大學生工程訓練綜合能力競賽指導初探*
——以智能物流搬運賽項橋梁結構設計競賽為例

韓艷 王振偉 符川

北方工業大學 北京 100144

0 引言

大學生工程訓練綜合能力競賽圍繞工程實際和社會需求，突出多學科交叉協同實現創新創造，注重職業素養、實踐創新能力和綜合素質的全面考查，已成為培養大學生工程創新意識、實踐能力和團隊合作精神的有效載體[1]。已有不少高校成立了工程訓練中心，并開設了專門的工程訓練課程，以工程訓練綜合能力競賽為契機，全面提高大學生的工程實踐能力。未來合格的工程師除了應具備扎實的工程技術知識和專業技能，還應具備正確的人生觀和價值觀、良好的協調能力、強烈的社會責任感和奉獻意識[1]，因此，充分挖掘工程訓練綜合能力競賽本身在培養學生的家國情懷、工程倫理、工匠精神及責任意識等方面的優勢，并在競賽活動指導過程中將思政元素與專業知識巧妙融合，通過“潤物細無聲”的方式，鼓勵學生將專業的結構理論知識應用于實踐創新，對于提高工程應用型人才的綜合素質具有重要的意義。

本文以第九屆北京市大學生工程訓練綜合能力競賽智能物流搬運賽項橋梁結構設計競賽為例，探索基于工程訓練競賽的土木類人才綜合素質的培養和在競賽指導的過程中有機融入思政元素的方式方法，在注重基礎理論與專業知識及實踐應用，提高學生分析、解決工程實際問題能力的同時，使其堅定文化信仰，增強工程倫理意識和職業素養，培育其嚴謹求實的科學精神、不拘一格的創新精神以及精益求精的工匠精神。

1 智能物流搬運賽項橋梁結構設計競賽簡介

智能搬運賽項包括智能機器人和橋梁結構設計兩個項目（意在模擬智能機器人滿載過橋的實際工況），兩個項目分別單獨進行初賽，在決賽中再將兩個項目競賽內容集成在一個智能場景中合作完成，即對應初賽名次的兩個隊在決賽中編為一個隊，聯合參賽隊按總成績計算排名。初賽要求學生預先按照賽題要求，自主選擇橋梁模型的結構形式和荷載作用等級，提交完整的理論計算書和詳細的方案說明，并可以利用給定的本色側壓雙層復壓竹皮材料制作好結構模型，進行加載測試，以確定最終的參賽作品。在初賽的當天，各參賽隊在規定時間內制作出符合要求的結構模型構件并組裝成整體，自主選擇加載等級進行加載測試。初賽總成績由提交的計算書文檔和現場加載表現加權確定。決賽要求機器人能順利過橋且橋梁模型主要構件不出現失穩、結構變形過大等破壞現象，橋梁結構設計決賽的成績由現場實踐與考評成績（根據在競賽社區制作模型使用的材料數量、參賽隊的技術能力、工程知識、誠信意識、協作意識等方面進行評價）和現場加載測試成績（根據橋梁的重量、加載的重量以及加載產生的變形進行評分）兩部分組成，最終機器人隊的決賽成績加上橋梁隊的決賽成績為聯合參賽隊的總分數。

2 競賽項目開展及指導中的思政元素挖掘

工程訓練綜合能力競賽是學生利用課余時間，在專業教師的指導下展開的旨在提高綜合實踐能力的實踐教育形式。練就過硬本領與錘煉品德修養之間應當是相輔相成、相得益彰的，既要能力強、善創新，又要品格正、有情操[2]。在工程訓練指導中融入中華優秀傳統文化、精益求精的大國工匠精神等思政元素，有利于促進培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者。智能物流搬運賽項橋梁結構設計競賽由理論方案設計、橋梁結構模型制作與組裝、模型加載試驗等環節組成，參賽學生要經歷橋梁模型方案確定與計算、模型制作與加載、模型優化設計、優化模型制作與加載測試驗證、參加最終決賽等階段的磨煉。在此過程中，學生要完成相關專業知識點的系統梳理和整合，構建更為完整系統的專業知識體系[3]，學生的實踐創新能力、團隊協作能力和表達能力等專業綜合素質均會得到大幅提升，探索精神、競爭意識也會得到極大的增強。

2.1 方案設計階段

在進行橋梁方案設計前，指導教師和參賽學生均需認真研讀分析賽題，對賽題內容、比賽要求、成績評定方法及相關注意事項了然于胸。在此過程中，指導教師應引導學生融入中國獨有的橋梁文化與橋梁建筑美學，潛移默化地提升學生對中華優秀傳統文化的認同感，使其增強文化自信。安全輕質是一對矛盾，考慮安全就需要多用材料，考慮輕質（實質上是考慮經濟性），則要求少用材料。協調這一矛盾對立的兩個方面，就要用到材料力學、結構力學、橋梁工程、結構設計原理等課程中關于結構內力、強度、剛度、穩定性等基礎理論知識和專業知識。這需要學生對相關理論知識有較為清晰的認識，對各類橋梁結構體系的構造和受力特點有較深的理解，充分認識制作模型構件材料的力學性能，合理利用材料，并且還能熟練運用常用橋梁結構分析軟件，如MIDAS/Civil，以便能對擬定的結構按賽題要求、荷載作用方式和桿件形式進行理論計算，作進一步的優化[4]。最終形成的理論方案成果內容應包括設計說明書、方案圖和計算書。

2.2 模型制作階段

該階段模擬的是橋梁的施工過程，是把理想的橋梁設計變為現實的橋梁模型的過程。要求學生在規定的時間內，利用給定的材料制作出橋梁模型，并在預留的測量面上粘貼反光片以進行變形的測量。在模型的制作過程中，學生能夠直觀認識從設計圖紙到結構實物的轉變過程[3]，深刻體會施工精細程度以及細節處理對最終結構性能的影響。為順利完成模型的制作，每位參賽隊員需全力投入，分工明確，各司其職，相互密切配合，這無形中促進了學生之間的團結協作。尤其要注意節點細部構造的制作。理想的力學計算模型是從實際結構中抽象出來的，模型制作時，應當使節點構造盡可能地接近理想的力學計算模型，但要達到百分之百的一致是不可能的，學生在了解了力學計算模型和實際結構之間的區別的基礎上，應注意控制制作質量和對細節的處理，對構件本身及節點進行仔細的、不厭其煩的打磨，敬業專注、耐心細致、精益求精的工匠精神的適時引入顯得尤為重要。

2.3 模型加載測試階段

有限元計算分析得到的是結構在理想狀態下的內力，實際的橋梁模型不可避免地會存在一定的尺寸制作誤差，與理論上的力學計算模型相比，實際模型的構件和節點受力情況會產生一定的差異，需要通過橋梁模型加載試驗來準確確定模型的實際承載能力和變形情況，以驗證橋梁結構方案。加載時需要認真觀察模型的加載反應和節點的受力狀態，檢查與有限元模擬及理論計算的預測結果是否一致，總結模型制作、加載的經驗，并進一步分析原因，以便進一步改進橋梁設計方案。在此階段，可以以模型加載破壞為切入點，強調科學合理的力學設計以及保質保量的工程施工對后期橋梁安全使用的決定性作用，讓學生認識到細致認真的工作作風以及對細節的重視都是極其重要的職業素養，粗心和失誤在今天導致的是競賽加載的終止，在將來有可能導致一起嚴重的工程事故[3]。在此基礎上，厚植學生工程倫理意識，培養其職業道德，強化其責任心。

2.4 優化階段

賽題規定橋梁模型在加載車輛通過時不能發生承載破壞，同時橋梁跨中位移不能超過規定的限值，即所設計制作的橋梁模型還需要滿足一定的剛度要求，在此基礎上，輕質高強者獲勝。為達到這個目標，需要通過有限元模擬計算并進行反復加載試驗，以找到最優的橋梁構件截面形式和構造尺寸。為取得好的競賽成績，參賽隊員需積極發揚精益求精的工匠精神和鍥而不舍的探索創新精神。在認真觀察分析模型破壞形式和特征的基礎上，不斷優化主要受力構件，減少不必要的支撐，以達到結構質量最輕的目標。針對節點破壞的情況，要在模型加載試驗中仔細觀察模型的受力反應，分析節點的實際傳力狀態[5]，判斷節點是否接近理論計算和有限元模擬計算時的力學計算模型，并進行加固處理（可將節點處各桿件外部用同樣規格的細長竹片粘連）以保證各構件能可靠地連接成整體，共同承受外荷載。為減輕結構自重，眾多的構件被設計成空心封閉截面，還需要對承受彎矩荷載的構件進行加強處理，可以采用外壁增厚、增加縱向加勁肋形成箱式空間、內部填充十字加勁肋等構造形式，以在較低桿件自重條件下提供更高的承載力和剛度[3]。

2.5 正式比賽階段

正式比賽時，各參賽隊集中在共同的競賽社區，需在規定時間內，借助競賽社區提供的各類資源，根據決賽題目的要求，完成橋梁設計、建橋材料采購、橋梁模型加工制造、技術交易、公益服務、宣傳報道以及加載測試等活動。這不僅是對學生專業知識與專業技能等專業素質的檢驗，也是對參賽隊員的心理承受能力、臨場應變能力等綜合素質的考驗。因為模型的加載存在著不可預知的偶然因素，在其他的學科競賽中發生過之前加載成功的模型在比賽現場加載失敗的案例，所以，參賽隊員在平時應多練，互相默契配合，多做模型進行加載測試，賽前做好充足的準備。在比賽現場，參賽隊員應調整好心態，相互密切配合、分工協作，自信地發揮出自己的最好水平。

3 競賽指導方式與方法

與講授一門具體課程教師處于主導地位不同，在工程訓練綜合競賽的開展過程中，學生始終是處于主導和主體地位的，教師則處于輔導和輔助地位。教師在指導過程中要注意方式方法，除了每周固定的輔導時間外，要充分利用微信等現代化通信技術，以語音、視頻、圖片等方式對學生所遇到的技術問題進行及時答疑解惑，使學生能繼續積極探索創新。

從學生長遠發展角度出發，指導教師應鼓勵學生自我探究式習得。在方案設計階段，即使結構受力明顯不合理，也不要直接指責學生力學概念不清、基礎知識不牢，而要間接委婉地和學生討論簡單的各種基本力學結構形式的受力特點，啟發學生自己去發現不足，自我否決，再自己創新，使學生獲得頓悟和自我發現、自我習得的成就感和愉悅感。這樣不僅可以激發學生積極參加競賽活動的熱情，有利于拉近師生的距離，建立良好的師生關系，而且能切實提高學生分析問題、發現問題、將理論知識靈活應用于解決實際問題的專業能力和科學素養。在該階段應注意加強學生結構體系的概念設計意識的培養。指導教師可以從引導學生分析擬設計橋梁需承受的荷載出發，分析比較各種橋梁結構形式的優缺點，幫助學生從總體上熟悉橋梁結構概念設計、理解結構設計原理，并比較傳統建筑材料與競賽所用材料的異同點，以加強學生運用所學知識解決實際問題的能力[4]。引導學生根據給定的造橋材料特點及模型制作難易程度，確定橋梁的結構型式，分析荷載傳力路徑，定性分析判斷主要承重構件的受力特征（即主要構件是以受彎、受剪、受拉還是受壓為主），受壓構件一般可選用竹皮粘貼成的箱形或圓形截面，受彎或受剪構件一般選擇經過加強處理的箱形截面，受拉構件則選擇竹皮拉帶[5]。根據經驗初步確定構件尺寸，并經計算優化得到一個受力合理、傳力簡潔的結構形式。

精巧新穎的理論模型設計方案，還需要精細的施工配合才能變為橋梁模型實體。這需要學生在模型的制作過程中發揚嚴謹細致、精益求精的工匠精神。橋梁模型加載試驗也體現了專業理論知識和專業技能的綜合應用，在理論上需要注意避免加載時的偏心、避免人為引起的沖擊，實際操作時則需要團隊成員之間的密切配合，一人負責加載砝碼，其他人觀察提示放置位置，小車負載前行時需要牽引小車的隊員盡可能地做到勻速直線運行。在橋梁模型加載試驗階段，通過學生的親自加載與觀察，可以培養學生對橋梁結構受力規律與變形趨勢的判斷能力，培養學生的工程意識和直覺[5]，鍛煉學生綜合運用專業知識的能力。結構設計是一個不斷優化的過程。要得到輕質高強的橋梁結構模型，需要綜合運用材料、力學、結構等相關學科的專業知識，不斷優化模型，并強化模型制作加載等專業技能，細致打磨、反復演練，不斷完善參賽作品。正式比賽時調整好心態，不畏強手、努力拼搏，嚴謹設計、精心制作與加載，自信地完成比賽。

4 結束語

對于工程訓練綜合能力競賽橋梁結構設計競賽，在進行橋梁方案選擇、結構設計計算、模型制作與加載試驗、結構優化、最終比賽的各階段指導中，不僅應注重培養學生綜合運用所學知識分析解決問題的實踐動手能力和創新意識，并且應適當融入思政元素，促進學生對中華優秀傳統文化的認同，培養學生嚴謹細致、精益求精的工匠精神和團隊協作能力，使其樹立工程倫理意識，提高職業素養，從而潤物無聲地實現立德樹人的目標，切實提高應用型人才的專業綜合素質和培養質量。