以结构设计竞赛为契机促进创新实践型人才的培养

黄晋

土木工程专业是理论性和实践性都很强的工科专业，为社会培养从事建筑工程设计、施工、管理人才的工程类学科，因此要求学生同时具备扎实的理论基础和较强的创新意识和实践能力[1]。结构设计大赛是国家批准全国大学生9个学科竞赛项目中唯一和土木类学科关系紧密的一项赛事。大赛题目涉及复杂荷载下高层建筑结构、桥梁结构、桁架结构、大跨度悬挑结构、高压输电塔等的承载能力。该赛事要求参赛者有一定的理论知识设计出模型，还需要一定的动手实践能力将模型从图纸变成实物，并在竞赛过程中，考验参赛者的心理承受能力、现场应变能力等综合素质。与常规教学相比，结构设计竞赛在培养大学生创新能力、工程实践能力以及综合运用能力方面具有更好的效果，从而受到全国各类土木兄弟院校的高度重视。

一 大学生结构设计竞赛综述

开展结构设计竞赛的目的是通过构建高校工程教育创新实践平台，是让学生综合运用所学相关的专业知识去分析解决问题，可以培养大学生创新意识、团队协同和工程实践能力，提高创新实践型人才的培养质量。[2]结构设计竞赛的内容通常为给参赛小组某些特定的材料，在规定时间内制作出一个符合赛题要求的结构模型，通过对模型的加载实验，综合考虑模型的造型设计、理论计算、制作工艺、现场答辩、加荷等级等方面因素选出轻质高强的模型作为获奖作品。

1. 模型设计，结构设计竞赛为了鼓励参赛者的创新思维，倡导“百花齐放、百家争鸣”，只要模型满足赛题尺寸方面的要求，任何结构型式都可以。结构选型的基础在于通过SAP2000、MIDAS等有限元分析软件对不同的结构型式进行建模对比分析，然后通过持续的加载实验对模型进行修正和完善，最后确定模型的结构型式。一个通过奇思妙想、小心论证、精心设计的结构型式，不仅体现了对学生所学知识的综合运用，也必然体现学生的创新思维。

2. 理论计算分为手算和电算两部分。手算是学生通过所学的力学基本原理对模型中的某一榀结构进行简单的受力分析；电算则是一般用SAP2000及MIDAS等结构分析软件对模型进行3D建模、赋予材质特性、然后进行结构加载，在程序的后处理平台中获取数值模型的各项应力、位移等数据，接着对数据进行统计分析，从而优化模型。

3. 模型的制作是将设计变成实体的过程，大学生结构设计竞赛模型制作材料通常是一些易得、轻便、廉价且容易加工的材料，因此竞赛材料通常有白卡纸、木竹材、线绳、胶水等，模型制作时必须充分的了解材料的拉压弯、剪、扭等各种力学性质，根据软件对模型构件内力的分析有的放矢采用合适的材料用来制作该构件。由于材料内部的缺陷会导致模型局部应力集中，甚至整体失稳，因此要对材料进行打磨加工，目的是让各类材料材质均匀，重量基本相等，最后在此基础上制作出轻质高强的模型。

4. 设计计算书和现场答辩，设计计算书是对于模型设计意图的详细阐述，反映了学生运用理论知识解决具体问题的综合能力。现场答辩是专家评委根据参赛者提交的计算书以及制作好的模型，针对性的向参赛者提出相关专业问题。设计计算书的撰写可以让学生通过进一步清晰理解模型的设计思路，深化对相关力学知识的理解与运用。现场答辩可以反映学生的思维陈述能力和语言组织能力。

5. 加载试验是根据赛题要求，参赛者自主选择加载的级别，对模型进行加载实验。模型的加载存在许多不可预知的偶然因素，有可能之前加载成功的模型但是在比赛现场加载失败，因此，就要求参赛学生平时多做模型进行加载，对可能会出现的问题了然于胸，注意 细节，精益求精，在比赛现场制作模型时避开曾经出现过的问题，可以培养学生严谨，细致的学习方法和处事方式。

综上所述，结构设计竞赛要求参赛学生综合运用所学的数学、材料、力学、结构等相关知识设计出模型，采用SAP2000及MIDAS等结构分析软件对模型进行分析计算与优化；最后通过模型制作将优化的理论模型转化为实际的结构模型。通过设计、制作、试验等一系列的过程，锻炼和培养了学生的创新设计能力、实践动手能力和团结协作精神。

二 结构设计竞赛对土木工程专业学生创新实践意识培养的促进作用

（一）基于结构设计竞赛的创新实践意识内涵

现代工程的本质在于将工程理论科学知识应用于实际工程。结构设计竞赛中模型的设计、制作、加载等一系列过程实际上就是将理论知识应用一个简化工程结构模型的过程。竞赛模型的设计几乎涵盖了土木工程专业中数学、材料、力学、结构等课程的大部分内容，需要把这些知识融会贯通，同时还需要创新思维。模型的制作过程是动手操作并不断改进和优化的过程，需要在团队的协作下实践和探索，模型的加载试验则是对这些能力的评判和检验[4]，因此，基于结构设计竞赛的创新实践意识内涵包含以下几部分，如图1所示。

图1 基于结构设计竞赛的创新实践意识内涵

（二）结构设计竞赛对培养创新实践型人才的促进

1. 有利于培养学生的团结协作精神，传统的教育模式是学生通过上课获取理论知识，课后通过做习题巩固和深入理解所学理论知识，并尝试着用理论知识去分析解决一些实际工程问题，一般不需要与其他同学进行分工协作。而结构设计竞赛由于过程较为复杂，单打独斗不可能完成比赛，需要通过参赛小组成员一起分工协作、互相配合完成比赛，每个参赛小组通常是由3名来自不同的年级、不同专业的学生组成，如图2所示，每个成员在小组中分工明确，遇到问题从不同专业、不同角度提出自己的意见看法，然后综合在一起讨论、分析，共同解决问题。因此，竞赛中团队成员之间互相配合、取长补短，发挥各自的最大优势，获取最好成绩。

图2 结构设计竞赛小组成员(a)不同专业； (b)不同年级的比例

2. 结构设计竞赛能够培养学生的创新能力。首先，结构选型没有固定的结构型式，可以让学生充分发挥自己的想象力，有较大灵活性供不同专业的大学生发挥创造能力，为了使模型轻质高强，学生可以根据自己平时的观察、思考以及学到的专业知识选择合适的结构型式。其次，在确定结构型式后，参赛学生要运用所学到的知识对结构进行分析，不断优化，这需要融合数学、材料、力学、结构等学科知识去分析问题，将这些知识进行综合、拓展及延伸的过程可以培养学生的发散性思维和创新能力。最后，结构设计竞赛是以“学生为主，老师辅导”模式进行的，整个竞赛过程中学生始终处于主导地位，独立思考、创作、创新，老师只是起着辅助的作用，因此能够促进学生专业综合技能，发掘创新思维，培养创新实践能力，有效克服常规教学实践存在的一些缺点[6]。每一届的结构设计竞赛都会有一批别具匠心、制作精巧、形式新颖的作品，充分表明结构设计竞赛在激励学生创新能力方面的积极作用。

图3从创新意识的三个方面，对连续参加过两次和三次院校级别结构设计竞赛学生的结构模型进行针对性搜集调查，通过对比分析，发现有72%、67%和70%的第二次参加竞赛的学生分别在结构概念设计、结构优化创新思维以及探索精神上有明显的改善，相对于他们首次参赛的作品，第二次参赛作品结构设计更为合理，模型的优化更加彻底。而第三次参赛同学充分吸取了前面参赛各种失败和成功经验，有了几次比赛历练和积累，加之理论基础基本到位，在创新意识的各方面表现得更加完善，最终的获奖作品往往出自于他们。

图3 不同参赛次数同学创新思维的对比

3. 结构设计竞赛能够培养学生的实践动手能力。传统教学重理论而轻实践，但社会需求的是兼备理论知识与实践能力的综合性人才。结构设计竞赛中一个优秀的结构模型正是理论模型与精心制作想结合的成果。而且在实际动手制作模型和加载的过程中，可以检验模型设计阶段理论研究的正确性，能及时发现存在问题、纠正错误，保证模型加载的成功。还可以通过实际制作过程中的偶然现象发现新的创新机会，实现更大的突破。

图4 模型构件与节点处理

在结构设计竞赛准备过程中，每支队伍平均2～3天就要制作一件成品模型，每制作一个模型，都对材料、工具的应用有了更深刻的认识，模型制作水平不断的得到提高，制作工艺更加的精细，细节处理更加细致，如图4所示。因此，模型的制作过程锻炼了学生实践动手能力以及运用所学专业知识和相关软件、工具分析并解决实际问题的能力，促进了土木工程专业应用型人才的培养。

对竞赛前后参赛学生实践意识和动手能力进行统计分析，将其变化绘制于图5中。从图中可看出，相对于首次参赛时的毫无头绪，大部分的学生认为经过结构设计竞赛后，在运用理论知识去设计、分析并完善模型方面，在模型结构、内部构件的制作工艺优化等方面得到了明显的改善，并能做到举一反三。例如：同一次比赛中学生运用所学理论知识设计了空间桁架式、斜拉式、梁式、拱式结构等结构类型去满足赛题要求，每种结构形式各具特色，各有优点；同时运用软件分析结构中杆件的受力特点，采用H型、圆形、口字型、T型等截面形式，不仅受力合理，还减轻了模型的重量；而且根据模型后期加载要求，采用线绳对模型施加预应力形成预拱度来抵抗后期的加载（图6所示）。以上这些都充分体现了参赛学生在实践能力和动手能力方面优化、改善与提高。

图6 线绳对桥梁模型施加预应力形成预拱度

三 土木工程专业大学生创新实践意识培养的改革方向

（一）加强实践教学环节，提高动手能力

在结构设计竞赛过程中，有些学生能设计出构思巧妙的理论模型，但是做出的实际模型不是加载不成功，就是重量太大而失去竞争力。这说明了学生平时只重理论知识但动手能力较差，同时也说明现有的课程体系和培养模式存在一些不足需要改革[2]。因此在土木工程类专业培养大纲中，应适当增加实验与实践教学的比例，让学生通过实验课程去验证和深入理解所学理论知识，通过参与实践活动提高其动手能力[2]。例如，对力学体系和结构体系课程进行梳理，从而明确各门课程的教学重点及相互衔接，压缩部分理论教学课时，节余的课时用于加大实践环节的教学量。考虑到模型设计时要用到有限元软件进行建模分析，开设SAP2000，MIDAS等有限元软件公开课程，对历年的获奖模型进行有限元软件建模，模拟该模型在外加荷载作用下的响应，分析模型中每根构件以及每个节点的受力情况，进而解释模型很够加载成功的因素，让学生对模型的优化有了更加形象、更为深刻的理解。

（二）增加综合性、设计性和研究性试验内容

实验教学是将抽象思维具体化、形象化的过程；将传授的理论知识与实际动手能力相结合的过程[8]。常规的实验教学方法依据教学大纲要求预先设计实验方案，学生依照实验方案中要求的步骤、方法按规定进行操作即可，这种实验方式在基础训练阶段是必不可少的，可以让学生掌握一些基本的实验方法和手段，但是这种教学方法的知识传授是单向式的，教师与学生之间的互动较少，整个过程学生只是被动接受，不利于其独立思考解决问题，也不利于学生创新能力的培养，难以激发学生的学习兴趣和创造性思维。改革实验课程的体系和内容，精简传统的验证性实验，同时增设开放性、研究性实验内容，为学生充分发挥其创新思维创造自由的试验环境[9]。学生对某个问题不解或者有创新性想法时，可以通过自己独立设计实验方案并予以求证，教师作用在于解惑，当实验过程出现问题，可以帮助学生分析原因，循循善诱，启迪思维，从而激发学生的创造力，这种模式对培养学生的动手能力和创新精神极为有利。

（三）建立结构设计实践基地，开展竞赛活动

建立结构设计实践基地，配备专项的基金，专业的人员，专门的实验设备及比赛场地，为学生提供一个可以随时验证创新思维的开放型场地，学生可以根据自身的兴趣爱好，自主选择实验设备和实验时间，验证自己的创新思路并提高自己的动手制作能力；同时在结构设计实践基地中收藏历届获奖学生的结构模型，从而可以把优秀的作品、优秀的想法、宝贵的经验完整的传承下去。

实践基地的设立，对于低年级的学生，通过介绍有关结构设计的基础知识，熟悉此类比赛的过程，对此类比赛有一个初步的认识，熟悉试验设备和相关软件的操作，进行一些简单模型的设计、制作与加载，培养学生的独立思考和实践能力，等到参加此项比赛时就会得心应手得多了。对于高年级的学生，可以试着模仿校内往届比赛或者全国往届比赛中的优秀作品，在模仿过程中体会这些模型在设计和制作方面的长处，思考模型是否还有改善的地方，在这个过程中让自身能力得到提高。还可以独立设计一些综合性、研究性的实验，利用基地的实验设备，验证某些创新性思路的可行性。总之，实践基地为探索“理论-设计-实践-应用”的教学模式提供了良好的环境与氛围[10]。

四 结束语

大学生结构设计竞赛能够培养学生创新实践能力。模型的设计能让学生运用所学理论知识来解决实际问题，模型的制作培养学生动手能力，竞赛过程培养了学生的团队协作精神和抗压能力，能克服常规教学实践中存在的一些缺点。以结构设计竞赛为契机对土木工程相关课程进行教学改革，能够有效的促进创新实践型人才培养模式的形成。