橋梁結構電算課程理論與實踐一體化教學模式探索

徐略勤

摘要：為適應中國橋梁建設的飛速發展，改善高校“重理論，輕實踐”的人才培養模式，縮小橋梁專業本科生與社會需求之間的質量缺口，針對橋梁結構電算課程理論與實踐教學的困境，提出理論與實踐一體化的教學模式。從課程設置、教學內容、教學方法和考核方式等方面將理論知識與實際橋梁結構建模操作有效糅合。根據典型橋型，采用分組，引入“項目式”的教學方法，改變學生在課堂中的角色，從而讓學生由被動記憶和接受有限元軟件的操作規則轉變為主動掌握和探索有限元軟件的功能和原理，以提高學生就業的競爭力和未來職業發展的適應力。

關鍵詞：橋梁結構電算；理論教學；實踐教學；項目式教學；分組學習

中圖分類號：G6420 文獻標志碼：A 文章編號：10052909（2015）01007504 橋梁結構電算課程是橋梁工程專業本科階段的一門必修課，主要講授橋梁結構分析中有限元建模的原理和計算方法，以及有限元軟件的使用，是一門實踐性很強的課程。隨著材料科學、設計理念和施工技術的飛躍發展，現代橋梁結構正朝著大型化、輕型化、復雜化的方向大步邁進。因此，采用有限元軟件解決橋梁結構的計算和分析問題已經成為工程技術人員必備的專業技能。為推動高校人才培養，提高教學質量和水平，縮小橋梁專業本科畢業生與社會需求的缺口，國內眾多土木工程院校都開設了結構電算這一類課程。然而由于受教育體制和傳統教學理念的禁錮，包括有限元原理、靜動力分析方法、數值求解過程等理論教學往往占據主導地位，而應用大型商業軟件針對各類實際典型橋梁結構進行建模、分析、糾錯、判斷的實踐教學卻未引起足夠重視，導致實際教學效果與預期目標出現偏差。

實際上，理論教學與實踐教學都各有其無可替代的作用，兩者是緊密聯系的而非對立的教學體系[1-3]。理論教學以理論知識體系為框架，向學生傳授理論知識，培養學生的理性思維能力，而實踐教學作為對理論教學的補充和升華，可以幫助學生掌握和理解核心知識，引導學生從認識走向應用?？梢姡碚摻虒W與實踐教學是彼此加強、相互補充的關系，任何一方的衰微都會直接影響另一方的教學效果[4]。有鑒于此，筆者基于重慶交通大學橋梁結構電算課程理論與實踐教學現狀，對該課程的理論與實踐一體化教學模式進行了探索，提出了初步的改革方案及思路。

一、橋梁結構電算課程理論與實踐教學結合的現狀及困境

（一）重理論、輕實踐的課程設置

橋梁結構電算課程設置分為理論教學和上機實踐兩個部分，上機實踐的課時量僅為理論教學的一半。理論教學和實踐教學同步進行，即每周設置4個課時的理論教學量和2個課時的實踐教學量。由此導致的問題是：在教學初期，由于理論教學大都圍繞數值有限元的基本原理展開，不針對具體的商業軟件，學生在同步的上機實踐課堂中面對軟件的操作界面無所適從，沒有具體的上機任務和目標；而在教學后期，隨著各種理論和操作方法講授完畢，學生在上機實踐課堂中又缺乏足夠的時間進行各種橋型結構的建模訓練。這種課程設置方式將實踐教學當作了理論教學的輔助，與課程設置的初衷本末顛倒，很難實現“讓學生掌握一種工程實用軟件”的教學目標，也無法真正激發學生掌握和探索橋梁結構電算原理和方法的主動性和積極性。

（二）重理論、輕實踐的教學過程

橋梁結構電算是一門基于有限元原理、圍繞橋梁結構、面向專業化軟件的課程。為了使學生掌握基本原理和方法，大部分教材都會重點闡釋一般性和普適性的理論和原則。但由于有限元理論涉及數學、彈性力學、數值分析等多個學科，內容豐富，概念抽象?；A較差的學生對理論教學覺得枯燥乏味、難懂、聽不進去；基礎較好的學生則感到茫然，不知道如何運用這些知識。純粹的有限元原理教學容易使理論與實際橋梁結構的建模脫節，而重理論、輕實踐的課程設置又加劇了這一矛盾，掩蓋了該課程的工程性和操作性。在上機實踐教學環節中，由于學生人數較多，每個機房的電腦數量有限，學生通常被分在幾個隔離的機房中，這給教師的授課帶來極大挑戰，學生逃課現象嚴重。

（三）重理論、輕實踐的考核方式

在現有的考核方式中，學生平時的學習情況和完成作業的質量只占最終成績的30%，期末的卷面成績占70%。在平時的作業練習中，個別學生難免會抄襲、拷貝他人的計算模型和計算結果，授課教師很難通過作業全面了解學生對軟件操作的掌握程度。在期末的卷面考試中，軟件操作很難體現，所占分值一般不高，因此，理論知識的考核自然而然成為考試的重點。這違背了橋梁結構電算這門課程開設的初衷和培養目標。作為學生今后工作常用的主要工具之一，掌握有限元軟件的原理，精通有限元軟件的操作同等重要，如何平衡這兩者在課程考核中的角色值得商榷。

二、理論與實踐一體化教學模式的構建

（一）教學模式改革的目標

通過理論與實踐一體化教學模式的構建，使抽象化的理論教學和工程實例化的實踐教學融合，讓學生在工程化的實踐教學過程中掌握橋梁結構電算的基本理論，并在實踐中升華對基本理論的理解，使他們更清晰、更全面地把握不同類型橋梁結構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則轉變為主動掌握和探索有限元軟件的功能和原理，以適應市場經濟對專業人才、技能的需求，提高學生就業的競爭力和未來職業發展的適應能力。

（二）教學模式改革方案

1.課程設置和教學內容的改革

中國工程院原副院長朱高峰[5]曾強調，高等教育要正確處理三個關系：理論與實踐的關系、探索與應用的關系、分析與綜合的關系。工程教育的目標是要培養工程師的毛坯。諸如橋梁結構電算這類工程專業性突出的課程，更應該在實踐教學中融合理論教學。因此，在指定教學計劃、編制教學大綱時，首先，要堅持理論教學和與實踐教學并重，在教學課時分配上應基本相當。偏于理論，學生無法將之與實際建模操作相結合，最終對理論和實踐都是一知半解，而且容易因為教學內容抽象、空洞而失去學習興趣和積極性；但過分注重實際工程結構建模操作，則會使學生淪為軟件操作工匠，對軟件內部運行原理認識不夠，無法判斷模型和計算結果的準確性。其次，在教學內容編排上，將理論知識的講授穿插于結構建模方法和上機實踐操作教學之中，而非游離于具體的工程實例之外。圖1是筆者對橋梁結構電算課程基于理論與實踐一體化教學模式的教學內容編排設想。這樣既可以使學生在理論學習中掌握它在結構建模中的運用，又可以使學生在實際操作中升華對理論知識的理解。

通過將理論教學和實踐教學在課程設置和教學內容上的一體化改革，在課堂教學中，采用工程實例驅動、互動教學方式實現課堂理論教學與實踐教學的對接；在典型橋梁結構建模過程的教學中穿插各種有限元、數學、數值分析等基本理論知識來實現理論與實踐的互融；通過布置實際橋梁結構的分析任務實現理論教學的延伸。

首先，激發學生的積極性。加涅指出：“離開了學習者的動機……不能引起學習”；同樣，離開了教師的激發，動機只能處于潛伏狀態[6]。對于橋梁結構電算這種專業性很強的課程，采用教師灌輸為主的傳統教學方式，教學效果很難保證。因而，倡導啟發式、互動式教學方法是提高教學效果的有效方式。為了實現這種教學模式，可以引入所謂“訂單式”和“項目式”的教學方法，讓學生自主選擇感興趣的橋型（如圖1中的連續梁橋、斜拉橋等），并按照橋型分成若干學習小組。每個小組針對本組橋型的典型橋梁結構，預習教材并查找相關資料，自行軟件進行建模操作。教師在講授時，與學生互動，以提問的方式有針對性地檢查每個小組學生自主學習的效果，并讓學生提出自己在實際操作過程中的疑問，以此實現有目的地“傳道”和有針對性地“解惑”。

其次，改變學生在課堂中的角色。橋梁工程是一門復雜且寬泛的學科，常規的橋梁分類包括：簡支梁橋、連續梁橋、剛構橋、斜拉橋、懸索橋、組合體系橋，等等，每一種橋型中又包含多種橋型變化。因此，40個教學課時遠遠不夠。在實際教學中，教師以講授基本原理和基本操作為主，每個學習小組則針對本組橋型的建模原理、方法和一般過程進行深入探索。在后期，教師留出足夠的課時，讓每一個小組全面介紹本組橋型的詳細建模過程。講解完畢后，由其他小組進行評議，指出其優點和不足之處。各組就講解過程中不清晰之處，或不懂的地方展開討論。最后由教師對學生講解中的謬誤和遺漏進行修正和補充，并進行最后的總結。

3.考核方式的改革

建立科學合理的考核方式不僅可以客觀公正地評定學生的學習情況，而且可以引導學生有所側重，從而提高教學質量。筆者認為，諸如橋梁結構電算這類融合理論教學和實踐教學的專業課程，學生的學習成績應包含三部分：一是，平時學習情況，如預習情況、上機操作情況、出席情況、在各自學習小組中的參與情況等；二是，期末卷面成績，這部分主要反映學生的理論掌握水平；三是，實橋建模基本操作的考核成績，主要考察學生當場完成建模操作的熟練程度，也是當前考核中所欠缺的部分。

首先，教師需建立學生出席、預習與否、回答問題頻次及準確性、小組任務等評分標準。在課堂上，教師通過與學生互動，了解學生的學習態度和預習情況。在最后各個小組建模講解階段，讓小組成員合理分工，分別回答其他小組的提問，以此考察學生在小組學習中的參與情況。

其次，在期末卷面考核中，結合橋梁結構的建模過程，突出理論知識點，重點考查學生對理論知識在實踐教學項目中的運用情況，理論知識與實際建模的結合情況，學生用所學的理論知識解釋橋梁結構有限元建模過程中的原理，以及針對特殊橋梁結構、特殊荷載形式、特殊分析工況提出有效模擬方法的情況。

第三，構建典型橋梁結構電算分析“項目庫”，考核學生實橋建模基本操作。學生隨機抽取“項目庫”中的試題，按照要求現場完成某種典型橋型某一個工況的建模分析，或在已有模型上添加某個分析工況，并提交有限元模型和最終計算結果。教師通過現場巡查，批閱學生提交的成果，客觀公正地給出分數。

三、結語

隨著中國建設水平的不斷提高，橋梁朝著大型化、輕型化、復雜化的趨勢發展愈加明顯，橋梁建設單位對工程實用型的高級技術人才的需求也越來越迫切。為了適應這種需要，諸如橋梁結構電算這類工程應用型的課程應擔負起培養學生核心競爭能力的重責?；诖吮尘埃恼率紫壬钊肫饰隽藰蛄航Y構電算課程理論與實踐教學結合的現狀及困境，在此基礎上，有針對性地提出了理論與實踐一體化的教學模式，并從課程設置、教學內容、教學方法和考核方式等方面提出了具體措施。這種創新教學模式的提出有望打破傳統教學方法中“重理論、輕實踐”的弊端，讓學生通過該課程的學習，真正掌握工程實用技能，實現高層次應用型人才培養的目標，保證人才培養與社會需求的緊密銜接。

參考文獻：

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[3]程建芳.借鑒國外經驗強化應用型本科教育實踐教學[J] .中國高教研究，2007（7）：54-55.

[4]肖偉才.理論教學與實踐教學一體化教學模式的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30（4）：81-84.

[5]朱高峰.新世紀中國工程教育的改革與發展[J].高等工程教育研究，2003，1（1）：1-7.

[6]RM 加涅，WW 韋杰，KC 戈勒斯，等.教學設計原理[M].于小明，等譯.5版.上海：華東師范大學出版社，2007.