基于結(jié)構(gòu)算例專題的橋梁電算課堂教學(xué)方法

熊文 葉見曙

摘要：針對路橋方向本科生橋梁電算系列課程一直存在的授課難點(diǎn)，提出基于結(jié)構(gòu)算例的橋梁電算系列課程專題式教學(xué)模式。該教學(xué)模式試圖以解決實(shí)際問題的分類形成不同的橋梁電算應(yīng)用專題，以學(xué)生熟悉的結(jié)構(gòu)力學(xué)習(xí)題算例入手，有目的性的對這些算例進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使得每一算例與相應(yīng)的橋梁電算應(yīng)用專題一一對應(yīng)。通過對簡化的力學(xué)算例進(jìn)行電算求解，讓學(xué)生在解決具體問題的過程中，以單個(gè)專題的形式學(xué)習(xí)橋梁電算知識及其在實(shí)際問題中的應(yīng)用方法。這種方法會大大減少學(xué)生進(jìn)行電算理論學(xué)習(xí)時(shí)的枯燥感，跟隨每一個(gè)結(jié)構(gòu)算例的電算過程，不僅使得重要知識點(diǎn)與前期課程結(jié)構(gòu)力學(xué)建立關(guān)聯(lián)，而且使理論學(xué)習(xí)與實(shí)際工程緊密聯(lián)系，最終培養(yǎng)學(xué)生理解軟件、應(yīng)用軟件的能力，同時(shí)使學(xué)生具備基于電算理論對軟件分析結(jié)果正確與否進(jìn)行判斷的能力。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)算例；專題；橋梁電算；實(shí)際工程；課堂教學(xué)

中圖分類號：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）14-0168-03

橋梁電算中的位移法理論屬于結(jié)構(gòu)力學(xué)的必修內(nèi)容，在橋梁電算課程中沒必要進(jìn)行重復(fù)講授；但是其針對橋梁這種特殊結(jié)構(gòu)以及施工工藝又會有很多變化，這些變化的講授卻一直是難點(diǎn)。而橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際構(gòu)造復(fù)雜，直接針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)用這些電算原理，學(xué)生又難以理解與接受。另外，以界面演示基本操作為主的橋梁電算軟件講授方法雖然學(xué)生學(xué)習(xí)起來容易，但是在解決實(shí)際問題時(shí)軟件應(yīng)用的變化與操作技巧卻仍然缺失。如何將橋梁電算系列課程與學(xué)生在未來工作中的實(shí)際需求緊密聯(lián)系，讓學(xué)生更加真正掌握橋梁電算軟件在橋梁計(jì)算分析中的應(yīng)用，是該系列課程現(xiàn)階段面臨的一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，亟待解決。

針對路橋方向本科生橋梁電算系列課程一直存在的授課難點(diǎn)，提出基于結(jié)構(gòu)算例的橋梁電算系列課程專題式教學(xué)模式。該教學(xué)模式試圖以解決實(shí)際問題的分類形成不同的橋梁電算應(yīng)用專題，以學(xué)生熟悉的結(jié)構(gòu)力學(xué)習(xí)題算例入手，有目的性的對這些算例進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使得每一算例與相應(yīng)的橋梁電算應(yīng)用專題一一對應(yīng)。通過對簡化的力學(xué)算例進(jìn)行電算求解，讓學(xué)生在解決具體問題的過程中，以單個(gè)專題的形式學(xué)習(xí)橋梁電算知識及其在實(shí)際問題中的應(yīng)用方法。這種方法會大大減少學(xué)生進(jìn)行電算理論學(xué)習(xí)時(shí)的枯燥感，跟隨每一個(gè)結(jié)構(gòu)算例的電算過程，不僅使得重要知識點(diǎn)與前期課程結(jié)構(gòu)力學(xué)建立關(guān)聯(lián)，而且使理論學(xué)習(xí)與實(shí)際工程緊密聯(lián)系，最終培養(yǎng)學(xué)生理解軟件、應(yīng)用軟件的能力，同時(shí)使學(xué)生具備基于電算理論對軟件分析結(jié)果正確與否進(jìn)行判斷的能力。

一、改革措施

（一）建立專業(yè)知識與前期課程的關(guān)聯(lián)點(diǎn)

該教學(xué)模式主要措施之一，就是通過簡單結(jié)構(gòu)算例的設(shè)計(jì)，將橋梁電算專業(yè)知識與前期課程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將簡單結(jié)構(gòu)算例作為橋梁讓學(xué)生基于先學(xué)課程內(nèi)容很自然地過渡至新的橋梁電算知識點(diǎn)中。例如通過結(jié)構(gòu)力學(xué)簡單梁結(jié)構(gòu)體系說明橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)與有限元模型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；利用結(jié)構(gòu)力學(xué)簡單桿系結(jié)構(gòu)合理簡化實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)，其正確數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)造與力學(xué)行為；利用結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本概念判斷數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性與適用性。

（二）建立專業(yè)知識與實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)聯(lián)點(diǎn)

任何橋梁專業(yè)知識均為實(shí)際工程服務(wù)，每一個(gè)實(shí)際工程的背后都蘊(yùn)含著理論知識，都是被課堂上所學(xué)的專業(yè)知識所支撐。該教學(xué)模式發(fā)掘并建立橋梁專業(yè)知識與實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，然后以結(jié)構(gòu)算例作為關(guān)聯(lián)點(diǎn)為入口在課堂上引出教授的專業(yè)知識。以實(shí)際工程作為應(yīng)用背景建立簡單結(jié)構(gòu)算例，從而引入橋梁電算專業(yè)知識，避免枯燥被動(dòng)的去接受。這種教學(xué)模式還能使理論知識點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系，在教授理論知識的同時(shí)就將其實(shí)際應(yīng)用的方法告知，使學(xué)生在未來的工作中始終建立在理論指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，確保專業(yè)判斷的準(zhǔn)確性。

（三）建立橋梁概念設(shè)計(jì)理念

該教學(xué)模式中，簡單結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)概念貫穿其中，對所有橋梁結(jié)構(gòu)按力學(xué)類型進(jìn)行分類講授，加強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)造理念和能力的培養(yǎng)，即不僅教簡單結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的基本功，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行基于簡單結(jié)構(gòu)體系以及相應(yīng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析的概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)造能力。讓學(xué)生理解“正確的概念設(shè)計(jì)將指引我們不斷進(jìn)步和取得成功，而錯(cuò)誤的概念設(shè)計(jì)卻會把我們引入歧途”這句話。

二、實(shí)施方案

在實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，橋梁工程軟件針對實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的正確應(yīng)用方法是整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的簡化建模方法；2）實(shí)際橋梁荷載的合理等效方法；3）軟件計(jì)算結(jié)果的定性判斷方法；4）實(shí)際復(fù)雜構(gòu)件及力學(xué)現(xiàn)象的有限元處理方法；5）實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/驗(yàn)算完整過程的軟件實(shí)現(xiàn)方法。但是，現(xiàn)階段的教學(xué)方法難以很好地解決這一教學(xué)難點(diǎn)，主要是缺乏課堂教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際橋梁工程之間的有效銜接，往往學(xué)生學(xué)習(xí)了一個(gè)學(xué)期的既定教學(xué)知識，研究或工作中面對實(shí)際橋梁問題時(shí)仍然不知道如何正確、合理、系統(tǒng)地應(yīng)用軟件來解決。

基于結(jié)構(gòu)算例的橋梁電算系列課程專題式教學(xué)模式按橋梁工程軟件關(guān)鍵使用功能與復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容之間的對應(yīng)關(guān)系，分為以下六個(gè)專題，進(jìn)而分別按該六個(gè)專題進(jìn)行基于實(shí)際橋梁工程的教學(xué)案例的設(shè)計(jì)與建立，在橋梁軟件使用方面，將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程應(yīng)用之間建立一個(gè)系統(tǒng)且有針對性的理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，讓學(xué)生不僅全面扎實(shí)地掌握橋梁電算理論知識，而且可以通過橋梁軟件學(xué)以致用，在實(shí)際橋梁工程應(yīng)用中充分發(fā)揮理論指導(dǎo)實(shí)踐的作用。

（一）橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析專題

結(jié)構(gòu)算例設(shè)計(jì)：具有微小傾角的二力桿在集中力作用下非線性特性計(jì)算算例（圖1（a））。

工程背景：基于望東長江大橋的超長斜拉索的非線性特性，建立拉索垂度效應(yīng)計(jì)算案例；通過ANSYS有限元非線性分析模塊的使用，結(jié)合望東長江大橋?qū)嶋H拉索設(shè)計(jì)結(jié)果，說明ANSYS橋梁工程軟件分析結(jié)構(gòu)非線性特性的具體應(yīng)用步驟與方法，同時(shí)加深學(xué)生對結(jié)構(gòu)非線性迭代分析計(jì)算原理的理解。

（二）斜拉橋索力優(yōu)化方法

結(jié)構(gòu)算例設(shè)計(jì)：僅設(shè)置一根拉索的簡單斜拉橋體系索力優(yōu)化算例（圖1（b））。

（三）橋梁活載影響面加載分析方法

結(jié)構(gòu)算例設(shè)計(jì)：利用簡支梁與等間距的汽車荷載進(jìn)行橋梁活載影響線加載算例。

工程背景：基于安徽省典型獨(dú)柱墩橋梁的抗傾覆偏載驗(yàn)算實(shí)例，建立橋梁活載影響線加載案例；通過ANSYS有限元?jiǎng)討B(tài)規(guī)劃分析模塊的使用，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目中獨(dú)柱墩橋梁活載偏載計(jì)算時(shí)縱橫向影響線加載分析全過程，說明ANSYS橋梁工程軟件進(jìn)行活載影響線加載的具體應(yīng)用步驟與方法，同時(shí)加深學(xué)生對動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論與實(shí)際應(yīng)用方法的理解。

（四）復(fù)雜橋梁梁格建模方法

結(jié)構(gòu)算例設(shè)計(jì)：利用集中力與面荷載針對板梁建立多種形式的梁格模型算例。

（五）橋梁結(jié)構(gòu)徐變效應(yīng)計(jì)算方法

結(jié)構(gòu)算例設(shè)計(jì)：利用VB程序自己編制的混凝土-鋼組合橋塔徐變計(jì)算算例。

工程背景：基于蘇通大橋主塔設(shè)計(jì)實(shí)例，建立混凝土橋塔徐變效應(yīng)分析案例；通過ANSYS有限元二次開發(fā)功能的使用，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目中橋塔徐變對結(jié)構(gòu)體系的影響分析，說明ANSYS橋梁工程軟件進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)徐變分析的具體應(yīng)用步驟，同時(shí)加深學(xué)生對徐變效應(yīng)所引起的內(nèi)力重分布現(xiàn)象的理解。

（六）懸索橋設(shè)計(jì)分析建模方法

結(jié)構(gòu)算例設(shè)計(jì)：基于彈性理論的懸索橋結(jié)構(gòu)計(jì)算算例（解析解公式推導(dǎo)）。

工程背景：基于舟山西堠門大橋設(shè)計(jì)實(shí)例，建立懸索橋合理狀態(tài)確定方法案例；通過ANSYS有限元循環(huán)迭代功能的使用，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目中主纜找形分析全過程，說明ANSYS橋梁工程軟件進(jìn)行懸索橋合理狀態(tài)分析的具體應(yīng)用步驟，同時(shí)加深學(xué)生對懸索橋主纜-主梁設(shè)計(jì)力學(xué)狀態(tài)確定方法與原理的理解。

學(xué)生通過教師設(shè)置的簡單結(jié)構(gòu)力學(xué)算例對想要驗(yàn)證的力學(xué)模型與力學(xué)概念進(jìn)行研究，可以直觀地得到問題的解答。這種方式讓學(xué)生帶著興趣與思考去主動(dòng)理解橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)知識，從而完成橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析部分的學(xué)習(xí)，同時(shí)加強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)造理念和能力的培養(yǎng)，即不僅教結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本功，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)造能力。

三、教學(xué)理論與實(shí)踐效果

首先針對教學(xué)中的結(jié)構(gòu)構(gòu)造數(shù)值建模方面的教學(xué)難點(diǎn)，該教學(xué)模式試圖將橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造與其背后蘊(yùn)含的力學(xué)概念緊密聯(lián)系，通過讓學(xué)生理解構(gòu)造設(shè)計(jì)的力學(xué)概念來學(xué)習(xí)橋梁的構(gòu)造設(shè)計(jì)。這樣，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以將之前所學(xué)的《結(jié)構(gòu)力學(xué)》、《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》以及《橋梁工程》等先期課程與橋梁電算類課程的學(xué)習(xí)順利銜接，從學(xué)生既有的簡單的結(jié)構(gòu)力學(xué)概念知識入手來學(xué)習(xí)構(gòu)造建模，理解上也會水到渠成。

針對橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算部分，本文提出的教學(xué)模式是以實(shí)際工程為背景的專題式力學(xué)算例為講授主線，首先將計(jì)算基本原理與方法通過對概念的深刻理解灌輸給學(xué)生，讓學(xué)生先定性地接受計(jì)算分析方法，然后再通過簡單的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型與算例來證明定性分析的結(jié)果。這種講授方法可以減少計(jì)算公式推導(dǎo)過程的枯燥性，讓學(xué)生帶著興趣與思考去主動(dòng)推導(dǎo)公式，從而完成橋梁結(jié)構(gòu)電算分析部分的學(xué)習(xí)。

在整個(gè)教學(xué)過程中，力學(xué)概念貫穿其中，對所有橋梁結(jié)構(gòu)按簡單的結(jié)構(gòu)力學(xué)算例進(jìn)行分類講授，加強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)造理念和能力的培養(yǎng)，即不僅教橋梁電算的基本功，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)造能力。

所以本教改的中心理念是利用簡單結(jié)構(gòu)力學(xué)算例，結(jié)合實(shí)際橋梁工程背景，將學(xué)生既有力學(xué)、結(jié)構(gòu)知識與該課程教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系，讓學(xué)生在力學(xué)概念上運(yùn)用結(jié)構(gòu)基本知識對教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行理解與接受，進(jìn)而再進(jìn)行簡單結(jié)構(gòu)算例的講授與定量的分析來證明之前已接受的定性分析結(jié)果，這種方法會大大減少學(xué)生由于一開始對教學(xué)難點(diǎn)的不理解從而放棄對后續(xù)知識學(xué)習(xí)的興趣。通過建立橋梁電算專業(yè)知識與前期課程的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，以及建立橋梁專業(yè)知識與實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，最終培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)造能力。

基于結(jié)構(gòu)算例的橋梁電算系列課程專題式教學(xué)模式不僅可以用于橋梁電算類課程中，還可以用于相關(guān)課程，如《橋梁工程》等專業(yè)課程。事實(shí)上，只要是基于《高等數(shù)學(xué)》、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》、《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》等結(jié)構(gòu)專業(yè)基礎(chǔ)課內(nèi)容的相關(guān)課程，以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，均可以采用本文提出的教學(xué)模式。

四、未來研究方向

1.學(xué)生對基礎(chǔ)知識或者前期知識的掌握水平存在差異，如何選擇更為合適的前期知識來建立結(jié)構(gòu)算例與橋梁工程專業(yè)知識之間的聯(lián)系還需要在后續(xù)的課堂教學(xué)中不斷改進(jìn)；

2.進(jìn)一步加強(qiáng)《橋梁實(shí)習(xí)》這種實(shí)踐類專業(yè)課與橋梁電算類專業(yè)課之間的聯(lián)系，將結(jié)構(gòu)算例的思想貫穿在實(shí)踐類與理論類專業(yè)課程中，使本文提出的教學(xué)模式能夠更好地發(fā)揮其預(yù)定的教學(xué)效果；

3.結(jié)合正在進(jìn)行的實(shí)際橋梁工程建設(shè)，不斷更新與補(bǔ)充橋梁專業(yè)知識與結(jié)構(gòu)算例以及實(shí)際工程應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián)點(diǎn)；

4.繼續(xù)進(jìn)行橋梁電算類該教學(xué)模式的課程建設(shè)工作，并應(yīng)用于碩士階段的橋梁電算類課程，形成本科教學(xué)與碩士教學(xué)在基于結(jié)構(gòu)算例教學(xué)模式上的良好銜接。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊文，葉見曙.基于人機(jī)交互平臺的《橋梁工程》課堂教學(xué)方法[J].教育教學(xué)論壇，2015，（8）：175-176.

[2]潘文軍，吳輝琴，鄒萬杰.結(jié)構(gòu)可靠度理論課程教學(xué)改革與實(shí)踐[2].大眾科技，2013，15（172）：173-175.