有特点多维度考虑，选择合理的桥梁模型设计选型。

2）总体布置参数的比选。桥型方案确定后，主要总体布置参数，包括主梁的高跨比、拱桥的矢跨比、斜拉桥桥塔的高跨比、悬索桥的垂跨比等比值，均需参考现行桥梁的参数范围，合理取值。

3）材料的比选。结构受力和自重性能均与材料相关，结合桥型、各构件的受力特点，在给定的模型材料中，通过尝试比选出合适的模型制作材料和连接材料。

4）细部构造的比选。虽然是模型桥梁，也是一个空间受力结构，各受力构件如何设计和连接，才能最好地发挥材料和结构的受力性能，就需要进行细部构造的探究和比选，如：主梁中纵横梁的组合与连接、桥塔与主梁的连接、支座及桥塔的稳定性、绳索如何与塔梁相连接等等。

学生往往通过查阅专业书籍、网络电子资料，到实际桥梁获得灵感，或者利用Midas有限元程序进行建模分析，了解不同桥型、各部件的受力特点，最终通过小组讨论的方式比选出解决方案。

3.现场加载试验

待桥梁模型制作完成后，各组一起进行桥梁模型现场展示和测试，这是一个集体探究的环节。内容包括各组桥梁模型的特点介绍、桥梁模型参数（自重、宽度、跨度）测量、利用沙包和砝码的分级加载测试、记录加载重量、桥面的下挠度等受力指标以及分析试验数据等方面。优胜规则由全班集体通过，主要由结构能否符合设计任务要求、结构受力与其自重的比值、桥梁专家针对模型桥梁受力性能的点评三方面综合的评定。

这是个共同学习的机会，各组同学在了解本组桥梁模型承载能力的同时，也感受到其他组桥梁模型的设计思路、受力特点和性能。最后通过专家的点评和意见，更深刻地理解各模型存在的问题和不足。

4.小結和反思

经过模型的设计、制作和测试后，各组提交一份总结性的报告，这是一个形成结论和进行反思的环节。从各组的报告可归纳出以下几点：

1）桥梁模型的设计与制作必须符合实际受力要求和结构设计基本原理。

2）桥型与材料选择、细部构造、连接方式、整体与各部件间协调、合理的制作流程等都是非常的重要方面，直接影响桥梁的受力性能。

3）实际操作过程中能将之前所学桥梁知识具体化，深入掌握了更多专业知识，完善知识空缺，且提高了个人制作模型的动手能力、强化计划任务与大局观的能力。

4）集体探究问题时、遇到争议时同学间各抒己见、择优择良，经过团队的协作努力最终商讨出最满意的解决方案。增进了同学之间的团队协作能力、思维创作能力、以及增长同学之间的友谊和信任。

（二）校外主题探究活动

为了让同学们更形象生动地了解桥梁的历史和当前的发展情况，以“桥梁的发展与创新”为探究活动的主题，组织了走出校园到实际中去的课外活动，活动内容包括以下方面。

1.实地参观附近不同时期建造的、具有技术创新意义的获奖桥梁

通过现场参观讲解和查阅资料，可以印象深刻地了解桥梁的实际环境、实际构造和其他设计布置特点。

2.参观桥梁博物馆

博物馆通常系统地设有不同主题的展览厅，展示各种各样的著名的桥梁模型、部件等相关资料。如我国桥梁发展的著名桥梁模型展、世界著名桥梁模型展、本土著名桥梁模型展、施工技术模型展等等。通过这些参观展示模型，倾听讲解员的详细讲解，如游走于历史的时间长廊，经历桥梁建设的变迁。

3.专家讲座

邀请本土资深的桥梁设计师，开设“桥梁史话和发展”的专题讲座。该讲座从桥梁设计师的角度，更广博、更深入地剖析桥梁的不同时代、不同桥型的发展情况及其桥梁技术发展特点。设计师能结合众多工程实际桥梁，形象、生动地讲解课本没能涉及的诸多方面和问题，大大拓宽了学生们的视野和知识面。

通过以上活动，围绕活动主题，每个学生需结合个人的关注点，完成一份探究报告。相对于课堂教学，这种面对真实桥梁、桥梁模型以及设计师，身临其境、耳闻目睹、相互交流的经历，更容易激发学生们的好奇心和学习兴趣。

（三）有限元建模分析

桥梁工程课程通常围绕课本，对知识的讲解以基本理论和基本方法为主，以致一些赘余自由度较多的复杂桥型（如拱桥）不便运用的手算方法进行桥梁结构的受力分析。为了让学生更好地把握复杂桥型的受力性能，布置了结合桥梁有限元分析软件进行建模计算的课外探究作业。确定了每人一题的基本设计指标，要求完成桥梁在主要荷载作用下的受力图。这需要学生探究的方面包括：着实理解桥梁的结构形式，如何使用有限元软件，如何建模进行分析，如何判断计算结构的正确性等等。最后由老师批改和做点评，明确受力规律。通过这种练习和训练，不仅提高了结构分析的技能，而且也提高了学生解决、分析和判断问题的能力，让深奥的理论知识更加形象和生动化了。

三、结论

通过以上探究式的课程教学探索和实践，得到以下结论。

1）采用灵活多样的方式，考虑选题、难易度及可实现度等方面的因素，探究式教学能让学生成为学习的主动参与者，充分调动学生自主学习和主动学习的积极性。

2）围绕教材及教学内容，课程探究的主题可选择对难点问题的剖析，也可适当进行拓展，如引入本行业领域的工程设计标准、前沿科技、最新发展动态、最新分析软件，重视与工程实践接轨，培养创新能力，体现工程教育的本质和特色。

3）动手制作、操作等试验类的探讨活动，不仅能加深学生对理论知识的理解，而且训练了学生发现问题、分析解决问题的能力以及分工合作的团队精神。

4）工程学科的知识源于实际工程，回到实际工程中去，让学生亲自去了解和思考，有助于知识的理解和学以致用。

探究式教学寓教于乐，在构建融洽的师生关系的同时，构建了良好学习氛围，可推广到其他应用型课程的教学中。但同时也受到教学条件和资源的限制，如何将探究式教学人性化、合理化的运用于课程教学有待进一步探索和研究。

参考文献：

[1]贾云艳，何晓川.从学习模式的多样性到教育模式的多元化——以学生为本探索中国建筑教育的新思路[C].北京：中国建筑工业出版社，2008：19.

[2]斯蒂芬·D. 布鲁克菲尔德.周心红，洪宁，译.大学教师的技巧[M].杭州：浙江大学出版社，2005：19-27.

[3]张俊平，禹奇才，童伟华等.创建基于大工程观的土木工程专业人才培养模式[J].中国高等教育，2012：27-29.

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[5]张长清，魏小胜，李国卫.探究式学习在土木工程材料教学中的应用[J].高等建筑教育，2010（6）：102-105.

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[7]高建平.建筑施工技术教学中探究式教学环境的构成要素分析[J].当代教育实践与教学研究，2016（6）：41-43.

作者简介：

黄海云（1972—），女，广东省广州市人，广州大学土木工程学院副教授，硕士，从事桥梁新结构研究。