基于工程教育認證理念的橋梁結(jié)構(gòu)電算課程教學(xué)探討

吳文朋 趙少杰 唐盛華 王智超

[摘? ? ? ? ? ?要]? 隨著近年來工程教育認證理念逐漸在國內(nèi)本科教學(xué)中的推廣，如何結(jié)合我國工程實際情況構(gòu)建滿足工程教育認證“以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”三大教育理念的課程教學(xué)模式是值得探討的問題。橋梁結(jié)構(gòu)電算課程是一門近年來得到高校重視且理論和實踐性都很強的課程。課程要求學(xué)生充分利用計算機的優(yōu)勢來解決實際工程問題，內(nèi)容符合新時代發(fā)展的趨勢和潮流。嘗試從課程目標(biāo)設(shè)計、教學(xué)方法、考核方式三個方面，對橋梁結(jié)構(gòu)電算課程的教學(xué)提出建議。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 工程教育認證;橋梁電算;教改

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）15-0104-02

一、前言

中國于2016年6月2日起已正式成為《華盛頓協(xié)議》成員[1]，但對于中國國內(nèi)目前規(guī)模如此巨大的高等學(xué)校教育體系而言，能夠完全滿足工程專業(yè)認正要求并取得國際高度認可的高校其實并不是很多。由于《華盛頓協(xié)議》倡導(dǎo)以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進的大教育理念[2，3]，學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)必是非常基礎(chǔ)的，因此培養(yǎng)目標(biāo)的制訂必須首先符合當(dāng)前本科教學(xué)教育的基本定位。對于土木工程專業(yè)的學(xué)生而言，由于現(xiàn)代大型復(fù)雜橋梁工程，在施工過程中需要進行多次的結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，從而使得橋梁正式通車之前往往存在多個中間結(jié)構(gòu)狀態(tài)，施工過程復(fù)雜導(dǎo)致計算量巨大[4，5]，很難通過傳統(tǒng)的手算完成橋梁的設(shè)計和施工階段模擬。然而，采用有限元設(shè)計軟件代替手算內(nèi)容可大幅度降低工作量并增加工作效率[6]。由此可見，開設(shè)橋梁電算課程或橋梁設(shè)計軟件課程，對橋梁工程相關(guān)的教學(xué)，尤其是本科生畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)具有重要的促進作用，讓本科生通過橋梁電算解決實際問題，大大增加學(xué)生對即將從事本職工作的自豪感。

然而，與傳統(tǒng)理論課程教學(xué)不同的是，橋梁結(jié)構(gòu)電算課程實踐性很強，要求學(xué)生有充分利用計算機高效計算的優(yōu)勢來解決實際問題。然而，一方面結(jié)構(gòu)有限元基本原理是橋梁電算理論基礎(chǔ)之一，但目前國內(nèi)大多數(shù)院校本科生沒有開設(shè)結(jié)構(gòu)有限元課程，造成學(xué)生理解橋梁結(jié)構(gòu)電算有相當(dāng)難度，電算軟件對學(xué)生而言是一個黑匣子。另一方面科學(xué)合理的考核方式不僅可以客觀公正地評定學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對于橋梁電算這種實踐操作類課程，如何基于工程教育理念進行教學(xué)落實和成績評定，進而合理評價與反饋的持續(xù)改進措施，也是當(dāng)前面臨的一個難點。我校土木工程專業(yè)自2017年開始申請認證并按工程教育認證理念的要求重新修訂了培養(yǎng)計劃、課程體系和教學(xué)大綱。本文將針對橋梁電算課程的教學(xué)大綱以及過去3年來的教學(xué)實踐，對基于工程教育理念的橋梁電算課程目標(biāo)設(shè)計、教學(xué)方法及考核方式的改革進行討論，并給出了相應(yīng)的建議。

二、橋梁電算課程目標(biāo)設(shè)計改革建議

圍繞土木工程專業(yè)評估（認證）的要求，我校土木工程專業(yè)充分考慮了課程體系對培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的支撐作用，將每一項畢業(yè)要求分解到各門課程及其教學(xué)環(huán)節(jié)中，制訂每門課程的教學(xué)大綱和課程目標(biāo)。在最新版本的培養(yǎng)方案中，橋梁電算課對土木工程專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的支撐主要體現(xiàn)在以下三個方面：（1）能夠選擇和使用恰當(dāng)?shù)臏y試、監(jiān)測和檢測等現(xiàn)代工程工具分析土木工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，并理解其局限性。（2）能夠選擇、使用或開發(fā)數(shù)據(jù)庫、計算機輔助設(shè)計與計算等信息技術(shù)工具分析土木工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，并理解其局限性。（3）能夠就專業(yè)中的復(fù)雜工程問題進行有效的書面表達。由此可見，橋梁電算是橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識與專業(yè)知識和設(shè)計技能的紐帶，屬性上被歸類于工具類課程，主要承擔(dān)著對工程問題進行分析計算和驗算的作用，基于此可以制訂橋梁電算課程的培養(yǎng)目標(biāo)：①能夠了解橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件所必要的基本理論、專業(yè)基礎(chǔ)知識和設(shè)計理論，從而能理解設(shè)計軟件在復(fù)雜工程問題預(yù)測與模擬中的作用，并能夠理解其在解決問題時的局限性;②能夠掌握橋梁電算軟件進行橋梁設(shè)計的基本理論和基本操作方法，并能結(jié)合國內(nèi)的各種規(guī)范與設(shè)計習(xí)慣，進行橋梁建模、分析和設(shè)計;③能通過軟件來實現(xiàn)橋梁施工過程的模擬和有限元分析，掌握規(guī)范條文在橋梁電算軟件中的設(shè)置方法，并根據(jù)軟件計算結(jié)果和相應(yīng)的規(guī)范撰寫出完整的橋梁設(shè)計分析報告。可見，以上三個目標(biāo)與本課程對畢業(yè)要求的支撐有很好的對應(yīng)關(guān)系。

三、橋梁電算課程教學(xué)方法改革建議

所謂“以學(xué)生為中心”其實就是要考慮學(xué)生的實際情況來組織相應(yīng)的教學(xué)方法，由于土木工程專業(yè)課程系統(tǒng)設(shè)置中并沒有安排有限元理論相關(guān)的基礎(chǔ)課程，因此，首先在選擇教學(xué)軟件時最好選擇本科生較容易上手的商業(yè)橋梁設(shè)計軟件，而不是根據(jù)老師個人的科研需求來采用精細化通用有限元分析軟件。例如，MIDAS軟件和橋梁博士V4軟件的界面也很友好，尤其是其菜單式界面和操作，建模時的渲染效果可視化，對于有一定CAD基礎(chǔ)的本科生來說，理解起來相對容易。

此外，在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)達的時代，只要學(xué)生想學(xué)習(xí)和探索，網(wǎng)絡(luò)上能找到他所需要的知識。因此，在橋梁電算的課堂上盡量不講詳細的基本理論及相關(guān)知識，而主要借用設(shè)計軟件的界面菜單，將橋梁電算需要用到的相關(guān)理論，從橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計全過程的角度，通過講故事的形式把已學(xué)知識以及仍需進一步學(xué)習(xí)、值得探索的知識串聯(lián)起來，重點說明不同專業(yè)知識點之間的關(guān)系，讓學(xué)生在實踐操作中尋找學(xué)習(xí)的樂趣，同時更好地掌握橋梁結(jié)構(gòu)電算的基本理論，以提升實踐中對已學(xué)專業(yè)和基本理論的理解，使他們可以更清晰、更全面地把握不同類型橋梁結(jié)構(gòu)有限元建模的原則和方法，從而達到由被動地記憶和接受有限元軟件的操作規(guī)則轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃诱莆蘸吞剿饔邢拊浖墓δ芎驮?，以適應(yīng)市場經(jīng)濟對專業(yè)人才、技能的需求，提高學(xué)生的就業(yè)競爭力和未來職業(yè)發(fā)展的適應(yīng)能力。

具體教學(xué)實施過程中，橋梁電算課程涉及的教學(xué)方法有課堂講授、在線演示法、課程練習(xí)等，具體實施可通過以下幾個方面展開：（1）本課程以課堂演示和學(xué)生實操為主，首先要通過講解有限單元法的基礎(chǔ)知識與橋梁設(shè)計軟件之間的關(guān)系，例如：從結(jié)構(gòu)力學(xué)中“位移法”到“矩陣位移法”，最后引出有限單元法的基本概念，讓學(xué)生認識到本課程與前面所學(xué)課程的聯(lián)系，同時了解本課程的難點，從而更加自主地進行專業(yè)知識的補充和學(xué)習(xí)。（2）在課程中結(jié)合實際橋梁工程設(shè)計的案例，在課堂上通過教學(xué)軟件對設(shè)計過程的電算方法實現(xiàn)進行詳細的演示和講解，要求學(xué)生在電腦上實時的跟蹤操作，并通過課堂提問和討論的方式，使學(xué)生養(yǎng)成主動思考的習(xí)慣。同時，在教學(xué)中引入“項目式”的教學(xué)方法，讓學(xué)生自主選擇感興趣的橋梁結(jié)構(gòu)形式，橋型如簡支梁、連續(xù)梁橋、斜拉橋等。教師在講授時與學(xué)生互動，以提問的方式有針對性地檢查學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效果，并讓學(xué)生提出自己在實際操作過程中的疑問，以此實現(xiàn)有目的地“傳道”和有針對性地“解惑”。（3）考慮到課堂課時較少，在實際課教學(xué)中，教師主要以講授基本原理和基本操作為主，在課堂之外則要留出足夠的課時，讓學(xué)生討論和動手操作，以掌握具體橋型的詳細建模過程。如果時間充足的話，學(xué)生對所掌握橋梁型的建模方法進行PPT匯報和討論。最后由教師對學(xué)生講解中的謬誤和遺漏進行修正。后面兩個環(huán)節(jié)可以借助當(dāng)前在線會議和在線課堂的模式進行展開，以節(jié)省線下課堂的教學(xué)資源，總的來說，橋梁結(jié)構(gòu)電算課程具體的教學(xué)方法要結(jié)合學(xué)習(xí)的反饋情況不斷地持續(xù)改進，形成有效的反饋改進機制。

四、橋梁電算考核方式改革建議

科學(xué)合理的考核方式不僅可以客觀公正地評定學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，而且可以引導(dǎo)學(xué)生有所側(cè)重，更重要的是，有效的考核能通過學(xué)生成績來反饋教學(xué)效果，從而不斷改進教學(xué)方法，進一步提高教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)持續(xù)改進的閉環(huán)。橋梁結(jié)構(gòu)電算課程屬于“上機課”，在土木工程專業(yè)課程體系中是介于理論課程與實踐課程之間的一門課，其考核與傳統(tǒng)課程有一定的區(qū)別，不僅要進一步提升學(xué)生的專業(yè)知識水平，還要讓學(xué)生有實際動手進行橋梁設(shè)計的能力，如何合理地設(shè)計考核環(huán)節(jié)顯得十分重要。通過我院近三年來的實踐教學(xué)經(jīng)驗表明，橋梁電算課程的最終考核可以把學(xué)生的學(xué)習(xí)成績分成三個部分：（1）平時成績。（2）橋梁建模實操成績。（3）分析報告撰寫能力成績。其中，平時成績考查學(xué)生課堂參加度以及平時作業(yè)完成情況，以督促學(xué)生學(xué)習(xí);橋梁建模實際操作能力考核部分，要求學(xué)生在課程教學(xué)結(jié)束以后，以教師提前準(zhǔn)備好的實際工程和相關(guān)資料為背景，在規(guī)定的時間內(nèi)、指定的計算機教室里建立橋梁結(jié)構(gòu)電算模型并進行驗證，任課教師通過現(xiàn)場巡查，批閱學(xué)生提交的成果，客觀公正地給出實操成績。分析報告則需要學(xué)生課外進行規(guī)范和專業(yè)基礎(chǔ)知識的調(diào)研梳理，體現(xiàn)學(xué)生今后從事具體工作時的繼續(xù)學(xué)習(xí)能力。

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◎編輯 魯翠紅

Discussion on Teaching of Bridge Structure Computing Course Based on the Concept of

Engineering Education Accreditation

Wu Wen-peng，Zhao Shao-jie，Tang Sheng-hua，Wang Zhi-chao

Abstract：In recent years，the concept of engineering education accreditation has been gradually popularized in domestic undergraduate education. It is worth discussing how to build a curriculum teaching mode that meets the three educational concepts of “student-centered，production-oriented and continuous improvement” for engineering education certification based on the actual situation of engineering in China. Bridge computing course is a course that has been paid attention to by colleges and universities in recent years，and it has strong theoretical and practical significance. It requires students to make full use of the advantages of the efficient computing to solve the practical engineering problems，which is in line with the trend of the development of the new era. This study tries to give some suggestions on the teaching of bridge structure computing course from three aspects that including the curriculum goal design，teaching methods，examining ways.

Key words：engineering education accreditation;bridge computer calculation;educational reform