橋梁工程專業(yè)工程軟件應(yīng)用課程理論與實(shí)踐一體化教學(xué)模式探索

劉文碩

【摘要】工程軟件應(yīng)用是高等院校橋梁工程專業(yè)重要的專業(yè)課程之一。本文分析了目前教學(xué)工作中存在的主要問題，概述了國內(nèi)外橋梁工程軟件發(fā)展與課程建設(shè)現(xiàn)狀，提出從課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式以及培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力等方面進(jìn)行系列改革，探索橋梁工程軟件應(yīng)用課程理論與實(shí)踐一體化教學(xué)模式，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量，積極培養(yǎng)學(xué)生利用工程軟件分析、解決實(shí)際工程問題的能力。

【關(guān)鍵詞】橋梁工程 ?工程軟件應(yīng)用 ?理論與實(shí)踐一體化 ?教學(xué)模式探索

【基金項(xiàng)目】本文系2017年中南大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2017jy30）研究成果。

【中圖分類號(hào)】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）18-0050-02

近年來，隨著設(shè)計(jì)理念、施工技術(shù)與新材料、新工藝的飛躍發(fā)展，現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)朝著大型化、輕型化、復(fù)雜化的趨勢大步邁進(jìn)，橋梁跨徑被不斷刷新，新的橋梁體系也不斷涌現(xiàn)。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，橋梁工程結(jié)構(gòu)分析軟件已成為從事橋梁結(jié)構(gòu)研究、設(shè)計(jì)與施工的重要手段，熟練掌握工程軟件是工程技術(shù)人員的必備技能。對于在校學(xué)生而言，橋梁工程軟件應(yīng)用課程是橋梁工程專業(yè)學(xué)生在本科階段的必修課程，課程教學(xué)一般安排在大三或者大四上學(xué)期進(jìn)行。

目前，國家正大力提倡一帶一路建設(shè)，我國高速鐵路橋梁建設(shè)也取得了舉世矚目的成就。為適應(yīng)中國橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展，同時(shí)保證工程結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，培養(yǎng)熟練掌握結(jié)構(gòu)分析軟件的卓越橋梁工程師是時(shí)代的要求，也是中國實(shí)現(xiàn)從橋梁大國向橋梁強(qiáng)國跨越的必需。

一、橋梁工程專業(yè)工程軟件應(yīng)用課程存在的問題

工程軟件應(yīng)用是橋梁工程專業(yè)的重要應(yīng)用型基礎(chǔ)課程，其教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際緊密相連，其教學(xué)效果的好壞不僅直接影響到學(xué)生對專業(yè)知識(shí)掌握的程度，還會(huì)影響到學(xué)生在實(shí)際工程中分析問題和解決問題的能力。然而，由于受到教育體制、傳統(tǒng)教學(xué)理念的影響，橋梁工程軟件應(yīng)用課程目前存在以下問題：

（1）前修課程不足

本科生尚未開設(shè)有限元基本原理、靜動(dòng)力分析方法等課程，學(xué)生對有限元理論缺乏基本的了解，預(yù)備知識(shí)不足，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)薄弱。

（2）實(shí)踐教學(xué)缺失

可選教材少，教學(xué)內(nèi)容較為單一枯燥，多偏重于理論介紹或操作講解，分析、判斷、糾錯(cuò)的實(shí)踐教學(xué)嚴(yán)重缺失，與實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)合較少。

（3）教學(xué)效果不理想

教學(xué)課時(shí)少，內(nèi)容多且繁雜，學(xué)習(xí)難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。

（4）學(xué)習(xí)方式不合理

學(xué)習(xí)中過于依賴軟件，較多側(cè)重于建模學(xué)習(xí)，缺少對問題和原理的思考，分析問題與解決問題的能力弱，理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)。

（5）考核方式有待改進(jìn)

題目差異性小，抄襲、照搬情況存在，學(xué)習(xí)質(zhì)量難以保證。

二、國內(nèi)外橋梁工程軟件發(fā)展與課程建設(shè)現(xiàn)狀分析

（1）橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件發(fā)展概況

國外開發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件較早，且經(jīng)過幾十年的連續(xù)研發(fā)，國外橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件已較為成熟，商業(yè)化程度較高，知名的橋梁專用軟件種類較多（如Sofistik、Lusas、TDVRm2006、MIDAS/Civil等），通用軟件（如ANSYS、ABQUS、SAP2000等）的土木工程模塊產(chǎn)品在橋梁結(jié)構(gòu)分析中也有廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)結(jié)構(gòu)分析軟件的研發(fā)起步較晚。20世紀(jì)50年代到70年代末，計(jì)算機(jī)資源稀少，且算法語言單一，雖開發(fā)了一些簡單程序，但應(yīng)用范圍小，且尚未達(dá)到專業(yè)計(jì)算程序的水準(zhǔn)。90年代，將圖形可視化應(yīng)用于程序前后處理，達(dá)到橋梁專業(yè)發(fā)展的高峰。目前，國內(nèi)開發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件已較為成熟與完善，廣泛應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)、施工控制、試驗(yàn)檢測與災(zāi)害分析，現(xiàn)正朝著空間梁格、系統(tǒng)耦合仿真、非線性動(dòng)力分析、實(shí)體建模等方面發(fā)展。

（2）課程建設(shè)現(xiàn)狀

有限元理論是計(jì)算機(jī)輔助工程和數(shù)值仿真的基礎(chǔ)，也是重要組成部分。目前，國外高校土木工程專業(yè)普遍開設(shè)有限元基礎(chǔ)理論課程，可供本科生選修;而國內(nèi)高校中，有限元理論課程一般針對研究生開設(shè)，單獨(dú)為本科生開設(shè)有限元課程的還不多見。由于前修課程不足，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較為薄弱，增加了學(xué)習(xí)的難度，使得學(xué)習(xí)熱情不高，學(xué)習(xí)效果不佳。

此外，國外高校中，工程軟件應(yīng)用課程一般融入結(jié)構(gòu)分析或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程之中，要求學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)要求，立足設(shè)計(jì)規(guī)范，主動(dòng)掌握工程分析軟件。國內(nèi)高校中，有限元基礎(chǔ)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析、工程軟件應(yīng)用課程相對比較獨(dú)立，課程間聯(lián)系性不強(qiáng)，不利于知識(shí)的融會(huì)貫通。

（3）教學(xué)現(xiàn)狀

橋梁工程軟件應(yīng)用課程的內(nèi)容涵蓋面廣，涉及內(nèi)容多，包括平面結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)，建模方式靈活，單元種類多樣。然而，一般學(xué)校安排的教學(xué)課時(shí)都較少，與之對應(yīng)的數(shù)學(xué)、力學(xué)等基礎(chǔ)課程的課時(shí)也不斷壓縮，導(dǎo)致學(xué)生沒有打好扎實(shí)的基本功。

目前，國內(nèi)的授課方式主要以教師為主，針對教材內(nèi)容，以課堂灌輸為主，學(xué)生被動(dòng)地接受，學(xué)習(xí)的熱情和主動(dòng)性大大降低。同時(shí)，由于不理解有限元分析的原理和基本思想，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中較多地偏重于軟件操作，而對計(jì)算原理缺少深入思考，對模型計(jì)算結(jié)果缺乏分析判斷能力。

三、課程改革措施探索

（1）課程大綱改革

調(diào)研國內(nèi)外橋梁工程軟件應(yīng)用相關(guān)課程的開設(shè)與教學(xué)情況，進(jìn)行深入對比分析，引進(jìn)吸收先進(jìn)的教學(xué)理念和教學(xué)方法，堅(jiān)持理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)并重，制定理論與實(shí)踐一體化的橋梁工程軟件應(yīng)用課程的教學(xué)大綱。

（2）教材與教學(xué)內(nèi)容改革

結(jié)合有限元理論方法與實(shí)踐應(yīng)用，打破以往教材的局限，分別從桿系結(jié)構(gòu)、梁式結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)、體結(jié)構(gòu)等不同方面進(jìn)行課堂講解。理論聯(lián)系實(shí)際，注重案例教學(xué)，建立實(shí)橋工程庫，選取典型橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行示范教學(xué)（見圖1）。

（3）教學(xué)方法改革

改變傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)加學(xué)生上機(jī)練習(xí)的教學(xué)方式，采用上機(jī)與授課同步進(jìn)行，采用工程實(shí)例驅(qū)動(dòng)、互動(dòng)教學(xué)方式實(shí)現(xiàn)課堂理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的對接，利于學(xué)生根據(jù)授課進(jìn)度同時(shí)熟練操作，改善課堂教學(xué)效果。同時(shí)，擴(kuò)展傳統(tǒng)教學(xué)方式，充分 ? 利用網(wǎng)絡(luò)教育資源，設(shè)立相關(guān)課程網(wǎng)頁，布置實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的分析任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。

（4）考核方式改革

該課程為應(yīng)用型課程，建立合理的考核機(jī)制尤為重要?？己藨?yīng)分為三部分： 日常出勤與課堂學(xué)習(xí)情況占總成績的30%，理論考試占30%，實(shí)橋建模上機(jī)操作占40%，其中理論考試主要考查建模原理、建模方式、荷載組合、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算項(xiàng)目等內(nèi)容，建模上機(jī)操作限時(shí)進(jìn)行，題目與計(jì)算參數(shù)隨機(jī)抽取，避免抄襲照搬。

（5）培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力

課外組織橋梁建模比賽等培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情;加強(qiáng)與設(shè)計(jì)、施工單位聯(lián)系，增加社會(huì)實(shí)踐與參觀實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)。

四、結(jié)論

本課題根據(jù)橋梁工程專業(yè)工程軟件應(yīng)用課程的困境與存在問題，提出采用理論與實(shí)踐一體化的教學(xué)模式，從課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式以及培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力等方面進(jìn)行系列改革，將理論知識(shí)與實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)建模分析互相融合，引導(dǎo)學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探索，以提高學(xué)生分析、解決實(shí)際問題的能力，為繼續(xù)學(xué)習(xí)深造或工作打下牢固基礎(chǔ)。該課程對于復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)分析、橋梁精細(xì)化分析以及橋梁創(chuàng)新有重要意義，對其進(jìn)行教學(xué)改革、探索理論與實(shí)踐一體化的教學(xué)模式十分必要，同時(shí)也是土木工程教學(xué)領(lǐng)域所面臨的亟需解決的重要課題。

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作者簡介：

劉文碩（1985-），女， 河南商丘人，博士研究生，講師，從事橋梁工程方向教學(xué)科研工作。