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基于桥梁工程课程的探究式教学模式研究

作者:未知

  【摘要】桥梁工程是土木工程学科桥梁工程方向的一门专业主干课程。课程以公路桥梁的基本理论和方法为研究对象,综合性、实践性较强,对培养学生从事桥梁工程的工作能力具有重要作用。但是,作为一门综合性、实践性较强的工程学科专业课程,在传统教学模式的选择和课堂教学中还存在着亟待解决的问题,因此本文从探究式教学模式下出发,阐释了存在的问题,提出不同探究方法,并进行了相关探索和尝试,改进了课堂教学存在的问题,取得了较好的教学效果。
  【关键词】探究式教学  桥梁工程  模型制作
  【基金项目】2018年广州大学教育教学研究项目(黄海云,《桥梁工程》课程探究式教学方法的研究);2016年度广东省本科高校高等教育教学改革项目(孙卓,基于“卓越计划”高级工程人才培养的《桥梁工程》教学改革研究);2017年度广州市高等学校第八批教育教学改革项目(叶锡钧,“基于卓越计划《桥梁工程》的‘理论+工程+创新’高级工程人才培养教学改革研究” )。
  【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2019)18-0030-02
  一、教学现状分析
  桥梁工程作为土木工程学科的一门主干课程,是一门综合性强的课程,涉及到结构力学、材料力学、建筑材料以及结构设计原理等本科基础课程,需要学生主动融会贯通各科课程知识。同时具有工程学科实践性和应用性较强的特点,需要结合实际工程或实践活动才能真正理解和掌握。
  传统教学方式常以教材为中心、课堂理论教学为主、缺少相关的实践环节作配合,评价方式单一,导致课程知识过于枯燥、难于理解和掌握。近年来,随着我国桥梁建设事业的蓬勃发展,卓越的建设实践大力促进了桥梁工程的设计计算理论、建造工法、工程材料等各方面的长足进展,虽然这些最新发展并未能及时写入教科书中。
  在大数据和互联网技术不断发展、创新的新时代,社会对于人才的需求不仅仅满足于有扎实的基本功,同时还要富有创新能力、開放性的逻辑思维。这就需要教师运用灵活的教学手段激发、引导学生对桥梁工程的兴趣。对于高校理论课程教学的而言,则需要考虑教学研究的重心从知识传授向能力培养转变,从重视结果向重视过程转变,鼓励指导学生多发现问题、解决问题,逐步培养创新意识;需要教师根据教学实际采用适应差异、注意个性发展的多样化教学形式,以弥补传统教学模式的不足 [1-4] 。
  如何将当前桥梁发展建设新进理论、实践融入到高校桥梁工程的课程教学之中?如何根据现阶段高等教育的新要求进行教学方法的改进?这是新时代对桥梁工程课程教学提出的新问题。
  二、探究式教学法的内涵
  最早提出在教学中使用探究式教学的是杜威,他认为,科学教育不仅仅是要让学生学习大量的知识,更重要的是要学习的过程或方法,“思维起源于疑难”,应用在教学上,便是“从做中学”。从1950年到1960年,探索作为一种教学方法的合理性变得越来越明确了。
  探究式教学(Inquiry Teaching),又称发现法、研究法,是指学生在学习概念和原理,教师只是给他们一些事例和问题,让学生自己通过阅读、观察、实验、思考、讨论、听讲等途径去独立探究,自行发现并掌握相应的原理和结论的一种方法。指导思想是在教师的指导下,以学生为主体,让学生自觉地、主动地探索,掌握认识和解决问题的方法和步骤,研究客观事物的属性,发现事物发展的起因和事物内部的联系,从中找出规律,形成自己的概念。主要过程包括:给予问题、提出假设、组织探究、形成结论、进行反思。
  可见,在探究式教学的过程中,学生的主体地位、自主能力都得到了加强。探究式教学方法目前已逐渐应用到国内外的中学、高校的某些与实践相关性较大的理论课程教学中[5-7]。
  三、运用探究式教学模式改进课程教学(探究式教学模式策略)
  根据桥梁工程的教学内容、教学大纲及教学目标,综合考虑深入围绕探究式教学方法的各个相关环节,进行探究式教学模式的设计,提出适宜学生独自或小组探究的工作内容和方式,最后通过总结和评价达到教学相长的效果。主要尝试和探索包括以下方面:小组桥梁模型制作、校外主题活动、有限元建模分析等。
  (一)桥梁模型制作
  1.布置任务
  给定模型桥梁的基本设计指标(标准跨径、桥面宽度)和基本材料(木棒、木片、木板、有机玻璃棒、塑胶棒、竹签、卡纸等),结构类型、结构截面形式均不限制。目标是制作一个符合要求、结构合理、且具有一定的承载能力的桥梁模型。模型完成后采用砝码和沙包进行加载测试,承载重量与模型自重比值较高而且结构合理者为优胜。
  2.分组探究
   全班约按每5人一组分组进行探究,每组制作一个桥梁模型。各小组推荐一名组长负责主管和组织工作。各小组的任务包括:讨论模型设计方案、模型材料的选择和购买、模型制作、模型预测试、以及最后提交一份桥梁制作活动的总结报告。任务下达后,各组围绕以下问题集体进行热烈的讨论、探索和研究,这是一个小组探究的环节。
  1)桥型的比选。从承载能力大、稳定性好、自重轻、美观、易于制作,以及模型桥梁固有特点多维度考虑,选择合理的桥梁模型设计选型。
  2)总体布置参数的比选。桥型方案确定后,主要总体布置参数,包括主梁的高跨比、拱桥的矢跨比、斜拉桥桥塔的高跨比、悬索桥的垂跨比等比值,均需参考现行桥梁的参数范围,合理取值。
  3)材料的比选。结构受力和自重性能均与材料相关,结合桥型、各构件的受力特点,在给定的模型材料中,通过尝试比选出合适的模型制作材料和连接材料。
  4)细部构造的比选。虽然是模型桥梁,也是一个空间受力结构,各受力构件如何设计和连接,才能最好地发挥材料和结构的受力性能,就需要进行细部构造的探究和比选,如:主梁中纵横梁的组合与连接、桥塔与主梁的连接、支座及桥塔的稳定性、绳索如何与塔梁相连接等等。   学生往往通过查阅专业书籍、网络电子资料,到实际桥梁获得灵感,或者利用Midas有限元程序进行建模分析,了解不同桥型、各部件的受力特点,最终通过小组讨论的方式比选出解决方案。
  3.现场加载试验
   待桥梁模型制作完成后,各组一起进行桥梁模型现场展示和测试,这是一个集体探究的环节。内容包括各组桥梁模型的特点介绍、桥梁模型参数(自重、宽度、跨度)测量、利用沙包和砝码的分级加载测试、记录加载重量、桥面的下挠度等受力指标以及分析试验数据等方面。优胜规则由全班集体通过,主要由结构能否符合设计任务要求、结构受力与其自重的比值、桥梁专家针对模型桥梁受力性能的点评三方面综合的评定。
  这是个共同学习的机会,各组同学在了解本组桥梁模型承载能力的同时,也感受到其他组桥梁模型的设计思路、受力特点和性能。最后通过专家的点评和意见,更深刻地理解各模型存在的问题和不足。
  4.小結和反思
  经过模型的设计、制作和测试后,各组提交一份总结性的报告,这是一个形成结论和进行反思的环节。从各组的报告可归纳出以下几点:
  1)桥梁模型的设计与制作必须符合实际受力要求和结构设计基本原理。
  2)桥型与材料选择、细部构造、连接方式、整体与各部件间协调、合理的制作流程等都是非常的重要方面,直接影响桥梁的受力性能。
  3)实际操作过程中能将之前所学桥梁知识具体化,深入掌握了更多专业知识,完善知识空缺,且提高了个人制作模型的动手能力、强化计划任务与大局观的能力。
  4)集体探究问题时、遇到争议时同学间各抒己见、择优择良,经过团队的协作努力最终商讨出最满意的解决方案。增进了同学之间的团队协作能力、思维创作能力、以及增长同学之间的友谊和信任。
  (二)校外主题探究活动
  为了让同学们更形象生动地了解桥梁的历史和当前的发展情况,以“桥梁的发展与创新”为探究活动的主题,组织了走出校园到实际中去的课外活动,活动内容包括以下方面。
  1.实地参观附近不同时期建造的、具有技术创新意义的获奖桥梁
  通过现场参观讲解和查阅资料,可以印象深刻地了解桥梁的实际环境、实际构造和其他设计布置特点。
  2.参观桥梁博物馆
  博物馆通常系统地设有不同主题的展览厅,展示各种各样的著名的桥梁模型、部件等相关资料。如我国桥梁发展的著名桥梁模型展、世界著名桥梁模型展、本土著名桥梁模型展、施工技术模型展等等。通过这些参观展示模型,倾听讲解员的详细讲解,如游走于历史的时间长廊,经历桥梁建设的变迁。
  3.专家讲座
  邀请本土资深的桥梁设计师,开设“桥梁史话和发展”的专题讲座。该讲座从桥梁设计师的角度,更广博、更深入地剖析桥梁的不同时代、不同桥型的发展情况及其桥梁技术发展特点。设计师能结合众多工程实际桥梁,形象、生动地讲解课本没能涉及的诸多方面和问题,大大拓宽了学生们的视野和知识面。
  通过以上活动,围绕活动主题,每个学生需结合个人的关注点,完成一份探究报告。相对于课堂教学,这种面对真实桥梁、桥梁模型以及设计师,身临其境、耳闻目睹、相互交流的经历,更容易激发学生们的好奇心和学习兴趣。
  (三)有限元建模分析
  桥梁工程课程通常围绕课本,对知识的讲解以基本理论和基本方法为主,以致一些赘余自由度较多的复杂桥型(如拱桥)不便运用的手算方法进行桥梁结构的受力分析。为了让学生更好地把握复杂桥型的受力性能,布置了结合桥梁有限元分析软件进行建模计算的课外探究作业。确定了每人一题的基本设计指标,要求完成桥梁在主要荷载作用下的受力图。这需要学生探究的方面包括:着实理解桥梁的结构形式,如何使用有限元软件,如何建模进行分析,如何判断计算结构的正确性等等。最后由老师批改和做点评,明确受力规律。通过这种练习和训练,不仅提高了结构分析的技能,而且也提高了学生解决、分析和判断问题的能力,让深奥的理论知识更加形象和生动化了。
  三、结论
  通过以上探究式的课程教学探索和实践,得到以下结论。
  1)采用灵活多样的方式,考虑选题、难易度及可实现度等方面的因素,探究式教学能让学生成为学习的主动参与者,充分调动学生自主学习和主动学习的积极性。
  2)围绕教材及教学内容,课程探究的主题可选择对难点问题的剖析,也可适当进行拓展,如引入本行业领域的工程设计标准、前沿科技、最新发展动态、最新分析软件,重视与工程实践接轨,培养创新能力,体现工程教育的本质和特色。
  3)动手制作、操作等试验类的探讨活动,不仅能加深学生对理论知识的理解,而且训练了学生发现问题、分析解决问题的能力以及分工合作的团队精神。
  4)工程学科的知识源于实际工程,回到实际工程中去,让学生亲自去了解和思考,有助于知识的理解和学以致用。
  探究式教学寓教于乐,在构建融洽的师生关系的同时,构建了良好学习氛围,可推广到其他应用型课程的教学中。但同时也受到教学条件和资源的限制,如何将探究式教学人性化、合理化的运用于课程教学有待进一步探索和研究。
  参考文献:
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  [3]张俊平,禹奇才,童伟华等.创建基于大工程观的土木工程专业人才培养模式[J].中国高等教育,2012:27-29.
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  [7]高建平.建筑施工技术教学中探究式教学环境的构成要素分析[J].当代教育实践与教学研究,2016(6):41-43.
  作者简介:
  黄海云(1972—),女,广东省广州市人,广州大学土木工程学院副教授,硕士,从事桥梁新结构研究。
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