結構設計競賽對學生創新能力培養作用的探討

摘要：基于卓越工程師教育培養計劃的實施，提出現代土木工程專業教育更應重視學生工程創新素質的培養。結合合肥工業大學長期開展的創新實踐工作，探討結構設計競賽作為土木工程專業主要的學科競賽在培養學生工程創新意識和能力方面的重要作用，最后對結構設計競賽的發展及需完善的環節給出幾點建議。

關鍵詞：土木工程；卓越計劃；創新能力；結構設計競賽

作者簡介：王輝（1973-），男，安徽安慶人，合肥工業大學土木與水利工程學院，副教授；鄭鈺瑩（1979-），女，湖南隆回人，合肥工業大學教務部，助理研究員。（安徽 合肥 230009）

基金項目：本文系安徽省高等學校省級質量工程教學研究項目“以創新基地為依托的土木工程專業人才創新教育模式的研究與實踐”（項目編號：20100105）、“大學生創新性實驗計劃項目管理模式的探索與實踐”（項目編號：20100100）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）22-0053-02

一、卓越計劃對土木工程專業培養目標的要求

借鑒國際先進國家高等工程教育的成功經驗，為促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國，教育部提出“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”），旨在通過教育和行業、高校和企業的密切合作，強調工程技術，突出實踐技能，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，培養造就一大批創新能力強、適應社會經濟發展需要的高質量各類型工程技術人才，為我國走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務。“卓越計劃”的實施對促進高等教育面向社會需求培養人才、全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的示范和引導作用。

“卓越計劃”注重強化培養學生的工程能力和創新能力。在該計劃正被推廣實施的大環境下，土木工程專業需要相應調整人才培養思路，培養模式應由封閉型向開放型轉變，重點突出專業實踐技能、工程創新素質的培養，使專業培養目標服務于“走中國特色新型工業化道路，迫切需要培養一大批能夠適應和支撐產業發展的工程人才；建設創新型國家，提升我國工程科技隊伍的創新能力，迫切需要培養一大批創新型工程人才；增強綜合國力，應對經濟全球化的挑戰，迫切需要培養一大批具有國際競爭力的工程人才。”

二、現有專業培養模式對創新能力培養的缺乏

工程教育的目的是將學生培養成為一名優秀的工程師，不僅具備專門技術、應用能力和社會意識，更要具有工程創新素質。但目前來說，我國人才培養模式最大的弊端之一就是人才的創新意識和創新能力普遍匱乏，高校普遍存在重理論、輕實踐、重知識傳授、輕能力培養、缺乏創新教學氛圍的現象。這些也凸顯于土木工程專業的人才培養環節。

對于大多數設置土木工程專業的高校，其專業培養環節仍存在以下主要問題：

一是課程體系中的公共基礎課程設置不合理。主要表現為課程的重復性、學時過多，如英語、物理和化學等課程與高中階段知識結構相比，內容存在較多重復。由于公共基礎課程占用較多學時，導致后期的主干專業課程學時不得不被壓縮，并且學生往往因總學分達標而較少選學后期的某些專業選修課。

二是課程教學中填鴨式、灌入式教學過多，缺乏問題式、互動式、啟發式教學，學生完全處于被動學習狀態，缺乏對專業知識探索的主動性，根本談不上對知識的創新性思考和應用。

三是實踐教學缺乏主動創新能力培養。雖然某些課程相應設置了實驗教學或課程設計環節，但實驗教學所開設的實驗均屬于演示或驗證性，而課程設計也僅是檢驗學生對專業理論知識的掌握和簡單應用的能力，未從知識理解與應用必須緊密聯系知識創新的角度來組織教學，因此這些實踐教學環節缺少讓學生綜合并創新應用知識的機會，難以有效發掘和培養學生的工程創新素質。

三、“卓越計劃”背景下創新能力培養及學科競賽的重要性

為適應時代發展對創新人才的需求，各高校土木工程專業教學需要在當前實施卓越計劃的大環境下按通用標準和行業標準培養工程人才，突出企業實訓和實踐教學，強調現代工程師所應具備的工程創新素質的塑造，適時建立一種適合當代科技發展、基礎知識深厚、工程實踐性和創造性強的人才培養新體系，這成為當前土木工程專業高等教育改革亟待解決的問題。

1.改革培養模式適應創新能力培養

首先，課程體系要適應現代社會對專業人才培養的需求，在強調厚基礎、寬專業的同時，更需強能力、高素質，注重學生專業實踐技能及創新能力的培養。其次，教學應當及時反映現代教育思想和高科技成果，適時引入本專業科技前沿內容的介紹，教學方法和手段、考核方式也應形式多樣，能多層次地滿足學生獨立進行學習和創新研究的需要。最后，利用現代教學手段構建多元化的教學環境，開設更多綜合性、開放性的創新設計型實驗或實踐課程，鼓勵學生積極主動地探索和發現問題，并帶著問題去設計方案并獨立實施解決，更多地為學生創造能自由思考、充分想象的創新空間，激發學習的主動性和創新性。

2.學科競賽對創新能力培養的重要作用

為推進創新型思維、提升創新能力，除了改革課程體系、教學內容、方法以及實踐教學環節外，要重點為學生搭建創新平臺，提供全過程工程實踐的機會，而學科競賽則有效搭建了一個系統性、創新性及工程性的實踐創新平臺。它側重考查學生對相關學科知識能否深度理解、系統歸納和實踐運用，能有效體現學生對學科知識的創新運用能力，有利于學生形成發展型、全面型的知識結構，開發探究型的素質和能力。通過參與競賽，學生能切實感受并主動實踐工程的創新，不僅可以提高自身的專業素質，還能激發對學科的濃厚興趣，培養良好的意志力與克服困難的精神，增強團隊協作意識，促進綜合素質的全面提高。另外，學科競賽的受益面相對較廣，這是目前其他各類型科技創新活動（如國家及校級層面的大學生創新實驗計劃項目）所不能比擬的，參與對象的普遍性以及受益的深刻性正是各類學科競賽的活力所在，因此學科競賽必將成為卓越計劃實施中必不可少的、行之有效的創新培養途徑。

四、結構設計競賽成為工程創新素質培養的重要途徑

依據土木工程專業特點，聯系工程實踐，以房屋、橋梁、空間大跨等多種結構類型為對象，組織開展結構設計競賽，是一項極富創造性、挑戰性的重要學科競賽。參賽學生需要具備對知識的系統歸納、未知領域的探索以及知識綜合實踐應用的能力，在理解掌握賽題的前提下合理運用競賽規則創新性地開展理論分析與設計，并利用指定材料制作模型，充分將理論知識、創新理念、動手技巧等融入設計和制作過程，最終實現設計成果最優化的目標。由于競賽提供了創新思想實施的對象與過程，學生的創新意識、創新能力和個性能得到充分發掘、施展，知識綜合應用能力、自主學習能力、心理素質和團隊協作精神均能得到有效培養和展現。

合肥工業大學（以下簡稱“我校”）每年均開展校內結構設計競賽，競賽以搭建專業學習創新平臺、注重學生參與并受益為宗旨，以不同類型結構為設計對象，如建筑結構、橋梁結構、大跨空間結構模型等，考慮不同材料的運用，如紙張、木條、竹皮等，在追求競賽命題內容豐富的同時，更以創新性、趣味性的選題特點吸引眾多學生積極參與。每屆參與的學生數之多以及受益面之廣使得該項賽事已在大學生課外科技活動中形成特色和優勢，成為學生課外學習生活的重要組成部分。組織開展競賽時，以校內大學生結構設計創新基地為固定場所，按學生為主、教師為輔的原則開展活動，涉及宣傳、組織、輔導、設計制作及模型加載評定等多個環節。結構分析和設計離不開力學等專業知識的綜合應用，同時涉及有關資料查找以及CAD制圖、結構分析計算、文字排版等工具軟件的使用。由于這些知識是更好地完成結構設計計算書的基礎，因此競賽過程不僅能激發學生自主學習探索的熱情，而且也能初步培養學生進行科學研究、論文寫作等方面的基本能力（圖1），為今后從事科研階段的學習和工作奠定基礎；由于設置了經驗交流及答辯環節，因此競賽在培養學生語言表達能力，提升自信心方面也都具有積極作用（圖2）。實踐證明，將結構設計競賽作為大學生科技創新實踐活動的載體長期開展并深入到學生活動中對培養我校學生的科學精神、學習意識、協作意識、組織能力、競爭實力等綜合素質起到了積極作用。競賽并不要求學生對結構設計理論有深入了解，并以優秀設計成果為評價目標，重要的是通過競賽激發學生的創新意識和探索精神。這項活動必將成為土木工程專業培養學生創新能力的最有效途徑。

圖1 結構模型計算與分析 圖2 經驗交流及答辯

五、結構設計競賽的發展和完善

1.結構設計競賽與日常教學有機結合

將結構設計競賽融入到日常教學活動中，兩者相輔相成，實現以競賽為平臺、以創新應用型人才培養為目標的實踐教學模式。首先，日常教學活動盡可能滲透結構設計競賽的有關知識內容。如在力學課程、專業課程的課堂教學活動中充分設計好競賽內容與本課程理論知識的有機聯系，有意識地增加與結構設計競賽相關知識的講授和討論，這樣不僅可以豐富枯燥的理論基礎知識學習，增強對專業知識學習的感性認識，而且可以避免教師對純理論知識內容的枯燥講授。在提高學生學習興趣的同時，也為培養學生的結構設計創新能力打下基礎。其次，將結構設計競賽的內容作為課程教學內容的重要補充。比如涉及有關材料性能、構件及節點性能、結構體系選型、體系承載強度、剛度和穩定性的基本原理都可以在模型設計制作和加載試驗中得到直接體現。漸進式加載也是對結構兩類極限狀態最直觀、最有效的認識過程。另外，有關不同類型結構的受荷形式、不同荷載與作用的特點、荷載傳力方式等專業知識均能在競賽中獲得最直觀的試驗驗證，如建筑結構抗震、懸挑結構抗風、大跨結構靜動力加載、橋梁結構車輛動態加載等（如圖3至圖6）。上述認知過程是目前課堂教學以及實驗教學所難以再現的，對于培養學生專業知識的感性認識能力、促進理論知識的學習、掌握、轉化以及創新應用具有非常重要的作用。

圖3 建筑結構抗震試驗 圖4 懸挑結構抗風試驗

圖5 大跨結構靜動力加載試驗 圖6 橋梁結構車輛動態加載試驗

2.結構設計競賽延伸為創新實踐課程

結合土木工程的各專業模塊（如建筑工程方向、道路與橋梁工程方向等）開設符合專業特點的結構創新設計課程，將科技創新活動納入實踐課程教學體系中，更能突出其在實踐創新能力培養中的地位和作用。課程知識可涵蓋不同模塊的專業創新內容，如建筑工程方向可以房屋建筑結構為主，道路與橋梁工程方向可以橋梁結構為主，滿足不同模塊學生的選修要求。

結構創新設計課程可結合專業課的實踐性教學環節來設置，開設諸如構件模型（如梁、板、柱、墻、基礎等）、結構模型（建筑、橋梁、高聳結構、大跨及空間結構等）設計制作及加載試驗等一系列內容的創新實踐課。考核方式可側重過程，將學生所表現出來的知識綜合應用能力、創新思維及動手能力、團隊協作能力等作為考查目標，綜合模型作品的加載表現和結構性能來評定課程成績。開設創新設計課程將有助于增強學生對專業知識的直觀認識和理解。例如，設計制作構件可增強對構件材料、截面以及節點連接的力學性能的掌握，設計優化結構整體模型可增強對結構體系類型、荷載空間傳力方式、體系受力性能以及體系可靠度的認識，對模型進行加載則可直觀體會各類荷載與作用的特點、結構承載性能以及結構兩類極限狀態等方面的知識。

在實踐教學環節中設置結構創新設計課程可以在學生實踐學分和教師工作量得到充分認定的基礎上進一步提高學生參與科技活動的熱情，使更多教師參與到科技創新實踐教學的指導工作中。

六、結語

在目前卓越工程師培養計劃的實施背景下，土木工程專業的教學改革應適應現代工程師所需具備的工程創新素質培養的需要，重視學生工程創新意識和創新能力的培養，而結構設計競賽在這些方面將起著其他實踐環節所無法替代的作用。結構設計競賽也需要進一步完善和發展，突出其在課程體系中的地位，強化競賽與平時教學活動的銜接與延伸，充分發揮競賽對教學的促進及其在創新人才培養中的重要地位和作用。

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（責任編輯：王祝萍）