一流專業背景下依托結構設計競賽提升土木工程專業學生的綜合能力

張 瑤，馬衛華

（1.唐山學院土木工程學院 河北 唐山 063000；2.河北省建筑工程與尾礦綜合利用重點實驗室 河北 唐山 063000）

伴隨國家高等學校“雙一流”建設和綜合改革的引領，中國高等教育迎來高質量發展的新時代。一流專業的建設是形成一流大學的有力支撐，也是提升人才培養質量的關鍵所在[1]。土木工程專業是唐山學院首批省級一流專業，是學校成立最早并重點建設的專業，經過多年努力，逐漸形成了自己的特色與優勢。培養了大批“能施工、會設計、懂管理”的畢業生服務于地方工程建設一線，得到用人單位的廣泛認可，為唐山及周邊地區的經濟建設做出了貢獻。

土木工程專業具備很強的工程應用特點，因此，對學生來說，除了要掌握扎實的理論知識，創新思維、實踐能力和工匠精神也是必備的基本素養。結構設計競賽是教育部確定的全國九大大學生學科競賽之一，從對賽題的解讀，到模型的設計、制作、加載的全過程，都能有效提升學生的創新思維與動手能力，吸引了眾多高校師生的廣泛關注[2]。對復雜環境下實際工程問題的簡化是競賽的命題趨勢，如：沖擊和爆炸作用下的超高層建筑結構；多種工況作用下的大跨度空間結構；基于我國水資源分布不均背景的渡槽結構；承受風荷載、冰荷載、導地線荷載等的山地輸電塔結構。賽題既有創新性，又與工程密切相關，大學生通過參加大學生結構設計大賽來提升綜合能力是一條行之有效的路徑[3]。

文章基于唐山學院學生參加近幾屆河北省大學生結構設計競賽的經歷，淺談競賽對土木工程專業學生能力培養的意義。

1 近五屆全國大學生結構設計競賽

自第十一屆全國大學生結構設計競賽（2017年）起，由各省（市）分區賽選拔出優勝隊，獲取全國賽的參賽資格。這種分區賽與全國賽相結合的模式讓結構競賽成為眾多師生切磋技藝的精彩舞臺，競賽的影響力得到了進一步提升[4]。唐山學院參加了第一屆到第五屆的河北省分區賽（比賽情況詳見表1），第一屆分區賽以加載失敗告終，第二、第三、第四、第五屆分區賽多次取得二等獎，三等獎的成績。

表1 近四屆全國大學生結構設計競賽河北省分區賽情況表

2 結構設計競賽對大學生綜合能力的培養

作為土木工程專業大學生課堂理論學習的延伸，結構設計競賽打破了以往重理論、輕能力的學習氛圍，對鍛煉自學能力、實踐能力，激發創新思維、培養合作意識與工匠精神，提升專業能力有著十分重要的意義。

2.1 自學能力的鍛煉

大學生結構設計競賽是一項系統性、專業性的科技競賽。模型的設計既要運用工程結構設計原理、橋梁工程等專業知識，還要結合結構力學、材料力學等力學知識，同時也離不開有限元軟件的輔助分析與優化，這就要求學生具備很高的學習能力。

從構件截面屬性、荷載統計到內力分析、承載力和剛度驗算，都需要以相關專業知識為基礎，有針對性地探究學習、查閱資料，并學以致用。采用計算軟件對結構進行計算分析是確保結構承載力與剛度的重要依據，也是對結構進行優化的必備條件[5]。較常用的包括ANSYS、SAP2000、MIDAS等，這些都是本科生一般不會接觸到的有限元軟件，學生要從零基礎入門到實現模型的建立、分析與優化，充分鍛煉了學生的自學能力。

2.2 創新能力的激發

結構設計競賽是一項創造性的勞動，能激發學生運用專業理論知識，提供新方法、新理論和新思維。所謂“創新”既是指提出新穎的結構體系，具備適應賽題要求的、有效合理的傳力路徑，也是指在結構細部如截面形式、節點連接、支座形式方面的新嘗試。在學生別具匠心的設計下，歷屆競賽涌現出的優秀作品構思精巧、形式新穎。經過反復的驗證與優化，未來的實際工程必定會吸收利用這些優秀的設計理念[6]。

筆者通過集體訪談的方式，調查了學生在整個比賽過程中面臨的難點問題。要求每位學生均選擇兩項難點，并根據訪談結果做出了難點條形圖，如圖1所示，參加比賽必然要注入大量的時間與精力，每年比賽時間也在學期末，備賽與備考不免產生沖突，縱然學生十分重視考試成績，但在選擇難點時，只有21%的學生選擇了這一項，而有62%的學生選擇了“方案創新”，創新既要基于扎實的理論基礎，又要打破常規思路的束縛。

圖1 大賽難點統計

2.3 實踐能力的提高

土木工程是一門實踐性與應用性很強的專業，傳統的理論教學難以滿足當代社會對應用型人才的需求。大學生結構設計競賽題目是對復雜環境下工程所面臨的實際問題的簡化，源于實際，服務于實際，整個參賽過程體現著對理論知識的實踐與運用。例如依據結構力學、概念設計、橋梁工程的基本原理進行結構選型、構件布置，運用材料力學、鋼結構設計原理完成截面初選，以及后期的優化過程中，解釋模擬與試驗現象都離不開專業知識的指導，對培養學生的工程實踐能力有著重要作用。與此同時，理論方案的實現離不開細致的動手操作。無論是桿件間的連接，還是組合截面的形成，工藝對最后的試驗結果影響重大，很多巧妙的設計理念因為制作的失誤無法實現其功能。經過不斷的練習與打磨，制作模型的過程使學生們的動手能力得到了有效的提高，也使他們深刻體會到“施工過程”對整個結構性能的重大影響。

2.4 合作意識與工匠精神的塑造

團隊項目的根基在于合作，個人能力要與團隊協作深度融合。在競賽中，由三位學生組成一個團隊，通過充分挖掘和利用各自的興趣與專長，實現默契分工與合作。比如動手能力強的主導制作技術，自學能力強的主導軟件模擬，理論知識扎實的負責計算書的撰寫，分工中不乏合作，集眾人之長，形成最優組合，發揮團隊的最強競爭力，樹立良好的合作意識。

為了制作出最優模型，參賽團隊往往要反復制作幾十個模型，而一個模型的制作時間少則十幾二十個小時，每次加載完要分析試驗結果，提出優化方案，制作前還要利用有限元軟件建模測試優化方案的可行性與效果，隊員同時還要兼顧各課程與環節的學習任務，備賽過程培養了隊員持之以恒，百折不撓，精益求精的工匠精神。

2.5 專業能力的培養

土木工程專業學生的核心能力包括勘察設計能力、施工綜合能力、組織與管理能力等。對賽題的解讀訓練了學生應用數學與土木工程科學的基本原理去識別實際工程問題的復雜程度與功能要求；在模型的方案設計階段，學生需要熟悉備選結構體系與構件的受力特點，充分考慮賽題要求，提出具有創新性的解決方案，通過有限元軟件對模型進行分析與預測，理解結構的優勢與局限；在模型制作階段，對每次試驗數據進行收集、處理與解釋，采用科學的方法優化模型與制作工藝，有效加深了學生對專業知識的理解深度，提升了核心能力中的勘察設計能力。有些學生在制作過程中借鑒了裝配式、榫卯、預應力等理念，對于訓練施工綜合能力有很大幫助。作品需要在規定時間內完成則培養了學生溝通、合作以及組織和管理的能力。

通過采取問卷調查的方式，調查了學生們在完成比賽過程中各種能力的提高情況，要求每位同學選擇三項提高較明顯的能力，結果如圖2所示，選擇有創新性的設計/開發解決方案能力的學生占55%，選擇使用現代工程工具和信息技術工具能力的學生占54%，用專業知識和科學原理分析、解決問題能力的同學占47%，選擇將有效結論用于工程實踐能力的學生占41%，總體而言，勘察設計類能力的提高得到更廣泛的認可。

圖2 比賽對多種能力的提高情況

3 結語

參加結構設計競賽，學生將力學、結構，施工的知識貫穿起來，打通了專業知識間的相互關系，提升了分析問題、解決問題的能力，訓練了運用專業知識和工具進行結構設計和計算的能力，極大地豐富了學生的在校經歷。大學生結構設計競賽作為一項課外科技活動，既對培養土木工程專業學生的綜合能力具有深遠的意義，也有效地促進了“應用型土木工程專業人才”培養目標的達成，是建設一流專業的一股新動能。