传统工科课程在新工科建设要求下的改革

摘要：根据教育部“新工科”人才培养模式的设想，要将学生培养成为具有“形而上”观念、使命感和价值感、空间感、关联力、想象力、宏思维、批判性思维的新一代工程师，传统工科专业课程既要缩短课时，同时还要培养学生的思考能力和自学能力。本文以“桥梁工程”课程为背景，转变原有以培训工作技能为目标的教学思路，探索加强结构概念、减少具体细节的教学方法，培养学生的工程思维能力。
 
关键词：桥梁工程、新工科、教学法   教育教学论坛
The Reform of traditional Engineering Curriculum under the requirement of New Engineering Construction
 
Shi Xuefei Li Ke
 
Shanghai 200092, Department of Bridge Engineering, Tongji University
 
Absrtact: according to the idea of "new engineering" talent training model of Ministry of Education, students should be trained to have "metaphysical" concept, sense of mission and value, sense of space, connection, imagination, macro thinking. A new generation of engineers in critical thinking, the traditional course of engineering not only shortens the class hours, but also trains the students' thinking ability and self-study ability. Based on the course of "Bridge Engineering", this paper changes the original teaching thinking which aims at training work skills, explores the teaching methods of strengthening the concept of structure, reducing the concrete details, and cultivating the students' ability of engineering thinking.
 
Key words: bridge engineering, new engineering, teaching method
以信息、智能技术全面渗透为特点的新一轮科技革命与产业变革，需要复合型、掌握信息技术的高级工程技术人才，这对我国工程技术人才的培养提出了新要求。为此，教育部2017年起提出建设新工科人才培养模式的设想，经复旦共识^[1]、天大行动^[2]和北京指南^[3]，构成了新工科建设的“三部曲”，开拓了工程教育改革新路径。教育部2018年经过遴选确定了612个项目为首批“新工科”研究与实践项目，探索建立“新工科”建设的新理念、新标准、新模式、新方法、新技术、新文化，实现从学科导向转向产业需求导向、从专业分割转向跨界交叉融合、从适应服务转向支撑引领^[4]。
在新工科理念下，除需建设针对新产业的专业外，更重要的是要对传统工科专业进行改造，这就要重新定义专业边界、改造传统工科课程内容与教学方法。本文以“桥梁工程”这门工科专业课程为例，阐述传统的工科课程在新工科理念下教学内容的改造。

1、传统工科专业课程教学改革的需求

并不是“老工科对应的是传统产业，新工科对应的是新兴产业”，新工科的新体现在新素养、新结构、新方法上^[5]。新素养要求培养工程师具有“形而上”观念、使命感和价值感、空间感、关联力、想象力、宏思维、批判性思维。新结构要求则根据培养上述新素质的要求，重新进行培养计划、课程及知识点的设置，着重关注学科交叉。新方法则要求教学从知识点的教学转变为培养学生的思考能力、自学习能力。
我国传统工科的教学仍然受原苏联教学模式的影响，建立了一套完整的工程教育科学体系，其特点是将工程中的问题高度抽象化、规律化，这样的教育体系可以使学生知识结构全面、系统，具备工程师所必备的知识。例如土木工程专业从数学教学开始，再到力学、材料，然后是构件设计，最后到整体结构设计。对于整体结构设计的专业课，例如桥梁工程，主要介绍各种桥梁形式的构造特点、计算方法、施工方法。按照这种培养方式，经过比较扎实的训练，学生对学过的桥型能够遵照规范进行完整的设计，在我国建设高峰期、专业划分很细的情况下，培养出来的学生能够直接从事本专业内的技术工作。但是随着产业市场变化以及新技术的出现，原有教育方法呈现两方面的不足：一是学生的创新力不足，二是新技术、新材料的出现使课程内容越来越多。
从上述分析看，要使传统专业课程适应新工科教学体系，必须进行两方面的改造：为了加强交叉能力的培养，必须拓宽学生的知识面，这势必要进一步压缩原有专业课的课时。而在有限的课时内，又要培养学生的思维能力，淡化原有知识点的教学。

2、桥梁工程教学内容改革的思路

经过若干次的教学改革，目前的专业课学时已比原有细分专业阶段减少了很多，如何进一步减少课时，适应新工科建设的要求，是传统工科专业课程改革的重点。
以土木工程专业中桥梁工程方向的桥梁工程课为例：1998年之前，设置桥梁工程专业时，桥梁工程课总共有12学时。1998年桥梁工程合并成土木工程的桥梁方向后，桥梁工程课减少到8学时。2013年制定卓越工程师培养计划时，桥梁工程课进一步减少到5学时。
以往土木工程专业中针对非桥梁方向设置少学时的桥梁工程课，例如道路或者隧道方向设置3学时的桥梁工程课。这种少学时桥梁工程仍然采用介绍几种桥型的构造、计算与施工方法的内容组织方法，只是讲述的桥型比较简单，主要讲述简支梁桥，少量介绍拱桥。实际上目前国内很多不把桥梁工程作为主要方向的土木工程专业，均采用这种少学时的设置方法。
在新工科建设时是否也采用这种减少传统专业课学时的方法呢？例如，在本科阶段只讲述简支梁桥，到研究生阶段再讲述其它比较复杂的桥型。这种做法只起到了减少学时的作用，不能体现新工科培养学生交叉、关联、创新能力的要求。
调研国外设置土木工程专业的大学，例如美国加州大学伯克利分校、里海大学、布法罗大学等学校的土木工程专业，只是把桥梁工程作为所有结构形式的一种来讲述，学时很少。但是他们的毕业生思维却很活跃，这也体现在国外桥梁设计方案创新性上。
要达到减少课时又培养学生创造性思维能力的目的，应该转变原有以培训工作技能为目标的教学思路，通过加强结构概念教学，减少具体细节的方法减少课时。着重引导学生思考功能要求与受力的关系，引导学生思考构造与力学特点、材料、施工方法的关系，加强设计计算方法形成的原因教学。
目前的教学环境为上述改革提供了条件。网络的普及使具体桥梁结构资料的获得非常容易，设计分析手段进步使以往比较难于掌握的结构分析变得相对容易，这些都为淡化讲解具体桥型的构造、计算、施工创造了条件。
以下从桥梁结构构造、桥梁结构分析两方面介绍教学内容改革的具体措施。

3、桥梁结构体系及构造教学内容改革

桥梁结构体系及构造是桥梁工程课程中的主要内容。随着桥梁结构体系、建筑材料、施工技术的发展，桥梁的构造形式越来越多。以往的做法是选择工程中常用的形式讲述，讲课的内容往往滞后于工程技术的发展。由于课时限制，能选择的范围也比实际工程小很多。这是目前桥梁工程教学面临的主要问题之一。
桥梁的结构体系、构造形式选择是由建桥环境、功能要求、力学体系、材料、可行的施工条件等因素决定的。因此将讲课内容从有什么构造形式，转变为上述因素对构造形式的影响就能节省课时，又能引导学生向工程问题导向方向思考。
对于桥梁结构体系，从以下几个方面讲述其与决定因素之间的关系：
①桥梁的跨越功能要求、所处环境决定了桥梁的受力形式；
②桥梁的行车功能、荷载、可施工性决定了桥型的特点及适用范围；
③构造与功能、受力、施工方法、经济性紧密结合。
对于具体的桥梁构件，将传统的介绍几种桥型构件具体数据转变为讲述决定桥梁形式及尺寸的因素。
①针对梁的外形，讲述荷载作用、受力性能、施工便利性与截面变化的关系。例如，当变截面增加的荷载作用在梁的支点附近时产生的弯矩小，而作用在跨中大，因此简支梁不适合采用变高度；对于移动模架、顶推等施工工艺施工，采用等截面梁虽然材料用量较多，但是施工成本却较低。
②针对截面形式选择，讲述结构力学梁与实际梁的区别。结构力学梁是一条线，没有形状、没有高度、宽度，只有截面特性，而实际梁都具有空间形状。所以，教学中不是简单讲有什么截面形式，而是讲影响实际梁截面形式选取的因素，包括受力性能最好、使用功能需求、材料特性、施工方法。从受力角度看，对于受弯的梁，工字形与箱形截面效率最高，但是箱型截面制造复杂；如果采用分条预制的方法施工，采用多根工字形组成截面就比较方便，而采用节段预制拼装施工方法，采用箱型截面比较方便；对于大跨度桥梁和弯桥，主梁承担的抗扭大，因此采用箱形截面。通过上述影响因素的分析，启发学生分析问题的路径，掌握工程决策的特点。
③针对梁的构造细节，以已有的构造细节为例，分析这些细节形成的过程以及可能的变化。例如，对于混凝土T梁桥，讲述为什么要设置横梁，分析无横梁可以吗？在什么情况下不设横梁。
桥梁构造在业界的各种做法都是有其存在的理由的，在课程中不可能全部介绍，分析一些构造形成的过程培养思考方式，才能使学生在将来的工作中针对具体工程特点形成特有的构造，这才是创造性的思维。

4、桥梁结构分析教学内容改革

桥梁结构分析是桥梁工程教学中的另一个主要内容，在课堂讲解中占一半以上的学时。随着桥梁结构形式的增加，结构分析的内容也越来越多，在课程中不可能将工程中所有结构形式的分析全部进行讲述。而以往用人单位往往反应学生不能胜任实际工程的结构分析，很容易出现漏项的情况。
通过调研发现，学生普遍反映在结构分析时的主要困难是针对实际结构感觉无法下手。因此教学的改革应该从加强学生结构分析的大局观着手。
所有结构工程设计分析都是近似简化分析，分析的目的是保证结构安全，同时尽量简化分析的过程，因此就存在计算精度与计算效率协调的问题。
首先需要培养学生根据结构特点确定所需计算内容的能力。要培养这个能力，就需要引导学生分析桥梁所处的使用环境、不同桥型的传力途径，从而确定保证一座桥梁安全所需要的分析内容、确定在各种工况下选取的作用。
其次，要引导学生分析上述需要计算的内容有什么可行的计算方法，如何选择？从目前已有的分析手段看，采用精细的有限元方法，可以解决绝大部分结构计算分析问题。但如果全部采用这种方法，将使计算的效率大大降低，不适合工程设计计算。对结构做适当的简化，采用近似解析分析仍然是工程中常用的方法。近似方法的精度与简化程度取决于如何对结构做简化假定，随着计算手段的变化，这些方法本身也在变化。因此在结构分析教学中应该转变原有讲述计算方法本身的做法，重点讲述计算方法的假定，以及为什么做这些假定？假定在什么条件下成立？在计算手段进步后，如何改进计算方法。
以桥梁的活载计算为例。首先分析活载在桥面上随机空间分布的特点，这个特点要求采用空间结构模型进行影响面加载。影响面分析工作量大，所以通常简化后采用比较简单的单梁影响线加载。为了使简化方法精确，就必须引入横向分布系数，采用不同的简化方法，得到的横向分布系数就不同。以往的教学中，一般直接教授采用横向分布系数计算活载效应的过程，在改革后，转变为主要引导学生理解横向分布方法建立的过程，以及启发学生思考根据现有的手段如何改进横向分布的算法。
再例如对于超静定混凝土桥梁中预应力效应的计算。以往的教学也是直接讲解几种计算超静定结构预应力效应的过程，但这一过程比较复杂，再加上初内力、次内力、线性变换、吻合束等抽象概念，以往的解析分析难于把握。而采用有限元软件后，虽然可以直接计算预应力产生的总效应，但是无法看出预应力作用的组成。改革后，主要引导学生思考预应力在超静定结构上产生的效应特点，从力学概念上启发学生理解引入述次内力、线性变化、吻合束等概念对设计过程的帮助，再在利用限元方法分析的基础上，分析预应力配束的合理性。从而理解利用有限元软件进行预应力效应分析的对策：①计算外荷载内力，得到弯矩图；②按弯矩图计算预应力束的大小及形状，与简支梁类似；③验算总预应力效应；④如果次弯矩是负弯矩说明负弯矩区初弯矩总体太大；⑤如果次弯矩是正弯矩说明正弯矩区初弯矩总体太大。
综上，结构分析教学内容的安排，根本上要引导学生从结构分析的需求出发，主动寻求解决问题的思路。这样在将来的工作中就能够以不变应万变。 

5、结论
本文以土木工程这个传统工科专业的专业课程“桥梁工程”为例，分析了新工科建设中传统专业课程教学内容改革的方向，得到如下结论：

①专业课的改革之路是加强概念教学；
②培养创新能力的手段是引导学生思考；
③思考的出发点是从需求出发，如何利用建设条件满足需求；
④结构分析注重从分析的目的出发引导学生从宏观上把握分析的过程。

参考文献

1、“新工科”建设复旦共识，教育部网站，2017-02-23
2、“新工科”建设行动路线（“天大行动”），教育部网站，2017-04-12
3、新工科建设指南（“北京指南”），新华网，2017-06-13
4、教育部办公厅关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知，教高厅函〔2018〕17号，2018年3月15日
5、李培根，工科何以而新，机械工程导报，2017年第2期