橋梁電算課程教學(xué)研究

韓艷 李悅

摘要：針對(duì)橋梁工程方向畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度緩慢、質(zhì)量不佳的實(shí)際情況，本文分析了目前橋梁電算課程的內(nèi)容建設(shè)與教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，提出了一些改進(jìn)對(duì)策與方法，為橋梁電算課程的教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁電算；課程內(nèi)容；教學(xué)方式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）13-0142-02

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)形式日益多樣，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工周期不斷縮短，熟練運(yùn)用專業(yè)軟件進(jìn)行橋梁電算已成為從事橋梁設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)以及科研人員必備的能力之一。為了培養(yǎng)畢業(yè)生就業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)能力，在大多數(shù)的土木工程院校中都開(kāi)設(shè)了橋梁電算專業(yè)課程。然而，從反饋的信息來(lái)看，大多教學(xué)效果不佳，導(dǎo)致在課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)度緩慢、設(shè)計(jì)質(zhì)量不高。這主要與課時(shí)連年縮減導(dǎo)致的學(xué)生先修課程不足以及“大眾教育、嚴(yán)進(jìn)寬出”環(huán)境下學(xué)生整體學(xué)習(xí)熱情不高有關(guān)，但也對(duì)橋梁電算的課程建設(shè)提出了更高的要求，迫切需要研究適合目前形勢(shì)發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式。

一、橋梁電算課程的特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀

1.課程特點(diǎn)。橋梁電算課程主要講授采用有限元方法建立橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型的原理和計(jì)算方法，并應(yīng)熟練掌握一種有限元軟件的使用[1]，是一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課，需要綜合運(yùn)用理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、有限元分析原理、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、橋梁工程、橋梁施工、地基基礎(chǔ)等課程的相關(guān)知識(shí)，并與各種橋梁規(guī)范聯(lián)系緊密。課程既屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類課程的范疇，又兼有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的綜合性。

2.課程現(xiàn)狀。開(kāi)設(shè)橋梁電算課程的目的是為了加強(qiáng)學(xué)生專業(yè)工程知識(shí)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的緊密結(jié)合，以深化專業(yè)基礎(chǔ)理論、拓展專業(yè)知識(shí)和延伸專業(yè)技能[2]，更好地服務(wù)于橋梁工程的實(shí)際。然而，由于目前國(guó)家對(duì)于橋梁電算課程尚沒(méi)有統(tǒng)編教材，實(shí)際教學(xué)中極易出現(xiàn)以下兩種極端情況：一種是過(guò)于強(qiáng)調(diào)限元分析原理、力學(xué)概念、結(jié)構(gòu)分析方法、數(shù)值求解技術(shù)等理論知識(shí)學(xué)習(xí)的重要性，而忽視了實(shí)踐能力的培養(yǎng)；另一種是過(guò)于重視實(shí)踐教學(xué)而忽視了對(duì)基本力學(xué)的概念，基本專業(yè)理論的傳授、理解與運(yùn)用。前者由于有限元理論涉及力學(xué)、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，基礎(chǔ)較差的學(xué)生對(duì)理論教學(xué)覺(jué)得枯燥乏味、難懂、聽(tīng)不進(jìn)去，繼而產(chǎn)生厭煩、畏懼心理；基礎(chǔ)較好的學(xué)生則感到茫然，不知道這些知識(shí)該如何運(yùn)用。后者讓學(xué)生專注于計(jì)算軟件的使用操作，學(xué)生只會(huì)機(jī)械的使用軟件，對(duì)計(jì)算流程不甚理解，對(duì)于電算的數(shù)值結(jié)果盲目信任，由于力學(xué)概念模糊，對(duì)現(xiàn)行橋梁規(guī)范不熟悉，不能用概念設(shè)計(jì)方法來(lái)判斷電算結(jié)果的正確性，知其然不知其所以然。

二、橋梁電算的教學(xué)改革

1.課程內(nèi)容改革。橋梁電算實(shí)質(zhì)上是基礎(chǔ)知識(shí)（如高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論等數(shù)學(xué)知識(shí)，理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力等力學(xué)知識(shí)）、專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)（如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理）以及專業(yè)知識(shí)（如橋梁工程）等在有限元軟件中的具體應(yīng)用，起到了將理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)際的橋梁作用。相應(yīng)地，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)應(yīng)是緊密聯(lián)系而非對(duì)立的教學(xué)體系[1]，兩者都各有其無(wú)法替代的作用。理論教學(xué)依據(jù)完整的理論知識(shí)體系，向?qū)W生傳授理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維能力；而實(shí)踐教學(xué)著重于學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)，是對(duì)理論教學(xué)的補(bǔ)充和升華，可以幫助學(xué)生加深理解和掌握核心的理論知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從認(rèn)識(shí)走向應(yīng)用。由此可見(jiàn)，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)是相互補(bǔ)充、彼此促進(jìn)的關(guān)系，任何一方的減弱都會(huì)直接影響另一方的教學(xué)效果。理想的橋梁電算課程設(shè)置應(yīng)當(dāng)理論與實(shí)踐并重，使學(xué)生既全面系統(tǒng)地掌握橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的基本理論知識(shí)，又能與工程實(shí)際相結(jié)合、學(xué)以致用。由于橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣，施工方法各異，橋梁電算涉及到的內(nèi)容非常多，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)教師不可能一一講授，因此必須優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容以達(dá)到良好的教學(xué)效果。在制訂教學(xué)計(jì)劃、編制教學(xué)大綱時(shí)，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持理論教學(xué)和與實(shí)踐教學(xué)并重的理念，在教學(xué)課時(shí)分配上應(yīng)基本相當(dāng)。本科階段的橋梁電算教學(xué)以掌握常用橋梁結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)、施工的電算方法、操作流程、能定性判斷計(jì)算結(jié)果合理性為主。可以選擇Midas/Civil軟件作為橋梁電算課程的教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)有代表性的工程實(shí)例，形成橋梁結(jié)構(gòu)電算分析模型，講解橋梁結(jié)構(gòu)電算的建模和計(jì)算分析流程，將理論知識(shí)穿插于橋梁建模方法和上機(jī)實(shí)踐操作的教學(xué)之中來(lái)講授。通過(guò)形象化的實(shí)例模型講解，讓學(xué)生了解軟件的特點(diǎn)、基本功能和操作步驟，掌握采用軟件計(jì)算分析時(shí)，如何進(jìn)行材料特性的定義、單元類型的選取、邊界條件的施加、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的控制，并能對(duì)電算結(jié)果進(jìn)行定性的合理分析判斷以及依據(jù)規(guī)范進(jìn)行荷載組合，進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算，若驗(yàn)算不通過(guò)，還要重新進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)甚至修改構(gòu)件尺寸直至滿足要求為止。通過(guò)這樣的課堂教學(xué)，既可以使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中掌握它在結(jié)構(gòu)建模中的運(yùn)用，又可以使學(xué)生在實(shí)際操作中升華對(duì)理論知識(shí)的理解掌握。

2.授課方式改革。在確定了理論與實(shí)踐并重的教學(xué)內(nèi)容后，在課堂教學(xué)時(shí)，避免采用以教師為中心、以課堂灌輸為主的傳統(tǒng)授課方式，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)性和學(xué)生的主體性[3]，不斷提高學(xué)生的實(shí)踐能力和工程素質(zhì)。首先，向?qū)W生闡明電算雖然能大大減輕計(jì)算的工作量，但只是輔助計(jì)算分析的工具，永遠(yuǎn)不能取代人的作用，因此可以通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)分析，比如對(duì)同一根懸臂梁，分別采用梁?jiǎn)卧鍐卧?shí)體單元模擬時(shí)，得到的截面應(yīng)力是不同的，以此讓學(xué)生明白人在電算中所起的決定性主導(dǎo)作用，應(yīng)當(dāng)重視基礎(chǔ)理論知識(shí)和專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)與運(yùn)用，應(yīng)該對(duì)軟件的計(jì)算原理及適用范圍做深入的了解，避免盲目、過(guò)分依賴電算分析結(jié)果，要養(yǎng)成用自己掌握的力學(xué)知識(shí)定性判斷電算結(jié)果的習(xí)慣，培養(yǎng)校核能力。通過(guò)理論與實(shí)踐并重的教學(xué)模式，將理論知識(shí)的講授穿插于結(jié)構(gòu)建模方法和上機(jī)實(shí)踐操作的教學(xué)之中，將抽象化的理論融于形象、生動(dòng)的實(shí)例化學(xué)習(xí)之中，使理論知識(shí)與工程實(shí)際緊密地結(jié)合起來(lái)。通過(guò)選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳力明確、有代表性的實(shí)際橋梁工程示例，使學(xué)生加深對(duì)專業(yè)概念的理解，增強(qiáng)分析、解決問(wèn)題的能力，逐步建立正確、科學(xué)的建模思維方法，掌握不同橋型結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁橋、拱橋、斜拉橋、連續(xù)剛構(gòu)等）的建模思路，能夠解決常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算及施工問(wèn)題，不斷提高工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。講解實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)例題時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合規(guī)范來(lái)講解，結(jié)合其中涉及的力學(xué)、專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，加深對(duì)規(guī)范的理解，使學(xué)生不僅知其然，還知其所以然。

課堂教學(xué)中盡量增加與學(xué)生互動(dòng)的環(huán)節(jié)，活躍課堂氣氛，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生參與到分析問(wèn)題、計(jì)算求解、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中，從中體會(huì)到克服問(wèn)題的快樂(lè)，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲望，促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)鉆研橋梁電算的基本理論和方法，學(xué)會(huì)熟練地使用軟件，在實(shí)踐中升華對(duì)基本理論的理解，從而更清晰、更全面地把握不同類型橋梁結(jié)構(gòu)的有限元建模原則和方法。

三、結(jié)論

橋梁電算是聯(lián)系橋梁基礎(chǔ)理論知識(shí)和橋梁專業(yè)知識(shí)、技能的紐帶，為了達(dá)到良好的教學(xué)效果，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持理論與實(shí)踐并重的教學(xué)理念，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，將抽象化的理論教學(xué)盡可能轉(zhuǎn)化成形象、生動(dòng)的實(shí)例化教學(xué)，課堂教學(xué)中充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)性和學(xué)生的主體性，使學(xué)生不僅會(huì)熟練使用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工的全過(guò)程分析操作，而且能對(duì)電算結(jié)果進(jìn)行定性地分析判斷，為畢業(yè)設(shè)計(jì)及就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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