基于信息化技術的橋梁工程教改探索

葛新廣

摘? 要? 橋梁工程是交通土建專業(yè)高年級的核心專業(yè)必修課。針對當前橋梁工程課程教學中存在的問題，借助數字信息化技術對課程教學改革進行探索，改革的重點是教學采用真實的橋梁工程場景，讓學生參與其中并提升大作業(yè)成績的比重。通過問卷及訪談的方式，課程組對改革后的教學效果進行了定性與定量分析，結果顯示：基于信息化技術的教學改革對提高學生學習興趣卓有成效，對改善教學內容、調動課堂參與度、加大課后投入等方面效果顯著。本次教學改革為一流本科課程建設提供了借鑒，也為解決我國交通土建專業(yè)教學中諸多共性問題、推進專業(yè)改革提供了實證。

關鍵詞? 信息化技術；橋梁工程；新工科；復合型人才

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）01-0102-03

0? 引言

數字信息技術以計算機技術、通信、網絡及數據庫等技術為基礎，對所研究對象的各要素進行數字化建模并能匯總至數據庫，供人們學習、生活、工作及輔助決策等，其具有數字化、可視化和智能化特點[1]。數字化就是將研究對象的各個組成部分用可以度量的數字、數據建立起適當的數字化模型，把它們轉變?yōu)橐幌盗卸M制代碼，存儲于計算機內部，并可隨時調閱、編輯等處理；可視化是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成三維圖形或圖像并進行交互處理的理論、方法和技術；智能化是利用數字技術將研究對象按照真實的物理過程進行動態(tài)模擬，真實反映事物的發(fā)展規(guī)律。

數字化信息技術在各行各業(yè)都得到了廣泛應用，在教育行業(yè)也不例外，比如多媒體教學、微課、慕課、翻轉課堂、移動教學平臺等數字信息化手段，解決了傳統(tǒng)教學以紙質版為主且所反映的教學內容為平面性、抽象性的缺點，調動了大部分學生的學習興趣，能發(fā)揮學生的主觀能動性，夯實學生專業(yè)基礎，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和意識[2]。

對于土木工程專業(yè)而言，信息化技術應用主要表現為各類結構分析軟件，如ANSYS、Midas、PKPM、橋梁博士等計算軟件、Revit等BIM軟件、廣聯達等造價軟件等。這些軟件主要是商業(yè)軟件，相當一部分教師對這些軟件不夠了解，在教學中應用較少，導致學生無法理解數字信息技術對行業(yè)所帶來的利好。因此，信息化技術在土木工程教學中的應用仍需要探索。《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確指出，大力推動數字信息技術與教育深度融合，綜合利用互聯網、大數據、人工智能和虛擬現實技術等數字信息技術探索未來教育教學新模式。《廣西教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》進一步對廣西高等教育明確提出探索傳統(tǒng)教學手段與信息化技術相融合的新教學方法。

面對數字信息化技術對工科教育帶來的機遇和挑戰(zhàn)及國家對于新工科教育發(fā)展的迫切要求，如何將數字信息技術融入橋梁工程的教學環(huán)節(jié)，全面提升課程教學效果，激發(fā)學生創(chuàng)新意識，培育應用型、創(chuàng)新型及復合型人才成為土工工程專業(yè)高等教育改革必須面對的問題[3-4]。

1? 課程教學存在的問題

1.1? 教學內容與實際工程應用脫節(jié)

自改革開放以來，中國政府高度重視基礎設施建設，大量的超大體型橋梁如雨后春筍般出現在祖國大地上，各種新型結構體系橋梁也遍地開花。這得益于橋梁結構的科研和實踐成果，得益于橋梁建設各類施工設備的創(chuàng)新性發(fā)展。而現行橋梁工程教材仍然大量講解諸如先張法簡支圓形截面空心板梁、T型梁、彎起普通鋼筋抗剪等橋梁技術[5]。圓截面空心板是20世紀90年代高速公路橋梁大量采用的一種結構形式，促進了當時橋梁工程的發(fā)展，由于施工復雜且20世紀90年代建造的橋梁運營一段時間之后發(fā)現該類型橋梁出現大量的裂縫；T型梁橫向穩(wěn)定性差；彎起鋼筋由于梁體中鋼筋眾多導致混凝土澆筑質量差和施工復雜效率低，自2010年后，此類橋梁已不再采用，而是采用小箱梁，而現行教材卻缺少小箱梁的相關介紹。

中國被稱為“基建狂魔”，各地四通八達的公路網、鐵路網都離不開橋梁結構的貢獻，而目前教材里缺少典型橋梁結構的介紹，不易激發(fā)專業(yè)學生對于自己所從事專業(yè)的自豪感。

1.2? 教學手段單一，教學對象抽象，導致學生難以理解

橋梁工程是橋梁工程專業(yè)的核心課，以橋梁構件設計分析和施工為研究對象，其中設計分析牽扯到復雜的力學知識和結構構件的細部組成；橋梁施工涉及橋梁構件的整個施工過程。前者涉及結構力學、混凝土結構設計原理、鋼結構設計原理、結構力學和材料力學課程的知識點，而這些又都是土木工程較為難學的課程，學生掌握得不扎實，而橋梁工程課程涉及上述知識的綜合應用。后者涉及具體構件的建造，建造過程又與受力過程關系密切，同一座橋梁不同的施工方法會影響橋梁結構的設計和造價。現行教材的教學內容對此部分僅以文字敘述為主，比較抽象，無法激起學生的參與熱情，因此，所培養(yǎng)的橋梁畢業(yè)生很難適應當下橋梁工程施工和設計的需要。此外，目前從事橋梁教學的諸多老師都是高校研究生畢業(yè)后直接教學，由于缺乏實際工程施工的經歷，也導致教學過程枯燥無味，無法激發(fā)學生的創(chuàng)新意識[6]。

1.3? 現行教學缺乏沉浸式教學模式

近年來，電子信息技術飛速發(fā)展及互聯網的廣泛普及，各類電子設備給知識的傳播提供了新的途徑，諸如手機、計算機及平板設備等給用戶帶來了前所未有的體驗，表現為視聽一體化體驗。因此，現行的板書和PPT平面教學模式所提供的教學知識則受到時間、空間的限制，無法呈現橋梁結構的細部特點和動態(tài)的施工過程；同時現行教學方式主要是老師講學生聽的模式，基本無法做到學生與老師互動，無法使課堂的所有參與者沉浸到教學過程中，難以激發(fā)學生的學習動力和興趣[7]。

1.4? 課程實踐環(huán)節(jié)教學條件過于簡單不符合應用復合型人才培養(yǎng)的需要

橋梁工程課程的核心內容之一是橋梁施工，為了追求美觀，當代橋梁結構異常復雜，橋梁施工過程也越來越復雜，對工程的理論分析和實踐要求越來越高，這些都需要在熟練掌握既有橋梁施工方法的基礎上進行創(chuàng)新性思維。橋梁施工教學環(huán)節(jié)的實踐部分采用現場觀摩形式，實踐時間一般一個項目就2小時或者更短，而橋梁施工是個長周期的過程，現場觀摩實習只能了解一個項目的局部工程或者某個工序，無法全面了解一座橋的施工過程，更無法了解一座橋梁建設過程中的受力情況。學生普遍反映所學理論知識無法應用在生產實際中，對橋梁施工基本無概念，因此，橋梁施工教學內容與實際脫節(jié)嚴重。筆者所在學校作為應用型本科大學，絕大部分學生畢業(yè)后從事橋梁施工，而從畢業(yè)生反饋來看，畢業(yè)數年內基本無法適應復雜橋梁的施工管理工作。因此，橋梁工程教學改革必須抓住發(fā)展契機，加快實踐教學的改革升級，以適應學校新工科建設對本科學生的培養(yǎng)要求。

1.5? 教師專業(yè)素養(yǎng)未能滿足新工科人才培養(yǎng)的需求

國家提出新工科建設雖然已有一段時間，但由于歷史原因，大部分高校把精力放在學科建設上，而對應用型教師的培養(yǎng)重視不夠。大部分高校教師來源于高等院校的碩士或者博士，橋梁施工知識缺乏，只重理論，無法做到理論聯系實際，無法利用數字信息技術對橋梁結構進行建模、對橋梁工程施工過程進行理論分析。而工程實踐單位高職稱的工程師又缺乏理論知識，故“雙師型”師資力量的缺乏成為制約各高校應用型人才培養(yǎng)的障礙。

不少教師側重傳統(tǒng)理論知識的講解，缺乏對前沿內容的介紹，且教學仍然以教師講授為主，忽視師生之間的交流。此外，橋梁工程課程缺乏創(chuàng)新性習題的構建，課程教學學時少，學生課后缺少自主學習的動力。這些都要求橋梁工程教師從新工科對人才的要求出發(fā)，以數字信息技術為手段，提升自身的專業(yè)素養(yǎng)，促進橋梁工程復合型人才的培養(yǎng)。

2? 課程教學的改革措施

2.1? 搜集各類現行橋梁成套圖紙及施工方案，建立橋梁工程設計施工數據庫

為了滿足新工科工程教育的需要，圍繞培養(yǎng)具

有創(chuàng)新能力和實踐能力的應用型橋梁工程人才， 必須結合當前橋梁工程發(fā)展的現狀，搜集各類現行橋梁完整圖紙及施工方案，建立橋梁工程圖紙數據庫及施工方案數據庫，并利用學校網站建立校內可訪問的數據庫，供學生及老師調閱。橋梁圖紙是建立三維數字模型的基礎，橋梁施工方案為橋梁施工過程力學分析奠定基礎。授課時，選擇典型橋梁項目作為課程的案例，可彌補現有橋梁工程教材內容老舊的缺陷，改善現有單一課堂教學手段無法滿足學生個性化學習需求的現狀。

2.2? 基于REVIT軟件，建立橋梁三維數字信息模型及施工措施模型庫

三維實體橋梁數字信息模型能形象地給出橋梁的細部結構及構造，對學生掌握各類橋梁工程的結構構成具有十分重要的作用。施工過程措施模型能較好地顯示一座復雜橋梁的各類支架及措施，易于學生理解各種橋梁的施工措施和方案。

目前由Autodesk公司發(fā)布的REVIT軟件廣泛應用于建筑結構，且有成熟的族，而對橋梁工程而言則需要重新開發(fā)新的橋梁構件族。為此，首先通過對BIM軟件的研究，建立基于REVIT軟件的橋梁各構件和施工工具的族模型及各種橋梁的三維數字模型庫；然后在學生中成立課外小組，建立各種橋梁的三維數字模型，并錄制BIM模型建模過程，然后放置在學校的網站上，供師生學習。

2.3? 利用MIDAS和橋梁博士等力學分析軟件建立橋梁三維力學模型庫

由于橋梁工程的力學特點與施工過程密切相關，通過對橋梁工程的施工方案和橋梁結構進行基于Midas和橋梁博士等軟件的三維建模并獲得構件的計算結果。錄制各類軟件的建模過程作為三維力學模型的數據庫，并放置在學校的網站上，供師生學習。

2.4? 建立橋梁工程課程浸入式教法和科學的考核方法

橋梁工程是理論性和實踐性較強的課程，理論性體現在橋梁的設計與施工對力學的高度要求；實踐性體現在橋梁設計過程和橋梁施工過程都需要滿足現場條件和滿足實際情況等。因此，橋梁工程教學必須采用真實的橋梁工程場景，讓學生參與其中，促進學生自主學習，激發(fā)學生的學習動力和興趣。成績考核采用期末成績、大作業(yè)成績和平時成績，加重應用方面的考核，即大作業(yè)以四類橋型以基礎，給定學生不同的參數并創(chuàng)新發(fā)揮的空間，分別按照現行工程實踐的要求完成橋梁設計。平時成績在強調必要的教學秩序的基礎上，以與老師互動性為標準考查學生。

3? 結束語

利用數字信息技術為橋梁工程搭建一個綜合數據平臺，包括現行橋梁工程平面圖紙、施工方案、三維模型圖及力學模型圖，并為學生建立一種“沉浸式學習、探索式建模及啟發(fā)式應用”的學習平臺，讓學生在教學平臺里根據設定的培養(yǎng)目標，對應相關的基本知識開展學習，從而最大限度地激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的創(chuàng)新、實踐能力，推動應用型學科建設，提升橋梁工程課程教學質量。

4? 參考文獻

[1] 張愛琴.移動教學平臺的軟件課程教學信息化實踐[J].微型電腦應用，2021，37（2）：63-65.

[2] 萬加武，卓澤文，王宇.基于多媒體技術的大學生物類課程教學改革探究[J].教育教學論壇，2020（27）：181-182.

[3] 鄒云峰，何旭輝，楊孟剛，等.“互聯網+”背景下“橋梁工程”課程教學改革的實踐探究[J].教育教學論壇，2021（5）：61-64.

[4] 李志華，郭懸.基于工程應用能力培養(yǎng)的橋梁工程教學方法[J].教育現代化，2020，7（39）：82-85.

[5] 邵旭東.橋梁工程[M].5版.北京：人民交通出版社，2019.

[6] 管仲國，張超峰，阮欣.全過程橋梁設計課程教學實踐、改進與思考[J].教育教學論壇，2020（10）：192-194.

[7] 侯鐸，陳玉祥，張智.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育過程中沉浸式課程教學模式研究[J].教育教學論壇，2021（3）：77-80.