直觀教學(xué)法在應(yīng)用型高校《橋梁工程》教學(xué)中的應(yīng)用研究

全 偉，張志強(qiáng)，鄧 林

（1. 黃山學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 黃山 245041；2.沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

橋梁工程課程作為土木專業(yè)的一門重要專業(yè)核心課程，其教學(xué)內(nèi)容較多、學(xué)生普遍反映難度較大。教師們針對(duì)該門課程的教學(xué)效果如何提高開展了大量的研究工作。趙秋[1]在本科生橋梁圖文大賽中發(fā)現(xiàn)本科生對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的理解不深刻；劉龍[2]等指出橋梁工程教學(xué)中存在學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力差、教師授課模式單一、缺乏實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)等問題；金曉勤[3]指出橋梁工程教學(xué)過程中應(yīng)結(jié)合地方資源特色進(jìn)行橋梁工程的教學(xué)實(shí)踐；劉德貴[4]，黃民水[5]等都指出實(shí)踐教學(xué)的不重視是造成橋梁工程教學(xué)效果較差的原因之一。此外，針對(duì)應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)模式，研究者[6-9]指出應(yīng)用型高校通過對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)、畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，可在一定程度上改善其人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

應(yīng)用型高校學(xué)生普遍基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，且應(yīng)用型高校學(xué)生大部分就業(yè)在施工單位，其人才培養(yǎng)有其自身的特點(diǎn)。為了切實(shí)提高應(yīng)用型高校橋梁工程課程教學(xué)效果，本文提出在傳統(tǒng)教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合橋梁工程力學(xué)原理并配合圖示進(jìn)行直觀教學(xué)、采用空間有限元軟件仿真模擬教學(xué)以及采用多元化實(shí)踐教學(xué)模式等直觀教學(xué)法，以期提高當(dāng)前應(yīng)用型高校橋梁工程課程的教學(xué)效果。

1 應(yīng)用型高校橋梁工程教學(xué)的特點(diǎn)

1.1 學(xué)生工程基礎(chǔ)相對(duì)薄弱

橋梁工程作為一門極為重要的專業(yè)課程，其綜合性較強(qiáng)，囊括三大力學(xué)、土力學(xué)、土木工程材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等課程的專業(yè)知識(shí)。應(yīng)用型高校學(xué)生本身基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，學(xué)習(xí)能力相對(duì)較差，對(duì)這些先導(dǎo)課程的掌握不足，在學(xué)習(xí)橋梁工程課程時(shí)必然存在很大難度。

此外，由于學(xué)習(xí)難度大，學(xué)生對(duì)該門課程興趣不足，自主學(xué)習(xí)積極性不高，主要依靠課堂上老師的講解介紹來獲得相關(guān)知識(shí)。部分學(xué)生上課未集中注意力的行為使得教學(xué)效果進(jìn)一步下降。因此，需要對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行創(chuàng)新，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.2 教材和教學(xué)內(nèi)容滯后

現(xiàn)有橋梁工程教材及教學(xué)內(nèi)容，一般重于設(shè)計(jì)，即重點(diǎn)在于講述各種橋型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算原理，施工方法講述相對(duì)較少。而對(duì)于應(yīng)用型高校而言，大多數(shù)學(xué)生就業(yè)面向施工單位，所以應(yīng)更加重視施工方法的介紹。當(dāng)前的教材，一是與應(yīng)用型高校培養(yǎng)目標(biāo)一致的書籍較少，二是由于新的施工方式或機(jī)械等的應(yīng)用，導(dǎo)致現(xiàn)有教材與實(shí)際施工脫節(jié)較為嚴(yán)重。所以，應(yīng)編寫適用于應(yīng)用型高校、更側(cè)重于施工工藝方面的橋梁工程教材。此外，橋梁工程教材內(nèi)容更新緩慢，其所包含的內(nèi)容相較于我國(guó)橋梁工程建設(shè)現(xiàn)狀而言落后較多。而現(xiàn)有橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)范更新速度快，教材難以同步更新。

1.3 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)重視程度不夠

橋梁工程是一門與工程實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。然而現(xiàn)有高校大部分教師也是直接從高校到高校的跨越模式，未經(jīng)嚴(yán)格實(shí)踐鍛煉，故教學(xué)往往只是停留在理論教學(xué)層面上。而對(duì)于應(yīng)用型高校的橋梁專業(yè)學(xué)生而言，未來主要的就業(yè)方向是施工單位。高校教師雖然對(duì)于理論知識(shí)理解較為深刻，但是對(duì)于施工工藝等方面的理解仍然有所欠缺。

目前很多高校也開展了一部分實(shí)踐教學(xué)，例如橋梁認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、橋梁工程課程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)實(shí)習(xí)等。而這些實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)由于對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)重視不夠等各種原因，往往達(dá)不到預(yù)期的效果。因此，對(duì)于實(shí)踐性極強(qiáng)的橋梁工程課程而言，目前亟需加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)在教學(xué)中的比重。

2 直觀教學(xué)法

17 世紀(jì)捷克著名教育家夸美紐斯在繼承前人經(jīng)典的基礎(chǔ)上，提出了新的教學(xué)方法，即直觀教學(xué)法?？涿兰~斯雖然沒有直接對(duì)直觀教學(xué)法進(jìn)行定義，但是在書中，他進(jìn)行了如下闡述：“一切事物都應(yīng)盡量的放到感官跟前”、“知識(shí)的開端永遠(yuǎn)必須來自感官”、“要到事物被感官領(lǐng)悟到了的時(shí)候，文字才可實(shí)現(xiàn)它的功用，給它以進(jìn)一步的解釋”。

結(jié)合時(shí)代與科技特點(diǎn)，當(dāng)前的直觀教學(xué)法即通過利用圖片、實(shí)體模型、多媒體技術(shù)、實(shí)踐教學(xué)等多種直觀途徑，結(jié)合教材文字或圖片進(jìn)行教學(xué)的一種方式。針對(duì)橋梁工程課程特點(diǎn)，可采用結(jié)合力學(xué)原理并配合圖示進(jìn)行直觀教學(xué)、空間有限元仿真教學(xué)以及多元化實(shí)踐教學(xué)模式等多種方式，配合教材進(jìn)行綜合教學(xué)。直觀教學(xué)法具有直觀性、具體性、真實(shí)性等特點(diǎn)，能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)教材以及實(shí)際工程的深入結(jié)合，加深對(duì)橋梁工程知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，從而提高應(yīng)用型高校橋梁工程課程的教學(xué)效果。

3 直觀教學(xué)法在橋梁工程教學(xué)中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，橋梁工程課程不僅在內(nèi)容上需要與時(shí)俱進(jìn)，在教學(xué)方法上也要不斷更新?；诮虒W(xué)培養(yǎng)目標(biāo)及未來就業(yè)方向，結(jié)合課程內(nèi)容，應(yīng)用配套的多媒體課件，將相關(guān)內(nèi)容通過圖片、視頻等方式向?qū)W生一一展現(xiàn)；適當(dāng)引入實(shí)際施工案例，輔以計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)以及綜合采用多元化實(shí)踐教學(xué)等直觀教學(xué)法，能夠很大程度提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)橋梁工程課程的理解，為未來就業(yè)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

3.1 結(jié)合力學(xué)原理并配合圖示進(jìn)行直觀教學(xué)

應(yīng)用型高校學(xué)生基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，先導(dǎo)課程掌握情況普遍有所欠缺。因此，在橋梁工程知識(shí)點(diǎn)的講授過程中，結(jié)合橋梁工程知識(shí)點(diǎn)背后的力學(xué)原理，并配合圖示進(jìn)行直觀教學(xué)，舉一反三，歸納總結(jié)原理相同的知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生通過原理加深該知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。例如，在講解橋梁橡膠支座這一章節(jié)時(shí)，教師應(yīng)該從其受力原理出發(fā)，講解承載能力逐漸提高的原理。學(xué)生更容易掌握不同類型橡膠支座，包括無加勁層板式、加勁板式以及盆式橡膠支座等的構(gòu)造及受力特點(diǎn)。

其原理為隨著側(cè)向約束程度的提高，橡膠處于三向受壓狀態(tài)，其承載能力不斷提高，如圖1 所示。無加勁層板式橡膠支座，側(cè)向無約束，容許壓應(yīng)力僅為3MPa 左右；加勁板式橡膠支座由于加勁鋼板的側(cè)向約束作用，使其容許壓應(yīng)力達(dá)10MPa；盆式橡膠支座，內(nèi)部橡膠由于鋼盆約束處于三向受壓狀態(tài)，橡膠容許壓應(yīng)力最大，可達(dá)25MPa。

圖1 橡膠支座示意

類似的，在講授橋梁墩臺(tái)章節(jié)，鋼筋混凝土橋墩中由于箍筋的存在可以起到很好地約束內(nèi)部混凝土的作用，大大提高了核心混凝土的強(qiáng)度。鋼管混凝土拱橋章節(jié)，針對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力原理，也同樣涉及到相同原理，外部鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土的側(cè)向約束使得鋼管內(nèi)混凝土處于三向受壓，極大增加內(nèi)部混凝土抗壓強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2 約束混凝土示意

以上3個(gè)知識(shí)點(diǎn)分屬于橋梁工程課程的不同章節(jié)，但是其蘊(yùn)含的力學(xué)計(jì)算原理相同，即在側(cè)向約束情況下，材料內(nèi)部處于三向受壓狀態(tài)，其強(qiáng)度和抵抗變形的能力都得到了極大提高。透過現(xiàn)象看到其中所蘊(yùn)含的力學(xué)本質(zhì)，學(xué)生理解上述知識(shí)點(diǎn)就相對(duì)簡(jiǎn)單許多。通過力學(xué)原理的介紹，引導(dǎo)學(xué)生舉一反三，還可以引出橋梁加固中采用的FRP約束混凝土的概念以及鋼纖維混凝土的概念等知識(shí)點(diǎn)。通過對(duì)橋梁工程課程中具有相同受力機(jī)理的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行介紹，并配合圖示，直觀展示給學(xué)生，方便應(yīng)用型高校學(xué)生對(duì)橋梁工程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)掌握。對(duì)于學(xué)有余力的同學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)力學(xué)原理進(jìn)行深入分析，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

3.2 空間有限元仿真模擬教學(xué)

通過空間有限元程序建立逼真的三維模型，模擬橋梁結(jié)構(gòu)的施工過程以及其受力，可以非常直觀地顯示出不同荷載作用下、不同施工階段的橋梁受力狀態(tài)，學(xué)生可以較深刻理解橋梁工程相關(guān)課程的知識(shí)點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)教學(xué)中的文字、圖片等的描述，通過仿真模擬教學(xué)，模擬施工過程，使學(xué)生可以直觀地認(rèn)識(shí)橋梁，并了解橋梁的不同結(jié)構(gòu)體系以及構(gòu)造特點(diǎn)，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

此外，讓學(xué)生嘗試自行建立橋梁有限元模型，解決其建模過程中所遇到的問題，這樣就完成了由老師講解到學(xué)生自己動(dòng)手操作的轉(zhuǎn)變，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高自主學(xué)習(xí)的能力。圖3 和圖4 給出了某（80+80）mT構(gòu)橋采用Midas空間有限元程序進(jìn)行仿真模擬的圖片。學(xué)生通過空間有限元仿真模擬，可以很快地了解橋梁構(gòu)造，受力特點(diǎn)以及施工方法等，并且可以為后期畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的計(jì)算基礎(chǔ)。

圖3 T構(gòu)橋構(gòu)造

圖4 T構(gòu)橋施工仿真模擬（掛籃懸臂澆筑）

3.3 多元化實(shí)踐模式直觀教學(xué)

橋梁工程的理論來源于實(shí)踐，并且實(shí)踐同時(shí)也是直觀的教學(xué)方式，因此對(duì)于學(xué)生而言，學(xué)習(xí)橋梁工程的理論知識(shí)必須通過實(shí)踐來加深理解。橋梁工程課程的學(xué)習(xí)并不是短期學(xué)習(xí)，而是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，需要在不斷的實(shí)踐中加以驗(yàn)證。當(dāng)前大多數(shù)的教學(xué)方法沒有很好地將理論與實(shí)踐進(jìn)行聯(lián)系，往往理論教學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于實(shí)踐教學(xué)，導(dǎo)致該門課程的教學(xué)效果并不理想。

顯而易見的是，實(shí)踐作為橋梁工程這門課程的理論來源，同時(shí)也是其基本特征之一，教學(xué)從理論回歸到實(shí)踐可以讓學(xué)生對(duì)所學(xué)理論加以印證，加深對(duì)知識(shí)的理解。

橋梁工程的教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生對(duì)于不同橋型的橋梁，系統(tǒng)掌握橋梁結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造原理、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工工藝、流程及管理等專業(yè)知識(shí)。為了提高這門專業(yè)性極強(qiáng)、涉及內(nèi)容較廣課程的教學(xué)效果，提出采用多元化實(shí)踐教學(xué)模式，在進(jìn)行理論教學(xué)的同時(shí)，適當(dāng)加深實(shí)踐教學(xué)。圖5 為多元化實(shí)踐教學(xué)的新模式。

圖5 多元化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

多元化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)根據(jù)課程的不同內(nèi)容開展。其中，認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)側(cè)重于學(xué)生對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造及施工工藝、施工現(xiàn)場(chǎng)管理等方面的理解與掌握；BIM 仿真環(huán)節(jié)側(cè)重于結(jié)構(gòu)、細(xì)部構(gòu)造、施工流程等方面知識(shí)；課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)側(cè)重于設(shè)計(jì)計(jì)算方法及設(shè)計(jì)流程等方面知識(shí)；課程實(shí)驗(yàn)側(cè)重于橋梁的檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)與維修等方面知識(shí)；學(xué)科競(jìng)賽側(cè)重于學(xué)生對(duì)橋梁構(gòu)造、概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)等方面知識(shí)的理解與掌握；企業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)可重點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)、施工、管養(yǎng)等方面知識(shí)的掌握。因此，通過多元化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，與理論教學(xué)相輔相成，根據(jù)橋梁工程學(xué)科的教學(xué)特點(diǎn)及應(yīng)用型高校的培養(yǎng)目標(biāo)，形成了一個(gè)長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)過程，讓學(xué)生在諸多實(shí)踐環(huán)節(jié)中得到了很好地鍛煉，極大提高了該課程的教學(xué)效果。

4 結(jié) 語

由于橋梁工程課程的特殊性，結(jié)合應(yīng)用型高校學(xué)生的特點(diǎn)，在教學(xué)中應(yīng)用直觀教學(xué)法是非常必要的。通過結(jié)合力學(xué)原理并配合圖示進(jìn)行直觀教學(xué)、采用空間有限元軟件仿真模擬教學(xué)以及多元化實(shí)踐模式直觀教學(xué)等直觀教學(xué)方法，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更容易理解、掌握和運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)。這對(duì)于應(yīng)用型高校提高橋梁工程課程的教學(xué)效果、培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)的人才都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。