基于教學(xué)現(xiàn)狀的橋梁電算課程教學(xué)對(duì)策探究

摘要 隨著橋梁設(shè)計(jì)、施工、維修和加固等方面相關(guān)理論及技術(shù)的發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)的電算化早已成為橋梁建設(shè)過程各個(gè)環(huán)節(jié)所必需的技術(shù)手段，但現(xiàn)有的橋梁電算課程教學(xué)在學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)方面的效果并不理想。文章從課程特征、學(xué)生心理特征和學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)等出發(fā)進(jìn)行了原因分析，并基于認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論，針對(duì)性地探討了相應(yīng)的教學(xué)對(duì)策。

關(guān)鍵詞 課程特征；學(xué)生心理特征；認(rèn)知結(jié)構(gòu)；教學(xué)對(duì)策

中圖分類號(hào) U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）16-0192-03

0 引言

在計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)成為橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析主要計(jì)算手段的當(dāng)下，橋梁電算課程已成為很多高校土木工程專業(yè)路橋方向的必修課程，但從畢業(yè)設(shè)計(jì)和其他渠道反饋的結(jié)果來看，課程的教學(xué)效果并不是非常理想[1-3]，究其原因不僅與課程本身的特點(diǎn)有關(guān)，也與學(xué)生的心理特征和認(rèn)知結(jié)構(gòu)有重要關(guān)系。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 課程特征分析

1.1.1 缺乏認(rèn)可度較高的統(tǒng)編教材

對(duì)于本科階段橋梁電算課程教學(xué)內(nèi)容，各地高校在教學(xué)實(shí)踐中有不少探索。有的側(cè)重于有限單元法和橋梁結(jié)構(gòu)分析理論的介紹，講授專用程序的編制原理，將其應(yīng)用于具體的橋梁結(jié)構(gòu)分析[4-5]；有的則通過專題形式向?qū)W生講授各類橋梁結(jié)構(gòu)分析的基本原理與方法，并通過簡(jiǎn)單的算例驗(yàn)證定性分析所得結(jié)論[6]，也有基于常用的橋梁分析商業(yè)軟件進(jìn)行橋梁建模分析[2][7]。

不同教學(xué)內(nèi)容探索的背后，一方面是不同院校生源水平、培養(yǎng)目標(biāo)存在一定程度的差異，另一方面是沒有認(rèn)可度較高的統(tǒng)編教材。

1.1.2 課程教學(xué)學(xué)時(shí)少

原土建類的8個(gè)專業(yè)合并為1個(gè)土木工程專業(yè)以來，各地高校在“厚基礎(chǔ)、寬口徑”培養(yǎng)方案指導(dǎo)下進(jìn)行了培養(yǎng)模式和課程體系的改革，專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課的教學(xué)課時(shí)普遍縮減，而橋梁電算課程的教學(xué)學(xué)時(shí)一般不會(huì)超過32學(xué)時(shí)。在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)很難讓學(xué)生全面地掌握橋梁結(jié)構(gòu)分析理論、有限元分析理論，也很難熟練地掌握有限元分析軟件的運(yùn)用。

1.2 學(xué)生心理特征分析

根據(jù)教育心理學(xué)的觀點(diǎn)，大學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)具有多元性、間接性、社會(huì)性和職業(yè)性等特點(diǎn)[8]，橋梁電算課程的授課對(duì)象一般是本科高年級(jí)學(xué)生，非學(xué)位課程分?jǐn)?shù)已不能成為學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的主要來源。大學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性增強(qiáng)，畢業(yè)去向的多元化及對(duì)課程可能存在的一些誤解等，使學(xué)生在學(xué)習(xí)橋梁電算課程時(shí)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)不強(qiáng)。

1.2.1 考研、考公等分散學(xué)習(xí)精力

在近年來的研究生擴(kuò)招政策、就業(yè)形勢(shì)、外部利益及內(nèi)在成就動(dòng)機(jī)等因素的驅(qū)動(dòng)下[9]，本科生考研參與率逐步上升，報(bào)考公務(wù)員人數(shù)也日益增多。學(xué)生在考研和考公復(fù)習(xí)或者外語學(xué)習(xí)的壓力下，有選擇地將主要的學(xué)習(xí)精力放在對(duì)應(yīng)科目的復(fù)習(xí)備考上。

1.2.2 學(xué)生就業(yè)備選方向較多

“厚基礎(chǔ)、寬口徑”培養(yǎng)方案指導(dǎo)下的培養(yǎng)模式和課程體系改革，拓寬了專業(yè)適用范圍和本科畢業(yè)生就業(yè)方向，專業(yè)分流并不會(huì)完全限制其就業(yè)選擇。路橋方向的學(xué)生在本科畢業(yè)后可能從事路橋、工民建、地下結(jié)構(gòu)工程等相關(guān)方向的工作，單位類型則可能包含設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、檢測(cè)與工程管理等。

就業(yè)方向和單位類型的多樣化，以及學(xué)生中普遍存在的“進(jìn)設(shè)計(jì)院才要進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)計(jì)算”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，不可避免地會(huì)讓部分選擇就業(yè)的學(xué)生產(chǎn)生橋梁電算課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容“以后不一定用得到”的想法。

1.3 學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)分析

由于人才培養(yǎng)計(jì)劃中各方向?qū)I(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課教學(xué)課時(shí)的縮減，迫使教師將主要的教學(xué)精力集中在最基本、最常見的工程實(shí)踐需求所對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容上，學(xué)生掌握的先學(xué)課程知識(shí)相比于真正的工程實(shí)踐需要，在理論基礎(chǔ)知識(shí)方面顯得相對(duì)薄弱。

例如，路橋方向的學(xué)生可能對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)的動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的鋼結(jié)構(gòu)、橋梁工程的纜索承重體系橋梁等部分的學(xué)習(xí)較少，但工程實(shí)踐中與之密切相關(guān)的橋梁動(dòng)力特性分析、橋梁抗震分析、鋼桁架橋以及小型斜拉橋、自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)受力分析等在卻較為常見。

2 教學(xué)對(duì)策探究

根據(jù)認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論的觀點(diǎn)，學(xué)習(xí)是以學(xué)習(xí)者原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)新知識(shí)進(jìn)行認(rèn)知、理解和內(nèi)化的過程。教學(xué)內(nèi)容的組織和知識(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)基于學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，新知識(shí)應(yīng)與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有觀念建立非人為的和實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系[10]。學(xué)習(xí)過程中學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)水平的高低、結(jié)果的反饋等對(duì)學(xué)習(xí)效果具有重要影響，應(yīng)通過合理的教學(xué)安排提高學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)水平，并給予積極反饋。

基于橋梁電算課程和學(xué)生特征，可以從以下方面入手提高課程教學(xué)和學(xué)習(xí)效果。

2.1 合理確定教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)

普通高校本科學(xué)生已有的橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析理論基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，以專業(yè)橋梁分析程序的編制和較復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的分析理論為主的學(xué)習(xí)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生而言難度相對(duì)較大；另一方面，商業(yè)化橋梁計(jì)算軟件發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟、復(fù)雜橋梁與常規(guī)橋梁的計(jì)算分析在建模準(zhǔn)備工作和計(jì)算模型的前處理、后處理等方面具有高度的一致性。

基于以上兩點(diǎn)，在教學(xué)課時(shí)有限的情況下，課程的教學(xué)內(nèi)容宜以如下幾個(gè)方面內(nèi)容為主：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)分析及有限元計(jì)算總體介紹。

（2）有限元分析理論基礎(chǔ)及桿系結(jié)構(gòu)矩陣位移法。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)有限元建模過程中各步驟的處理原則、要點(diǎn)及計(jì)算軟件中的表現(xiàn)。

（4）橋梁博士、Midas Civil等軟件的建模實(shí)例教學(xué)。

課程教學(xué)目標(biāo)可確定為通過課程學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)分析有較為全面和系統(tǒng)了解的基礎(chǔ)上，掌握有限元分析的理論基礎(chǔ)、建模過程和各步驟處理要點(diǎn)，能較熟練地運(yùn)用現(xiàn)有專業(yè)橋梁計(jì)算軟件進(jìn)行常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析工作。

2.2 構(gòu)建課程知識(shí)體系框架，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)

熟悉課程知識(shí)體系框架，有助于學(xué)生全面了解橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)以及所學(xué)內(nèi)容在電算分析中的地位有清晰的認(rèn)知，明確課程的總體學(xué)習(xí)目標(biāo)和每一步具體的所學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

真正意義上形成對(duì)課程的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)，雖然在整個(gè)教學(xué)過程完成后，但在教學(xué)初期可以通過不同橋梁結(jié)構(gòu)分析的類型介紹和特點(diǎn)分析，將橋梁結(jié)構(gòu)建模分析各階段工作、要點(diǎn)以及各環(huán)節(jié)的階段性成果等以框架圖的形式直觀地表達(dá)出來，從而構(gòu)建課程知識(shí)結(jié)構(gòu)體系框架，幫助學(xué)生初步建立起對(duì)課程的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。

2.3 努力提高學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)水平

隨著年級(jí)的提高，大學(xué)生的間接性學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)（如求知、成就和創(chuàng)造等）逐漸取代直接性學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)（如分?jǐn)?shù)、獎(jiǎng)懲等）而成為其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的主要來源[8]。因此，在課程教學(xué)時(shí)應(yīng)努力糾正學(xué)生對(duì)于課程的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，從科研能力和就業(yè)能力的培養(yǎng)、求知欲的激勵(lì)等角度入手，結(jié)合課程考核需要，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)課程內(nèi)容的內(nèi)、外部動(dòng)機(jī)。

（1）增加近年來考研和考公的錄取率、本科生和研究生的就業(yè)率等內(nèi)容，幫助學(xué)生認(rèn)清形勢(shì)，樹立正確的升學(xué)、就業(yè)觀念，理性地對(duì)待考研、考公的備考與課程學(xué)習(xí)。

（2）結(jié)合教師自身工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，列舉施工單位常需進(jìn)行的施工方案細(xì)化、施工支架等臨時(shí)設(shè)施設(shè)計(jì)，檢測(cè)單位常需進(jìn)行的橋梁監(jiān)控、結(jié)構(gòu)評(píng)估、荷載試驗(yàn)，以及其他專業(yè)方向的一些項(xiàng)目實(shí)例，介紹電算知識(shí)在不同工程、不同參建單位中的廣泛應(yīng)用，糾正學(xué)生對(duì)課程的片面看法。

（3）列舉國(guó)內(nèi)外一些特殊橋梁結(jié)構(gòu)的圖片，講解其結(jié)構(gòu)特色和所需進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析內(nèi)容，以增強(qiáng)課程的趣味性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（4）明確課程將采用個(gè)人獨(dú)立建立不同的實(shí)橋有限元計(jì)算模型的分散性考核方式，以課程考核需要督促學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)課程知識(shí)。

2.4 以實(shí)例為主線形成課程知識(shí)連貫的分析和應(yīng)用過程

在教學(xué)過程中利用課程知識(shí)完整地完成一個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)分析的工程實(shí)例，形成課程知識(shí)連貫的分析和應(yīng)用過程，相比于各知識(shí)點(diǎn)的孤立的應(yīng)用，更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，為學(xué)習(xí)過程提供積極反饋。

例如以難度和工作量相對(duì)適中的簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁建模分析為教學(xué)實(shí)例，將同一橋梁從閱讀設(shè)計(jì)圖紙開始，然后進(jìn)行建模的各階段準(zhǔn)備工作，最終利用計(jì)算軟件逐步完成橋梁建模分析的過程，并與課程各部分的教學(xué)內(nèi)容結(jié)合，形成連貫的分析、應(yīng)用過程，從而加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和信心。

2.5 加強(qiáng)課程內(nèi)容與學(xué)生原有知識(shí)的聯(lián)系

課程知識(shí)的講解應(yīng)注重與先學(xué)課程知識(shí)的聯(lián)系，教學(xué)過程中教師除口頭表述外，可在課件中以提問、提示等形式加以體現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生在課堂及課后回顧原有知識(shí)，并將建模知識(shí)應(yīng)用于課程實(shí)例的建模分析和準(zhǔn)備工作中，增進(jìn)學(xué)生對(duì)各步驟處理方法、原則的理解。

比如，可將簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁建模準(zhǔn)備過程中擬建立模型部分的確定與橋梁工程課程中將空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法（即橫向分布系數(shù)計(jì)算）相聯(lián)系，將邊界條件施加與“結(jié)構(gòu)力學(xué)”中的機(jī)構(gòu)分析相聯(lián)系，將施工階段模擬與“橋梁工程”“橋梁施工”中的簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)施工方法相聯(lián)系等，通過與原有知識(shí)的聯(lián)系，幫助學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解。

2.6 制作教學(xué)視頻彌補(bǔ)課時(shí)不足

橋梁結(jié)構(gòu)電算分析是在掌握先學(xué)課程和本課程知識(shí)，以及充分理解和熟悉橋梁設(shè)計(jì)圖紙、軟件界面與各項(xiàng)功能基礎(chǔ)上，有序進(jìn)行各項(xiàng)建模和分析工作的過程，而對(duì)橋梁設(shè)計(jì)圖紙、軟件界面與各項(xiàng)功能的熟悉往往是學(xué)生的弱項(xiàng)。在以往教學(xué)過程中，學(xué)生常因注意力不集中或?qū)δ掣拍钜粫r(shí)不理解等而不能跟上教師的教學(xué)節(jié)奏，課后求助于周圍同學(xué)也不一定能很好地解決問題，必然導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的降低。

可以利用視頻制作軟件，逐步制作在建模規(guī)劃和準(zhǔn)備階段、軟件實(shí)際操作階段、模型準(zhǔn)確性判斷和計(jì)算結(jié)果分析階段的相關(guān)視頻，方便學(xué)生在課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，彌補(bǔ)教學(xué)課時(shí)的不足。在教學(xué)視頻制作時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

2.6.1 主題明確，避免視頻過長(zhǎng)

教學(xué)視頻制作時(shí)應(yīng)注意避免將建模準(zhǔn)備和軟件操作過程制作成幾個(gè)時(shí)長(zhǎng)過長(zhǎng)的視頻，可針對(duì)分析和建模過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，分別錄制主題明確、時(shí)長(zhǎng)適當(dāng)?shù)亩桃曨l，便于學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)能夠精確定位和反復(fù)觀看學(xué)習(xí)，也有利于學(xué)生形成對(duì)課程知識(shí)體系的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。

2.6.2 引導(dǎo)學(xué)生形成學(xué)習(xí)方法

各部分教學(xué)內(nèi)容制作成視頻時(shí)應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料、對(duì)比分析等解決問題，形成學(xué)習(xí)方法，避免讓學(xué)生的建模實(shí)踐成為簡(jiǎn)單的跟隨操作。

比如在橋梁博士軟件操作部分，應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)軟件說明、幫助文件等熟悉軟件中各類信息的輸入方式，讓學(xué)生嘗試?yán)密浖煌墓δ芡緩浇⑾鄳?yīng)的計(jì)算模型，使得學(xué)生在初步學(xué)會(huì)軟件的同時(shí)，逐漸掌握一種新軟件使用時(shí)所應(yīng)采用的基本方法。

2.6.3 注重對(duì)模型和計(jì)算結(jié)果的判斷

視頻制作時(shí)除展示正確的分析和處理過程外，應(yīng)增加常見的錯(cuò)誤做法，在軟件操作階段，可準(zhǔn)備包含常見錯(cuò)誤做法的計(jì)算模型，引導(dǎo)學(xué)生在對(duì)模型和計(jì)算結(jié)果有疑問時(shí)，根據(jù)軟件提示、已有知識(shí)、技能等逐步進(jìn)行模型查驗(yàn)，以提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2.7 利用作業(yè)促進(jìn)學(xué)生對(duì)比分析和總結(jié)歸納

平時(shí)作業(yè)除了應(yīng)盡可能全面覆蓋課堂教學(xué)知識(shí)點(diǎn)外，可以將主要工程實(shí)例的各項(xiàng)建模準(zhǔn)備工作編制成不同題型的習(xí)題，通過作業(yè)幫助學(xué)生強(qiáng)化和鞏固知識(shí)。編制作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量就某一知識(shí)點(diǎn)提供豐富的變式[10]，通過習(xí)題間的對(duì)比分析和總結(jié)歸納，促使學(xué)生自發(fā)進(jìn)行概括，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

比如對(duì)于“根據(jù)結(jié)構(gòu)分析需要確定單元和模型類型”這一知識(shí)點(diǎn)，課堂上可能主要講解了在建模實(shí)例中以平面梁?jiǎn)卧Ｐ瓦M(jìn)行簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁的設(shè)計(jì)驗(yàn)算，平時(shí)作業(yè)中則可將同一結(jié)構(gòu)在橫橋向撞擊荷載下的驗(yàn)算、車輪作用下的翼緣板局部受力分析等作為作業(yè)習(xí)題，讓學(xué)生比較在上述三種分析的需要下，所應(yīng)采用的單元和模型類型。

2.8 課程考核注重實(shí)踐能力培養(yǎng)

課程考核應(yīng)采用側(cè)重于知識(shí)理解和應(yīng)用、注重實(shí)踐能力培養(yǎng)的分散性考核方式，為不同班級(jí)、不同學(xué)號(hào)的學(xué)生設(shè)置不同的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)不同的計(jì)算參數(shù)，要求學(xué)生分別建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算，并整理相應(yīng)的驗(yàn)算報(bào)告。

相比老師而言，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中一般更愿意先從周圍同學(xué)中尋求幫助。分散性的課程考核方式雖不能完全避免抄襲現(xiàn)象[3]，但在某種程度上也會(huì)促使學(xué)生主動(dòng)形成學(xué)習(xí)、討論小組，通過同學(xué)間討論知識(shí)點(diǎn)，能夠加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解和掌握。

3 結(jié)語

教師應(yīng)從課程特征、學(xué)生心理特征和認(rèn)知結(jié)構(gòu)出發(fā)，合理確定課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)、幫助學(xué)生明確各階段的學(xué)習(xí)目標(biāo)、努力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)水平，并積極探究合理有效的教學(xué)對(duì)策，提高課程教學(xué)質(zhì)量，以培養(yǎng)滿足社會(huì)需求的專業(yè)技術(shù)人才。

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