談開設結構模型制作課程的必要性和可行性

張婧媛 杜德潤 盧雯珺

(中國海洋大學工程學院，山東青島 266100)

0 引言

近年來，隨著土木工程教學越來越重視學生實踐能力的培養，以此為目的的各種大學生競賽活動也應運而生。結構模型設計大賽便是其中較為成功的一例。面對該項賽事在高校中產生的良好影響，我們考慮是否能將結構模型大賽的成功經驗轉化為教學資源，并以此為基礎創建土木本科教學的創新實踐平臺，使學生在實踐中綜合運用所學知識，增強其創新意識和動手能力。為此，我校土木工程專業擬開設《結構模型設計與制作》這門課程。

然而，由于目前尚無高校開設此類課程，我們對于設立該課缺乏經驗指導，對課程形式、講授內容以及同學們的期望均沒有明確答案。為此，我們面向學校土木工程系全體學生進行了問卷調查(發放問卷314份，收回有效回饋287份)。以下我們將根據調查結果，對課程開設的必要性和可行性進行分析。

1 課程開設的必要性

1.1 學生具有濃厚的興趣

我們對于“是否支持開設該課程”和“是否了解結構設計大賽”這兩個問題的答案進行了統計。其中，250人支持該課程的開設，23人不支持，14人認為無所謂。進一步調查發現，大多數人對于結構設計大賽不了解，僅有少部分人有所了解，僅有9人對此非常了解。

具體結果如圖1所示。

圖1 課程開設調查結果圖

從調查結果可以得出兩點結論:

1)同學們對于實踐性課程具有較大需求，希望能通過實踐課程或者活動來提高自己的專業水平和動手能力。

2)我校土木專業大多數同學對于結構模型和結構模型試驗并不了解，甚至從來沒聽說過。這說明我校在此方面的活動投入力度和參與程度都較少。

3)對于該課程，還有極少部分同學持保留意見或不支持態度，如何更好地推進該課程的實施，讓更多地同學都參與進來也是本科教學應當多加考慮的問題。

1.2 完善實踐課程的建設

通過對各高校土木專業課程設置的調查發現，目前土木專業本科開設的實踐課程可以分為:實驗課和實習課兩大類。以土力學實驗、建筑材料實驗為代表的實驗課程，旨在讓學生通過親自動手增強對知識的理解。此類實驗均為驗證性實驗，試驗方法是固定的，實驗結果是已知的。另一類以工程測量、工程制圖為代表的實習課程，目的是令學生在實踐中熟練掌握課上所學知識，通常為儀器使用的練習和制圖方法的練習。

從學生實踐能力的培養角度來看，這兩方面的實踐都是不可或缺的。但這兩種實踐課程有一個共同的問題——學生在實踐中缺乏自主性，沒有自由發揮的空間。例如，大多數的實驗課程多以實驗指導書為指導，學生只需完成數據整理和處理即可，很少有同學能夠真正對實驗中出現的問題進行思考和分析，成績評定也僅僅根據學生們給出的實驗報告給出，評價標準較為單一。而課程設計等方面的實習，因為自身條件的限制，大多數學生也是照本宣科，許多學生都只是對著書本上的公式一通亂套，對于其中的原理大多都云里霧里，且由于課程設計題目較為單一，可能存在學生之間互相抄襲修改的現象。這顯然是與課程設計本身的教學目的相悖的。由此可見，傳統的實踐課程在教學模式、成績評定等方面都存在比較多的問題，這一方面遏制了同學們的創造力，另一方面也會使學生在重復的操作中失去興趣。而《結構模型設計與制作》課程的開設恰恰能夠彌補二者的不足。在結構模型的設計階段，同學們通過對不同體系的分析比較，能夠更加深刻地體會到不同結構體系對力傳遞方式的影響。在此基礎上選擇最優的方案，并根據自己的審美設計出形態各異的優美造型。這不僅需要學生綜合運用力學知識，而且需要最大限度地發揮其創造力。既能提高自己的動手能力，也能增強團隊合作意識，有利于培養學生的綜合素質。

1.3 增強學生的工程實踐經驗

例如，截面設計是大多數模型設計的重要環節，在這個過程中，我們通常以材料力學的基本假定為理論依據進行計算和比較，但學生實際制作時會發現，木條的拼貼對于材料的性能影響比較大，膠水的均勻程度、厚度等都會對模型產生影響。即使我們考慮了結構的長細比等穩定性因素，把可能的理論上的破壞形式都想齊全了，但做加載試驗的時候，我們會發現有許多構件是在接縫處劈裂破壞的，這都是在實踐中才能獲得的寶貴經驗。通過結構模型設計這門課程，學生可以對以前學過的翹曲現象、裝配應力概念等課本中的知識有更好更清晰的認識，也增強了學生的工程實踐經驗，意義重大。

1.4 學科建設意義

作為被教育部認定的五大學科競賽之一，結構設計大賽在各大高校的推廣和開展是十分必要的。而開設“結構模型設計與制作”這門課程，可以使土木院校與校際、省級、全國結構模型設計大賽直接對接。特別是全國結構模型設計大賽是各高校土木專業的力量展示，我校有優秀的師資和優秀的學生，開設結構模型制作課程，可以給學生提供到各競賽平臺去展示自己的機會，同時促使土木專業學生形成良好的學習、實踐氛圍，對土木專業建設將大有裨益。

2 課程開設的可行性

1)結構形式簡單。在這里我們所說的結構模型是指由桿件組成的力學結構體系，而不是實物模型。所以相比于實際工程模型，這些模型具有形式簡單、傳力直接、便于分析等優點，這正符合本科生的學術水平。因此，在本科教學中開設這門課程是非常恰當、可行的。

2)成本較低，易于推廣。模型試驗是土木工程研究的一種常用方法。為探究某種結構形式的受力特性，研究者往往按照一定要求將實際結構按比例縮小，并用與實際相同或性能相近的材料制作結構模型，然后進行加載試驗。

然而，考慮到本科生人數較多且學術水平不高，沒有必要也沒有能力對大型實物模型進行試驗和研究。在《結構模型設計與制作》這門課上，我們擬使用木條、白卡紙等廉價、方便的材料進行模型制作。這一方面大大降低了模型的成本，保證了課程的順利開展。

3)安全性好，易于教學。用木質材料、紙質材料和膠水、剪刀等簡易工具制作模型，過程簡單安全，無需老師值守監督，適合大小班分小組進行。

4)符合“寬口徑、應用型人才”的培養要求。結構模型設計課程作為一種教學模式的創新，深入貫徹了以學生作為主體的理念，學生親自選型，親自動手，完成一項項充滿挑戰性的工作，通過克服困難，自主解決問題，來增加學生的工程實踐經驗和創新能力，切合了土木工程專業對應用型人才的培養要求。

3 開設建議

1)建議課程采取分組形式進行，3人～4人一組，成績考核方式可以以給定題目完成作品質量為標準進行打分。

2)建議該課程設置在大三學年進行。經過材料力學、結構力學等學科基礎課的學習，可以使學生擁有較好的理論基礎，模型設計與制作也會更具專業性。

3)可嘗試實現該課程與建筑結構試驗課程的相互融合。建筑結構試驗中的模型試驗對模型在材料、幾何等方面的可比性提出了要求，這與結構模型設計與制作課程的許多思想不謀而合，因此可以將建筑結構試驗中理論性的內容和知識運用到結構模型制作上。

［1］ 程 濤.結構模型設計競賽與土木工程專業教學改革［J］.力學與實踐，2010(6):56-57.

［2］ 袁大偉，韓 春.將“結構模型設計競賽”納入土木工程實踐教學環節的探討［J］.新課程研究，2011(8):39-40.