基于課堂教學活動的結構設計競賽培訓制度

王永寶 靳瑾 張晉杰 秦鵬舉 裴一鳴

[摘 要] 經過多年的發展，大學生結構設計競賽為土木工程專業大學生提高實踐能力提供了很好的平臺，但由于設計競賽時間緊、任務重，參賽學生得不到較為系統的專業化訓練，阻礙了競技水平的提高。如何實現結構設計競賽模型設計理論和制作技巧的傳承和發展成為各大高校面臨的難題。通過分析目前結構設計競賽培訓制度存在的問題，提出了從課堂教學角度開展大學生結構設計競賽培訓的具體措施和方法，并指出了上述制度的優點，為后續開展相關設計競賽培訓提供參考。

[關鍵詞] 結構設計;競賽;課堂教學;培訓

[基金項目] 2019年山西省高等學?？萍紕撔马椖俊俺嗄嗟鼐畚锘炷列熳儥C制及預測模型研究”（2019L0295）;2020年山西省教學改革? ? ? 創新項目“基于大學生結構設計大賽的學科競賽管理體系研究”（2020JG012）

[作者簡介] 王永寶（1989—），男，山東濰坊人，工學博士，太原理工大學土木工程學院講師，主要從事土木工程理論與教學研究;靳 瑾 （1989—），女，山西臨汾人，工學博士，太原理工大學土木工程學院講師，主要從事土木工程理論與教學研究;張晉杰（1995—），男，山西太原人，同濟大學土木工程學院2019級橋梁與隧道工程專業碩士研究生，研究方向為橋梁抗風。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）34-0071-03 ? ?[收稿日期] 2019-11-07

大學生結構設計競賽可提高學生的創新思維、實踐能力和團隊合作意識，因而得到高校土木學子的廣泛參與[1]。該項賽事每年舉行一次，受大學課程及學制年限影響，每年的參賽隊員不盡相同，競技水平很難有效傳承。如何培養學生的結構設計競技水平，提高大學生的實踐能力是目前各大高校面臨的難題。

大一學生（以3月份賽題公布算）雖有時間參加競賽，但由于知識儲備量較少（校賽為大一，國賽為大二），不敢報名參賽;大三學生雖具有扎實的專業理論知識，但忙于考研、就業，無暇顧及各種競賽;大二學生無疑成為結構設計競賽的主力。雖然學生有一定的知識儲備，但結構力學和有限元等內容仍了解甚少，比賽開始時，理論基礎仍然較差，且幾乎未參與實際模型的制作，實踐能力也較差。雖有部分高校在競賽前對學生進行了短期培訓[2]，這對提高學生競技水平有一定幫助，但由于時間短、任務重，培訓效果較差。且受場地和指導老師精力影響，僅有少數學生能參加培訓，多數學生被拒之門外，違背了新工科要求中廣泛培養學生實踐能力的目的[3]。也有高校成立了社團，發揮其傳幫帶作用[4]，對促進結構設計競賽的發展有較大幫助[5]，但社團學長的指導不系統，且參與社團群體學生較少。

為克服現有參賽學生競賽水平參差不齊，學生實踐能力差的不足，本文對目前結構設計競賽培訓制度存在的問題進行分析，提出了基于課堂教學活動的結構設計競賽培訓模式，通過改革提高大學生在結構設計競賽中的競技水平，為高校進行相關結構設計活動奠定基礎。

一、傳統培訓制度的缺陷

（一）培訓任務重、受益學生群體少

參賽學生的專業基礎知識較為薄弱，突擊培訓使得學生在進行繁忙學業的同時還需花大量時間學習競賽知識和模型制作經驗等[4]，且目前市面上無系統的教材參考學習，需要課堂系統的培訓。另外，突擊培訓針對的學生面較少，僅有部分學生受益[6]。而該培訓體制很難達到新工科指南中要求工科專業實現50%以上的學生參與“大學生創新創業訓練計劃”中的目標[7]。

（二）培訓指導老師激勵不足

現有的短期培訓制度要求指導老師義務為學生進行相關培訓，且授課老師需根據歷年最新賽題內容收集結構設計競賽的相關資料。制作授課PPT和培訓手冊，均需要花大量的時間和精力，但現有績效獎勵制度既無工作量，也無任何報酬，且相關培訓與評職稱無關，導致指導老師的參與積極性較低。

（三）宣傳力度和受益面不足

若參賽高校本身的結構設計競賽競技水平較低，過去幾年未獲得較好的比賽成績，會導致結構設計競賽在學生間的影響力較小，基礎理論知識扎實的學生認為即使進行了突擊培訓，也很難獲得較好的比賽成績，參與積極性較低。

除此以外，由于結構設計競賽宣傳力度不夠，且培訓時間短，專門的實踐訓練環節少，多數學生不知道競賽的益處而對培訓采取觀望態度，起不到全面培養學生實踐能力的目的。

二、課堂培訓大綱

將土木工程學科競賽培訓過程納入本科生培養方案，開設“土木設計理論與實踐”這門選修課，時間設置為第三學期，授課內容主要以結構設計競賽培訓為例開展。該課程可在全校范圍內選課，鼓勵不同年級、不同專業的本科生選課，并將該選修課納入本科培養計劃。

該課程主要分為課堂教學環節和實踐環節，學分1.5，總學時24，其中理論環節12學時，實踐環節12學時。設置該課程的目的在于以結構設計競賽為例提高土木工程學生的實踐能力。通過該課程普及土木設計的基礎知識，指導學生學習結構設計競賽的相關專業知識，為后續進行結構設計競賽奠定基礎。課堂環節，講授結構設計競賽的理論知識和競賽技巧等;實踐環節，以賽題導向為基準，讓學生訓練實踐能力，熟練掌握構件和模型的制作。

課程的難點在于：學院要為本門課程配備足夠的經費，經費主要用于授課教師購買結構設計競賽實踐環節的竹材、膠水等耗材，以及加載裝置。同時還需要配備專門的材料管理人員管理相關材料。

三、課堂教學內容

本課程開設12學時的理論授課環節，課堂授課主要包括以下內容。

1.結構設計基本流程及本科專業知識應用：梳理本科課程框架（工程荷載組合、結構力學、材料力學、有限元等）及其在設計流程中的地位。

2.結構設計競賽與實際課程的差異性對比：結構設計模型為抽象化的結構，功能性要求不高、可重復試驗追求極致、傳力直接高效，需考慮考慮施工要求。

3.結構設計競賽的基本概況介紹：常用材料性質、截面及其特性、結構類型。

4.結構模型的理論構思及力學計算：桁架、空心桿、拱、梁、柱、張弦梁等基本元素的特點和構思。

5.模型制作技巧：常見構件制作方法、節點處理、連接長度及安裝要點、試驗過程及分析。

6.軟件學習及計算書書寫：常用有限元及辦公軟件的學習資料獲取方法，建模流程、技巧;制圖軟件介紹;計算書的基本組成，撰寫內容、技巧等。

四、實踐教學內容

開設12學時的實踐授課環節，主要包括以下內容。

1.受壓、彎桿件或構件：空心桿、魚鰒式桿、張弦梁、小格構柱等基本受壓彎構件的制作;受壓構件的承載能力試驗。

2.受拉桿件或構件：長竹條的拼接、劈開，竹皮拉條的加工制作，超長受拉構件預應力張拉技巧等;受拉構件的承載能力試驗。

3.連接構造：梁柱之間的連接，拉條與柱的連接，柱與基礎的連接，多根受壓柱或梁之間的復雜節點連接;考慮復雜節點連接構件的承載能力試驗。

4.工具及整體模型制作：練習拋光工具、劈條工具、施工圖、施工支架等簡單工具的制作技巧;基于上述制作的受拉、受壓桿件和節點拼接技術，按照既有的理論分析模型，練習整體模型的拼裝。

5.模型加載及反思：通過現場加載，檢驗模型的受力合理性和制作水平，加載過程錄像并回放，根據加載結果分析模型出現問題的原因，為改進提供依據。

6.模型方案改進：基于加載結果和分析的原因，考慮模型改進措施，如改變結構形式，減小或增加桿件，加固主要受力構件或節點等措施。

五、考核方式及優點

（一）考核方式

1.原則。本課程以實踐考核為主，理論考核為輔的方式結課。由于結構設計競賽要求參賽學生具備的知識面較廣，實際比賽為三人組成的團隊，每名隊員專業知識儲備和能力均存在較大差異，而競賽要求考察團隊的合作能力。因此，本課程的考核形式也呈多樣性，僅要求參賽隊員有某一方面專長即可，學生可根據自身特點選擇一種主要理論考核方式，但每名同學必須參加動手實踐能力考核，實踐考核分不少于50%。理論考核以PPT展示設計思路為主，主要從模型創新思維，有限元建模，計算書書寫等角度考慮;實踐考核以“小構件或小結構”制作加載為主。

2.理論考核環節。該環節為模型構思開放性考核，主要對以往國賽或省賽賽題進行改編，根據12學時的理論學習設置理論考核方式，重點考察學生的綜合創新能力。考核從五個方面開展：（1）獨特的模型思維能力;（2）軟件建模分析能力;（3）計算書書寫能力;（4）構件、結構、節點處理或模型工具制作能力;（5）事故分析和綜合答辯能力。

3.實踐考核環節。根據課堂講述的模型制作流程和技巧，以往屆國賽賽題為依據設計理論方案，制作小結構或構件的模型并加載，根據加載結果提出改進措施和優化方案。通過給定學生理論模型，讓學生在限定時間內完成小構件制作并加載，根據加載分數確定考核結果。除加載外，還考慮模型制作過程中的桿件、節點和拼裝制作技巧等過程分。

（二）優點

1.該課程的開設可讓更多學生參與到結構設計競賽中，掌握結構設計競賽的相關專業技能，體會結構設計競賽帶來的創新性思維，以更大的信心參與到競賽活動中。可避免每年校賽選拔時間緊張，學生理論和實踐動手能力差的問題。

2.可促進不同層次的學生交流，為跨年級和專業組隊創造條件[4]。不同年級和專業的學生會在整個組隊過程中發揮不同優勢，高年級學生理論知識扎實，適合理論模型創新，低年級學生時間充裕，適合實踐制作。

3.將培訓設置為選修課，能充分調動老師的參與積極性，為更好地服務學生奠定制度基礎，克服只有競賽獲獎才有獎勵的弊端。

4.課堂培訓增加了結構設計競賽的學習時間，上課過程中，老師可了解每名學生在學科競賽方面的特點，課堂成績還可為選拔合適的競賽人選提供依據。

5.通過個性化的培訓，能充分發揮每個參賽隊員的優勢。專業知識儲備高、思維敏捷、能夠提出創新性模型的理論型隊員和具備扎實動手實踐能力、對待細節一絲不茍、能夠準確完成結構模型的實踐型隊員的完美組合是結構設計競賽取得優異成績的法寶。

六、結語

針對現有結構設計競賽培訓制度存在的缺陷，本文提出了以課堂教學為基礎的結構設計競賽培訓制度，通過課堂教學的方式讓廣大學生參與到學科競賽活動中去，達到了廣泛培養學生創新思維及動手實踐能力的目的，避免學科競賽時間緊與學生的學科競賽基礎知識薄弱之間矛盾問題的出現。另外，本文提出的培訓制度也可為土木工程的其他學科競賽（茅以升公益橋比賽，世界橋梁設計大賽等）培訓提供參考。

參考文獻

[1]唐純翼.基于學科競賽的土木工程專業“三融三促”人才培養模式探究[J].西部素質教育，2019（11）.

[2]李振興，李悅，侯鵬程.淺談我院結構設計競賽參賽學生的選拔培養與激勵機制[C].土木工程教學改革理論與實踐，2010（4）.

[3]鄧艷明，丁寧.大學生學科競賽管理體系研究[J].科技創新導報，2017（20）.

[4]鄧少華，袁顯寶，杜軒.高校學科競賽遴選機制探究[J].科教導刊（上旬刊），2019（5）.

[5]胡錦秀，王秋香，于均園.基于結構設計大賽的結構設計協會建設研究——以琴島學院為例[J].建材與裝飾，2018（24）.

[6]李文，劉霞，姚建紅，等.基于翻轉課堂的科技競賽培訓模式研究[J].教育現代化，2018（22）.

[7]丁廣龍，夏鎮波，辛志宏，等.創新創業教育：新工科類大學生學科競賽體系構建[J].創新與創業教育，2019（2）.