基于“习而学”理念构建土木工程模拟创新实践平台

周臻 陆金钰

摘要：本文在详细分析茅以升先生“习而学”工程教育理念的基础上，以培养卓越土木工程师的工程创新实践能力为目标，构建土木工程模拟创新实践平台，提出平台的柔性开放式运行机制，可为“卓越工程师计划”在土木工程专业的成功实施奠定基础。

关键词：习而学;土木工程;工程模拟;创新实践

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）07-0146-02

“卓越工程师计划”是我国工科高等教育的重大改革项目和发展方向，“强化培养学生的工程能力和创新能力”是最为核心的目标和内容。土木工程是工科专业中一门实践性很强的学科，不仅需要系统的工程理论知识，更需要较强的工程思维和动手实践能力。东南大学工科创始人、我国桥梁奠基人茅以升先生曾提出“习而学”的教育理念，即强调实践与理论教学的同步性与交互性。由于土木工程实践的特殊性，如完全将实践能力的培养放在工程现场，势必受到很多客观条件的限制。因此，基于“习而学”理念构建模拟创新实践平台，成为实现卓越土木工程师培养目标的一种有效途径。

一、“习而学”工程教育理念

茅以升先生结合自己担任多所工科院校校长和主持多项重大工程设计的特殊经历，提出我国工程教育存在的几个突出问题：理论与实际脱节、科学与生产脱节、招生与毕业考核偏理论而轻实践等，针对性地提出“习而学”工程教育理念，其中“习”指的是工程实践环节，“学”则是理论学习环节。在“习而学”的工程教育理念中，“习”与“学”的关系应是先“习”后“学”，再“习”再“学”，“习”“学”交替。因此，工程教育过程应以实践为中心，理论学习应围绕工程实践能力的培养而进行。在这种理念的指导下，茅以升主张工程专业学生在进校后首先进行工程实践方面的认识和训练，即要先“知其然”，初步建立感性知识体系，了解工程任务的细分环节。然后，再进行相关工程基础知识学习，即要“知其所以然”，建立理性知识体系，通过理论的指导和解释，将感性知识体系中初步认识到的一些片段化的、相互割裂的具体现象和环节串联起来，整合成为系统的工程知识。学生在“习”与“学”的螺旋交替过程中，不仅工程实践能力得到不断强化，同时理论知识也因为有了工程实践的先验情境和具体经验而更加深刻地理解透彻，工程创新能力得到有效提升。

由上述分析可知，“习而学”的工程教育理念为我国卓越工程师的培养提供一个很好的实现路径。但对土木工程专业而言，真实的工程环境多为大型的施工工地和设计企业。考虑到目前学生规模、企业承受能力和现场人身安全等多方面因素，且“习”与“学”的交替应是一个不断循环的过程，因此将“习”完全置于这样的真实工程环境中，开展难度非常大，模拟创新实践平台则在目前成为实现“习而学”理念的一个较好选择。

二、土木工程模拟创新实践平台的构建

基于“习而学”的工程教育理念，土木工程真实工程环境中的各个环节都应有相应的可供學生反复实践的平台。为此，我们在依托国家级实验教学示范中心的基础上，构建面向土木工程本科生的模拟创新实践平台，主要包含三个子平台。

1.子平台1：模型制作平台。该平台是对土木工程中施工环节的模拟，即利用模型材料按照一定的施工原理将其组装成不同的结构体系。大一和大二年级的学生主要利用木材、竹片、白卡纸等常见材料制作模型结构。大三和大四年级的学生在经过一定专业知识储备和前期实践环节训练的基础上，可采用真实的建筑材料制作小型工程结构，如自己制备小型混凝土试件、加工短细钢筋或小型钢铝合金结构试件等。通过这个环节的训练，一方面可让学生对真实的结构施工过程有初步的了解，有利于他们后续建筑施工和结构构造相关知识的学习，另一方面也让学生在动手制作的过程中，收获自信，提高动手能力，增强对专业知识的学习兴趣。

2.子平台2：模型加载平台。该平台是对土木工程中工程结构试验环节的模拟。随着土木工程建设的不断发展，各种新材料、新结构形式和新建造技术日益涌现。因此，在实际的土木工程结构中，针对一些特殊结构类型或新型技术的应用，往往要先制作一定比例缩尺结构模型，进行不同类型的加载试验，以验证结构的安全性能，或确定一些异型结构、构件的设计参数。例如，高层建筑结构模型的抗震试验、大跨空间结构或大跨桥梁结构的风洞试验、复杂节点承载力性能试验等。但是用于土木工程结构加载设备，一般很大且价格昂贵，不适用于面向土木工程本科生常态性使用的需求。因此，在模型加载平台中，可采购或自制一些体积较小、价格较低、操作简便的模拟加载设备，并且可以直接让本科生经过简单培训后即可使用。东南大学在参加历年全国性和地区性结构竞赛的过程中，积累了较为完备的模拟加载设备体系，包括用于模拟地震荷载的小型振动加载台、模拟风荷载的变频多级鼓风机系统、用于模拟冲击荷载的弹簧—小球—钢架系统及用于模拟桥梁结构移动荷载的遥控载重车加载系统。同时，为这些设备配备相应的检测仪器，让学生能够独立、完整地完成结构模型的加载与试验，有效提升他们的工程创新和科研能力。

3.子平台3：结构设计平台。该平台是对土木工程中设计分析环节的模拟，是三个平台中理论知识要求最高和综合性最强的一个实践平台。目前，结构设计分析环节是很多土木工程本科生知识体系和工程能力中的薄弱环节。虽然在教学体系中开设结构设计原理和结构设计方法的课程，但是大部分学生只是掌握了如何解决课堂的习题，缺乏对结构体系的整体性把握，以及相关规范规程中一些关键细节的理解。因此，该平台的实践目标是让学生针对一个具体的工程背景，应用常用的结构设计分析软件，完成在特定荷载下的结构分析，应用相关的设计规范条文进行设计和校验，利用AutoCAD、天正、探索者等专业绘图软件绘制施工图。因此，结构设计平台提供的模拟环境是一个结构设计全过程的系统模拟，让学生在软件分析、规范条文和手算校核的设计实践过程中，学会如何在真实的工程环境中完成设计并表达相应的成果，从而提升他们在结构设计方面的工程能力。此外，建筑信息模型（Build Information Model，BIM）已成为土木工程建设发展的大势所趋，我们也开始逐步引入Revit等BIM设计软件及模拟项目，提升学生在未来设计行业的综合竞争力。

在模拟工程创新实践平台中，为了确保各子平台功能的实现，还提供了四项辅助支持策略。①工程情境导入。由平台指导教师介绍实践项目的工程背景和工程意义，让学生对相应的工程情境有初步了解。②工程视频展示。播放与实践项目相关的工程视频，让学生获得直观的感性认知信息。③实践演示流程。由指导教师或学生助教通过图片、视频等多媒体技术演示项目实践的基本步骤流程。④理论知识简介。将实践项目相关的理论知识整合成技术手册，供学生边实践边思考。

三、模拟创新实践平台的运行机制

“习而学”思想强调“习”与“学”是往复交替的过程，且学生在这个过程中应具有很强的主动性，这样才能充分锻炼他们的工程思维与创新实践能力。传统的课程设计和实验课程等实践环节，多以内容预设、时间固定和形式统一为主要特征，因此学生的实践过程处于较为被动、封闭和受约束的状态。真正有效的实践应是一种常态化的、学生完全自主动脑来思考与动手进行的实践。因此，模拟创新实践平台的运行机制应以“柔性”和“开放性”为主要特征。

1.工程模拟实践选修课。在土木工程相关课程中，增设工程模拟实践环节，或专门开设工程模拟实践选修课。由教师依据模拟创新实践平台的硬件和软件，设定若干针对真实工程情境的模拟专题，供学生自由组合分组，自主进行选修。例如，在《特种结构》课程中，我们引入塔架抗冲击荷载和广告架抗风设计的工程模拟环节，让学生在模拟创新实践平台自行设计、分析和制作结构模型，利用平台设备完成相应的模型加载，最后用研讨的形式将实践过程和成果呈现出来并与其他组讨论，取得良好的效果。

2.学生创新研学项目。目前，许多高校每年投入大量经费供本科生进行课外研学训练（SRTP），形式是让学生自由组合形成小型研究团队，自主提出创新实践想法，申报并完成课外研学项目，从而通过这样的实践训练提升创新能力和研究能力。模拟创新实践平台的柔性开放性机制，正好可以让学生全过程自主完成项目的构想、设计和实施环节，使他们的工程思维和创新实践能力得到最大程度的鍛炼。

3.工程模拟竞赛训练与选拔。目前，土木工程专业每年有多项以学生实践能力和创新能力培养为目标的学科竞赛，如各级结构设计竞赛、全国混凝土设计大赛、钢结构住宅设计竞赛，以及一些国际性的赛事等。可依托工程模拟实践平台，针对各项竞赛开展训练和选拔活动，让学生自由组队，针对赛题要求，利用模拟实践平台的软硬件设备，在课余时间自行进行模型设计、制作和加载。

四、结语

自2008年以来，东南大学土木工程学院逐步构建针对本科生的模拟工程创新实践平台，在学校内部较好地实现茅以升先生的先“习”后“学”、再“习”再“学”、“习”“学”交替的工程教育思想，相关经验可为“卓越工程师计划”在土木工程专业的成功实施提供参考和依据。

参考文献：

[1]林健.卓越工程师教育培养计划通用标准研制[J].高等工程教育研究，2010，（4）：21-29.

[2]王雄.“习而学”：茅以升工程教育思想研究[J].高等工程教育研究，2011，（4）：85-89.