基于結(jié)構(gòu)算例專題的橋梁電算課堂教學方法

熊文 葉見曙

摘要：針對路橋方向本科生橋梁電算系列課程一直存在的授課難點，提出基于結(jié)構(gòu)算例的橋梁電算系列課程專題式教學模式。該教學模式試圖以解決實際問題的分類形成不同的橋梁電算應用專題，以學生熟悉的結(jié)構(gòu)力學習題算例入手，有目的性的對這些算例進行重新設計，使得每一算例與相應的橋梁電算應用專題一一對應。通過對簡化的力學算例進行電算求解，讓學生在解決具體問題的過程中，以單個專題的形式學習橋梁電算知識及其在實際問題中的應用方法。這種方法會大大減少學生進行電算理論學習時的枯燥感，跟隨每一個結(jié)構(gòu)算例的電算過程，不僅使得重要知識點與前期課程結(jié)構(gòu)力學建立關聯(lián)，而且使理論學習與實際工程緊密聯(lián)系，最終培養(yǎng)學生理解軟件、應用軟件的能力，同時使學生具備基于電算理論對軟件分析結(jié)果正確與否進行判斷的能力。

關鍵詞：結(jié)構(gòu)算例；專題；橋梁電算；實際工程；課堂教學

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）14-0168-03

橋梁電算中的位移法理論屬于結(jié)構(gòu)力學的必修內(nèi)容，在橋梁電算課程中沒必要進行重復講授；但是其針對橋梁這種特殊結(jié)構(gòu)以及施工工藝又會有很多變化，這些變化的講授卻一直是難點。而橋梁結(jié)構(gòu)實際構(gòu)造復雜，直接針對復雜結(jié)構(gòu)應用這些電算原理，學生又難以理解與接受。另外，以界面演示基本操作為主的橋梁電算軟件講授方法雖然學生學習起來容易，但是在解決實際問題時軟件應用的變化與操作技巧卻仍然缺失。如何將橋梁電算系列課程與學生在未來工作中的實際需求緊密聯(lián)系，讓學生更加真正掌握橋梁電算軟件在橋梁計算分析中的應用，是該系列課程現(xiàn)階段面臨的一個教學難點，亟待解決。

針對路橋方向本科生橋梁電算系列課程一直存在的授課難點，提出基于結(jié)構(gòu)算例的橋梁電算系列課程專題式教學模式。該教學模式試圖以解決實際問題的分類形成不同的橋梁電算應用專題，以學生熟悉的結(jié)構(gòu)力學習題算例入手，有目的性的對這些算例進行重新設計，使得每一算例與相應的橋梁電算應用專題一一對應。通過對簡化的力學算例進行電算求解，讓學生在解決具體問題的過程中，以單個專題的形式學習橋梁電算知識及其在實際問題中的應用方法。這種方法會大大減少學生進行電算理論學習時的枯燥感，跟隨每一個結(jié)構(gòu)算例的電算過程，不僅使得重要知識點與前期課程結(jié)構(gòu)力學建立關聯(lián)，而且使理論學習與實際工程緊密聯(lián)系，最終培養(yǎng)學生理解軟件、應用軟件的能力，同時使學生具備基于電算理論對軟件分析結(jié)果正確與否進行判斷的能力。

一、改革措施

（一）建立專業(yè)知識與前期課程的關聯(lián)點

該教學模式主要措施之一，就是通過簡單結(jié)構(gòu)算例的設計，將橋梁電算專業(yè)知識與前期課程進行關聯(lián)，將簡單結(jié)構(gòu)算例作為橋梁讓學生基于先學課程內(nèi)容很自然地過渡至新的橋梁電算知識點中。例如通過結(jié)構(gòu)力學簡單梁結(jié)構(gòu)體系說明橋梁實際結(jié)構(gòu)與有限元模型之間的轉(zhuǎn)換關系；利用結(jié)構(gòu)力學簡單桿系結(jié)構(gòu)合理簡化實際橋梁結(jié)構(gòu)，其正確數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)復雜構(gòu)造與力學行為；利用結(jié)構(gòu)力學的基本概念判斷數(shù)值計算結(jié)果的正確性與適用性。

（二）建立專業(yè)知識與實際工程應用的關聯(lián)點

任何橋梁專業(yè)知識均為實際工程服務，每一個實際工程的背后都蘊含著理論知識，都是被課堂上所學的專業(yè)知識所支撐。該教學模式發(fā)掘并建立橋梁專業(yè)知識與實際工程應用的關聯(lián)點，然后以結(jié)構(gòu)算例作為關聯(lián)點為入口在課堂上引出教授的專業(yè)知識。以實際工程作為應用背景建立簡單結(jié)構(gòu)算例，從而引入橋梁電算專業(yè)知識，避免枯燥被動的去接受。這種教學模式還能使理論知識點與實際應用緊密聯(lián)系，在教授理論知識的同時就將其實際應用的方法告知，使學生在未來的工作中始終建立在理論指導的基礎上，確保專業(yè)判斷的準確性。

（三）建立橋梁概念設計理念

該教學模式中，簡單結(jié)構(gòu)體系的力學概念貫穿其中，對所有橋梁結(jié)構(gòu)按力學類型進行分類講授，加強對學生創(chuàng)造理念和能力的培養(yǎng)，即不僅教簡單結(jié)構(gòu)體系設計的基本功，更重要的是培養(yǎng)學生進行基于簡單結(jié)構(gòu)體系以及相應數(shù)值計算結(jié)果分析的概念設計的創(chuàng)造能力。讓學生理解“正確的概念設計將指引我們不斷進步和取得成功，而錯誤的概念設計卻會把我們引入歧途”這句話。

二、實施方案

在實際教學過程中發(fā)現(xiàn)，橋梁工程軟件針對實際橋梁結(jié)構(gòu)的正確應用方法是整個教學內(nèi)容的難點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）實際橋梁結(jié)構(gòu)的簡化建模方法；2）實際橋梁荷載的合理等效方法；3）軟件計算結(jié)果的定性判斷方法；4）實際復雜構(gòu)件及力學現(xiàn)象的有限元處理方法；5）實際橋梁結(jié)構(gòu)設計/驗算完整過程的軟件實現(xiàn)方法。但是，現(xiàn)階段的教學方法難以很好地解決這一教學難點，主要是缺乏課堂教學內(nèi)容與實際橋梁工程之間的有效銜接，往往學生學習了一個學期的既定教學知識，研究或工作中面對實際橋梁問題時仍然不知道如何正確、合理、系統(tǒng)地應用軟件來解決。

基于結(jié)構(gòu)算例的橋梁電算系列課程專題式教學模式按橋梁工程軟件關鍵使用功能與復雜橋梁結(jié)構(gòu)主要設計內(nèi)容之間的對應關系，分為以下六個專題，進而分別按該六個專題進行基于實際橋梁工程的教學案例的設計與建立，在橋梁軟件使用方面，將教學內(nèi)容與實際工程應用之間建立一個系統(tǒng)且有針對性的理論聯(lián)系實際的橋梁，讓學生不僅全面扎實地掌握橋梁電算理論知識，而且可以通過橋梁軟件學以致用，在實際橋梁工程應用中充分發(fā)揮理論指導實踐的作用。

（一）橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析專題

結(jié)構(gòu)算例設計：具有微小傾角的二力桿在集中力作用下非線性特性計算算例（圖1（a））。

工程背景：基于望東長江大橋的超長斜拉索的非線性特性，建立拉索垂度效應計算案例；通過ANSYS有限元非線性分析模塊的使用，結(jié)合望東長江大橋?qū)嶋H拉索設計結(jié)果，說明ANSYS橋梁工程軟件分析結(jié)構(gòu)非線性特性的具體應用步驟與方法，同時加深學生對結(jié)構(gòu)非線性迭代分析計算原理的理解。

（二）斜拉橋索力優(yōu)化方法

結(jié)構(gòu)算例設計：僅設置一根拉索的簡單斜拉橋體系索力優(yōu)化算例（圖1（b））。

（三）橋梁活載影響面加載分析方法

結(jié)構(gòu)算例設計：利用簡支梁與等間距的汽車荷載進行橋梁活載影響線加載算例。

工程背景：基于安徽省典型獨柱墩橋梁的抗傾覆偏載驗算實例，建立橋梁活載影響線加載案例；通過ANSYS有限元動態(tài)規(guī)劃分析模塊的使用，結(jié)合實際項目中獨柱墩橋梁活載偏載計算時縱橫向影響線加載分析全過程，說明ANSYS橋梁工程軟件進行活載影響線加載的具體應用步驟與方法，同時加深學生對動態(tài)規(guī)劃理論與實際應用方法的理解。

（四）復雜橋梁梁格建模方法

結(jié)構(gòu)算例設計：利用集中力與面荷載針對板梁建立多種形式的梁格模型算例。

（五）橋梁結(jié)構(gòu)徐變效應計算方法

結(jié)構(gòu)算例設計：利用VB程序自己編制的混凝土-鋼組合橋塔徐變計算算例。

工程背景：基于蘇通大橋主塔設計實例，建立混凝土橋塔徐變效應分析案例；通過ANSYS有限元二次開發(fā)功能的使用，結(jié)合實際項目中橋塔徐變對結(jié)構(gòu)體系的影響分析，說明ANSYS橋梁工程軟件進行混凝土結(jié)構(gòu)徐變分析的具體應用步驟，同時加深學生對徐變效應所引起的內(nèi)力重分布現(xiàn)象的理解。

（六）懸索橋設計分析建模方法

結(jié)構(gòu)算例設計：基于彈性理論的懸索橋結(jié)構(gòu)計算算例（解析解公式推導）。

工程背景：基于舟山西堠門大橋設計實例，建立懸索橋合理狀態(tài)確定方法案例；通過ANSYS有限元循環(huán)迭代功能的使用，結(jié)合實際項目中主纜找形分析全過程，說明ANSYS橋梁工程軟件進行懸索橋合理狀態(tài)分析的具體應用步驟，同時加深學生對懸索橋主纜-主梁設計力學狀態(tài)確定方法與原理的理解。

學生通過教師設置的簡單結(jié)構(gòu)力學算例對想要驗證的力學模型與力學概念進行研究，可以直觀地得到問題的解答。這種方式讓學生帶著興趣與思考去主動理解橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)知識，從而完成橋梁結(jié)構(gòu)計算分析部分的學習，同時加強對學生創(chuàng)造理念和能力的培養(yǎng)，即不僅教結(jié)構(gòu)設計的基本功，更重要的是培養(yǎng)學生進行概念設計的創(chuàng)造能力。

三、教學理論與實踐效果

首先針對教學中的結(jié)構(gòu)構(gòu)造數(shù)值建模方面的教學難點，該教學模式試圖將橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造與其背后蘊含的力學概念緊密聯(lián)系，通過讓學生理解構(gòu)造設計的力學概念來學習橋梁的構(gòu)造設計。這樣，學生在學習過程中可以將之前所學的《結(jié)構(gòu)力學》、《結(jié)構(gòu)設計原理》以及《橋梁工程》等先期課程與橋梁電算類課程的學習順利銜接，從學生既有的簡單的結(jié)構(gòu)力學概念知識入手來學習構(gòu)造建模，理解上也會水到渠成。

針對橋梁結(jié)構(gòu)計算部分，本文提出的教學模式是以實際工程為背景的專題式力學算例為講授主線，首先將計算基本原理與方法通過對概念的深刻理解灌輸給學生，讓學生先定性地接受計算分析方法，然后再通過簡單的結(jié)構(gòu)力學模型與算例來證明定性分析的結(jié)果。這種講授方法可以減少計算公式推導過程的枯燥性，讓學生帶著興趣與思考去主動推導公式，從而完成橋梁結(jié)構(gòu)電算分析部分的學習。

在整個教學過程中，力學概念貫穿其中，對所有橋梁結(jié)構(gòu)按簡單的結(jié)構(gòu)力學算例進行分類講授，加強對學生創(chuàng)造理念和能力的培養(yǎng)，即不僅教橋梁電算的基本功，更重要的是培養(yǎng)學生進行概念設計的創(chuàng)造能力。

所以本教改的中心理念是利用簡單結(jié)構(gòu)力學算例，結(jié)合實際橋梁工程背景，將學生既有力學、結(jié)構(gòu)知識與該課程教學內(nèi)容緊密聯(lián)系，讓學生在力學概念上運用結(jié)構(gòu)基本知識對教學難點進行理解與接受，進而再進行簡單結(jié)構(gòu)算例的講授與定量的分析來證明之前已接受的定性分析結(jié)果，這種方法會大大減少學生由于一開始對教學難點的不理解從而放棄對后續(xù)知識學習的興趣。通過建立橋梁電算專業(yè)知識與前期課程的關聯(lián)點，以及建立橋梁專業(yè)知識與實際工程應用的關聯(lián)點，最終培養(yǎng)學生進行概念設計的創(chuàng)造能力。

基于結(jié)構(gòu)算例的橋梁電算系列課程專題式教學模式不僅可以用于橋梁電算類課程中，還可以用于相關課程，如《橋梁工程》等專業(yè)課程。事實上，只要是基于《高等數(shù)學》、《結(jié)構(gòu)力學》、《結(jié)構(gòu)設計原理》等結(jié)構(gòu)專業(yè)基礎課內(nèi)容的相關課程，以實際工程項目為背景，均可以采用本文提出的教學模式。

四、未來研究方向

1.學生對基礎知識或者前期知識的掌握水平存在差異，如何選擇更為合適的前期知識來建立結(jié)構(gòu)算例與橋梁工程專業(yè)知識之間的聯(lián)系還需要在后續(xù)的課堂教學中不斷改進；

2.進一步加強《橋梁實習》這種實踐類專業(yè)課與橋梁電算類專業(yè)課之間的聯(lián)系，將結(jié)構(gòu)算例的思想貫穿在實踐類與理論類專業(yè)課程中，使本文提出的教學模式能夠更好地發(fā)揮其預定的教學效果；

3.結(jié)合正在進行的實際橋梁工程建設，不斷更新與補充橋梁專業(yè)知識與結(jié)構(gòu)算例以及實際工程應用之間的關聯(lián)點；

4.繼續(xù)進行橋梁電算類該教學模式的課程建設工作，并應用于碩士階段的橋梁電算類課程，形成本科教學與碩士教學在基于結(jié)構(gòu)算例教學模式上的良好銜接。

參考文獻：

[1]熊文，葉見曙.基于人機交互平臺的《橋梁工程》課堂教學方法[J].教育教學論壇，2015，（8）：175-176.

[2]潘文軍，吳輝琴，鄒萬杰.結(jié)構(gòu)可靠度理論課程教學改革與實踐[2].大眾科技，2013，15（172）：173-175.