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(shù)字信息化技術(shù)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(jié)果顯示：基于信息化技術(shù)的教學改革對提高學生學習興趣卓有成效，對改善教學內(nèi)容、調(diào)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(shè)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(guān)鍵詞? 信息化技術(shù)；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(shù)字信息技術(shù)以計算機技術(shù)、通信、網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫等技術(shù)為基礎(chǔ)，對所研究對象的各要素進行數(shù)字化建模并能匯總至數(shù)據(jù)庫，供人們學習、生活、工作及輔助決策等，其具有數(shù)字化、可視化和智能化特點[1]。數(shù)字化就是將研究對象的各個組成部分用可以度量的數(shù)字、數(shù)據(jù)建立起適當?shù)臄?shù)字化模型，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M制代碼，存儲于計算機內(nèi)部，并可隨時調(diào)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(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維圖形或圖像并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)；智能化是利用數(shù)字技術(shù)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(shù)字化信息技術(shù)在各行各業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用，在教育行業(yè)也不例外，比如多媒體教學、微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、移動教學平臺等數(shù)字信息化手段，解決了傳統(tǒng)教學以紙質(zhì)版為主且所反映的教學內(nèi)容為平面性、抽象性的缺點，調(diào)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(chǔ)，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(shù)應(yīng)用主要表現(xiàn)為各類結(jié)構(gòu)分析軟件，如ANSYS、Midas、PKPM、橋梁博士等計算軟件、Revit等BIM軟件、廣聯(lián)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(yīng)用較少，導致學生無法理解數(shù)字信息技術(shù)對行業(yè)所帶來的利好。因此，信息化技術(shù)在土木工程教學中的應(yīng)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(shù)字信息技術(shù)與教育深度融合，綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等數(shù)字信息技術(shù)探索未來教育教學新模式?！稄V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(shù)相融合的新教學方法。

面對數(shù)字信息化技術(shù)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(shù)字信息技術(shù)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(yīng)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(nèi)容與實際工程應(yīng)用脫節(jié)

自改革開放以來，中國政府高度重視基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大量的超大體型橋梁如雨后春筍般出現(xiàn)在祖國大地上，各種新型結(jié)構(gòu)體系橋梁也遍地開花。這得益于橋梁結(jié)構(gòu)的科研和實踐成果，得益于橋梁建設(shè)各類施工設(shè)備的創(chuàng)新性發(fā)展。而現(xiàn)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(shù)[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(jié)構(gòu)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(xiàn)該類型橋梁出現(xiàn)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(zhì)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(xiàn)行教材卻缺少小箱梁的相關(guān)介紹。

中國被稱為“基建狂魔”，各地四通八達的公路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)都離不開橋梁結(jié)構(gòu)的貢獻，而目前教材里缺少典型橋梁結(jié)構(gòu)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(gòu)件設(shè)計分析和施工為研究對象，其中設(shè)計分析牽扯到復雜的力學知識和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的細部組成；橋梁施工涉及橋梁構(gòu)件的整個施工過程。前者涉及結(jié)構(gòu)力學、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)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(yīng)用。后者涉及具體構(gòu)件的建造，建造過程又與受力過程關(guān)系密切，同一座橋梁不同的施工方法會影響橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計和造價?，F(xiàn)行教材的教學內(nèi)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(yīng)當下橋梁工程施工和設(shè)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(jīng)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(xiàn)行教學缺乏沉浸式教學模式

近年來，電子信息技術(shù)飛速發(fā)展及互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及，各類電子設(shè)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(shè)備等給用戶帶來了前所未有的體驗，表現(xiàn)為視聽一體化體驗。因此，現(xiàn)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(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的細部特點和動態(tài)的施工過程；同時現(xiàn)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(yīng)用復合型人才培養(yǎng)的需要

橋梁工程課程的核心內(nèi)容之一是橋梁施工，為了追求美觀，當代橋梁結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(xiàn)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(xiàn)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(shè)過程中的受力情況。學生普遍反映所學理論知識無法應(yīng)用在生產(chǎn)實際中，對橋梁施工基本無概念，因此，橋梁施工教學內(nèi)容與實際脫節(jié)嚴重。筆者所在學校作為應(yīng)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(shù)年內(nèi)基本無法適應(yīng)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(yīng)學校新工科建設(shè)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(shè)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(shè)上，而對應(yīng)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(lián)系實際，無法利用數(shù)字信息技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)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(yīng)用型人才培養(yǎng)的障礙。

不少教師側(cè)重傳統(tǒng)理論知識的講解，缺乏對前沿內(nèi)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(gòu)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(shù)字信息技術(shù)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(xiàn)行橋梁成套圖紙及施工方案，建立橋梁工程設(shè)計施工數(shù)據(jù)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(yīng)用型橋梁工程人才， 必須結(jié)合當前橋梁工程發(fā)展的現(xiàn)狀，搜集各類現(xiàn)行橋梁完整圖紙及施工方案，建立橋梁工程圖紙數(shù)據(jù)庫及施工方案數(shù)據(jù)庫，并利用學校網(wǎng)站建立校內(nèi)可訪問的數(shù)據(jù)庫，供學生及老師調(diào)閱。橋梁圖紙是建立三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)，橋梁施工方案為橋梁施工過程力學分析奠定基礎(chǔ)。授課時，選擇典型橋梁項目作為課程的案例，可彌補現(xiàn)有橋梁工程教材內(nèi)容老舊的缺陷，改善現(xiàn)有單一課堂教學手段無法滿足學生個性化學習需求的現(xiàn)狀。

2.2? 基于REVIT軟件，建立橋梁三維數(shù)字信息模型及施工措施模型庫

三維實體橋梁數(shù)字信息模型能形象地給出橋梁的細部結(jié)構(gòu)及構(gòu)造，對學生掌握各類橋梁工程的結(jié)構(gòu)構(gòu)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(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(gòu)件和施工工具的族模型及各種橋梁的三維數(shù)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(shù)字模型，并錄制BIM模型建模過程，然后放置在學校的網(wǎng)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(guān)，通過對橋梁工程的施工方案和橋梁結(jié)構(gòu)進行基于Midas和橋梁博士等軟件的三維建模并獲得構(gòu)件的計算結(jié)果。錄制各類軟件的建模過程作為三維力學模型的數(shù)據(jù)庫，并放置在學校的網(wǎng)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(xiàn)在橋梁的設(shè)計與施工對力學的高度要求；實踐性體現(xiàn)在橋梁設(shè)計過程和橋梁施工過程都需要滿足現(xiàn)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(yīng)用方面的考核，即大作業(yè)以四類橋型以基礎(chǔ)，給定學生不同的參數(shù)并創(chuàng)新發(fā)揮的空間，分別按照現(xiàn)行工程實踐的要求完成橋梁設(shè)計。平時成績在強調(diào)必要的教學秩序的基礎(chǔ)上，以與老師互動性為標準考查學生。

3? 結(jié)束語

利用數(shù)字信息技術(shù)為橋梁工程搭建一個綜合數(shù)據(jù)平臺，包括現(xiàn)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(yīng)用”的學習平臺，讓學生在教學平臺里根據(jù)設(shè)定的培養(yǎng)目標，對應(yīng)相關(guān)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(yīng)用型學科建設(shè)，提升橋梁工程課程教學質(zhì)量。

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