基于“習(xí)而學(xué)”理念構(gòu)建土木工程模擬創(chuàng)新實踐平臺

周臻 陸金鈺

摘要：本文在詳細(xì)分析茅以升先生“習(xí)而學(xué)”工程教育理念的基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)卓越土木工程師的工程創(chuàng)新實踐能力為目標(biāo)，構(gòu)建土木工程模擬創(chuàng)新實踐平臺，提出平臺的柔性開放式運行機制，可為“卓越工程師計劃”在土木工程專業(yè)的成功實施奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：習(xí)而學(xué);土木工程;工程模擬;創(chuàng)新實踐

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）07-0146-02

“卓越工程師計劃”是我國工科高等教育的重大改革項目和發(fā)展方向，“強化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力”是最為核心的目標(biāo)和內(nèi)容。土木工程是工科專業(yè)中一門實踐性很強的學(xué)科，不僅需要系統(tǒng)的工程理論知識，更需要較強的工程思維和動手實踐能力。東南大學(xué)工科創(chuàng)始人、我國橋梁奠基人茅以升先生曾提出“習(xí)而學(xué)”的教育理念，即強調(diào)實踐與理論教學(xué)的同步性與交互性。由于土木工程實踐的特殊性，如完全將實踐能力的培養(yǎng)放在工程現(xiàn)場，勢必受到很多客觀條件的限制。因此，基于“習(xí)而學(xué)”理念構(gòu)建模擬創(chuàng)新實踐平臺，成為實現(xiàn)卓越土木工程師培養(yǎng)目標(biāo)的一種有效途徑。

一、“習(xí)而學(xué)”工程教育理念

茅以升先生結(jié)合自己擔(dān)任多所工科院校校長和主持多項重大工程設(shè)計的特殊經(jīng)歷，提出我國工程教育存在的幾個突出問題：理論與實際脫節(jié)、科學(xué)與生產(chǎn)脫節(jié)、招生與畢業(yè)考核偏理論而輕實踐等，針對性地提出“習(xí)而學(xué)”工程教育理念，其中“習(xí)”指的是工程實踐環(huán)節(jié)，“學(xué)”則是理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。在“習(xí)而學(xué)”的工程教育理念中，“習(xí)”與“學(xué)”的關(guān)系應(yīng)是先“習(xí)”后“學(xué)”，再“習(xí)”再“學(xué)”，“習(xí)”“學(xué)”交替。因此，工程教育過程應(yīng)以實踐為中心，理論學(xué)習(xí)應(yīng)圍繞工程實踐能力的培養(yǎng)而進(jìn)行。在這種理念的指導(dǎo)下，茅以升主張工程專業(yè)學(xué)生在進(jìn)校后首先進(jìn)行工程實踐方面的認(rèn)識和訓(xùn)練，即要先“知其然”，初步建立感性知識體系，了解工程任務(wù)的細(xì)分環(huán)節(jié)。然后，再進(jìn)行相關(guān)工程基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，即要“知其所以然”，建立理性知識體系，通過理論的指導(dǎo)和解釋，將感性知識體系中初步認(rèn)識到的一些片段化的、相互割裂的具體現(xiàn)象和環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，整合成為系統(tǒng)的工程知識。學(xué)生在“習(xí)”與“學(xué)”的螺旋交替過程中，不僅工程實踐能力得到不斷強化，同時理論知識也因為有了工程實踐的先驗情境和具體經(jīng)驗而更加深刻地理解透徹，工程創(chuàng)新能力得到有效提升。

由上述分析可知，“習(xí)而學(xué)”的工程教育理念為我國卓越工程師的培養(yǎng)提供一個很好的實現(xiàn)路徑。但對土木工程專業(yè)而言，真實的工程環(huán)境多為大型的施工工地和設(shè)計企業(yè)。考慮到目前學(xué)生規(guī)模、企業(yè)承受能力和現(xiàn)場人身安全等多方面因素，且“習(xí)”與“學(xué)”的交替應(yīng)是一個不斷循環(huán)的過程，因此將“習(xí)”完全置于這樣的真實工程環(huán)境中，開展難度非常大，模擬創(chuàng)新實踐平臺則在目前成為實現(xiàn)“習(xí)而學(xué)”理念的一個較好選擇。

二、土木工程模擬創(chuàng)新實踐平臺的構(gòu)建

基于“習(xí)而學(xué)”的工程教育理念，土木工程真實工程環(huán)境中的各個環(huán)節(jié)都應(yīng)有相應(yīng)的可供學(xué)生反復(fù)實踐的平臺。為此，我們在依托國家級實驗教學(xué)示范中心的基礎(chǔ)上，構(gòu)建面向土木工程本科生的模擬創(chuàng)新實踐平臺，主要包含三個子平臺。

1.子平臺1：模型制作平臺。該平臺是對土木工程中施工環(huán)節(jié)的模擬，即利用模型材料按照一定的施工原理將其組裝成不同的結(jié)構(gòu)體系。大一和大二年級的學(xué)生主要利用木材、竹片、白卡紙等常見材料制作模型結(jié)構(gòu)。大三和大四年級的學(xué)生在經(jīng)過一定專業(yè)知識儲備和前期實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，可采用真實的建筑材料制作小型工程結(jié)構(gòu)，如自己制備小型混凝土試件、加工短細(xì)鋼筋或小型鋼鋁合金結(jié)構(gòu)試件等。通過這個環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，一方面可讓學(xué)生對真實的結(jié)構(gòu)施工過程有初步的了解，有利于他們后續(xù)建筑施工和結(jié)構(gòu)構(gòu)造相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，另一方面也讓學(xué)生在動手制作的過程中，收獲自信，提高動手能力，增強對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣。

2.子平臺2：模型加載平臺。該平臺是對土木工程中工程結(jié)構(gòu)試驗環(huán)節(jié)的模擬。隨著土木工程建設(shè)的不斷發(fā)展，各種新材料、新結(jié)構(gòu)形式和新建造技術(shù)日益涌現(xiàn)。因此，在實際的土木工程結(jié)構(gòu)中，針對一些特殊結(jié)構(gòu)類型或新型技術(shù)的應(yīng)用，往往要先制作一定比例縮尺結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行不同類型的加載試驗，以驗證結(jié)構(gòu)的安全性能，或確定一些異型結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的設(shè)計參數(shù)。例如，高層建筑結(jié)構(gòu)模型的抗震試驗、大跨空間結(jié)構(gòu)或大跨橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗、復(fù)雜節(jié)點承載力性能試驗等。但是用于土木工程結(jié)構(gòu)加載設(shè)備，一般很大且價格昂貴，不適用于面向土木工程本科生常態(tài)性使用的需求。因此，在模型加載平臺中，可采購或自制一些體積較小、價格較低、操作簡便的模擬加載設(shè)備，并且可以直接讓本科生經(jīng)過簡單培訓(xùn)后即可使用。東南大學(xué)在參加歷年全國性和地區(qū)性結(jié)構(gòu)競賽的過程中，積累了較為完備的模擬加載設(shè)備體系，包括用于模擬地震荷載的小型振動加載臺、模擬風(fēng)荷載的變頻多級鼓風(fēng)機系統(tǒng)、用于模擬沖擊荷載的彈簧—小球—鋼架系統(tǒng)及用于模擬橋梁結(jié)構(gòu)移動荷載的遙控載重車加載系統(tǒng)。同時，為這些設(shè)備配備相應(yīng)的檢測儀器，讓學(xué)生能夠獨立、完整地完成結(jié)構(gòu)模型的加載與試驗，有效提升他們的工程創(chuàng)新和科研能力。

3.子平臺3：結(jié)構(gòu)設(shè)計平臺。該平臺是對土木工程中設(shè)計分析環(huán)節(jié)的模擬，是三個平臺中理論知識要求最高和綜合性最強的一個實踐平臺。目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計分析環(huán)節(jié)是很多土木工程本科生知識體系和工程能力中的薄弱環(huán)節(jié)。雖然在教學(xué)體系中開設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的課程，但是大部分學(xué)生只是掌握了如何解決課堂的習(xí)題，缺乏對結(jié)構(gòu)體系的整體性把握，以及相關(guān)規(guī)范規(guī)程中一些關(guān)鍵細(xì)節(jié)的理解。因此，該平臺的實踐目標(biāo)是讓學(xué)生針對一個具體的工程背景，應(yīng)用常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析軟件，完成在特定荷載下的結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)用相關(guān)的設(shè)計規(guī)范條文進(jìn)行設(shè)計和校驗，利用AutoCAD、天正、探索者等專業(yè)繪圖軟件繪制施工圖。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計平臺提供的模擬環(huán)境是一個結(jié)構(gòu)設(shè)計全過程的系統(tǒng)模擬，讓學(xué)生在軟件分析、規(guī)范條文和手算校核的設(shè)計實踐過程中，學(xué)會如何在真實的工程環(huán)境中完成設(shè)計并表達(dá)相應(yīng)的成果，從而提升他們在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的工程能力。此外，建筑信息模型（Build Information Model，BIM）已成為土木工程建設(shè)發(fā)展的大勢所趨，我們也開始逐步引入Revit等BIM設(shè)計軟件及模擬項目，提升學(xué)生在未來設(shè)計行業(yè)的綜合競爭力。

在模擬工程創(chuàng)新實踐平臺中，為了確保各子平臺功能的實現(xiàn)，還提供了四項輔助支持策略。①工程情境導(dǎo)入。由平臺指導(dǎo)教師介紹實踐項目的工程背景和工程意義，讓學(xué)生對相應(yīng)的工程情境有初步了解。②工程視頻展示。播放與實踐項目相關(guān)的工程視頻，讓學(xué)生獲得直觀的感性認(rèn)知信息。③實踐演示流程。由指導(dǎo)教師或?qū)W生助教通過圖片、視頻等多媒體技術(shù)演示項目實踐的基本步驟流程。④理論知識簡介。將實踐項目相關(guān)的理論知識整合成技術(shù)手冊，供學(xué)生邊實踐邊思考。

三、模擬創(chuàng)新實踐平臺的運行機制

“習(xí)而學(xué)”思想強調(diào)“習(xí)”與“學(xué)”是往復(fù)交替的過程，且學(xué)生在這個過程中應(yīng)具有很強的主動性，這樣才能充分鍛煉他們的工程思維與創(chuàng)新實踐能力。傳統(tǒng)的課程設(shè)計和實驗課程等實踐環(huán)節(jié)，多以內(nèi)容預(yù)設(shè)、時間固定和形式統(tǒng)一為主要特征，因此學(xué)生的實踐過程處于較為被動、封閉和受約束的狀態(tài)。真正有效的實踐應(yīng)是一種常態(tài)化的、學(xué)生完全自主動腦來思考與動手進(jìn)行的實踐。因此，模擬創(chuàng)新實踐平臺的運行機制應(yīng)以“柔性”和“開放性”為主要特征。

1.工程模擬實踐選修課。在土木工程相關(guān)課程中，增設(shè)工程模擬實踐環(huán)節(jié)，或?qū)ｉT開設(shè)工程模擬實踐選修課。由教師依據(jù)模擬創(chuàng)新實踐平臺的硬件和軟件，設(shè)定若干針對真實工程情境的模擬專題，供學(xué)生自由組合分組，自主進(jìn)行選修。例如，在《特種結(jié)構(gòu)》課程中，我們引入塔架抗沖擊荷載和廣告架抗風(fēng)設(shè)計的工程模擬環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在模擬創(chuàng)新實踐平臺自行設(shè)計、分析和制作結(jié)構(gòu)模型，利用平臺設(shè)備完成相應(yīng)的模型加載，最后用研討的形式將實踐過程和成果呈現(xiàn)出來并與其他組討論，取得良好的效果。

2.學(xué)生創(chuàng)新研學(xué)項目。目前，許多高校每年投入大量經(jīng)費供本科生進(jìn)行課外研學(xué)訓(xùn)練（SRTP），形式是讓學(xué)生自由組合形成小型研究團(tuán)隊，自主提出創(chuàng)新實踐想法，申報并完成課外研學(xué)項目，從而通過這樣的實踐訓(xùn)練提升創(chuàng)新能力和研究能力。模擬創(chuàng)新實踐平臺的柔性開放性機制，正好可以讓學(xué)生全過程自主完成項目的構(gòu)想、設(shè)計和實施環(huán)節(jié)，使他們的工程思維和創(chuàng)新實踐能力得到最大程度的鍛煉。

3.工程模擬競賽訓(xùn)練與選拔。目前，土木工程專業(yè)每年有多項以學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的學(xué)科競賽，如各級結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽、全國混凝土設(shè)計大賽、鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計競賽，以及一些國際性的賽事等。可依托工程模擬實踐平臺，針對各項競賽開展訓(xùn)練和選拔活動，讓學(xué)生自由組隊，針對賽題要求，利用模擬實踐平臺的軟硬件設(shè)備，在課余時間自行進(jìn)行模型設(shè)計、制作和加載。

四、結(jié)語

自2008年以來，東南大學(xué)土木工程學(xué)院逐步構(gòu)建針對本科生的模擬工程創(chuàng)新實踐平臺，在學(xué)校內(nèi)部較好地實現(xiàn)茅以升先生的先“習(xí)”后“學(xué)”、再“習(xí)”再“學(xué)”、“習(xí)”“學(xué)”交替的工程教育思想，相關(guān)經(jīng)驗可為“卓越工程師計劃”在土木工程專業(yè)的成功實施提供參考和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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