基于结构算例专题的桥梁电算课堂教学方法

熊文 叶见曙

摘要：针对路桥方向本科生桥梁电算系列课程一直存在的授课难点，提出基于结构算例的桥梁电算系列课程专题式教学模式。该教学模式试图以解决实际问题的分类形成不同的桥梁电算应用专题，以学生熟悉的结构力学习题算例入手，有目的性的对这些算例进行重新设计，使得每一算例与相应的桥梁电算应用专题一一对应。通过对简化的力学算例进行电算求解，让学生在解决具体问题的过程中，以单个专题的形式学习桥梁电算知识及其在实际问题中的应用方法。这种方法会大大减少学生进行电算理论学习时的枯燥感，跟随每一个结构算例的电算过程，不仅使得重要知识點与前期课程结构力学建立关联，而且使理论学习与实际工程紧密联系，最终培养学生理解软件、应用软件的能力，同时使学生具备基于电算理论对软件分析结果正确与否进行判断的能力。

关键词：结构算例；专题；桥梁电算；实际工程；课堂教学

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）14-0168-03

桥梁电算中的位移法理论属于结构力学的必修内容，在桥梁电算课程中没必要进行重复讲授；但是其针对桥梁这种特殊结构以及施工工艺又会有很多变化，这些变化的讲授却一直是难点。而桥梁结构实际构造复杂，直接针对复杂结构应用这些电算原理，学生又难以理解与接受。另外，以界面演示基本操作为主的桥梁电算软件讲授方法虽然学生学习起来容易，但是在解决实际问题时软件应用的变化与操作技巧却仍然缺失。如何将桥梁电算系列课程与学生在未来工作中的实际需求紧密联系，让学生更加真正掌握桥梁电算软件在桥梁计算分析中的应用，是该系列课程现阶段面临的一个教学难点，亟待解决。

针对路桥方向本科生桥梁电算系列课程一直存在的授课难点，提出基于结构算例的桥梁电算系列课程专题式教学模式。该教学模式试图以解决实际问题的分类形成不同的桥梁电算应用专题，以学生熟悉的结构力学习题算例入手，有目的性的对这些算例进行重新设计，使得每一算例与相应的桥梁电算应用专题一一对应。通过对简化的力学算例进行电算求解，让学生在解决具体问题的过程中，以单个专题的形式学习桥梁电算知识及其在实际问题中的应用方法。这种方法会大大减少学生进行电算理论学习时的枯燥感，跟随每一个结构算例的电算过程，不仅使得重要知识点与前期课程结构力学建立关联，而且使理论学习与实际工程紧密联系，最终培养学生理解软件、应用软件的能力，同时使学生具备基于电算理论对软件分析结果正确与否进行判断的能力。

一、改革措施

（一）建立专业知识与前期课程的关联点

该教学模式主要措施之一，就是通过简单结构算例的设计，将桥梁电算专业知识与前期课程进行关联，将简单结构算例作为桥梁让学生基于先学课程内容很自然地过渡至新的桥梁电算知识点中。例如通过结构力学简单梁结构体系说明桥梁实际结构与有限元模型之间的转换关系；利用结构力学简单杆系结构合理简化实际桥梁结构，其正确数值模拟结构复杂构造与力学行为；利用结构力学的基本概念判断数值计算结果的正确性与适用性。

（二）建立专业知识与实际工程应用的关联点

任何桥梁专业知识均为实际工程服务，每一个实际工程的背后都蕴含着理论知识，都是被课堂上所学的专业知识所支撑。该教学模式发掘并建立桥梁专业知识与实际工程应用的关联点，然后以结构算例作为关联点为入口在课堂上引出教授的专业知识。以实际工程作为应用背景建立简单结构算例，从而引入桥梁电算专业知识，避免枯燥被动的去接受。这种教学模式还能使理论知识点与实际应用紧密联系，在教授理论知识的同时就将其实际应用的方法告知，使学生在未来的工作中始终建立在理论指导的基础上，确保专业判断的准确性。

（三）建立桥梁概念设计理念

该教学模式中，简单结构体系的力学概念贯穿其中，对所有桥梁结构按力学类型进行分类讲授，加强对学生创造理念和能力的培养，即不仅教简单结构体系设计的基本功，更重要的是培养学生进行基于简单结构体系以及相应数值计算结果分析的概念设计的创造能力。让学生理解“正确的概念设计将指引我们不断进步和取得成功，而错误的概念设计却会把我们引入歧途”这句话。

二、实施方案

在实际教学过程中发现，桥梁工程软件针对实际桥梁结构的正确应用方法是整个教学内容的难点，主要体现在以下几个方面：1）实际桥梁结构的简化建模方法；2）实际桥梁荷载的合理等效方法；3）软件计算结果的定性判断方法；4）实际复杂构件及力学现象的有限元处理方法；5）实际桥梁结构设计/验算完整过程的软件实现方法。但是，现阶段的教学方法难以很好地解决这一教学难点，主要是缺乏课堂教学内容与实际桥梁工程之间的有效衔接，往往学生学习了一个学期的既定教学知识，研究或工作中面对实际桥梁问题时仍然不知道如何正确、合理、系统地应用软件来解决。

基于结构算例的桥梁电算系列课程专题式教学模式按桥梁工程软件关键使用功能与复杂桥梁结构主要设计内容之间的对应关系，分为以下六个专题，进而分别按该六个专题进行基于实际桥梁工程的教学案例的设计与建立，在桥梁软件使用方面，将教学内容与实际工程应用之间建立一个系统且有针对性的理论联系实际的桥梁，让学生不仅全面扎实地掌握桥梁电算理论知识，而且可以通过桥梁软件学以致用，在实际桥梁工程应用中充分发挥理论指导实践的作用。

（一）桥梁结构非线性分析专题

结构算例设计：具有微小倾角的二力杆在集中力作用下非线性特性计算算例（图1（a））。

工程背景：基于望东长江大桥的超长斜拉索的非线性特性，建立拉索垂度效应计算案例；通过ANSYS有限元非线性分析模块的使用，结合望东长江大桥实际拉索设计结果，说明ANSYS桥梁工程软件分析结构非线性特性的具体应用步骤与方法，同时加深学生对结构非线性迭代分析计算原理的理解。

（二）斜拉桥索力优化方法

结构算例设计：仅设置一根拉索的简单斜拉桥体系索力优化算例（图1（b））。

（三）桥梁活载影响面加载分析方法

结构算例设计：利用简支梁与等间距的汽车荷载进行桥梁活载影响线加载算例。

工程背景：基于安徽省典型独柱墩桥梁的抗倾覆偏载验算实例，建立桥梁活载影响线加载案例；通过ANSYS有限元动态规划分析模块的使用，结合实际项目中独柱墩桥梁活载偏载计算时纵横向影响线加载分析全过程，说明ANSYS桥梁工程软件进行活载影响線加载的具体应用步骤与方法，同时加深学生对动态规划理论与实际应用方法的理解。

（四）复杂桥梁梁格建模方法

结构算例设计：利用集中力与面荷载针对板梁建立多种形式的梁格模型算例。

（五）桥梁结构徐变效应计算方法

结构算例设计：利用VB程序自己编制的混凝土-钢组合桥塔徐变计算算例。

工程背景：基于苏通大桥主塔设计实例，建立混凝土桥塔徐变效应分析案例；通过ANSYS有限元二次开发功能的使用，结合实际项目中桥塔徐变对结构体系的影响分析，说明ANSYS桥梁工程软件进行混凝土结构徐变分析的具体应用步骤，同时加深学生对徐变效应所引起的内力重分布现象的理解。

（六）悬索桥设计分析建模方法

结构算例设计：基于弹性理论的悬索桥结构计算算例（解析解公式推导）。

工程背景：基于舟山西堠门大桥设计实例，建立悬索桥合理状态确定方法案例；通过ANSYS有限元循环迭代功能的使用，结合实际项目中主缆找形分析全过程，说明ANSYS桥梁工程软件进行悬索桥合理状态分析的具体应用步骤，同时加深学生对悬索桥主缆-主梁设计力学状态确定方法与原理的理解。

学生通过教师设置的简单结构力学算例对想要验证的力学模型与力学概念进行研究，可以直观地得到问题的解答。这种方式让学生带着兴趣与思考去主动理解桥梁结构专业知识，从而完成桥梁结构计算分析部分的学习，同时加强对学生创造理念和能力的培养，即不仅教结构设计的基本功，更重要的是培养学生进行概念设计的创造能力。

三、教学理论与实践效果

首先针对教学中的结构构造数值建模方面的教学难点，该教学模式试图将桥梁结构构造与其背后蕴含的力学概念紧密联系，通过让学生理解构造设计的力学概念来学习桥梁的构造设计。这样，学生在学习过程中可以将之前所学的《结构力学》、《结构设计原理》以及《桥梁工程》等先期课程与桥梁电算类课程的学习顺利衔接，从学生既有的简单的结构力学概念知识入手来学习构造建模，理解上也会水到渠成。

针对桥梁结构计算部分，本文提出的教学模式是以实际工程为背景的专题式力学算例为讲授主线，首先将计算基本原理与方法通过对概念的深刻理解灌输给学生，让学生先定性地接受计算分析方法，然后再通过简单的结构力学模型与算例来证明定性分析的结果。这种讲授方法可以减少计算公式推导过程的枯燥性，让学生带着兴趣与思考去主动推导公式，从而完成桥梁结构电算分析部分的学习。

在整个教学过程中，力学概念贯穿其中，对所有桥梁结构按简单的结构力学算例进行分类讲授，加强对学生创造理念和能力的培养，即不仅教桥梁电算的基本功，更重要的是培养学生进行概念设计的创造能力。

所以本教改的中心理念是利用简单结构力学算例，结合实际桥梁工程背景，将学生既有力学、结构知识与该课程教学内容紧密联系，让学生在力学概念上运用结构基本知识对教学难点进行理解与接受，进而再进行简单结构算例的讲授与定量的分析来证明之前已接受的定性分析结果，这种方法会大大减少学生由于一开始对教学难点的不理解从而放弃对后续知识学习的兴趣。通过建立桥梁电算专业知识与前期课程的关联点，以及建立桥梁专业知识与实际工程应用的关联点，最终培养学生进行概念设计的创造能力。

基于结构算例的桥梁电算系列课程专题式教学模式不仅可以用于桥梁电算类课程中，还可以用于相关课程，如《桥梁工程》等专业课程。事实上，只要是基于《高等数学》、《结构力学》、《结构设计原理》等结构专业基础课内容的相关课程，以实际工程项目为背景，均可以采用本文提出的教学模式。

四、未来研究方向

1.学生对基础知识或者前期知识的掌握水平存在差异，如何选择更为合适的前期知识来建立结构算例与桥梁工程专业知识之间的联系还需要在后续的课堂教学中不断改进；

2.进一步加强《桥梁实习》这种实践类专业课与桥梁电算类专业课之间的联系，将结构算例的思想贯穿在实践类与理论类专业课程中，使本文提出的教学模式能够更好地发挥其预定的教学效果；

3.结合正在进行的实际桥梁工程建设，不断更新与补充桥梁专业知识与结构算例以及实际工程应用之间的关联点；

4.继续进行桥梁电算类该教学模式的课程建设工作，并应用于硕士阶段的桥梁电算类课程，形成本科教学与硕士教学在基于结构算例教学模式上的良好衔接。

参考文献：

[1]熊文，叶见曙.基于人机交互平台的《桥梁工程》课堂教学方法[J].教育教学论坛，2015，（8）：175-176.

[2]潘文军，吴辉琴，邹万杰.结构可靠度理论课程教学改革与实践[2].大众科技，2013，15（172）：173-175.