直观教学法在应用型高校《桥梁工程》教学中的应用研究

全 伟，张志强，邓 林

（1. 黄山学院 建筑工程学院，安徽 黄山 245041；2.沈阳建筑大学 交通工程学院，辽宁 沈阳 110168）

桥梁工程课程作为土木专业的一门重要专业核心课程，其教学内容较多、学生普遍反映难度较大。教师们针对该门课程的教学效果如何提高开展了大量的研究工作。赵秋[1]在本科生桥梁图文大赛中发现本科生对于桥梁结构的理解不深刻；刘龙[2]等指出桥梁工程教学中存在学生自主学习能力差、教师授课模式单一、缺乏实际工程经验等问题；金晓勤[3]指出桥梁工程教学过程中应结合地方资源特色进行桥梁工程的教学实践；刘德贵[4]，黄民水[5]等都指出实践教学的不重视是造成桥梁工程教学效果较差的原因之一。此外，针对应用型高校人才培养模式，研究者[6-9]指出应用型高校通过对教学环节、毕业设计环节及实践教学环节进行改革，可在一定程度上改善其人才培养的质量。

应用型高校学生普遍基础相对薄弱，且应用型高校学生大部分就业在施工单位，其人才培养有其自身的特点。为了切实提高应用型高校桥梁工程课程教学效果，本文提出在传统教学方法的基础上，结合桥梁工程力学原理并配合图示进行直观教学、采用空间有限元软件仿真模拟教学以及采用多元化实践教学模式等直观教学法，以期提高当前应用型高校桥梁工程课程的教学效果。

1 应用型高校桥梁工程教学的特点

1.1 学生工程基础相对薄弱

桥梁工程作为一门极为重要的专业课程，其综合性较强，囊括三大力学、土力学、土木工程材料、结构设计原理等课程的专业知识。应用型高校学生本身基础相对薄弱，学习能力相对较差，对这些先导课程的掌握不足，在学习桥梁工程课程时必然存在很大难度。

此外，由于学习难度大，学生对该门课程兴趣不足，自主学习积极性不高，主要依靠课堂上老师的讲解介绍来获得相关知识。部分学生上课未集中注意力的行为使得教学效果进一步下降。因此，需要对教学方法进行创新，提高学生的学习兴趣。

1.2 教材和教学内容滞后

现有桥梁工程教材及教学内容，一般重于设计，即重点在于讲述各种桥型结构的设计计算原理，施工方法讲述相对较少。而对于应用型高校而言，大多数学生就业面向施工单位，所以应更加重视施工方法的介绍。当前的教材，一是与应用型高校培养目标一致的书籍较少，二是由于新的施工方式或机械等的应用，导致现有教材与实际施工脱节较为严重。所以，应编写适用于应用型高校、更侧重于施工工艺方面的桥梁工程教材。此外，桥梁工程教材内容更新缓慢，其所包含的内容相较于我国桥梁工程建设现状而言落后较多。而现有桥梁设计规范和施工规范更新速度快，教材难以同步更新。

1.3 实践教学环节重视程度不够

桥梁工程是一门与工程实践紧密结合的课程。然而现有高校大部分教师也是直接从高校到高校的跨越模式，未经严格实践锻炼，故教学往往只是停留在理论教学层面上。而对于应用型高校的桥梁专业学生而言，未来主要的就业方向是施工单位。高校教师虽然对于理论知识理解较为深刻，但是对于施工工艺等方面的理解仍然有所欠缺。

目前很多高校也开展了一部分实践教学，例如桥梁认识实习、桥梁工程课程设计及生产实习等。而这些实习环节由于对实践教学环节重视不够等各种原因，往往达不到预期的效果。因此，对于实践性极强的桥梁工程课程而言，目前亟需加强实践环节在教学中的比重。

2 直观教学法

17 世纪捷克著名教育家夸美纽斯在继承前人经典的基础上，提出了新的教学方法，即直观教学法。夸美纽斯虽然没有直接对直观教学法进行定义，但是在书中，他进行了如下阐述：“一切事物都应尽量的放到感官跟前”、“知识的开端永远必须来自感官”、“要到事物被感官领悟到了的时候，文字才可实现它的功用，给它以进一步的解释”。

结合时代与科技特点，当前的直观教学法即通过利用图片、实体模型、多媒体技术、实践教学等多种直观途径，结合教材文字或图片进行教学的一种方式。针对桥梁工程课程特点，可采用结合力学原理并配合图示进行直观教学、空间有限元仿真教学以及多元化实践教学模式等多种方式，配合教材进行综合教学。直观教学法具有直观性、具体性、真实性等特点，能够促进学生对教材以及实际工程的深入结合，加深对桥梁工程知识点的理解和掌握，从而提高应用型高校桥梁工程课程的教学效果。

3 直观教学法在桥梁工程教学中的应用

随着现代科学技术的不断进步，桥梁工程课程不仅在内容上需要与时俱进，在教学方法上也要不断更新。基于教学培养目标及未来就业方向，结合课程内容，应用配套的多媒体课件，将相关内容通过图片、视频等方式向学生一一展现；适当引入实际施工案例，辅以计算机仿真教学以及综合采用多元化实践教学等直观教学法，能够很大程度提高学生的学习兴趣，加深学生对桥梁工程课程的理解，为未来就业打下扎实的基础。

3.1 结合力学原理并配合图示进行直观教学

应用型高校学生基础相对薄弱，先导课程掌握情况普遍有所欠缺。因此，在桥梁工程知识点的讲授过程中，结合桥梁工程知识点背后的力学原理，并配合图示进行直观教学，举一反三，归纳总结原理相同的知识点，让学生通过原理加深该知识点的理解和掌握。例如，在讲解桥梁橡胶支座这一章节时，教师应该从其受力原理出发，讲解承载能力逐渐提高的原理。学生更容易掌握不同类型橡胶支座，包括无加劲层板式、加劲板式以及盆式橡胶支座等的构造及受力特点。

其原理为随着侧向约束程度的提高，橡胶处于三向受压状态，其承载能力不断提高，如图1 所示。无加劲层板式橡胶支座，侧向无约束，容许压应力仅为3MPa 左右；加劲板式橡胶支座由于加劲钢板的侧向约束作用，使其容许压应力达10MPa；盆式橡胶支座，内部橡胶由于钢盆约束处于三向受压状态，橡胶容许压应力最大，可达25MPa。

图1 橡胶支座示意

类似的，在讲授桥梁墩台章节，钢筋混凝土桥墩中由于箍筋的存在可以起到很好地约束内部混凝土的作用，大大提高了核心混凝土的强度。钢管混凝土拱桥章节，针对钢管混凝土结构的受力原理，也同样涉及到相同原理，外部钢管对内部混凝土的侧向约束使得钢管内混凝土处于三向受压，极大增加内部混凝土抗压强度，如图2所示。

图2 约束混凝土示意

以上3个知识点分属于桥梁工程课程的不同章节，但是其蕴含的力学计算原理相同，即在侧向约束情况下，材料内部处于三向受压状态，其强度和抵抗变形的能力都得到了极大提高。透过现象看到其中所蕴含的力学本质，学生理解上述知识点就相对简单许多。通过力学原理的介绍，引导学生举一反三，还可以引出桥梁加固中采用的FRP约束混凝土的概念以及钢纤维混凝土的概念等知识点。通过对桥梁工程课程中具有相同受力机理的知识点进行介绍，并配合图示，直观展示给学生，方便应用型高校学生对桥梁工程相关知识点的学习掌握。对于学有余力的同学，引导学生对力学原理进行深入分析，提高学生分析问题和解决问题的能力。

3.2 空间有限元仿真模拟教学

通过空间有限元程序建立逼真的三维模型，模拟桥梁结构的施工过程以及其受力，可以非常直观地显示出不同荷载作用下、不同施工阶段的桥梁受力状态，学生可以较深刻理解桥梁工程相关课程的知识点。相比于传统教学中的文字、图片等的描述，通过仿真模拟教学，模拟施工过程，使学生可以直观地认识桥梁，并了解桥梁的不同结构体系以及构造特点，增加了学生的学习兴趣。

此外，让学生尝试自行建立桥梁有限元模型，解决其建模过程中所遇到的问题，这样就完成了由老师讲解到学生自己动手操作的转变，激发了学生的学习兴趣，提高自主学习的能力。图3 和图4 给出了某（80+80）mT构桥采用Midas空间有限元程序进行仿真模拟的图片。学生通过空间有限元仿真模拟，可以很快地了解桥梁构造，受力特点以及施工方法等，并且可以为后期毕业设计打下坚实的计算基础。

图3 T构桥构造

图4 T构桥施工仿真模拟（挂篮悬臂浇筑）

3.3 多元化实践模式直观教学

桥梁工程的理论来源于实践，并且实践同时也是直观的教学方式，因此对于学生而言，学习桥梁工程的理论知识必须通过实践来加深理解。桥梁工程课程的学习并不是短期学习，而是一个长期的过程，需要在不断的实践中加以验证。当前大多数的教学方法没有很好地将理论与实践进行联系，往往理论教学远远多于实践教学，导致该门课程的教学效果并不理想。

显而易见的是，实践作为桥梁工程这门课程的理论来源，同时也是其基本特征之一，教学从理论回归到实践可以让学生对所学理论加以印证，加深对知识的理解。

桥梁工程的教学目标要求学生对于不同桥型的桥梁，系统掌握桥梁结构体系、构造原理、设计计算方法、施工工艺、流程及管理等专业知识。为了提高这门专业性极强、涉及内容较广课程的教学效果，提出采用多元化实践教学模式，在进行理论教学的同时，适当加深实践教学。图5 为多元化实践教学的新模式。

图5 多元化实践教学环节

多元化实践教学环节根据课程的不同内容开展。其中，认识实习环节侧重于学生对桥梁结构体系、构造及施工工艺、施工现场管理等方面的理解与掌握；BIM 仿真环节侧重于结构、细部构造、施工流程等方面知识；课程设计环节侧重于设计计算方法及设计流程等方面知识；课程实验侧重于桥梁的检测、养护与维修等方面知识；学科竞赛侧重于学生对桥梁构造、概念设计、结构受力特点等方面知识的理解与掌握；企业实践环节可重点加强学生对于设计、施工、管养等方面知识的掌握。因此，通过多元化实践教学环节，与理论教学相辅相成，根据桥梁工程学科的教学特点及应用型高校的培养目标，形成了一个长期的学习过程，让学生在诸多实践环节中得到了很好地锻炼，极大提高了该课程的教学效果。

4 结 语

由于桥梁工程课程的特殊性，结合应用型高校学生的特点，在教学中应用直观教学法是非常必要的。通过结合力学原理并配合图示进行直观教学、采用空间有限元软件仿真模拟教学以及多元化实践模式直观教学等直观教学方法，能够提高学生的学习兴趣，使学生更容易理解、掌握和运用所学的理论知识。这对于应用型高校提高桥梁工程课程的教学效果、培养实践能力强的人才都具有重要的现实意义。