以結構設計競賽為契機促進創新實踐型人才的培養

黃晉

土木工程專業是理論性和實踐性都很強的工科專業，為社會培養從事建筑工程設計、施工、管理人才的工程類學科，因此要求學生同時具備扎實的理論基礎和較強的創新意識和實踐能力[1]。結構設計大賽是國家批準全國大學生9個學科競賽項目中唯一和土木類學科關系緊密的一項賽事。大賽題目涉及復雜荷載下高層建筑結構、橋梁結構、桁架結構、大跨度懸挑結構、高壓輸電塔等的承載能力。該賽事要求參賽者有一定的理論知識設計出模型，還需要一定的動手實踐能力將模型從圖紙變成實物，并在競賽過程中，考驗參賽者的心理承受能力、現場應變能力等綜合素質。與常規教學相比，結構設計競賽在培養大學生創新能力、工程實踐能力以及綜合運用能力方面具有更好的效果，從而受到全國各類土木兄弟院校的高度重視。

一 大學生結構設計競賽綜述

開展結構設計競賽的目的是通過構建高校工程教育創新實踐平臺，是讓學生綜合運用所學相關的專業知識去分析解決問題，可以培養大學生創新意識、團隊協同和工程實踐能力，提高創新實踐型人才的培養質量。[2]結構設計競賽的內容通常為給參賽小組某些特定的材料，在規定時間內制作出一個符合賽題要求的結構模型，通過對模型的加載實驗，綜合考慮模型的造型設計、理論計算、制作工藝、現場答辯、加荷等級等方面因素選出輕質高強的模型作為獲獎作品。

1. 模型設計，結構設計競賽為了鼓勵參賽者的創新思維，倡導“百花齊放、百家爭鳴”，只要模型滿足賽題尺寸方面的要求，任何結構型式都可以。結構選型的基礎在于通過SAP2000、MIDAS等有限元分析軟件對不同的結構型式進行建模對比分析，然后通過持續的加載實驗對模型進行修正和完善，最后確定模型的結構型式。一個通過奇思妙想、小心論證、精心設計的結構型式，不僅體現了對學生所學知識的綜合運用，也必然體現學生的創新思維。

2. 理論計算分為手算和電算兩部分。手算是學生通過所學的力學基本原理對模型中的某一榀結構進行簡單的受力分析；電算則是一般用SAP2000及MIDAS等結構分析軟件對模型進行3D建模、賦予材質特性、然后進行結構加載，在程序的后處理平臺中獲取數值模型的各項應力、位移等數據，接著對數據進行統計分析，從而優化模型。

3. 模型的制作是將設計變成實體的過程，大學生結構設計競賽模型制作材料通常是一些易得、輕便、廉價且容易加工的材料，因此競賽材料通常有白卡紙、木竹材、線繩、膠水等，模型制作時必須充分的了解材料的拉壓彎、剪、扭等各種力學性質，根據軟件對模型構件內力的分析有的放矢采用合適的材料用來制作該構件。由于材料內部的缺陷會導致模型局部應力集中，甚至整體失穩，因此要對材料進行打磨加工，目的是讓各類材料材質均勻，重量基本相等，最后在此基礎上制作出輕質高強的模型。

4. 設計計算書和現場答辯，設計計算書是對于模型設計意圖的詳細闡述，反映了學生運用理論知識解決具體問題的綜合能力。現場答辯是專家評委根據參賽者提交的計算書以及制作好的模型，針對性的向參賽者提出相關專業問題。設計計算書的撰寫可以讓學生通過進一步清晰理解模型的設計思路，深化對相關力學知識的理解與運用。現場答辯可以反映學生的思維陳述能力和語言組織能力。

5. 加載試驗是根據賽題要求，參賽者自主選擇加載的級別，對模型進行加載實驗。模型的加載存在許多不可預知的偶然因素，有可能之前加載成功的模型但是在比賽現場加載失敗，因此，就要求參賽學生平時多做模型進行加載，對可能會出現的問題了然于胸，注意 細節，精益求精，在比賽現場制作模型時避開曾經出現過的問題，可以培養學生嚴謹，細致的學習方法和處事方式。

綜上所述，結構設計競賽要求參賽學生綜合運用所學的數學、材料、力學、結構等相關知識設計出模型，采用SAP2000及MIDAS等結構分析軟件對模型進行分析計算與優化；最后通過模型制作將優化的理論模型轉化為實際的結構模型。通過設計、制作、試驗等一系列的過程，鍛煉和培養了學生的創新設計能力、實踐動手能力和團結協作精神。

二 結構設計競賽對土木工程專業學生創新實踐意識培養的促進作用

（一）基于結構設計競賽的創新實踐意識內涵

現代工程的本質在于將工程理論科學知識應用于實際工程。結構設計競賽中模型的設計、制作、加載等一系列過程實際上就是將理論知識應用一個簡化工程結構模型的過程。競賽模型的設計幾乎涵蓋了土木工程專業中數學、材料、力學、結構等課程的大部分內容，需要把這些知識融會貫通，同時還需要創新思維。模型的制作過程是動手操作并不斷改進和優化的過程，需要在團隊的協作下實踐和探索，模型的加載試驗則是對這些能力的評判和檢驗[4]，因此，基于結構設計競賽的創新實踐意識內涵包含以下幾部分，如圖1所示。

圖1 基于結構設計競賽的創新實踐意識內涵

（二）結構設計競賽對培養創新實踐型人才的促進

1. 有利于培養學生的團結協作精神，傳統的教育模式是學生通過上課獲取理論知識，課后通過做習題鞏固和深入理解所學理論知識，并嘗試著用理論知識去分析解決一些實際工程問題，一般不需要與其他同學進行分工協作。而結構設計競賽由于過程較為復雜，單打獨斗不可能完成比賽，需要通過參賽小組成員一起分工協作、互相配合完成比賽，每個參賽小組通常是由3名來自不同的年級、不同專業的學生組成，如圖2所示，每個成員在小組中分工明確，遇到問題從不同專業、不同角度提出自己的意見看法，然后綜合在一起討論、分析，共同解決問題。因此，競賽中團隊成員之間互相配合、取長補短，發揮各自的最大優勢，獲取最好成績。

圖2 結構設計競賽小組成員(a)不同專業； (b)不同年級的比例

2. 結構設計競賽能夠培養學生的創新能力。首先，結構選型沒有固定的結構型式，可以讓學生充分發揮自己的想象力，有較大靈活性供不同專業的大學生發揮創造能力，為了使模型輕質高強，學生可以根據自己平時的觀察、思考以及學到的專業知識選擇合適的結構型式。其次，在確定結構型式后，參賽學生要運用所學到的知識對結構進行分析，不斷優化，這需要融合數學、材料、力學、結構等學科知識去分析問題，將這些知識進行綜合、拓展及延伸的過程可以培養學生的發散性思維和創新能力。最后，結構設計競賽是以“學生為主，老師輔導”模式進行的，整個競賽過程中學生始終處于主導地位，獨立思考、創作、創新，老師只是起著輔助的作用，因此能夠促進學生專業綜合技能，發掘創新思維，培養創新實踐能力，有效克服常規教學實踐存在的一些缺點[6]。每一屆的結構設計競賽都會有一批別具匠心、制作精巧、形式新穎的作品，充分表明結構設計競賽在激勵學生創新能力方面的積極作用。

圖3從創新意識的三個方面，對連續參加過兩次和三次院校級別結構設計競賽學生的結構模型進行針對性搜集調查，通過對比分析，發現有72%、67%和70%的第二次參加競賽的學生分別在結構概念設計、結構優化創新思維以及探索精神上有明顯的改善，相對于他們首次參賽的作品，第二次參賽作品結構設計更為合理，模型的優化更加徹底。而第三次參賽同學充分吸取了前面參賽各種失敗和成功經驗，有了幾次比賽歷練和積累，加之理論基礎基本到位，在創新意識的各方面表現得更加完善，最終的獲獎作品往往出自于他們。

圖3 不同參賽次數同學創新思維的對比

3. 結構設計競賽能夠培養學生的實踐動手能力。傳統教學重理論而輕實踐，但社會需求的是兼備理論知識與實踐能力的綜合性人才。結構設計競賽中一個優秀的結構模型正是理論模型與精心制作想結合的成果。而且在實際動手制作模型和加載的過程中，可以檢驗模型設計階段理論研究的正確性，能及時發現存在問題、糾正錯誤，保證模型加載的成功。還可以通過實際制作過程中的偶然現象發現新的創新機會，實現更大的突破。

圖4 模型構件與節點處理

在結構設計競賽準備過程中，每支隊伍平均2～3天就要制作一件成品模型，每制作一個模型，都對材料、工具的應用有了更深刻的認識，模型制作水平不斷的得到提高，制作工藝更加的精細，細節處理更加細致，如圖4所示。因此，模型的制作過程鍛煉了學生實踐動手能力以及運用所學專業知識和相關軟件、工具分析并解決實際問題的能力，促進了土木工程專業應用型人才的培養。

對競賽前后參賽學生實踐意識和動手能力進行統計分析，將其變化繪制于圖5中。從圖中可看出，相對于首次參賽時的毫無頭緒，大部分的學生認為經過結構設計競賽后，在運用理論知識去設計、分析并完善模型方面，在模型結構、內部構件的制作工藝優化等方面得到了明顯的改善，并能做到舉一反三。例如：同一次比賽中學生運用所學理論知識設計了空間桁架式、斜拉式、梁式、拱式結構等結構類型去滿足賽題要求，每種結構形式各具特色，各有優點；同時運用軟件分析結構中桿件的受力特點，采用H型、圓形、口字型、T型等截面形式，不僅受力合理，還減輕了模型的重量；而且根據模型后期加載要求，采用線繩對模型施加預應力形成預拱度來抵抗后期的加載（圖6所示）。以上這些都充分體現了參賽學生在實踐能力和動手能力方面優化、改善與提高。

圖6 線繩對橋梁模型施加預應力形成預拱度

三 土木工程專業大學生創新實踐意識培養的改革方向

（一）加強實踐教學環節，提高動手能力

在結構設計競賽過程中，有些學生能設計出構思巧妙的理論模型，但是做出的實際模型不是加載不成功，就是重量太大而失去競爭力。這說明了學生平時只重理論知識但動手能力較差，同時也說明現有的課程體系和培養模式存在一些不足需要改革[2]。因此在土木工程類專業培養大綱中，應適當增加實驗與實踐教學的比例，讓學生通過實驗課程去驗證和深入理解所學理論知識，通過參與實踐活動提高其動手能力[2]。例如，對力學體系和結構體系課程進行梳理，從而明確各門課程的教學重點及相互銜接，壓縮部分理論教學課時，節余的課時用于加大實踐環節的教學量。考慮到模型設計時要用到有限元軟件進行建模分析，開設SAP2000，MIDAS等有限元軟件公開課程，對歷年的獲獎模型進行有限元軟件建模，模擬該模型在外加荷載作用下的響應，分析模型中每根構件以及每個節點的受力情況，進而解釋模型很夠加載成功的因素，讓學生對模型的優化有了更加形象、更為深刻的理解。

（二）增加綜合性、設計性和研究性試驗內容

實驗教學是將抽象思維具體化、形象化的過程；將傳授的理論知識與實際動手能力相結合的過程[8]。常規的實驗教學方法依據教學大綱要求預先設計實驗方案，學生依照實驗方案中要求的步驟、方法按規定進行操作即可，這種實驗方式在基礎訓練階段是必不可少的，可以讓學生掌握一些基本的實驗方法和手段，但是這種教學方法的知識傳授是單向式的，教師與學生之間的互動較少，整個過程學生只是被動接受，不利于其獨立思考解決問題，也不利于學生創新能力的培養，難以激發學生的學習興趣和創造性思維。改革實驗課程的體系和內容，精簡傳統的驗證性實驗，同時增設開放性、研究性實驗內容，為學生充分發揮其創新思維創造自由的試驗環境[9]。學生對某個問題不解或者有創新性想法時，可以通過自己獨立設計實驗方案并予以求證，教師作用在于解惑，當實驗過程出現問題，可以幫助學生分析原因，循循善誘，啟迪思維，從而激發學生的創造力，這種模式對培養學生的動手能力和創新精神極為有利。

（三）建立結構設計實踐基地，開展競賽活動

建立結構設計實踐基地，配備專項的基金，專業的人員，專門的實驗設備及比賽場地，為學生提供一個可以隨時驗證創新思維的開放型場地，學生可以根據自身的興趣愛好，自主選擇實驗設備和實驗時間，驗證自己的創新思路并提高自己的動手制作能力；同時在結構設計實踐基地中收藏歷屆獲獎學生的結構模型，從而可以把優秀的作品、優秀的想法、寶貴的經驗完整的傳承下去。

實踐基地的設立，對于低年級的學生，通過介紹有關結構設計的基礎知識，熟悉此類比賽的過程，對此類比賽有一個初步的認識，熟悉試驗設備和相關軟件的操作，進行一些簡單模型的設計、制作與加載，培養學生的獨立思考和實踐能力，等到參加此項比賽時就會得心應手得多了。對于高年級的學生，可以試著模仿校內往屆比賽或者全國往屆比賽中的優秀作品，在模仿過程中體會這些模型在設計和制作方面的長處，思考模型是否還有改善的地方，在這個過程中讓自身能力得到提高。還可以獨立設計一些綜合性、研究性的實驗，利用基地的實驗設備，驗證某些創新性思路的可行性。總之，實踐基地為探索“理論-設計-實踐-應用”的教學模式提供了良好的環境與氛圍[10]。

四 結束語

大學生結構設計競賽能夠培養學生創新實踐能力。模型的設計能讓學生運用所學理論知識來解決實際問題，模型的制作培養學生動手能力，競賽過程培養了學生的團隊協作精神和抗壓能力，能克服常規教學實踐中存在的一些缺點。以結構設計競賽為契機對土木工程相關課程進行教學改革，能夠有效的促進創新實踐型人才培養模式的形成。