基于橋梁工程課程的探究式教學(xué)模式研究

黃海云 周軍勇 李寧寧 呂金浩

【摘要】橋梁工程是土木工程學(xué)科橋梁工程方向的一門專業(yè)主干課程。課程以公路橋梁的基本理論和方法為研究對(duì)象，綜合性、實(shí)踐性較強(qiáng)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生從事橋梁工程的工作能力具有重要作用。但是，作為一門綜合性、實(shí)踐性較強(qiáng)的工程學(xué)科專業(yè)課程，在傳統(tǒng)教學(xué)模式的選擇和課堂教學(xué)中還存在著亟待解決的問(wèn)題，因此本文從探究式教學(xué)模式下出發(fā)，闡釋了存在的問(wèn)題，提出不同探究方法，并進(jìn)行了相關(guān)探索和嘗試，改進(jìn)了課堂教學(xué)存在的問(wèn)題，取得了較好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】探究式教學(xué) ?橋梁工程 ?模型制作

【基金項(xiàng)目】2018年廣州大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目（黃海云，《橋梁工程》課程探究式教學(xué)方法的研究）;2016年度廣東省本科高校高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（孫卓，基于“卓越計(jì)劃”高級(jí)工程人才培養(yǎng)的《橋梁工程》教學(xué)改革研究）;2017年度廣州市高等學(xué)校第八批教育教學(xué)改革項(xiàng)目（葉錫鈞，“基于卓越計(jì)劃《橋梁工程》的‘理論+工程+創(chuàng)新高級(jí)工程人才培養(yǎng)教學(xué)改革研究” ）。

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）18-0030-02

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

橋梁工程作為土木工程學(xué)科的一門主干課程，是一門綜合性強(qiáng)的課程，涉及到結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、建筑材料以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等本科基礎(chǔ)課程，需要學(xué)生主動(dòng)融會(huì)貫通各科課程知識(shí)。同時(shí)具有工程學(xué)科實(shí)踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)的特點(diǎn)，需要結(jié)合實(shí)際工程或?qū)嵺`活動(dòng)才能真正理解和掌握。

傳統(tǒng)教學(xué)方式常以教材為中心、課堂理論教學(xué)為主、缺少相關(guān)的實(shí)踐環(huán)節(jié)作配合，評(píng)價(jià)方式單一，導(dǎo)致課程知識(shí)過(guò)于枯燥、難于理解和掌握。近年來(lái)，隨著我國(guó)橋梁建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，卓越的建設(shè)實(shí)踐大力促進(jìn)了橋梁工程的設(shè)計(jì)計(jì)算理論、建造工法、工程材料等各方面的長(zhǎng)足進(jìn)展，雖然這些最新發(fā)展并未能及時(shí)寫入教科書中。

在大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展、創(chuàng)新的新時(shí)代，社會(huì)對(duì)于人才的需求不僅僅滿足于有扎實(shí)的基本功，同時(shí)還要富有創(chuàng)新能力、開放性的邏輯思維。這就需要教師運(yùn)用靈活的教學(xué)手段激發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生對(duì)橋梁工程的興趣。對(duì)于高校理論課程教學(xué)的而言，則需要考慮教學(xué)研究的重心從知識(shí)傳授向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，從重視結(jié)果向重視過(guò)程轉(zhuǎn)變，鼓勵(lì)指導(dǎo)學(xué)生多發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，逐步培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí);需要教師根據(jù)教學(xué)實(shí)際采用適應(yīng)差異、注意個(gè)性發(fā)展的多樣化教學(xué)形式，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足 [1-4] 。

如何將當(dāng)前橋梁發(fā)展建設(shè)新進(jìn)理論、實(shí)踐融入到高校橋梁工程的課程教學(xué)之中？如何根據(jù)現(xiàn)階段高等教育的新要求進(jìn)行教學(xué)方法的改進(jìn)？這是新時(shí)代對(duì)橋梁工程課程教學(xué)提出的新問(wèn)題。

二、探究式教學(xué)法的內(nèi)涵

最早提出在教學(xué)中使用探究式教學(xué)的是杜威，他認(rèn)為，科學(xué)教育不僅僅是要讓學(xué)生學(xué)習(xí)大量的知識(shí)，更重要的是要學(xué)習(xí)的過(guò)程或方法，“思維起源于疑難”，應(yīng)用在教學(xué)上，便是“從做中學(xué)”。從1950年到1960年，探索作為一種教學(xué)方法的合理性變得越來(lái)越明確了。

探究式教學(xué)（Inquiry Teaching），又稱發(fā)現(xiàn)法、研究法，是指學(xué)生在學(xué)習(xí)概念和原理，教師只是給他們一些事例和問(wèn)題，讓學(xué)生自己通過(guò)閱讀、觀察、實(shí)驗(yàn)、思考、討論、聽(tīng)講等途徑去獨(dú)立探究，自行發(fā)現(xiàn)并掌握相應(yīng)的原理和結(jié)論的一種方法。指導(dǎo)思想是在教師的指導(dǎo)下，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生自覺(jué)地、主動(dòng)地探索，掌握認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題的方法和步驟，研究客觀事物的屬性，發(fā)現(xiàn)事物發(fā)展的起因和事物內(nèi)部的聯(lián)系，從中找出規(guī)律，形成自己的概念。主要過(guò)程包括：給予問(wèn)題、提出假設(shè)、組織探究、形成結(jié)論、進(jìn)行反思。

可見(jiàn)，在探究式教學(xué)的過(guò)程中，學(xué)生的主體地位、自主能力都得到了加強(qiáng)。探究式教學(xué)方法目前已逐漸應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外的中學(xué)、高校的某些與實(shí)踐相關(guān)性較大的理論課程教學(xué)中[5-7]。

三、運(yùn)用探究式教學(xué)模式改進(jìn)課程教學(xué)（探究式教學(xué)模式策略）

根據(jù)橋梁工程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)大綱及教學(xué)目標(biāo)，綜合考慮深入圍繞探究式教學(xué)方法的各個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)，進(jìn)行探究式教學(xué)模式的設(shè)計(jì)，提出適宜學(xué)生獨(dú)自或小組探究的工作內(nèi)容和方式，最后通過(guò)總結(jié)和評(píng)價(jià)達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的效果。主要嘗試和探索包括以下方面：小組橋梁模型制作、校外主題活動(dòng)、有限元建模分析等。

（一）橋梁模型制作

1.布置任務(wù)

給定模型橋梁的基本設(shè)計(jì)指標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)跨徑、橋面寬度）和基本材料（木棒、木片、木板、有機(jī)玻璃棒、塑膠棒、竹簽、卡紙等），結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)截面形式均不限制。目標(biāo)是制作一個(gè)符合要求、結(jié)構(gòu)合理、且具有一定的承載能力的橋梁模型。模型完成后采用砝碼和沙包進(jìn)行加載測(cè)試，承載重量與模型自重比值較高而且結(jié)構(gòu)合理者為優(yōu)勝。

2.分組探究

全班約按每5人一組分組進(jìn)行探究，每組制作一個(gè)橋梁模型。各小組推薦一名組長(zhǎng)負(fù)責(zé)主管和組織工作。各小組的任務(wù)包括：討論模型設(shè)計(jì)方案、模型材料的選擇和購(gòu)買、模型制作、模型預(yù)測(cè)試、以及最后提交一份橋梁制作活動(dòng)的總結(jié)報(bào)告。任務(wù)下達(dá)后，各組圍繞以下問(wèn)題集體進(jìn)行熱烈的討論、探索和研究，這是一個(gè)小組探究的環(huán)節(jié)。

1）橋型的比選。從承載能力大、穩(wěn)定性好、自重輕、美觀、易于制作，以及模型橋梁固有特點(diǎn)多維度考慮，選擇合理的橋梁模型設(shè)計(jì)選型。

2）總體布置參數(shù)的比選。橋型方案確定后，主要總體布置參數(shù)，包括主梁的高跨比、拱橋的矢跨比、斜拉橋橋塔的高跨比、懸索橋的垂跨比等比值，均需參考現(xiàn)行橋梁的參數(shù)范圍，合理取值。

3）材料的比選。結(jié)構(gòu)受力和自重性能均與材料相關(guān)，結(jié)合橋型、各構(gòu)件的受力特點(diǎn)，在給定的模型材料中，通過(guò)嘗試比選出合適的模型制作材料和連接材料。

4）細(xì)部構(gòu)造的比選。雖然是模型橋梁，也是一個(gè)空間受力結(jié)構(gòu)，各受力構(gòu)件如何設(shè)計(jì)和連接，才能最好地發(fā)揮材料和結(jié)構(gòu)的受力性能，就需要進(jìn)行細(xì)部構(gòu)造的探究和比選，如：主梁中縱橫梁的組合與連接、橋塔與主梁的連接、支座及橋塔的穩(wěn)定性、繩索如何與塔梁相連接等等。

學(xué)生往往通過(guò)查閱專業(yè)書籍、網(wǎng)絡(luò)電子資料，到實(shí)際橋梁獲得靈感，或者利用Midas有限元程序進(jìn)行建模分析，了解不同橋型、各部件的受力特點(diǎn)，最終通過(guò)小組討論的方式比選出解決方案。

3.現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)

待橋梁模型制作完成后，各組一起進(jìn)行橋梁模型現(xiàn)場(chǎng)展示和測(cè)試，這是一個(gè)集體探究的環(huán)節(jié)。內(nèi)容包括各組橋梁模型的特點(diǎn)介紹、橋梁模型參數(shù)（自重、寬度、跨度）測(cè)量、利用沙包和砝碼的分級(jí)加載測(cè)試、記錄加載重量、橋面的下?lián)隙鹊仁芰χ笜?biāo)以及分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)等方面。優(yōu)勝規(guī)則由全班集體通過(guò)，主要由結(jié)構(gòu)能否符合設(shè)計(jì)任務(wù)要求、結(jié)構(gòu)受力與其自重的比值、橋梁專家針對(duì)模型橋梁受力性能的點(diǎn)評(píng)三方面綜合的評(píng)定。

這是個(gè)共同學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，各組同學(xué)在了解本組橋梁模型承載能力的同時(shí)，也感受到其他組橋梁模型的設(shè)計(jì)思路、受力特點(diǎn)和性能。最后通過(guò)專家的點(diǎn)評(píng)和意見(jiàn)，更深刻地理解各模型存在的問(wèn)題和不足。

4.小結(jié)和反思

經(jīng)過(guò)模型的設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試后，各組提交一份總結(jié)性的報(bào)告，這是一個(gè)形成結(jié)論和進(jìn)行反思的環(huán)節(jié)。從各組的報(bào)告可歸納出以下幾點(diǎn)：

1）橋梁模型的設(shè)計(jì)與制作必須符合實(shí)際受力要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理。

2）橋型與材料選擇、細(xì)部構(gòu)造、連接方式、整體與各部件間協(xié)調(diào)、合理的制作流程等都是非常的重要方面，直接影響橋梁的受力性能。

3）實(shí)際操作過(guò)程中能將之前所學(xué)橋梁知識(shí)具體化，深入掌握了更多專業(yè)知識(shí)，完善知識(shí)空缺，且提高了個(gè)人制作模型的動(dòng)手能力、強(qiáng)化計(jì)劃任務(wù)與大局觀的能力。

4）集體探究問(wèn)題時(shí)、遇到爭(zhēng)議時(shí)同學(xué)間各抒己見(jiàn)、擇優(yōu)擇良，經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作努力最終商討出最滿意的解決方案。增進(jìn)了同學(xué)之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、思維創(chuàng)作能力、以及增長(zhǎng)同學(xué)之間的友誼和信任。

（二）校外主題探究活動(dòng)

為了讓同學(xué)們更形象生動(dòng)地了解橋梁的歷史和當(dāng)前的發(fā)展情況，以“橋梁的發(fā)展與創(chuàng)新”為探究活動(dòng)的主題，組織了走出校園到實(shí)際中去的課外活動(dòng)，活動(dòng)內(nèi)容包括以下方面。

1.實(shí)地參觀附近不同時(shí)期建造的、具有技術(shù)創(chuàng)新意義的獲獎(jiǎng)橋梁

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)參觀講解和查閱資料，可以印象深刻地了解橋梁的實(shí)際環(huán)境、實(shí)際構(gòu)造和其他設(shè)計(jì)布置特點(diǎn)。

2.參觀橋梁博物館

博物館通常系統(tǒng)地設(shè)有不同主題的展覽廳，展示各種各樣的著名的橋梁模型、部件等相關(guān)資料。如我國(guó)橋梁發(fā)展的著名橋梁模型展、世界著名橋梁模型展、本土著名橋梁模型展、施工技術(shù)模型展等等。通過(guò)這些參觀展示模型，傾聽(tīng)講解員的詳細(xì)講解，如游走于歷史的時(shí)間長(zhǎng)廊，經(jīng)歷橋梁建設(shè)的變遷。

3.專家講座

邀請(qǐng)本土資深的橋梁設(shè)計(jì)師，開設(shè)“橋梁史話和發(fā)展”的專題講座。該講座從橋梁設(shè)計(jì)師的角度，更廣博、更深入地剖析橋梁的不同時(shí)代、不同橋型的發(fā)展情況及其橋梁技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)。設(shè)計(jì)師能結(jié)合眾多工程實(shí)際橋梁，形象、生動(dòng)地講解課本沒(méi)能涉及的諸多方面和問(wèn)題，大大拓寬了學(xué)生們的視野和知識(shí)面。

通過(guò)以上活動(dòng)，圍繞活動(dòng)主題，每個(gè)學(xué)生需結(jié)合個(gè)人的關(guān)注點(diǎn)，完成一份探究報(bào)告。相對(duì)于課堂教學(xué)，這種面對(duì)真實(shí)橋梁、橋梁模型以及設(shè)計(jì)師，身臨其境、耳聞目睹、相互交流的經(jīng)歷，更容易激發(fā)學(xué)生們的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。

（三）有限元建模分析

橋梁工程課程通常圍繞課本，對(duì)知識(shí)的講解以基本理論和基本方法為主，以致一些贅余自由度較多的復(fù)雜橋型（如拱橋）不便運(yùn)用的手算方法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的受力分析。為了讓學(xué)生更好地把握復(fù)雜橋型的受力性能，布置了結(jié)合橋梁有限元分析軟件進(jìn)行建模計(jì)算的課外探究作業(yè)。確定了每人一題的基本設(shè)計(jì)指標(biāo)，要求完成橋梁在主要荷載作用下的受力圖。這需要學(xué)生探究的方面包括：著實(shí)理解橋梁的結(jié)構(gòu)形式，如何使用有限元軟件，如何建模進(jìn)行分析，如何判斷計(jì)算結(jié)構(gòu)的正確性等等。最后由老師批改和做點(diǎn)評(píng)，明確受力規(guī)律。通過(guò)這種練習(xí)和訓(xùn)練，不僅提高了結(jié)構(gòu)分析的技能，而且也提高了學(xué)生解決、分析和判斷問(wèn)題的能力，讓深?yuàn)W的理論知識(shí)更加形象和生動(dòng)化了。

三、結(jié)論

通過(guò)以上探究式的課程教學(xué)探索和實(shí)踐，得到以下結(jié)論。

1）采用靈活多樣的方式，考慮選題、難易度及可實(shí)現(xiàn)度等方面的因素，探究式教學(xué)能讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主動(dòng)參與者，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

2）圍繞教材及教學(xué)內(nèi)容，課程探究的主題可選擇對(duì)難點(diǎn)問(wèn)題的剖析，也可適當(dāng)進(jìn)行拓展，如引入本行業(yè)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、前沿科技、最新發(fā)展動(dòng)態(tài)、最新分析軟件，重視與工程實(shí)踐接軌，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，體現(xiàn)工程教育的本質(zhì)和特色。

3）動(dòng)手制作、操作等試驗(yàn)類的探討活動(dòng)，不僅能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，而且訓(xùn)練了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析解決問(wèn)題的能力以及分工合作的團(tuán)隊(duì)精神。

4）工程學(xué)科的知識(shí)源于實(shí)際工程，回到實(shí)際工程中去，讓學(xué)生親自去了解和思考，有助于知識(shí)的理解和學(xué)以致用。

探究式教學(xué)寓教于樂(lè)，在構(gòu)建融洽的師生關(guān)系的同時(shí)，構(gòu)建了良好學(xué)習(xí)氛圍，可推廣到其他應(yīng)用型課程的教學(xué)中。但同時(shí)也受到教學(xué)條件和資源的限制，如何將探究式教學(xué)人性化、合理化的運(yùn)用于課程教學(xué)有待進(jìn)一步探索和研究。

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作者簡(jiǎn)介：

黃海云（1972—），女，廣東省廣州市人，廣州大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，碩士，從事橋梁新結(jié)構(gòu)研究。