土木工程課程教學與結構設計競賽融合模式的探索

李煒明， 馬騰飛

(1.武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，武漢 430023; 2.普渡大學 西拉法葉校區，印第安納州 47906 美國)

0 引 言

李克強總理2014年9月在達沃斯論壇上提出“萬眾創新”是中國經濟前行的新引擎之一，從而進一步明確、強調了普通高校對于人才培養的重點與目標。同時，面對90后大學生與即將入學的00后大學生群體，工科教學部分沿用了上個世紀的傳統模式，實驗內容以至實驗形式基本無變化，有必要進行新的探索與實踐。

對于土木工程，為培養大學生的創新意識、合作精神和工程實踐能力，教育部在2007年設立了大學生結構設計競賽，并逐步形成了國家級、區域級、省級、校級的多層次賽事，促進了高校的創新教育與實踐教學改革[1-4]。國內諸多高校對于結構設計競賽的模式及試題進行了較為廣泛的討論[5-6]，并與教學改革相結合，進行了多方面的探索與實踐[7-8]。湖北省在2013年，由省教育廳、省住房和城鄉建設廳、省土木建筑學會等單位，開始舉辦湖北省大學生結構設計競賽。而國外類似結構設計競賽開始更早，如美國在1992年即由美國土木工程師協會(ASCE)開始舉辦全國性的結構設計競賽(Student Steel Bridge Competition，SSBC)，并邀請多個國家隊伍參賽。現有結構設計競賽雖為專業性競賽，暫未與本科教學進行結合，大多數未參賽同學的專業創新能力培養載體較為缺乏。

有鑒于此，普通高校土木工程的理論與實驗教學模式，有必要對新模式進行探索以適應時代發展的需求，有必要進行現有學科競賽與課程教學融合模式的研究。

1 專業課程現有教學模式問題

現有土木工程專業課程一般從第4個學期開始，比較典型的是專業基礎課程材料力學?，F以材料力學為例，討論目前專業課程教學模式中存在的問題。

我國材料力學(Mechanics of Materials)已有理論體系較為成熟[9-12]，教學改革也已有較多討論[13-16]。本文前期以孫訓方老師的教材為基礎，提煉了“緒論-4種主要變形-4個特殊問題” 的基本理論體系，幫助學生建立起了材料力學的整體邏輯框架，在教學中取得了較好的效果，同時，也發現了一些需要改進的問題。

1.1 專業詞匯較為抽象

如教材第1章第1頁中即提出了構件正常工作的條件：強度、剛度和穩定性問題。傳統上，對此，會舉簡單的工程構件加以說明。但對于剛進入專業基礎課學習的大二同學，簡單的工程案例對部分同學仍然較為陌生抽象。

1.2 章節聯系缺乏載體

第2～3章分別闡述構件在拉壓、剪切、扭轉、彎曲時的內力、應力、變形、強度與應變能，各章第1節的引例分別為桁架拉桿、齒輪傳動軸、簡支橋梁。而第6～9章分別闡述超靜定、應力狀態和強度理論、組合變形及連接件、壓桿穩定等4個特殊問題。教學中發現，前期提煉的“4種主要變形-4個特殊問題” 基本理論體系，學生能夠進行記憶，但不容易對于8章內容進行內在聯系，不利于加深理解與靈活運用。

1.3 理論與實際缺乏橋梁

土木工程實際工程結構體量巨大，體系復雜，各版本教材中的例題、習題與實際工程存在鴻溝，大部分同學不能通過學習課程完成理論到工程的跨越，二者中間亟需一個中間環節的橋梁。這個中間環節的橋梁，既不同于簡單的例題習題，又沒有復雜到無從下手的工程結構，學生可以借此完成從理論到工程的跨越。

1.4 學生主觀能動性存在差異

現在本科生為“90后”(以及即將入學的“00后”)，從幼兒園開始，接受的教育模式比傳統模式更為注重興趣，教育形式也更為注重參與多元化，一旦進入專業較為傳統模式的階段，大部分學生積極性無法及時、充分發揮，甚至有少數學生從這里開始產生學習興趣、學習成績的分化。

1.5 深入理解缺乏實踐案例

材料力學理論性較強，計算較為靈活，現有例題習題往往限于教材、大綱、課時要求，停留在簡單理解、掌握的階段，對于深入理解、靈活運用缺乏載體輔助。

2 結構設計競賽與案例

全國大學生結構設計競賽由中國高等教育學會工程教育專業委員會、高等學校土木工程學科專業指導委員會、中國土木工程學會教育工作委員會和教育部科學技術委員會環境與土木水利學部共同主辦。以“3C”，即創造(Creativity)、協作(Cooperation)、實踐(Construction)為宗旨，致力于培養大學生創意創新創業意識、團隊協作與挑戰、工程實踐能力，致力于推動大學生科技創新活動，立足于進一步推進高校創新教育、實踐教育的教學改革，為土木工程“以賽促學、以賽促教、以賽促建、以賽促改”提供平臺，鼓勵大學生“展示才華、提升能力、培養協作、享受過程”。

2016年舉辦了第十屆全國大學生結構設計競賽。本屆比賽賽題立足于結構極限狀態的設計概念，考察結構的承載力極限狀態和正常使用極限狀態，對結構提出了剛柔并濟的結構設計要求。同時，在全國大學生結構設計競賽中，首次提出了第2階段荷載自選，使比賽富于競爭性，增加比賽的趣味性。

賽題要求設計一大跨度屋蓋，承臺板標準尺寸1 200 mm×800 mm，厚度16 mm，屋蓋結構的具體形式不限，屋蓋結構的總高度≤125 mm，最高處標高≤425 mm，平面凈尺寸范圍(850 mm×550 mm)，內屋蓋凈空≥300 mm，屋蓋結構覆蓋面積(水平投影面積)≥900 mm×600 mm，≤1 050 mm×750 mm，不需制作屋面。屋蓋結構中心點(軸網900 mm×600 mm的中心)處頂面為撓度測量點。

競賽加載分為了兩個階段：第1階段用來模擬正常使用極限狀態，第1、2級分別加載6、8 kg；第2階段用來模擬承載力極限狀態，第3、4級分別加載荷載自選。

3 融合模式的課程教學改革

以材料力學與第十屆全國大學生結構設計競賽本校作品的融合為例，給出了基于創新能力培養的教學模式(見圖1)。以本校大跨度屋蓋結構(見圖1)為案例，將結構的各個構件，基于理論教學的基本假設，分別探討拉壓、扭轉、剪切、彎曲等各種變形形式。進一步討論設計作品的超靜定特征，基于應力狀態與強度理論，分析構件可能的破壞形式，并討論構件可能存在的組合變形、細長受壓桿件的壓桿穩定等典型不利工況，最后，考慮在材料力學課程的原有實驗中，加入競賽材料(竹材)的拉壓實驗。

圖1 材料力學與結構設計競賽融合的教學模式

對照傳統模式存在的問題，可以以此賽題為貫穿全課程的案例，根據自愿原則，學生可以個人或小組參與討論，充分調動學生的主觀能動性。

3.1 將抽象專業詞匯轉化為了具體問題

如對于教材第1章第1頁提出的構件強度、剛度和穩定性工作條件。強度定義為荷載作用下，桿件不發生破壞(斷裂或失效)，那么，對于我?，F有模型，有哪些桿件可能發生破壞？請學生進行預判，并提出可能的優化方案，在各章學習中，進行相關分析與計算，分別與備賽過程中模型的優化結果進行比較。

3.2 將整個材料力學體系融入實際案例

對于本校模型，4種變形哪幾種是主要的？可以通過哪些方式來避免不利工況？4個特殊問題在此模型中如何體現？我校競賽方案中柱子做成格構柱的理論依據是什么？細長柱受壓失穩與強度破壞、允許變形存在哪些差異？應該選擇什么樣截面的構件？有可能發生哪些失效工況？應該如何分別解決各類失效工況？

3.3 搭建了理論與工程的過渡橋梁

材料力學為土木工程中的專業基礎課，為學生在此階段接觸專業理論的起步階段，部分例題習題無工程背景，將理論、計算與工程結合存在難度，而結構設計競賽剛好完成理論到工程的過渡，既非單純理論，又比實際工程要簡單，具備本階段理論解決實際問題的條件。

3.4 激發了傳統工科領域低年級學生的學習熱情

能讓學生清楚為什么學，能解決什么問題，同時，賦予了學習過程一定的競爭性，符合“95后”“00后”的學習習慣，使傳統工科領域低年級學生的專業學習熱情，不再僅限于主動性強的同學。

3.5 為學生深入理解提供案例

結構設計競賽不僅能為學生提供理論結合實踐的平臺，同時，能在較低經濟成本的前提下，為學生理論-實踐-再理論-再實踐的循序深化提供案例，而結構設計競賽的校、省、國三級平臺的競賽結果方案，又自然具備了啟發學生創新能力、深化學生理論理解、促進學生切實實踐的基礎。

圖2為第十屆結構設計競賽全國部分高校的競賽方案。圖2(a)～(c)為與本校不同結構形式，圖2(d)～(f)為與本校主體受力結構有類似之處的結構形式，這兩大類也是本次結構設計競賽主要的兩類結構形式。對此，綜合以上各點，如結合材料力學課程，可與學生開展如下討論：

(1) 各類結構選型各有何優劣？不同類選型各自的主要受力桿件是什么？其主要變形類型是什么？

(2) 方案(d)～(f)為與本校同類型選型，細節異同的優劣是什么？此類選型的優缺點各是什么？此類選型的要點是什么？

(3) 對于分部結構，以柱子為例,本校模型格構柱為棱臺型，同類型的選型中，方案(d)、(e)分別為棱柱型、棱錐型，三類格構柱分別的優點是什么？實際工程選用哪種類型比較好？實際工程中，柱子選型還需考慮哪些因素？方案(f)單柱類型，其與格構柱比較，優缺點是什么？各自受力特征、破壞特征是什么？各自的強度、變形與穩定性如何？

其他各校方案圖片，為競賽舉辦方官方發布，有來自同濟大學、清華大學、哈爾濱工業大學、浙江大學等124所高校的125個方案，每個方案都經過了漫長的設計、制作與優化的過程，是工科教學難得的全國范圍內的一題多做的案例。加上本校方案、參賽隊員帶來的親切感，能有力激發學生的參與感與主觀能動性，是創新能力培養難得的載體，融入土木工程專業的教學 意義顯著。

(a) 方案a

(d) 方案d

4 結 語

對于土木工程專業課程，概念較多，體系相對復雜而前后聯系緊密。本文將結構設計競賽與土木工程專業教學改革相結合，對于創新能力的培養體系與實踐進行了探索。在近3年的教學與競賽指導的過程中，激發了學生的主觀能動性，加深了理論學習的理解，提供了理論聯系實際的橋梁，提高了學生的創造、協作與實踐能力，取得了一定的效果，獲得了全國大學生結構設計競賽二等獎2項，湖北省及中南區大學生結構設計競賽一等獎3項，可以為土木工程專業創新能力的培養模式研究提供參考。