土木工程實踐教學與學科競賽融合模式創新研究
——以大學生結構設計競賽為例

趙云峰，曾 磊

（長江大學城市建設學院，湖北荊州 434023）

在“一帶一路”倡議，“長江經濟帶”“鄉村振興”等國家戰略引領下，新型基礎設施建設、新型城鎮化建設、交通和水利等重大工程建設快速推進，國家建設投資持續增長。建設生態宜居、綠色智慧的城鎮基礎設施急需更多掌握堅實理論基礎和具有創新能力的土木工程專業人才。同時，我國大力實施的工程教育專業認證對學生的培養目標中指出，學生參加工作后具有從實踐中發現、分析和解決問題的能力，具有科學的思維方法與較強的創新意識[1]。新工科背景下，要將學生培養成為實踐能力強、創新能力強且具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才，實踐和創新的重要性進一步凸顯[2-3]。因此，圍繞新時代高等教育人才培養目標，探索實踐教學新方法，完善土木工程專業人才培養模式、提升人才培養質量具有重要的理論及現實意義。

全國大學生結構設計競賽是教育部和財政部批準發文的全國性A 類學科競賽，其宗旨為培養大學生的創新意識、合作精神，提高大學生的創新設計能力、動手實踐能力和綜合素質，加強高校間的交流。該競賽為高等學校開展創新教育和實踐教學改革、加強高校與企業之間聯系和推動學科創新活動起到積極示范作用。競賽宗旨與新時代土木工程專業人才的培養目標相契合，為土木工程專業實踐教學改革提供了新的思路[4-6]，得到了部分高校的認可和關注[4，7]。本文對于實踐教學與學科競賽融合模式的推廣，結合長江大學土木工程專業的實踐教學改革，進行積極的分析和思考。

一 全國大學生結構設計競賽剖析

全國大學生結構設計競賽（簡稱“國賽”）于2005 年由浙江大學倡導，聯合國內11 所高校共同發起，截至2021 年已舉辦了14 屆。競賽原則上每年舉辦一次，競賽時間一般安排在下半年9—10 月份。2018 年起要求須通過省（市）分區賽方式選拔參加全國總決賽，參賽學校推薦1 個參賽隊（當年承辦全國總決賽的高校可推薦2 個參賽隊），由3 名學生組成，可指定1～2 名指導教師。參賽學校原則上以通過全國高等學校土木工程專業教育評估的學校為主。競賽基本流程包括開幕式、抽簽、模型制作、分組比賽、得分計算、頒獎及閉幕式，其中分組比賽包括稱重、固定模型、作品介紹與專家提問及加載環節。

歷屆大學生結構設計競賽題目涉及的結構類型包括高層建筑、橋梁、風力發電塔、懸挑屋蓋、吊腳樓、三重檐攢尖頂仿古樓閣及渡槽支承系統等，豐富多樣，考驗學生的專業知識綜合運用能力、創新能力、手工制作能力、邏輯思維能力和團隊協作能力。其中，專業知識的綜合運用具體涉及了三大力學（理論力學、材料力學和結構力學）、鋼結構設計和混凝土與砌體結構設計等專業課程，創新源于扎實的專業知識和對生活的觀察，手工制作離不開學生的細心和耐心，良好的邏輯思維能合理優化模型和簡潔明了地介紹制作的模型，團隊協作，發揮各自的優勢。大賽內容兼具趣味性和專業性，競賽模式具有很好的激勵性和交流性。在興趣和求勝心的驅動下，能激發大學生的自主學習熱情和創造性思維。

二 以結構設計競賽為導向的實踐教學

（一）課程設置與簡介

為更好地培養競賽人才，同時達到以賽助學的目的，長江大學城市建設學院開設了專業選修課程——結構建模。該課程開課時間設置在上半學期，課程學分為2.0 學分，對應的課時為32 學時。課程授課對象為大二學生，前置課程包括材料力學、理論力學，與結構力學同步。在課程時間設置方面，與校賽和省賽無縫對接，擬參賽學生有充足的時間準備比賽。在授課對象方面，大二學生對學科競賽的興趣濃厚，且已完成相關力學課程的學習。大三學生專業課程緊湊、課余時間較少，畢業年級學生準備考研、找工作等，報名參加競賽的學生較少。

通過該課程的學習和實踐，使學生能夠把所學的專業理論知識綜合應用于實踐。學生能夠熟練應用數值模擬軟件，會用其對各類建筑結構進行計算分析；在動手制作模型的過程中，培養學生的創新意識、創新能力、實踐能力及團結協作精神。

（二）課程教學內容與考核要求

課程教學包括4 個專題的理論教學和3 個實踐教學內容。課內理論教學16 學時、實踐教學16 學時。理論教學專題包括大學生結構設計競賽及賽事流程解讀、大學生結構設計競賽賽題介紹與典型賽題解讀及結構設計與模型制作中的發散型思維與基本功解讀、結構建模分析軟件的應用。實踐教學內容包括大跨度橋梁結構模型設計與制作、高層建筑結構模型設計與制作和本年度全國大學生結構設計競賽賽題為背景的模型設計與制作。實踐教學分組與競賽保持一致，采用3 人小組的形式。

課程考核采用實驗報告和對制作的模型評分相結合的形式。每名學生對設計與制作的3 個模型分別撰寫實驗報告，記錄完整的模型制作過程，并總結技巧和經驗教訓。以大跨度橋梁結構和高層建筑結構模型設計與制作作為訓練，對模型重量、承載能力和美觀程度進行評分。以競賽賽題為背景的模型評分標準和過程與結構設計競賽一致，包括計算書、模型介紹和模型加載。

（三）課程畢業要求

按照工程教育認證畢業要求，結構建模課程應能支撐如下畢業要求。

能夠針對一個復雜系統或者過程選擇一種數學模型，并達到適當的精度要求。與之對應的課程內容為大學生結構設計競賽賽題介紹與典型賽題解讀。

具有創新思維，能夠解決土木工程專業復雜工程實施過程中遇到的問題。與之對應的課程內容為結構設計與模型制作中的發散型思維、制作要點及基本功訓練解讀。

掌握計算機在土木工程中的應用，能夠利用計算機技術進行復雜工程問題的預測與模擬計算，并理解其局限性。與之對應的課程內容為軟件操作界面認識、模型建立操作過程和模型加載、求解及結果分析。

三 實踐教學與學科競賽融合效果

（一）融會貫通，理論結合實踐

土木工程專業課程之間存在相互銜接和融合不足、實踐課程偏少和理論與實踐脫節的問題[6]。部分專業課程如三大力學，具有理論知識多、抽象難懂、枯燥且邏輯性強等特點。進而使得部分專業課程的教學效果不甚理想，如基本概念理解不清、跟不上教學進度和考一門忘一門等。同時，專業課程體系中的實踐教學也存在較多問題，如走馬觀花、實踐內容與課程理論教學不一致及以抄襲嚴重的實驗報告或心得為考核依據等。作為工科專業，許多專業知識來源于實際和服務于實際，理論與實際的結合才能達到理解掌握與融會貫通。

結構設計競賽賽題多來源于生活實際，競賽對所制作的模型的核心評價指標為質輕承載重，即以最輕的質量承受最大的荷載，同時考慮精細、美觀等指標。最終的模型作品呈現需經歷方案對比、結構選型、計算分析、結構優化、手工制作和加載測試等階段。其中會涉及材料特性辨識、構件截面形式選擇、核心構件判斷、結構受力分析、節點設置與細部構造及優化等問題，需結合材料力學、理論力學、結構力學、橋梁工程和鋼結構設計等課程的專業知識。因此，以結構設計競賽為向導的結構建模課程教學為學生理解、領悟和串聯專業課程理論知識提供幫助，同時為理論知識應用于工程實踐提供支撐，達到理論指導實踐、實踐反哺理論的目的。

（二）自主學習，變被動為主動

本科人才培養方案中，土木工程專業課程數量較多，普遍存在課程內容多而學時少的矛盾。為了課程進度，授課教師將部分課程內容寄希望于學生課后的自主學習和課后輔導。同時，在疫情常態化的影響下線上教學得到推廣，使得課程的主體更多地偏向學生，對學生的自主學習要求進一步增強。對于部分普通院校的學生來說，自身基礎偏弱、自我約束能力低和課程內容枯燥等原因使得學生缺乏自主學習的興趣和動力，學習效果大打折扣。

結構建模課程理論教學中對結構設計競賽賽事介紹和賽題解讀，大大提高了學生參加競賽的積極性；課程實踐教學中對手工模型制作的趣味，激發了學生的熱情。模型制作經歷的結構選型、結構受力分析和結構建模優化等環節，涉及的專業知識廣泛，需綜合應用相關專業知識才能達到模型質輕，承載重的目標。因此，學生需對已學和遺忘的知識點進行回顧和補充，以及新知識的自主學習。從最初的模型構思到最終的模型呈現，學生們不僅實踐了當前所學知識，還對將來需要學習的知識有了最直觀的體驗和嘗試，從而變被動學習為主動學習，變被動認知為主動認知，有效促進對第一課堂知識的理解。結構建模課程教學和結構設計競賽的融合，充分激發了學生的自主學習興趣，求勝心理也讓學生持續擁有自主學習動力。

（三）創新思維，綜合能力提升

創新是一個民族的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力。學生的創新創造能力是民族和國家發展的推動力。優秀獨特的土木工程結構通常兼具經濟、節能、美觀、安全穩定與耐用等特點，與自然和諧共生，其設計本身是創新實踐的綜合體現。對于結構設計競賽賽題模型，如何用輕薄的竹皮紙制作出質輕高強的模型，需要學生具有扎實的專業基礎和創造性思維。在竹皮紙組成的構件截面、結構體系安全穩定、節點的連接加固、細部構造及優雅美觀等方面為學生的創新提供了廣闊的空間。每屆競賽中出現的精致優美、新穎獨特的模型正是創新思維的體現。以結構建模課程教學中的結構設計與模型制作中的發散型思維與基本功解讀，以及實踐教學中模型的動手制作，培養和激發學生的創新潛力。

課程教學和競賽中3 名學生組成團隊，而在有限的時間內完成模型的制作離不開團隊的合作。團隊成員需在數值軟件的模擬優化、計算書的標準化撰寫和模型的手工制作方面按優勢互補原則進行合理分工，對遇到的問題進行討論交流，一起享受成功的喜悅或分擔失敗的難過，培養和提升學生的團隊協作能力。最優模型的呈現通常需要經歷多個模型的制作與測試，如第十四屆國賽賽題中橋梁加載參數的不確定性使得學生需要準備多個備選模型方案，極大地培養了學生的動手實踐能力。同時，也是對學生的耐心、細心和恒心的考驗。

（四）以學促賽，合作帶來共贏

1 提高了競賽知名度

以長江大學為例，每年選修結構建模課程的學生約120 人，基本涵蓋了整個土木工程專業的大二學生。通過該課程的教學，學生更清晰地了解了競賽的流程與規則，以及參加競賽的意義。同時，通過學生間的交流，極大地提高了競賽在學生中的知名度和認可度，宣傳效果顯著。對比2013 年和2021 年學院報名參加競賽的隊伍數量，由三支增加至二十余支。

2 提升了競賽人才選拔與培養質量

傳統的競賽人才選拔與培養方式為發布通知、自由報名、校賽選拔和集中培訓，選拔出的學生知識儲備量較少、動手能力不足、競技水平偏低，且集中培訓占用學生的學習時間較多。長江大學參加結構設計競賽至今積累了較為豐富的經驗和技巧，通過結構建模課程的教學，使得學生在創新思維、模型優化和手工制作等方面得到了初步指導和培訓。在此基礎上，進行多輪校賽選拔，最終的參賽學生在模型設計與制作方面已有一定基礎；進而開展針對性的培訓，大大地提升了競賽人才選拔與培養質量。同時，課程教學計入工作量，以課程為依托進行創新實踐與教學改革，大大激發了指導教師的熱情。

3 體現了競賽宗旨

結構建模課程時間設置與校賽（各學校組織的大學生結構設計競賽，簡稱“校賽”）和省賽（各省舉辦的大學生結構設計競賽，簡稱“省賽”）無縫對接，避免了以指導教師為主體的集中培訓方式，轉變為學生主導。同時，與競賽融合的實踐教學模式和集中培訓相比，讓更多的學生在創新意識、合作精神、創新設計能力、動手實踐能力和綜合素質等方面得到了培養，體現了競賽的宗旨，也與《新工科建設指南》中要求的工科專業實現50%以上的學生參與“大學生創新創業訓練計劃”的目標相符[8]。

4 提升了競賽成績

長江大學于2013 年首次參加第一屆湖北省大學生結構設計競賽，參賽體會為準備倉促、毫無經驗、參賽程序與競賽規則不清，思路狹隘、結構普通及手工制作粗糙。學校十分重視大學生結構設計競賽，截至2021 年已參加3 屆國賽和8 屆省賽，并成功舉辦了第七屆湖北省省賽。競賽與實踐教學的融合，使得參賽學生基本功更加扎實、自信心更加充足，使得指導更加合理規范，使得參賽前的準備更加充分。學院的競賽成績從最初的優秀獎到近年來的省賽一等獎，提升顯著。

四 實踐教學與學科競賽融合模式的拓展延伸

（一）力學課程教學與競賽的融合

土木工程專業的力學課程包括材料力學、理論力學和結構力學，在專業課程體系中占據十分重要的地位，是學生開展后續專業課程學習的基礎。力學課程理論性強、抽象，傳統“滿堂灌”式教學讓課堂教學枯燥無味。大學生結構設計競賽中模型的設計與制作過程涵蓋了力學課程中的大部分重要知識點，這為課程中的理論知識提供了良好的理解與應用的平臺。將結構設計競賽融入力學課程的教學內容中，以賽題為載體，提高理論知識教學的趣味性和有效性，也可實現力學課程教學之間的聯動。目前，大學生結構設計競賽促進力學課程教學改革的思考也得到力學課程教師的關注[9]。

（二）畢業設計與競賽的融合

畢業設計是學生完成教學計劃規定的全部課程學習之后，所必須進行的最后一個重要的實踐性教學環節，是實現本科培養目標的重要階段，是學生從學習走向工作崗位必要的過渡階段。通過畢業設計，培養學生所學基礎理論和專業知識的綜合應用的能力，以及獨立分析與解決一般工程技術問題的能力，為學生將來走上工作崗位、順利完成所承擔的建設任務奠定基礎。傳統的畢業設計模式常依托某一工程背景，進行方案比選、設計計算分析、繪制設計施工圖，存在換標題不換內容、模板套用和知其然而不知其所以然的問題，同時創新性體現不足。

結構設計競賽的賽題來源于生活實際，模型的設計與制作過程與畢業設計過程較為相似。賽題涉及的專業知識廣泛，模型優化環節中數值模擬軟件的學習與應用，進一步提高了學生綜合應用專業知識能力的要求。第十四屆國賽賽題為《變參數橋梁結構模型設計與制作》，以承受豎向靜力和移動荷載的橋梁結構為對象，通過在賽題中加入部分待定參數，賦予賽題更多的靈活性。將畢業設計與競賽融合，賽題的創新性、綜合性和靈活性讓畢業設計更好地培養學生的綜合能力。同時，畢業設計的答辯環節也可考慮參考競賽的比賽評分環節。

（三）新增專業選修課程與競賽的融合

專業選修課程的開設基于學生興趣和專業知識拓展的需求，隨著教學改革和知識更替而改變。大學生對學科競賽興趣的提高及高校重視程度的加強，可以基于學科競賽而開設專業選修課程。如開設數值模擬軟件課，向學生推廣ANSYS、MIDAS 等專業分析軟件，為應用型人才培養打下基礎；開設手工模型制作課，通過截面選擇、構件制作和節點處理等方面的培訓，針對性地提高學生的動手能力。此類課程的開設不僅能滿足學生的興趣和專業知識的拓展需求，也能進一步培養學科競賽人才。

五 結束語

新時代高等教育人才培養更加注重實踐與創新，與大學生學科競賽的宗旨十分契合。本文以土木工程專業的大學生結構設計競賽為例，結合長江大學多年的實踐教學改革，分析總結了實踐教學與學科競賽融合的模式和效果，思考了該模式的拓展延伸。該模式可以構建理論與實踐結合的橋梁，培養學生自主學習的意識，提升學生的創新能力、動手實踐能力和團隊協作能力，以及持之以恒的毅力，提高競賽人才的選拔和培養質量及競賽成績，實現“以賽助學、以學促賽”共贏的目標，達到創新實踐人才培養和競賽成績提升的目的，具有良好的推廣前景。