基于教學現狀的橋梁電算課程教學對策探究

摘要 隨著橋梁設計、施工、維修和加固等方面相關理論及技術的發展，橋梁結構的電算化早已成為橋梁建設過程各個環節所必需的技術手段，但現有的橋梁電算課程教學在學生工程實踐能力培養方面的效果并不理想。文章從課程特征、學生心理特征和學生認知結構等出發進行了原因分析，并基于認知主義學習理論，針對性地探討了相應的教學對策。

關鍵詞 課程特征；學生心理特征；認知結構；教學對策

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0192-03

0 引言

在計算機輔助分析技術成為橋梁結構計算分析主要計算手段的當下，橋梁電算課程已成為很多高校土木工程專業路橋方向的必修課程，但從畢業設計和其他渠道反饋的結果來看，課程的教學效果并不是非常理想[1-3]，究其原因不僅與課程本身的特點有關，也與學生的心理特征和認知結構有重要關系。

1 課程教學現狀分析

1.1 課程特征分析

1.1.1 缺乏認可度較高的統編教材

對于本科階段橋梁電算課程教學內容，各地高校在教學實踐中有不少探索。有的側重于有限單元法和橋梁結構分析理論的介紹，講授專用程序的編制原理，將其應用于具體的橋梁結構分析[4-5]；有的則通過專題形式向學生講授各類橋梁結構分析的基本原理與方法，并通過簡單的算例驗證定性分析所得結論[6]，也有基于常用的橋梁分析商業軟件進行橋梁建模分析[2][7]。

不同教學內容探索的背后，一方面是不同院校生源水平、培養目標存在一定程度的差異，另一方面是沒有認可度較高的統編教材。

1.1.2 課程教學學時少

原土建類的8個專業合并為1個土木工程專業以來，各地高校在“厚基礎、寬口徑”培養方案指導下進行了培養模式和課程體系的改革，專業基礎課、專業課的教學課時普遍縮減，而橋梁電算課程的教學學時一般不會超過32學時。在有限的學時內很難讓學生全面地掌握橋梁結構分析理論、有限元分析理論，也很難熟練地掌握有限元分析軟件的運用。

1.2 學生心理特征分析

根據教育心理學的觀點，大學生學習動機具有多元性、間接性、社會性和職業性等特點[8]，橋梁電算課程的授課對象一般是本科高年級學生，非學位課程分數已不能成為學生學習動機的主要來源。大學生學習的目的性增強，畢業去向的多元化及對課程可能存在的一些誤解等，使學生在學習橋梁電算課程時的學習動機不強。

1.2.1 考研、考公等分散學習精力

在近年來的研究生擴招政策、就業形勢、外部利益及內在成就動機等因素的驅動下[9]，本科生考研參與率逐步上升，報考公務員人數也日益增多。學生在考研和考公復習或者外語學習的壓力下，有選擇地將主要的學習精力放在對應科目的復習備考上。

1.2.2 學生就業備選方向較多

“厚基礎、寬口徑”培養方案指導下的培養模式和課程體系改革，拓寬了專業適用范圍和本科畢業生就業方向，專業分流并不會完全限制其就業選擇。路橋方向的學生在本科畢業后可能從事路橋、工民建、地下結構工程等相關方向的工作，單位類型則可能包含設計、施工、監理、檢測與工程管理等。

就業方向和單位類型的多樣化，以及學生中普遍存在的“進設計院才要進行專門的結構計算”的錯誤認識，不可避免地會讓部分選擇就業的學生產生橋梁電算課程的學習內容“以后不一定用得到”的想法。

1.3 學生認知結構分析

由于人才培養計劃中各方向專業基礎課和專業課教學課時的縮減，迫使教師將主要的教學精力集中在最基本、最常見的工程實踐需求所對應的教學內容上，學生掌握的先學課程知識相比于真正的工程實踐需要，在理論基礎知識方面顯得相對薄弱。

例如，路橋方向的學生可能對結構力學的動力學、結構設計原理的鋼結構、橋梁工程的纜索承重體系橋梁等部分的學習較少，但工程實踐中與之密切相關的橋梁動力特性分析、橋梁抗震分析、鋼桁架橋以及小型斜拉橋、自錨式懸索橋的結構受力分析等在卻較為常見。

2 教學對策探究

根據認知主義學習理論的觀點，學習是以學習者原有認知結構為基礎，對新知識進行認知、理解和內化的過程。教學內容的組織和知識結構應基于學生已有的認知結構，新知識應與學生認知結構中已有觀念建立非人為的和實質性的聯系[10]。學習過程中學生學習動機水平的高低、結果的反饋等對學習效果具有重要影響，應通過合理的教學安排提高學生學習動機水平，并給予積極反饋。

基于橋梁電算課程和學生特征，可以從以下方面入手提高課程教學和學習效果。

2.1 合理確定教學內容和教學目標

普通高校本科學生已有的橋梁結構計算分析理論基礎相對薄弱，以專業橋梁分析程序的編制和較復雜橋梁結構的分析理論為主的學習內容，對學生而言難度相對較大；另一方面，商業化橋梁計算軟件發展已經相當成熟、復雜橋梁與常規橋梁的計算分析在建模準備工作和計算模型的前處理、后處理等方面具有高度的一致性。

基于以上兩點，在教學課時有限的情況下，課程的教學內容宜以如下幾個方面內容為主：

（1）橋梁結構分析及有限元計算總體介紹。

（2）有限元分析理論基礎及桿系結構矩陣位移法。

（3）橋梁結構有限元建模過程中各步驟的處理原則、要點及計算軟件中的表現。

（4）橋梁博士、Midas Civil等軟件的建模實例教學。

課程教學目標可確定為通過課程學習，讓學生在對橋梁結構分析有較為全面和系統了解的基礎上，掌握有限元分析的理論基礎、建模過程和各步驟處理要點，能較熟練地運用現有專業橋梁計算軟件進行常規橋梁結構的計算分析工作。

2.2 構建課程知識體系框架，明確學習目標

熟悉課程知識體系框架，有助于學生全面了解橋梁結構計算分析的相關內容，對課程的知識結構以及所學內容在電算分析中的地位有清晰的認知，明確課程的總體學習目標和每一步具體的所學內容，增強學生的學習積極性。

真正意義上形成對課程的系統性認識，雖然在整個教學過程完成后，但在教學初期可以通過不同橋梁結構分析的類型介紹和特點分析，將橋梁結構建模分析各階段工作、要點以及各環節的階段性成果等以框架圖的形式直觀地表達出來，從而構建課程知識結構體系框架，幫助學生初步建立起對課程的系統性認識。

2.3 努力提高學生學習動機水平

隨著年級的提高，大學生的間接性學習動機（如求知、成就和創造等）逐漸取代直接性學習動機（如分數、獎懲等）而成為其學習動機的主要來源[8]。因此，在課程教學時應努力糾正學生對于課程的錯誤認識，從科研能力和就業能力的培養、求知欲的激勵等角度入手，結合課程考核需要，增強學生學習課程內容的內、外部動機。

（1）增加近年來考研和考公的錄取率、本科生和研究生的就業率等內容，幫助學生認清形勢，樹立正確的升學、就業觀念，理性地對待考研、考公的備考與課程學習。

（2）結合教師自身工程實踐經驗，列舉施工單位常需進行的施工方案細化、施工支架等臨時設施設計，檢測單位常需進行的橋梁監控、結構評估、荷載試驗，以及其他專業方向的一些項目實例，介紹電算知識在不同工程、不同參建單位中的廣泛應用，糾正學生對課程的片面看法。

（3）列舉國內外一些特殊橋梁結構的圖片，講解其結構特色和所需進行的結構分析內容，以增強課程的趣味性，激發學生的學習興趣。

（4）明確課程將采用個人獨立建立不同的實橋有限元計算模型的分散性考核方式，以課程考核需要督促學生認真學習課程知識。

2.4 以實例為主線形成課程知識連貫的分析和應用過程

在教學過程中利用課程知識完整地完成一個橋梁結構分析的工程實例，形成課程知識連貫的分析和應用過程，相比于各知識點的孤立的應用，更能提高學生的學習熱情，為學習過程提供積極反饋。

例如以難度和工作量相對適中的簡支轉連續T梁建模分析為教學實例，將同一橋梁從閱讀設計圖紙開始，然后進行建模的各階段準備工作，最終利用計算軟件逐步完成橋梁建模分析的過程，并與課程各部分的教學內容結合，形成連貫的分析、應用過程，從而加深學生對課程知識的理解，增強學生的學習興趣和信心。

2.5 加強課程內容與學生原有知識的聯系

課程知識的講解應注重與先學課程知識的聯系，教學過程中教師除口頭表述外，可在課件中以提問、提示等形式加以體現，引導學生在課堂及課后回顧原有知識，并將建模知識應用于課程實例的建模分析和準備工作中，增進學生對各步驟處理方法、原則的理解。

比如，可將簡支轉連續T梁建模準備過程中擬建立模型部分的確定與橋梁工程課程中將空間結構轉化為平面結構的計算方法（即橫向分布系數計算）相聯系，將邊界條件施加與“結構力學”中的機構分析相聯系，將施工階段模擬與“橋梁工程”“橋梁施工”中的簡支轉連續施工方法相聯系等，通過與原有知識的聯系，幫助學生加深對知識的理解。

2.6 制作教學視頻彌補課時不足

橋梁結構電算分析是在掌握先學課程和本課程知識，以及充分理解和熟悉橋梁設計圖紙、軟件界面與各項功能基礎上，有序進行各項建模和分析工作的過程，而對橋梁設計圖紙、軟件界面與各項功能的熟悉往往是學生的弱項。在以往教學過程中，學生常因注意力不集中或對某概念一時不理解等而不能跟上教師的教學節奏，課后求助于周圍同學也不一定能很好地解決問題，必然導致學生學習積極性的降低。

可以利用視頻制作軟件，逐步制作在建模規劃和準備階段、軟件實際操作階段、模型準確性判斷和計算結果分析階段的相關視頻，方便學生在課前預習和課后復習，彌補教學課時的不足。在教學視頻制作時應注意以下幾個方面：

2.6.1 主題明確，避免視頻過長

教學視頻制作時應注意避免將建模準備和軟件操作過程制作成幾個時長過長的視頻，可針對分析和建模過程中的各個環節，分別錄制主題明確、時長適當的短視頻，便于學生學習時能夠精確定位和反復觀看學習，也有利于學生形成對課程知識體系的系統性認識。

2.6.2 引導學生形成學習方法

各部分教學內容制作成視頻時應注意引導學生通過查閱資料、對比分析等解決問題，形成學習方法，避免讓學生的建模實踐成為簡單的跟隨操作。

比如在橋梁博士軟件操作部分，應注意引導學生根據軟件說明、幫助文件等熟悉軟件中各類信息的輸入方式，讓學生嘗試利用軟件不同的功能途徑建立相應的計算模型，使得學生在初步學會軟件的同時，逐漸掌握一種新軟件使用時所應采用的基本方法。

2.6.3 注重對模型和計算結果的判斷

視頻制作時除展示正確的分析和處理過程外，應增加常見的錯誤做法，在軟件操作階段，可準備包含常見錯誤做法的計算模型，引導學生在對模型和計算結果有疑問時，根據軟件提示、已有知識、技能等逐步進行模型查驗，以提升學生分析問題和解決問題的能力。

2.7 利用作業促進學生對比分析和總結歸納

平時作業除了應盡可能全面覆蓋課堂教學知識點外，可以將主要工程實例的各項建模準備工作編制成不同題型的習題，通過作業幫助學生強化和鞏固知識。編制作業時應盡量就某一知識點提供豐富的變式[10]，通過習題間的對比分析和總結歸納，促使學生自發進行概括，增強學習效果。

比如對于“根據結構分析需要確定單元和模型類型”這一知識點，課堂上可能主要講解了在建模實例中以平面梁單元模型進行簡支轉連續T梁的設計驗算，平時作業中則可將同一結構在橫橋向撞擊荷載下的驗算、車輪作用下的翼緣板局部受力分析等作為作業習題，讓學生比較在上述三種分析的需要下，所應采用的單元和模型類型。

2.8 課程考核注重實踐能力培養

課程考核應采用側重于知識理解和應用、注重實踐能力培養的分散性考核方式，為不同班級、不同學號的學生設置不同的結構及設計不同的計算參數，要求學生分別建立有限元模型進行計算，并整理相應的驗算報告。

相比老師而言，學生在學習過程中一般更愿意先從周圍同學中尋求幫助。分散性的課程考核方式雖不能完全避免抄襲現象[3]，但在某種程度上也會促使學生主動形成學習、討論小組，通過同學間討論知識點，能夠加深學生對課程知識的理解和掌握。

3 結語

教師應從課程特征、學生心理特征和認知結構出發，合理確定課程的教學內容和教學目標、幫助學生明確各階段的學習目標、努力提高學生的學習動機水平，并積極探究合理有效的教學對策，提高課程教學質量，以培養滿足社會需求的專業技術人才。

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