新工科下基于科教融合的“橋梁工程”教學(xué)改革

［摘 要］ 如何立足新工科思維，開展針對“橋梁工程”的探索性教學(xué)改革成為道橋?qū)I(yè)人才亟須解決的關(guān)鍵問題。在結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)和當(dāng)代大學(xué)生特征的基礎(chǔ)上，深入分析當(dāng)前橋梁課程教學(xué)方式的不足?；诳平倘诤侠砟?，以“創(chuàng)新工程教育模式”為指引，提出了將工程實(shí)踐引入教學(xué)內(nèi)容、將科研成果引入教學(xué)過程、將科研思維引入教學(xué)組織的教改實(shí)施路徑，并給出“課堂教學(xué)催生問題提出”“實(shí)踐教學(xué)推動科研進(jìn)展”“學(xué)科競賽提升科研質(zhì)量”等創(chuàng)新理念。成果可為同類課程教學(xué)改革提供借鑒。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；科教融合；橋梁工程；工程實(shí)踐

［基金項(xiàng)目］ 2021年度中國建設(shè)教育協(xié)會教研項(xiàng)目“基于Kolb體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的橋梁工程專業(yè)多元化協(xié)同育人體系研究”（2021039）；2019年度北京建筑大學(xué)校設(shè)教研立項(xiàng)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“新工科背景下建筑類高校科教融合創(chuàng)新研究”（Y19-33）

［作者簡介］ 焦馳宇（1980—），男，陜西蒲城人，博士，北京建筑大學(xué)古橋研究院教授，主要從事橋梁抗震和古橋保護(hù)研究；龍佩恒（1964—），男，北京人，博士，北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院教授，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)分析和橋梁安全評定研究；喬 宏（1989—），女，河北唐山人，博士，北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院講師，主要從事車橋耦合振動研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）03-0069-04 ［收稿日期］ 2022-12-16

一、背景

中國是橋梁大國，目前正在向橋梁強(qiáng)國邁進(jìn)?！爸袊鴺颉钡慕ㄔ煨枰嗟摹按髧そ场薄Ｐ鹿た平ㄔO(shè)作為培養(yǎng)“大國工匠”的重要手段，是21世紀(jì)工程教育界中國智慧、中國貢獻(xiàn)的集中體現(xiàn)。自2017年5月教育部持續(xù)推進(jìn)新工科建設(shè)以來，“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”吹響了新工科建設(shè)的號角。其以新理念、新模式、新方法、新內(nèi)容、新質(zhì)量等“五新”體系為指引［1-3］，以推進(jìn)實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（2.0版）為推動力，提出一系列重要舉措。正如“天大行動”綱領(lǐng)提出的：問產(chǎn)業(yè)需求建專業(yè)，構(gòu)建工科專業(yè)新結(jié)構(gòu)；問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容，更新工程人才知識體系；問學(xué)生志趣變方法，創(chuàng)新工程教育方式與手段。為了進(jìn)一步落實(shí)和推動這些理念和構(gòu)想，亟須對高校工作進(jìn)行深入反思，以“科教融合”的方式推動教學(xué)改革［4-5］。

“橋梁工程”是土木工程專業(yè)城市道路與橋梁工程方向的重要專業(yè)課。北京建筑大學(xué)橋梁工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)長期以來堅(jiān)持“道橋并重，注重實(shí)踐”的思路，基于科教融合理念，以解析知識體系、變革教學(xué)方法、服務(wù)工程特征、追溯工程本源為宗旨，開展了一系列課程教學(xué)改革探索，旨在培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代工程發(fā)展趨勢的道橋人才。

二、“橋梁工程”課程特點(diǎn)

“橋梁工程”是介紹橋梁勘測、設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)和檢定等工作過程的專業(yè)課程，是土木工程（道橋方向）、土木工程（橋梁方向）、道路橋梁與渡河工程等專業(yè)的專業(yè)核心課程。雖然國內(nèi)外學(xué)者對“橋梁工程”教學(xué)內(nèi)容已有相關(guān)的優(yōu)化與整合，但在長期教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，仍存在以下問題：（1）涉及理論知識多、學(xué)科交叉性強(qiáng)，亟須深入梳理。橋型結(jié)構(gòu)往往涉及理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)的相關(guān)知識，涉及內(nèi)容廣泛，需要系統(tǒng)化梳理前述知識，并以新體系重新闡釋，才能有利于基本概念的深入講授。（2）施工技術(shù)復(fù)雜，實(shí)踐性強(qiáng)，既有工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，也有設(shè)計(jì)施工規(guī)范的介紹。因此，如何將典型橋梁的施工工藝，以通俗易懂、活潑多樣的方式展示出來，需要深入思考。（3）按照“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的培養(yǎng)目標(biāo)，目前橋梁工程課內(nèi)講授時(shí)間仍然存在不足，一般高校以48～64學(xué)時(shí)為主，極少的高校能夠達(dá)到80學(xué)時(shí)。因此，難以在有限的課堂時(shí)間內(nèi)全面深刻地講授學(xué)習(xí)內(nèi)容。（4）傳統(tǒng)工程教育多以課堂教授為主，忽略了學(xué)生在知識傳授中的學(xué)習(xí)興趣、知識創(chuàng)新，因而存在學(xué)生理解和掌握不深、動手能力培養(yǎng)不足等問題。

正是基于以上種種原因，亟須在備課和講授等多個(gè)環(huán)節(jié)，將“科教融合”理念引入教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中，服務(wù)和推動學(xué)生的知識水平與創(chuàng)新能力的系統(tǒng)性提升。

三、科教融合在“橋梁工程”教學(xué)改革中的實(shí)施路徑

（一）工程實(shí)踐引入教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)有教材因編輯時(shí)間長，改版和再版速度相對較慢，很多先進(jìn)的工程技術(shù)難以引入課堂。近年來，我國體現(xiàn)出極其強(qiáng)大的工程創(chuàng)新潛力，在全國范圍內(nèi)修建了許多大跨徑、新技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)體系，如主跨1 860 m的燕磯長江大橋是目前世界上在建最大跨度雙層懸索橋，其不同垂度四主纜雙層公路懸索體系是世界首創(chuàng)；又如主跨2 300 m的江蘇張靖皋長江大橋，是中國首座邁入“2 000米俱樂部”的大橋。這些在建的世界級大橋代表了最先進(jìn)的工藝技術(shù)，應(yīng)該讓學(xué)生了解、學(xué)習(xí)，開拓其視野，啟發(fā)其智慧。北京建筑大學(xué)作為北京唯一的建筑類特色高校，在服務(wù)京津冀城市建設(shè)方面做出了突出貢獻(xiàn)，北京地區(qū)的很多橋梁工程都是相關(guān)校友的杰出成果。為此，針對新首鋼大橋（主跨280 m、橋?qū)?7 m的無背索剛構(gòu)斜拉組合Y體系橋，其為復(fù)雜造型的剛構(gòu)—斜拉組合體系橋，異形鋼斜塔是其建造的核心難點(diǎn)）、北關(guān)大道跨北運(yùn)河大橋（主橋長213 m、寬39.6 m～61.6 m的異形鋼拱組合體系橋，施工建造工藝復(fù)雜）、三元橋大修工程（該橋?yàn)橹骺?5 m、橋?qū)?4.8 m的V型墩剛構(gòu)組合體系結(jié)構(gòu)，國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)在大城市重要交通節(jié)點(diǎn)采用主梁置換工法實(shí)現(xiàn)了43小時(shí)快速換新技術(shù)）等極具特色的北京橋梁工程，教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了重新梳理和詳細(xì)展示，讓學(xué)生了解和認(rèn)識了更多的工程實(shí)踐的創(chuàng)新知識，啟發(fā)了創(chuàng)造性思維。

（二）科研成果引入教學(xué)過程

北京建筑大學(xué)橋梁學(xué)科主要涉及橋梁抗震減震與振動控制、橋梁監(jiān)測檢測與養(yǎng)護(hù)加固、新材料及新技術(shù)在鋼和組合結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用、大跨復(fù)雜橋梁設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)、地下工程與橋梁相互影響、古舊橋梁維修加固新技術(shù)等六大研究方向。經(jīng)過多年的研究積累，相關(guān)方向均取得了一定的成績，部分成果也逐步轉(zhuǎn)化為專業(yè)課堂理論知識的延伸：課題組將曲線橋梁抗震相關(guān)研究成果轉(zhuǎn)化為“曲線和斜交橋梁受力”的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，將無損檢測技術(shù)取得的相關(guān)成果轉(zhuǎn)化為“橋梁養(yǎng)護(hù)與管理”的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行講解等。通過科研成果向課堂知識的轉(zhuǎn)化，學(xué)生視野更加開闊，思維更加活躍。

（三）科研思維方式引入教學(xué)組織

科研思維是科研活動中最為關(guān)鍵的組成要素，也是創(chuàng)新人才培養(yǎng)密不可分的一環(huán)，整體而言，科研思維包括提出科學(xué)問題、構(gòu)建科學(xué)假說、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果、再構(gòu)科學(xué)假說等方面。在橋梁工程教學(xué)環(huán)節(jié)中，結(jié)合社會廣泛關(guān)注的橋梁熱點(diǎn)問題，如何利用課堂教學(xué)環(huán)節(jié)創(chuàng)造科研機(jī)會，進(jìn)而完成學(xué)生的科研思維方式鍛煉，顯得尤為重要。一些典型環(huán)節(jié)如圖1所示。

四、科教融合在“橋梁工程”教學(xué)中的創(chuàng)新理念

（一）課堂教學(xué)催生科學(xué)問題提出

在線教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、互動課堂是近年來高校推動課程教學(xué)改革的主要方向［6-8］。經(jīng)過多年積累，教學(xué)團(tuán)隊(duì)逐步建立“橋梁科普大講堂”品牌活動，活動中學(xué)生作為主講嘉賓，就課堂中的知識點(diǎn)、生活中的熱點(diǎn)問題、家鄉(xiāng)的典型橋梁，通過做課件、做調(diào)研、搭模型等方式展示自己對所學(xué)知識的理解，通過課外學(xué)習(xí)彌補(bǔ)課堂知識的不足，并在演講中提高自身綜合素質(zhì)。部分學(xué)生通過科研鍛煉，提出了科學(xué)問題，為日后進(jìn)入教師團(tuán)隊(duì)開展科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

（二）實(shí)踐教學(xué)推動科研工作進(jìn)展

“教學(xué)相長”，很多教師通過多年的授課經(jīng)驗(yàn)明確了自身科研方向，通過與行業(yè)發(fā)展需求的深度融合，形成了針對一些關(guān)鍵科學(xué)問題的科研項(xiàng)目，例如：在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)曲線橋梁地震受力破壞機(jī)理有待深入研究，教師申請并獲批了國家基金項(xiàng)目“多維激勵下小半徑變墩高城市曲線橋地震破壞機(jī)理研究”；在教學(xué)中通過講解懸索橋概念與構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)實(shí)際工程中的自錨式懸索橋恒載索形及受力性能有待深入研究，因此教師承擔(dān)了企業(yè)委托項(xiàng)目“自錨式懸索橋靜動力性能研究”。通過承擔(dān)上述相關(guān)科研項(xiàng)目活動，為生產(chǎn)提供了技術(shù)支持，也進(jìn)一步加深了對科學(xué)問題的認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上將相關(guān)成果轉(zhuǎn)化為具有創(chuàng)新知識的課堂教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

（三）學(xué)科競賽提升科研工作質(zhì)量

通過課堂討論、校外授課、實(shí)地參觀、親身參與等活動，橋梁方向本科生通過專業(yè)知識吸取、自主提升學(xué)習(xí)，“橋梁工程”課程取得了良好的教學(xué)成績。在此基礎(chǔ)上，通過教學(xué)，師生形成了配合默契的團(tuán)隊(duì)，教師帶領(lǐng)學(xué)生參加了國內(nèi)外多項(xiàng)橋梁設(shè)計(jì)競賽，獲得國家級、省部級以上競賽獎勵8項(xiàng)，其中包括近兩年國際大學(xué)生建筑設(shè)計(jì)與數(shù)字建模競賽一、二等獎各1項(xiàng)，第四屆“茅以升公益橋—小橋工程”創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽一、二等獎各1項(xiàng)，第十四屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽二等獎1項(xiàng)，北京市大學(xué)生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽一、二等獎3項(xiàng)等。在此過程中，學(xué)生的綜合素質(zhì)得到了充分的提升和鍛煉，很多優(yōu)秀的畢業(yè)生在本科期間就投稿并發(fā)表了優(yōu)秀的學(xué)術(shù)論文，部分學(xué)生考取了名校的碩士生或去市屬行業(yè)龍頭企業(yè)工作，這些都充分證明了基于新工科背景開展科教融合理念的整體提升，以及對科研工作質(zhì)量的提升，乃至人才培養(yǎng)都具有重要意義。

結(jié)語

本文基于科教融合理念，結(jié)合橋梁學(xué)科特點(diǎn)和當(dāng)代大學(xué)生特征，深入剖析了當(dāng)前課堂教學(xué)存在的不足，提出了以下實(shí)施路徑：（1）將工程實(shí)踐引入教學(xué)內(nèi)容，促使學(xué)生快速掌握動態(tài)、了解技術(shù)前沿，從而開闊學(xué)生視野、啟發(fā)智慧。（2）將科研成果引入教學(xué)過程，將已取得的科研技術(shù)成果的核心內(nèi)容轉(zhuǎn)化為知識點(diǎn)、教學(xué)課件等，加深對科學(xué)知識理解的深度和廣度。（3）將科研思維引入教學(xué)組織，將提出問題—構(gòu)建假說—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—分析結(jié)果—完善假說等科學(xué)思維模式引入課堂，形成翻轉(zhuǎn)課堂，調(diào)動學(xué)生積極性，完成學(xué)生科學(xué)思維訓(xùn)練。

在上述理念的基礎(chǔ)上，提出了“課堂教學(xué)催生科學(xué)問題提出”“實(shí)踐教學(xué)推動科研工作進(jìn)展”“學(xué)科競賽提升科研工作質(zhì)量”等創(chuàng)新理念。本文相關(guān)教學(xué)改革方法和技術(shù)實(shí)施路徑可為同類專業(yè)的課程建設(shè)提供借鑒。

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The Teaching Reform of Bridge Engineering Based on the Concept of Science and Education

Integration under the Background of the Emerging Engineering Education

JIAO Chi-yua， LONG Pei-hengb， QIAO Hongb

（a. Ancient Bridge Research Institute， b. School of Civil and Transportation Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China）

Abstract： How to base on the thinking of the Emerging Engineering Education and carry out exploratory teaching reform for “bridge engineering” has become the key problem that needs to be solved urgently for road and bridge professionals. Based on the characteristics of the subject and the characteristics of contemporary college students， this paper deeply analyzes the shortcomings of the current teaching methods of bridge courses. Based on the concept of integration of science and education， guided by the “innovative engineering education model”， this paper puts forward the implementation path of teaching reform by introducing engineering practice into the teaching content， introducing scientific research achievements into the teaching process， and introducing scientific research thinking into the teaching organization. It also puts forward such innovative concepts as “classroom teaching promotes problem posing”， “practical teaching promotes scientific research progress”， and “discipline competition improves the quality of scientific research”. The results of this paper can provide reference for the teaching reform of similar courses.

Key words： the emerging engineering education; integration of science and education; Bridge Engineering; engineering practice