直觀教學法在應用型高校《橋梁工程》教學中的應用研究

全 偉，張志強，鄧 林

（1. 黃山學院 建筑工程學院，安徽 黃山 245041；2.沈陽建筑大學 交通工程學院，遼寧 沈陽 110168）

橋梁工程課程作為土木專業(yè)的一門重要專業(yè)核心課程，其教學內(nèi)容較多、學生普遍反映難度較大。教師們針對該門課程的教學效果如何提高開展了大量的研究工作。趙秋[1]在本科生橋梁圖文大賽中發(fā)現(xiàn)本科生對于橋梁結(jié)構(gòu)的理解不深刻；劉龍[2]等指出橋梁工程教學中存在學生自主學習能力差、教師授課模式單一、缺乏實際工程經(jīng)驗等問題；金曉勤[3]指出橋梁工程教學過程中應結(jié)合地方資源特色進行橋梁工程的教學實踐；劉德貴[4]，黃民水[5]等都指出實踐教學的不重視是造成橋梁工程教學效果較差的原因之一。此外，針對應用型高校人才培養(yǎng)模式，研究者[6-9]指出應用型高校通過對教學環(huán)節(jié)、畢業(yè)設計環(huán)節(jié)及實踐教學環(huán)節(jié)進行改革，可在一定程度上改善其人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

應用型高校學生普遍基礎相對薄弱，且應用型高校學生大部分就業(yè)在施工單位，其人才培養(yǎng)有其自身的特點。為了切實提高應用型高校橋梁工程課程教學效果，本文提出在傳統(tǒng)教學方法的基礎上，結(jié)合橋梁工程力學原理并配合圖示進行直觀教學、采用空間有限元軟件仿真模擬教學以及采用多元化實踐教學模式等直觀教學法，以期提高當前應用型高校橋梁工程課程的教學效果。

1 應用型高校橋梁工程教學的特點

1.1 學生工程基礎相對薄弱

橋梁工程作為一門極為重要的專業(yè)課程，其綜合性較強，囊括三大力學、土力學、土木工程材料、結(jié)構(gòu)設計原理等課程的專業(yè)知識。應用型高校學生本身基礎相對薄弱，學習能力相對較差，對這些先導課程的掌握不足，在學習橋梁工程課程時必然存在很大難度。

此外，由于學習難度大，學生對該門課程興趣不足，自主學習積極性不高，主要依靠課堂上老師的講解介紹來獲得相關(guān)知識。部分學生上課未集中注意力的行為使得教學效果進一步下降。因此，需要對教學方法進行創(chuàng)新，提高學生的學習興趣。

1.2 教材和教學內(nèi)容滯后

現(xiàn)有橋梁工程教材及教學內(nèi)容，一般重于設計，即重點在于講述各種橋型結(jié)構(gòu)的設計計算原理，施工方法講述相對較少。而對于應用型高校而言，大多數(shù)學生就業(yè)面向施工單位，所以應更加重視施工方法的介紹。當前的教材，一是與應用型高校培養(yǎng)目標一致的書籍較少，二是由于新的施工方式或機械等的應用，導致現(xiàn)有教材與實際施工脫節(jié)較為嚴重。所以，應編寫適用于應用型高校、更側(cè)重于施工工藝方面的橋梁工程教材。此外，橋梁工程教材內(nèi)容更新緩慢，其所包含的內(nèi)容相較于我國橋梁工程建設現(xiàn)狀而言落后較多。而現(xiàn)有橋梁設計規(guī)范和施工規(guī)范更新速度快，教材難以同步更新。

1.3 實踐教學環(huán)節(jié)重視程度不夠

橋梁工程是一門與工程實踐緊密結(jié)合的課程。然而現(xiàn)有高校大部分教師也是直接從高校到高校的跨越模式，未經(jīng)嚴格實踐鍛煉，故教學往往只是停留在理論教學層面上。而對于應用型高校的橋梁專業(yè)學生而言，未來主要的就業(yè)方向是施工單位。高校教師雖然對于理論知識理解較為深刻，但是對于施工工藝等方面的理解仍然有所欠缺。

目前很多高校也開展了一部分實踐教學，例如橋梁認識實習、橋梁工程課程設計及生產(chǎn)實習等。而這些實習環(huán)節(jié)由于對實踐教學環(huán)節(jié)重視不夠等各種原因，往往達不到預期的效果。因此，對于實踐性極強的橋梁工程課程而言，目前亟需加強實踐環(huán)節(jié)在教學中的比重。

2 直觀教學法

17 世紀捷克著名教育家夸美紐斯在繼承前人經(jīng)典的基礎上，提出了新的教學方法，即直觀教學法。夸美紐斯雖然沒有直接對直觀教學法進行定義，但是在書中，他進行了如下闡述：“一切事物都應盡量的放到感官跟前”、“知識的開端永遠必須來自感官”、“要到事物被感官領(lǐng)悟到了的時候，文字才可實現(xiàn)它的功用，給它以進一步的解釋”。

結(jié)合時代與科技特點，當前的直觀教學法即通過利用圖片、實體模型、多媒體技術(shù)、實踐教學等多種直觀途徑，結(jié)合教材文字或圖片進行教學的一種方式。針對橋梁工程課程特點，可采用結(jié)合力學原理并配合圖示進行直觀教學、空間有限元仿真教學以及多元化實踐教學模式等多種方式，配合教材進行綜合教學。直觀教學法具有直觀性、具體性、真實性等特點，能夠促進學生對教材以及實際工程的深入結(jié)合，加深對橋梁工程知識點的理解和掌握，從而提高應用型高校橋梁工程課程的教學效果。

3 直觀教學法在橋梁工程教學中的應用

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷進步，橋梁工程課程不僅在內(nèi)容上需要與時俱進，在教學方法上也要不斷更新。基于教學培養(yǎng)目標及未來就業(yè)方向，結(jié)合課程內(nèi)容，應用配套的多媒體課件，將相關(guān)內(nèi)容通過圖片、視頻等方式向?qū)W生一一展現(xiàn)；適當引入實際施工案例，輔以計算機仿真教學以及綜合采用多元化實踐教學等直觀教學法，能夠很大程度提高學生的學習興趣，加深學生對橋梁工程課程的理解，為未來就業(yè)打下扎實的基礎。

3.1 結(jié)合力學原理并配合圖示進行直觀教學

應用型高校學生基礎相對薄弱，先導課程掌握情況普遍有所欠缺。因此，在橋梁工程知識點的講授過程中，結(jié)合橋梁工程知識點背后的力學原理，并配合圖示進行直觀教學，舉一反三，歸納總結(jié)原理相同的知識點，讓學生通過原理加深該知識點的理解和掌握。例如，在講解橋梁橡膠支座這一章節(jié)時，教師應該從其受力原理出發(fā)，講解承載能力逐漸提高的原理。學生更容易掌握不同類型橡膠支座，包括無加勁層板式、加勁板式以及盆式橡膠支座等的構(gòu)造及受力特點。

其原理為隨著側(cè)向約束程度的提高，橡膠處于三向受壓狀態(tài)，其承載能力不斷提高，如圖1 所示。無加勁層板式橡膠支座，側(cè)向無約束，容許壓應力僅為3MPa 左右；加勁板式橡膠支座由于加勁鋼板的側(cè)向約束作用，使其容許壓應力達10MPa；盆式橡膠支座，內(nèi)部橡膠由于鋼盆約束處于三向受壓狀態(tài)，橡膠容許壓應力最大，可達25MPa。

圖1 橡膠支座示意

類似的，在講授橋梁墩臺章節(jié)，鋼筋混凝土橋墩中由于箍筋的存在可以起到很好地約束內(nèi)部混凝土的作用，大大提高了核心混凝土的強度。鋼管混凝土拱橋章節(jié)，針對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力原理，也同樣涉及到相同原理，外部鋼管對內(nèi)部混凝土的側(cè)向約束使得鋼管內(nèi)混凝土處于三向受壓，極大增加內(nèi)部混凝土抗壓強度，如圖2所示。

圖2 約束混凝土示意

以上3個知識點分屬于橋梁工程課程的不同章節(jié)，但是其蘊含的力學計算原理相同，即在側(cè)向約束情況下，材料內(nèi)部處于三向受壓狀態(tài)，其強度和抵抗變形的能力都得到了極大提高。透過現(xiàn)象看到其中所蘊含的力學本質(zhì)，學生理解上述知識點就相對簡單許多。通過力學原理的介紹，引導學生舉一反三，還可以引出橋梁加固中采用的FRP約束混凝土的概念以及鋼纖維混凝土的概念等知識點。通過對橋梁工程課程中具有相同受力機理的知識點進行介紹，并配合圖示，直觀展示給學生，方便應用型高校學生對橋梁工程相關(guān)知識點的學習掌握。對于學有余力的同學，引導學生對力學原理進行深入分析，提高學生分析問題和解決問題的能力。

3.2 空間有限元仿真模擬教學

通過空間有限元程序建立逼真的三維模型，模擬橋梁結(jié)構(gòu)的施工過程以及其受力，可以非常直觀地顯示出不同荷載作用下、不同施工階段的橋梁受力狀態(tài)，學生可以較深刻理解橋梁工程相關(guān)課程的知識點。相比于傳統(tǒng)教學中的文字、圖片等的描述，通過仿真模擬教學，模擬施工過程，使學生可以直觀地認識橋梁，并了解橋梁的不同結(jié)構(gòu)體系以及構(gòu)造特點，增加了學生的學習興趣。

此外，讓學生嘗試自行建立橋梁有限元模型，解決其建模過程中所遇到的問題，這樣就完成了由老師講解到學生自己動手操作的轉(zhuǎn)變，激發(fā)了學生的學習興趣，提高自主學習的能力。圖3 和圖4 給出了某（80+80）mT構(gòu)橋采用Midas空間有限元程序進行仿真模擬的圖片。學生通過空間有限元仿真模擬，可以很快地了解橋梁構(gòu)造，受力特點以及施工方法等，并且可以為后期畢業(yè)設計打下堅實的計算基礎。

圖3 T構(gòu)橋構(gòu)造

圖4 T構(gòu)橋施工仿真模擬（掛籃懸臂澆筑）

3.3 多元化實踐模式直觀教學

橋梁工程的理論來源于實踐，并且實踐同時也是直觀的教學方式，因此對于學生而言，學習橋梁工程的理論知識必須通過實踐來加深理解。橋梁工程課程的學習并不是短期學習，而是一個長期的過程，需要在不斷的實踐中加以驗證。當前大多數(shù)的教學方法沒有很好地將理論與實踐進行聯(lián)系，往往理論教學遠遠多于實踐教學，導致該門課程的教學效果并不理想。

顯而易見的是，實踐作為橋梁工程這門課程的理論來源，同時也是其基本特征之一，教學從理論回歸到實踐可以讓學生對所學理論加以印證，加深對知識的理解。

橋梁工程的教學目標要求學生對于不同橋型的橋梁，系統(tǒng)掌握橋梁結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造原理、設計計算方法、施工工藝、流程及管理等專業(yè)知識。為了提高這門專業(yè)性極強、涉及內(nèi)容較廣課程的教學效果，提出采用多元化實踐教學模式，在進行理論教學的同時，適當加深實踐教學。圖5 為多元化實踐教學的新模式。

圖5 多元化實踐教學環(huán)節(jié)

多元化實踐教學環(huán)節(jié)根據(jù)課程的不同內(nèi)容開展。其中，認識實習環(huán)節(jié)側(cè)重于學生對橋梁結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造及施工工藝、施工現(xiàn)場管理等方面的理解與掌握；BIM 仿真環(huán)節(jié)側(cè)重于結(jié)構(gòu)、細部構(gòu)造、施工流程等方面知識；課程設計環(huán)節(jié)側(cè)重于設計計算方法及設計流程等方面知識；課程實驗側(cè)重于橋梁的檢測、養(yǎng)護與維修等方面知識；學科競賽側(cè)重于學生對橋梁構(gòu)造、概念設計、結(jié)構(gòu)受力特點等方面知識的理解與掌握；企業(yè)實踐環(huán)節(jié)可重點加強學生對于設計、施工、管養(yǎng)等方面知識的掌握。因此，通過多元化實踐教學環(huán)節(jié)，與理論教學相輔相成，根據(jù)橋梁工程學科的教學特點及應用型高校的培養(yǎng)目標，形成了一個長期的學習過程，讓學生在諸多實踐環(huán)節(jié)中得到了很好地鍛煉，極大提高了該課程的教學效果。

4 結(jié) 語

由于橋梁工程課程的特殊性，結(jié)合應用型高校學生的特點，在教學中應用直觀教學法是非常必要的。通過結(jié)合力學原理并配合圖示進行直觀教學、采用空間有限元軟件仿真模擬教學以及多元化實踐模式直觀教學等直觀教學方法，能夠提高學生的學習興趣，使學生更容易理解、掌握和運用所學的理論知識。這對于應用型高校提高橋梁工程課程的教學效果、培養(yǎng)實踐能力強的人才都具有重要的現(xiàn)實意義。