結構設計競賽促進土木工程專業大學生創新思維訓練和創新能力培養

李濤 鄭七振 彭斌 陳剛 尹強

基金項目：2019年上海市教育科學研究項目——創造有意義的學習經歷：“創新認識與實踐”課程的理工科大一學生創新意識培養（項目編號：C19122）。

通信作者：李濤（1974—），女，博士，講師，研究方向為混凝土結構多場耦合損傷，E-mail：litao@usst.edu.cn。

摘要：該文通過對土木工程結構設計大賽的詳細介紹和深入分析，論述了結構設計大賽對土木工程本科生創新思維培養和創新能力訓練的促進作用。針對結構設計大賽的特點以及當前“新工科”背景下對土木工程專業人才培養的需求，提出了基于結構設計大賽開展學生創新思維培養和創新能力訓練的基本思路。分析表明，該文的建議與國家培養新時代卓越工程師的理念相契合。結構設計競賽在幫助學生建立創新思維模式的同時，可以有效提升學生對學習的興趣和熱情，達到提升大學生創新能力的目的。

關鍵詞：結構設計大賽 ?土木工程專業 ?大學生 ?創新思維 ?創新能力

中圖分類號：G642 ??文獻標識碼：A???文章編號：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： The promotion effects of structural design competitions （SDC） on the innovation thinking training and ability cultivation of college students in civil engineering are discussed in the paper by comprehensively introducing and analyzing the SDC of the civil engineering specialty. According to the characteristics of the SDC and the need of the talent cultivation of the civil engineering specialty under the “new engineering ” background at present， the basic ideas of carrying out the innovation think training and ability cultivation are presented based on the SDC. The results show that the proposal is consistent with the idea of cultivating excellent engineers of the new era in China. The SDC can help the students achieve the purpose of promoting their innovation ability by establishing the innovation thinking model and enhancing their study interests and enthusiasm.

Key Words： Structural design competition; Civil engineering specialty; College students; Innovation thinking; Innovation abilities

國家創新驅動發展戰略的實施，對我國高等學校提出了培養應用型創新人才的要求，把創新人才的培養放在了前所未有的重要位置[1，2]。隨著社會的發展和進步，根據國家和社會對土木工程專業人才培養的需求，高等學校土木工程專業的人才培養經過長期的實踐和探索，已過渡到以培養復合應用型創新人才為目標的階段[3]。復合應用型創新人才的培養，不僅需要扎實的理論基礎、優秀的專業素養、學以致用的應用轉化能力，還要具有能夠在已有學科理論、專業技術的基礎上，實現突破的創新思維和創新能力[5， 6]。常規的課程設置體系已基本上可以保證學生在學科理論和專業技術上的學習，但如何培養學生的創新思維和訓練學生的創新能力，仍是當前高等教育學校培養高素質復合應用型人才所面臨的挑戰和課題[4]。

復合應用型創新人才應具備合理的知識結構和優秀的綜合素質。合理的知識結構由堅實的專業理論知識和前沿的新技術知識構成，是培養學生創新思維的前提條件，二者的融會貫通則是培養學生創新思維的實現渠道。優秀的綜合素質包括對報效國家的責任感，服務于社會的道德意識，融入集體的團隊精神以及能夠堅守崗位、承擔壓力的健康體魄，是學生具備創新能力的必要基礎。因此高校應將優化大學生知識結構和提升大學生綜合素質作為培養復合應用型創新人才主要途徑。新的結構設計理論和施工技術層出不窮，但如何將土木工程領域內的科技進步與本科生專業基礎理論相結合，卻成為了限制土木工程創新人才培養的瓶頸問題[7， 8]。

該文提出結構設計競賽提升學生創新能力的方法。結構設計競賽使學生們在完成設計任務的同時，實現多學科基礎理論知識和學科新技術的交叉運用，有效提升了他們的動手能力、實踐能力，鍛煉了他們團隊合作和吃苦耐勞的精神。而這一特點與新時代培養復合應用型創新人才的需求非常契合。該文將基于結構設計競賽對培養土木工程專業本科生的創思思維和創新能力的可行新和方法進行探討和論述。

1 結構設計競賽提升學生創新能力的必要性及其發展現狀

在新的時代背景下，土木工程等老工科專業在對應用型創新人才的培養方面也與時俱進地融入新的教育理念和模式。新的結構設計理論和施工技術層出不窮，但如何將土木工程領域內的科技進步與本科生專業基礎理論相結合卻成為了限制土木工程創新人才培養的瓶頸問題[7，8]。這些年來，各級教育部門為提升土木工程專業大學生的實踐能力，舉行了不同程度和范圍的結構設計競賽。而各類結構設計競賽均要求大學生利用本科階段學習的專業理論知識，在指定時間內通過對結構力學原理的分析和思考，完成組委會給定建筑結構的設計和構建，使所設計結構達到最優的使用功能和最低的建造成本。

最早的結構設計競賽由同濟大學于2000年6月在上海舉行，稱為“第一屆同濟大學創新結構設計競賽”。要求結構模型設計在一周內完成，結構思想新穎，結構分析全面并具有技術上的可行性和合理性。基于第一屆結構設計大賽的成功舉辦，國內很多高校也意識到結構設計競賽對大學生實踐能力和創新能力的促進作用，都紛紛開始舉辦種類型的結構設計競賽，省級、地區級別的比賽也如雨后春筍般在湖南省、河南省、浙江省以及華東地區、中南地區等如火如荼地開展起來。2005年，由住房和城鄉建設部、中國土木工程學會主辦，教育部、財政部首次聯合批準發文在全國范圍內開展第一屆全國大學生結構設計競賽。第一屆全國大學生結構設計競賽由浙江大學承辦，倡導國內11所高校共同發起，29所高校參加比賽。全國大學生結構設計競賽至2020年已成功舉辦14屆，第2至14屆分別在國內各大著名高校舉辦，如第2屆在大連理工大學舉辦、第3至13屆在同濟大學、哈爾濱工業大學、東南大學、重慶大學、湖南大學、長安大學、昆明理工大學、天津大學、武漢大學、華南理工大學、西安建筑科技大學舉辦，第14屆則由上海交通大學承辦。大學生們通過參加不同級別的結構設計競賽活動，不僅提升了扎實了專業基礎知識，在競賽過程中也培養鍛煉了自身的科技創新能力。

2 結構設計競賽促進學生創新思維訓練和創新能力培養的可行性

結構設計競賽可以作為課堂教學環節的補充和延展，起到促進教學效果的目的，是提升學生解決、分析問題能力的有效途徑。高校可以通過設立設計目標，以專業興趣為驅動力，以課堂講授專業知識為支撐，對學生進行技能培訓，以結構設計競賽為抓手來培養大學生的創新思維、訓練大學生的創新能力。基于結果設計競賽提升學生創新能力的培養體系包含學習專業基礎知識、多學科知識交叉融合、綜合能力培訓三部分內容。

2.1 多學科交叉專業知識的學習

結構設計競賽涉及土木工程專業大學生在材料力學、結構力學、結構設計理論以及工程結構抗震等多門課程的專業基礎知識。扎實的專業基礎知識可以使學生具有正確結構設計理念，是順利完成結構設計競賽的前提和保障。結構設計競賽中往往會給定擬設計結構的材料組成及相關力學性能，需要學生利用材料力學方法計算構件截面的應力并復核材料的強度。而結構計算部分則要求學生必須掌握結構力學的基本原則和方法，能進行不同結構體系的內力計算和分析，確定最佳結構體系。而結構計算過程中對傳力路徑、荷載分布和結構特性的判斷則需要建立在夯實的結構設計理論基礎之上。由于大多數結構設計競賽的設計目標均是在尋求滿足承載力的質量最輕的結構，質量的考量在設計過程中就成為極為關鍵的設計因素。因此多方案的對比是必不可少的重要環節，而這一環節通過手算完成是非常耗時的，需要計算機軟件來輔助，如ABAQUS、ANSYS、MIDAS等軟件。掌握必要的設計軟件也成為完成高質量結構設計競賽任務的條件之一。在有了各門理論和技術課程知識的前提下，通過對知識的靈活運用方可獲得結構設計競賽中設計目標的最優解。

2.2 創新思維訓練和創新能力培養

大學生在掌握了課程知識之后，應能夠學以致用，達到“新工科”人才的培養目標。在結構設計競賽過程中，學生在課堂以外的環境中進行實操訓練，通過在實踐中運用課堂知識達到對各門知識的融會貫通，可有效增強學生的創新意識。創新能力訓練是在結構設計競賽的過程中開展的增強創新意識和培養創新思維的能力訓練，可以提升學生的科學素養和創新熱情，鼓勵學生發揮主觀能動性，成為新時代所需要的具有創新能力的復合應用型創新人才。創新能力訓練過程中，應當為學生引入現階段國內外前沿的科技動態以及最新科研成果，在學生進行以設計目標為驅動的實踐操作中不是簡單地機械學習，而是在實踐中尋找創新的靈感，在前沿的科技需求環境中發現創新的出口，鍛煉學生的創新思維能力，保持聚焦科技前沿的熱情。通過創新能力訓練，通過對前沿科技知識和動態的學習，提升了學生發現問題和解決問題的能力，可以在結構設計競賽過程中保持敏捷的思維，找到科學的設計方法，達到最佳的設計結果。創新能力的訓練不僅有效促進了學生創新意識的培養，同時也不同程度地激發了學生們的創新熱情和創新觀念，提升了學生們在設計實踐過程中解決問題和分析問題的能力，為使學生成為新時代的復合應用型人才奠定了基礎。

2.3 綜合能力培訓

結構設計競賽不僅為學生們提供了運用學科知識的機會，還可以鍛煉學生們的綜合能力，以參賽為契機使學生們系統地學習專業理論知識與項目實踐如何有機地進行結合，通過全過程參與提供領導與協調能力訓練，并通過將設計成果以最優化形式展現給評委的過程鍛煉學生們的表達能力和計算機操作能力。結構設計競賽過程是復雜且極其艱苦的，需要學生承受一次次挫折后仍具有繼續奮斗的決心和信心，不能半途而廢。學生在無數的失敗過程中磨煉了意志，鍛造了不怕困難的勇氣和迎難而上的決心。這是新一代土木工程專業人才應具備的堅毅品格。同時，完成設計作品過程中團隊成員密切合作、各司其職，培養了學生們的團隊意識，極大地提升了學生們的溝通能力。此外在進行競賽技能培訓時，應基于創新人才的發展規律根據學生不同的個體特征采取不同指導方法，遵循因材施教的培養原則構建創新人才培養體系。根據每個學生的學習興趣及知識基礎，結合土木工程專業特征，在競賽技能培訓中心讓學生養成自我思考的習慣，由設計目標的實現為興趣驅動，使學生在學習過程中能夠享受到自我價值的體現，感受到主觀能動性在結構設計競賽中的意義，在競賽技能培訓過程中培養學生的創新熱情、激發學生的創新潛能，實現大學生創新能力的提升，為新時代復合應用型人才的培養提供必要的條件和有力的支持。

3 結構設計競賽不同階段對學生創新能力培養的促進作用

結構設計競賽主要包括接收組委會發布的競賽題目，完成結構模型設計和現場答辯三個環節。一般情況下組委會發布競賽章程則意味著結構設計競賽的正式開始，各學校參賽隊伍針對競賽題目準備設計材料、討論設計思路，開始前期準備。結構模型設計階段學生將進行結構選型及設計、材料的性能試驗、模型設計及結構試驗，以初步判斷所構建結構模型是否滿足組委會競賽要求和目標。在現場答辯階段，學生們要將結構模型的設計理念、設計思路和結構特點表達給現場評委和觀眾，以獲得最佳的競賽成績。以結構模型設計階段為例，說明結構設計競賽對學生創新能力培養的促進作用。結構模型設計階段包括對針對材料性能選擇結構構成材料，通過材料試驗確定材料力學參數，進行結構選型并根據不同材料特性選擇節點形式和構件粘結方式，進行理論計算確定截面形式和尺寸，利用軟件進行承載力分析和變形計算等等。而學生創新能力的訓練主要體現在結構選型和模型制作兩個階段。

3.1 結構選型階段的創新思維訓練

每年的結構設計競賽要求都會有所不同，但總體上可分為兩類，一類是直接給出結構的類型，另一類是不限定結構類型，但需滿足承載能力和位移邊界條件。兩種類型的競賽要求都需要學生對不同結構體系的力學特性比較熟悉，掌握結構體系在各種荷載效應作用下的優缺點。在此基礎上，學生則具有了選擇合理結構體系的基本能力。而在結構體系的選擇階段也是整個結構設計競賽過程中最能夠體現學生靈活運用所學基礎理論知識，發揮創新能力的環節。在這個過程中，學生們可以將對不同結構體系的理解融入結構選型的設計理念之中，發揮對結構體系的想象力，正是學生創新能力的充分體現。但是需要指出的是，結構選型時學生創造力的表現需要建立在對結構設計理論和力學基本原理的正確認知基礎之上，沒有正確的理論知識，所有對結構體系的想象力都是空中樓閣。在2017年第一屆上海市大學生結構設計大賽上，一個參賽隊伍的作品以結構外形新穎、寓意深刻而受到現場評委和觀眾的好評，但由于對結構體系中某構件的受力分析判斷失誤，將受壓桿件設計成了由薄板構成的受拉桿件，使得在現場試驗初期還未加載到預定荷載時結構就出現了主梁斷裂、節點破壞整體倒塌，最終由于不能正常加載、結構破壞的情況無法獲得競賽成績。該參賽隊伍在結構體系的選型時，充分發揮了隊員的創造力和想象力，但由于缺少結構設計的基本力學分析能力而使創造力失去了應有的價值，值得所有同學們引以為戒。

3.2 結構模型制作階段的創新能力培養

結構設計在完成理論計算之后，就進入到將圖紙上的設計方案實現的階段。這時需要按照競賽組委會的要求利用選定的材料搭建出真實的結構模型。在這樣從圖紙到真實結構的實現過程中，具體的模型處理方法會對結構的整體性能產生很大的影響。仍以上海市首屆大學生結構設計大賽為例，設計題目為大空間鋼架平臺，以最低自重滿足指定承載力要求。對鋼架結構來說，桿件的截面尺寸可以通過計算軟件的分析得到，但每一個節點在實際制作過程中怎樣滿足剛性節點的要求卻是一個關鍵的問題。剛性節點的制作需要學生們開動腦力，展開想象，可以利用各種粘結材料或連接材料。上海理工大學的參賽隊通過對節點特性的分析，采用了利用針管注射方法將膠水注入節點接縫處粘接桿件的方式處理剛性節點，在節點外側還利用粘貼小板帶起到加強節點的作用。然而這一方法在一定程度上卻加大了結構的自重，在最終結構評分時沒有優勢。同濟大學參賽隊采用紙質膠帶纏繞方法制作節點，不僅保證了節點的強度和剛度，而且由于紙的質量較輕，紙質膠帶纏繞法的剛節點方案極大程度地減小了結構的自重，最終以最小的結構重量保證承載力的結構設計取得了第一名的好成績。可見，在結構模型制作過程中，要求學生在鍛煉動手能力的同時，展開想象，創造性地設計結構模型的制作方法，有效地激發了學生們的創新熱情，是培養大學生創新意識，提升大學生創新能力的最佳階段。

4 結語

結構設計競賽涉及多學科知識的交叉和前沿科技知識的積累，創新思維訓練和創新能力培養是新時代復合創新型人才培養的核心。學生通過參加結構設計競賽，不僅鍛煉了自身的競爭意識和綜合實踐能力，也訓練了創新能力和團隊合作精神。通過在教學中貫通實踐與創新環節，加強課程間與課程內創新意識的有機融合，結合靈活多變的學科授課方式和創新能力訓練機制，使結構設計競賽作為高校第二課堂創新實踐培養體系的核心載體，在培養具有國際視野和優秀創新能力的復合創新型人才的過程中發揮非常重要的作用。

參考文獻

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