基于上機實踐的橋梁電算課程教學改革研究

魯乃唯 王凱

摘 要：橋梁電算課程是隨著計算機技術發展而興起的一門相對較新穎的課程，教學目的是熟練運用有限元軟件分析橋梁結構的復雜力學問題，為完成橋梁工程畢業設計奠定基礎。然而該課程的教學理念與工程實踐脫節，且方法不太成熟，導致畢業設計過程中計算效率低、設計進度慢、設計質量差等問題。本文總結分析橋梁電算課程教學過程中普遍存在的一些共性問題，進而從該課程的工程應用角度解析課程的特點，最后從上機實踐角度審視橋梁電算教學改革的措施。

關鍵詞：橋梁工程;橋梁電算;實踐教學;有限元;計算機

中圖分類號：F319.56 ?文獻標識碼：A

Abstract：The course of bridge computing is a relatively new course with the development of computer technology.The purpose of the course is to skillfully analyze the complex mechanical problems of bridge structure with the finite element software，and to lay a foundation for the completion of the graduation design of bridge engineering.However，the teaching concept of this course is disconnected from engineering practice，and the method is not mature，which leads to the problems of low computational efficiency，slow design progress and poor design quality in the process of graduation design.This paper summarizes and analyzes some common problems in the course of bridge computer calculation teaching，and then analyzes the characteristics of the course from the perspective of engineering application，and finally examines the measures of bridge computer calculation teaching reform from the perspective of computer practice.

Key words：bridge engineering;bridge computation;practical education;finite element;computer

橋梁電算是橋梁工程專業的一門專業基礎課，一般開設于大四上學期。[1]該課程的主要目的是熟練運用有限元軟件分析橋梁結構的復雜力學問題，為完成橋梁工程畢業設計奠定基礎。目前，橋梁結構呈現出跨度大、結構復雜化、材料種類多樣化的趨勢，對橋梁電算精度與效率的要求越來越高。[2]隨著計算機技術的快速發展，有限元軟件的種類日益繁多，計算效率逐步提高，橋梁電算的作用能夠滿足不同類型的模擬與分析。在橋梁結構復雜化與計算機技術突飛猛進的雙重現實條件下，橋梁電算的重要性日益凸顯。

由于橋梁電算是隨著計算機技術發展而興起的一門相對較新穎的課程，該課程的教學體系尚未完善。[3]從作者近年來的教學過程中發現該課程的教學理念與社會脫節，且方法不太成熟，導致教學效果不佳。受該課程教學效果最直接的影響是橋梁工程專業畢業設計，也是導致畢業設計過程中計算效率低、設計進度慢、設計質量差等問題的主要原因。[4]在建設工程項目迫切需要橋梁電算技術，而高校對該課程的教學認識與方法尚末完善的情況下，亟需研究課程教學改革措施。

本文總結分析橋梁電算課程教學過程中普遍存在的一些共性問題，進而從該課程的工程應用角度解析課程的特點，最后從上機實踐角度審視橋梁電算教學改革的措施。

1 橋梁電算課程特色

橋梁電算是一門基于結構力學分析與有限元理論的綜合性課程。一方面，需要以三大力學為理論基礎，基于力學理論推導計算，并驗證力學理論的正確性;另一方面，課程學習的最終目的是進行有限元軟件操作與分析，在明白力學分析的理論基礎之上，還應能夠進行電腦操作計算，達到精確與高效地完成結構分析的目的。橋梁電算課程將力學知識與有限元理論進行了有機整合，通過課程的學習，也達到了將前期的專業課知識夯實的目的。

橋梁電算也是一門考驗學生動手編程能力的實踐性課程。[5]橋梁電算程序的實現很大程度依據于編程語言與有限元軟件的進步。隨著計算機技術的迅速發展，編程語言較為豐富，如MATLAB、C語言、Fortrain語言、VB語言等，大大方便了電算程度的編制與計算。同時，市場上出現了諸多商用的橋梁電算軟件，如ANSYS、ABAQUS、MIDAS/CIVIL，以及國內的橋梁博士等軟件。這些有限元分析軟件為橋梁電算課程的教學與實踐提供了有利條件。

綜合性與實踐性導致橋梁電算課程考核較為困難。因此該課程的實踐能力占據課程教學目的主要成份，傳統的考試與考查方式均不適于對該課程考核。若以傳統的筆試方式進行考核，那么結構計算需要大量的矩陣分解與乘除，一方面計算時間不允許，另一方面“手算”的考核方式完全沒有達到“電算”的目的。

2 傳統理論教學的主要問題

傳統的橋梁電算課程是以理論教學為主，側重于講解二維、三維結構的矩陣位移法，以及結構穩定與振動等方面的基本理論。根據作者在橋梁電算課程教學過程的經驗，現將傳統理論教學所存在的問題總結如下：

（1）總課時量少，且理論課占比高。在橋梁電算課時量較低的情況下，理論課時量占比較高，導致上機實踐量極不為足。以長沙理工大學為例，橋梁電算課程的總課時量為32課時，其中理論課時占26個課時，上機課時量僅6個課時。

（2）以教材內容為主，工程實踐匱乏。橋梁電算課程主要用來分析并解決實際工程結構分析問題，也傳統的力學課等理論課的定位有所不同。因此，不能僅僅依靠教材內容，還應增加工程實踐內容。另外，橋梁電算的教材并未統一，導致每個教師授課內容不同，有些以有限元理論為主，有些則過多介紹工程問題，而忽略了計算分析能力。

（3）過多依賴軟件，理論基礎不扎實。橋梁電算的基礎是三大力學，但過多強調力學基礎會導致課堂乏味，也會導致重復教學。另一個極端就是教學中過多依賴軟件，導致學生對計算原理不清楚，對計算結果正確與否無把握。

3 基于上機實踐的改革措施

根據橋梁電算教學目的，將前期所學習的專業基礎，如三大力學、土木工程材料、結構設計原理等課題，綜合應用于解決實際工程問題。而聯系理論基礎與工程問題的紐帶即為有限元建模與分析。然而，有限元的建模與計算分析是無法在常規課堂上所教授，而應在計算機教室開展。因此，基于上機實踐的橋梁電算授課理念有望解決傳統教學在實踐應用方面的問題。

橋梁電算上機實踐不僅僅是學習橋梁計算軟件，如MIDAS、ANSYS等，而是基于計算理論推導有限元模型，從而驗證計算理論。因此，基于上機實踐的橋梁電算教學改革措施主要包含以下向個方面：首先，明確結構計算理論，比如二維桿單元的剛度矩陣及內力求解方法，采用理論方法計算結果;其次，掌握有限元建模的基本步驟，關鍵在于明確每個操作步驟所對應的理論依據;再次，采用電算方式計算結果，并與手算方法進行對比;最后，改變結構電算參數，明確結構參數對計算結果的影響。采用上述教學方法不僅可讓學生明確理論知識，更加強調了動手操作的能力，而且通過參數修改了解每個結構參數對計算結果的內在影響。在長沙理工大學的橋梁電算課程中，增加了3項上機專題教學課程：“用梁格法對簡支T梁橋建模分析”、“用FCM建模助手做剛構橋梁施工階段分析”、“PSC與RC梁的設計驗算”。通過上述3個專題實踐使學生對電算知識有著由淺至深的認識，同時也實際工程項目的虛擬模型化分析有個初步認識。

橋梁電算的上機實踐課程是對理論教學的補充和提升，使得學生真正理解到理論知識點是如何應用到工程實踐中的，引導學生走出課本，走向工程應用。事實上，橋梁電算的理論教學與上機實踐教學是相輔相成的，在上機實踐中不僅要懂如何操作計算軟件，更要明白計算軟件參數是如何通過計算理論來影響計算結果的。在目前的教學側重于理論教學的現實情況下，有必要加強上機實踐在課程教學中的比重。

參考文獻：

[1]熊文，葉見曙.基于結構算例專題的橋梁電算課堂教學方法[J].教育教學論壇，2018（14）：168-170.

[2]韓艷，李悅.橋梁電算課程教學研究[J].教育教學論壇，2018，13：142-143.

[3]徐略勤.橋梁結構電算課程理論與實踐一體化教學模式探索[J].高等建筑教育，2015，24（1）：75-78.

[4]林建平.實際工程案例在“橋梁結構電算”課程教學中的應用[J].科教文匯，2017，13：40-42.

[5]王達，劉揚.“橋梁電算”課程建設與教學研究[J].中國電力教育，2014，15：67-68.

基金項目：長沙理工大學2019年教研教改項目資助

作者簡介：魯乃唯（1987-），河南人，博士，講師，從事橋梁工程結構分析研究。