基于結構模型競賽的土建類實踐教學研究

雷云堯++余小燕++余嬋娟

摘要：結構模型競賽不僅能夠培養專業技能和團隊意識，而且還能培養實踐創新能力，是實踐教學的重要載體和形式。文章介紹了結構模型競賽的主要內容，并將競賽賽題與實踐工程進行了比較分析，剖析了競賽對學生綜合素質的影響，總結了結構模型教學實踐，探索了適應實踐工程需求的創新人才培養模式。

關鍵詞：結構模型；學科競賽；實踐教學；實踐創新能力；土建學科

中圖分類號：G6420；TU2文獻標志碼：A文章編號：10052909（2016）03015105

結構模型競賽是土木工程學科培養大學生創新能力、團隊協作意識和實踐能力的最高水平的學科競賽，是結構設計競賽的具體形式。基于競賽開展的結構模型實踐教學，對應用技術型高校土建學科培養學生實踐創新能力發揮著重要作用。

一、結構模型競賽的主要內容

美國的AISC鋼橋競賽、ASCE輕舟賽是國外較早舉辦的土木工程專業競賽，有幾十年的歷史，其賽制規定所使用的材料、制作的模型非常接近于實際工程[1] 。國內清華大學、同濟大學、浙江大學等紛紛開始探索，并在校內賽的基礎上，逐步形成不同層次的省、跨省區、全國性的結構模型競賽，至2015年第九屆國賽已有百余高校代表隊參賽（而且還有很多高校因為賽制規定的參賽資格限制而無緣參加國賽）。

結構模型設計競賽主要從結構選型、計算分析、軟件應用、手工制作、陳述表達等多環節考查參賽選手的綜合能力，并集中體現在加載試驗環節上。賽題一般規定模型幾何尺寸、制作材料、荷載形式，參賽者根據題意進行結構設計和理論計算分析，并制作結構模型，最終以加載檢驗理論分析。

從近年舉辦的結構模型競賽來看，橋梁類結構、塔式建筑結構占了絕大部分，這與建筑結構的主要內容相匹配。模型制作的材料從最初的白卡紙到后來的木材，至今以竹皮居多。在荷載形式中，有豎向荷載、風荷載以及沖擊荷載、地震波，形式模擬越來越接近工程實踐。二、結構模型競賽賽題與實踐工程的比較分析

結構模型競賽賽題源于生活實踐，尤其是近年來，賽題來源于工程常見結構形式，如橋梁結構、房屋結構是賽題中經常出現的形式。而吊腳樓、仿古閣樓則帶有一定的地域特色。第九屆國賽更是緊扣時代主題，結合“抗戰勝利七十周年”，以二戰時期緬滇公路為背景命題。

結構模型競賽荷載形式接近于工程實踐。從歷年國賽情況（表1）來看，荷載形式的選擇主要取決于模型的實際用途。常見的靜荷載、動荷載、沖擊荷載在賽題中體現較多，特殊的地質災害如第六屆模擬泥石流撞擊、第五屆和第八屆模擬地震波震動都是工程實踐中的熱點問題，第七屆國賽則直接把生活中的高蹺搬上比賽場，跳出“試驗”，由參賽選手真實地“使用”高蹺[2-4] 。

結構模型競賽由于受材料的限制，而與實際工程存在一定差距。在實際工程中，鋼筋（鋼管）混凝土、鋼、膜等都是常見的建筑結構所采用的材料。但在結構模型競賽中，主要靠手工完成結構模型的制作，考慮到時間、成本、安全等諸多因素的影響，國內競賽均未使用上述材料，而較多地使用白卡紙和竹皮。如近年來使用的竹皮，制作的空心桿件和拉帶等，其受壓、受彎、受拉等力學性能與鋼構件比較相似，因而受到青睞。但是由于材料在生產、制作的過程中差異很大，制作而成的結構模型與實際工程出入較大，如不同批次的竹皮差異比較明顯，手工制作時節點部位比較薄弱，異形構件制作非常困難。

結構模型在進行荷載試驗時也與實際工程中的荷載情況有一定差異。結構模型的荷載試驗，其荷載的模擬主要有：靜荷載以砝碼或砂模擬；動荷載以運動小車模擬；沖擊荷載以物體（或牽引）撞擊模擬；風荷載以靜物或風扇模擬；地震波荷載以振動儀模擬。結構模型競賽時模擬的只是一二種荷載，而在實際工程中，荷載往往是多種情況都可能甚至同時發生的。如在橋梁結構模型中，通常以一臺小車模擬動荷載，以荷質比作為衡量的主要標準。而在實踐工程中，受力來自車輛豎向荷載、縱向加速制動荷載、橫向風荷載以及地震荷載、橋墩撞擊荷載等多方面，受力是十分復雜的，并有對橋面變形的約束。再者，結構模型在荷載試驗時是單次試驗甚至破壞試驗，存在結構疲勞，很難長時間或多次試驗。而在實踐工程中，結構的使用年限是工程發揮實際作用的最重要標準。

三、結構模型競賽對學生綜合素質的鍛煉

（一）實踐創新能力

“實踐創新能力”是近年來教育領域提出的一個新概念，它既不是實踐能力或創新能力中的“分支”，也不是兩者含義上的簡單疊加，而是一個獨立的、具有特定內容的新概念，是能力與素質、創新與創造、實踐能力與創新能力等多個概念在新時期高等教育理論上的重構。高等教育中的實踐創新能力就是指大學生運用已有知識和技能，通過一定條件下有意識的實踐活動，形成的有可能創造新價值成果的心理特征和行為特征，是大學生最終形成創新能力的心理和行為準備[5] 。

土建學科學生的實踐創新能力是指運用專業理論知識，在土建工程領域中不斷提供具有經濟價值、社會價值、生態價值的新思想、新理論、新方法和新發明的能力?！皩嵺`創新”可以是創造前所未有的結構形式，也可以是在模仿和仿造的同時在結構局部體現新的發展和突破。結構模型設計競賽為學生提供了一個展示自己結構設計能力的平臺[6] ，依托此類競賽，學生可以運用專業理論知識大膽嘗試新穎的結構形式。

圖1 為第二屆湖北省大學生結構設計競賽的其中兩個作品，兩作品都取得了不錯的成績。賽題規定了模型的跨度、寬度、高度尺寸型，要求設計一允許有中間臨時支撐的大跨度結構模型，在滿足豎向靜力加載和位移要求的條件下主體結構不倒塌。從設計要求來看，此結構模型的受力狀態和現實生活中橋梁的受力狀態類似。因此參賽的大部分作品在外形上均如作品a所示橋梁外形，結構為桁架，總體而言這種結構布置合理，且在加載過程中也有不俗的表現。但作品b在設計理念上完全不同于作品a，給人以視覺的沖擊。乍一看，給人感覺可能不盡合理，外形奇特，異于常規。但仔細一看，其中結構的傳力途徑又暗藏奧妙，通過6根拉帶的巧妙約束，荷載順利地傳到基座，結構的豎向剛度并未被削弱。由此可見，即使根據結構模型的受力特性可在實際生活中找到結構原型，但參賽學生的奇思妙想和設計創意帶給大家的感覺仍然是耳目一新。

（二）團隊協作能力

結構模型競賽參賽選手一般為3人，需共同完成結構選型、計算分析、計算書編制、模型制作和加載試驗的各個環節，參賽學生需明確分工又要通力協作。

在結構選型的初始階段，需要多方案比較，進行優劣對比，研究結構可行性。這一過程需要集思廣益，發揮不同成員的創新能力。同時也需要對模型制作材料及制作而成的各種桿件進行力學性能定量測驗和定型分析。接下來還要對預選的結構進行軟件模擬分析，以確保找到最佳結構形式。這一階段的團隊作用非常重要，有些團隊往往在訓練初期因為一些選型上的分歧爭論不休，最終不了了之；還有的干脆各行己見，每人都把自己的方案做下來，這樣團隊的力量沒有得到顯現。

在模型制作及加載試驗階段，需要反復制作并將制作而成的結構模型進行加載試驗，在加載試驗的基礎上對結構進行總結分析，找出模型或桿件破壞的原因，逐一分析哪些桿件需要加強、哪些桿件可以減弱。這一階段只有高效率才能有更多嘗試的機會，所以需要明確分工，下料、制作各一人，另一人則改進方案并畫圖，進行計算書的編制。

（三）其他能力

在結構模型競賽中，還需要學生具有：較好的專業軟件應用能力，長期堅持進行結構模型設計和制作的毅力和決心，遇到挫折和失敗時的抗逆境能力。這些專業或非專業能力都是實踐工程人才應該具備的綜合能力。

四、結構模型競賽實踐教學探索

結構模型競賽作為一項極具創新性、啟發性和實踐操作性的國家級學科競賽，競賽本身的意義不言而喻。如何把競賽活動的實踐意義切實發揮出來，使其真正成為課堂教學的重要輔助，需要不斷的探索。筆者所在學校十幾年來一直進行結構模型實踐教學模式的探索和實踐，形成了一套行之有效的實踐教學模式，學生的實踐創新能力得到了不同程度的提高，并在近兩年組織學生參加湖北省和中南地區結構模型競賽，獲得一等獎1項、二等獎4項、三等獎2項。

（一）凝聚一支結構合理的指導團隊

任何一項教學活動，指導教師均舉足輕重?；诮Y構模型競賽的實踐教學，指導教師是實踐教學能否成功的一個標桿，這種成功不應以獲獎作為評判的標準，而應以培養的學生的能力作為檢驗的標準。如：學生是否具備運用知識解決問題的能力？實踐創新能力是否有提高？結構模型的實踐教學與理論課堂存在著本質的差別，實踐教學也不再是理論的講解和灌輸，而是力求在掌握理論知識的基礎上有一些創新的設計。同時，指導教師的作用是引導，而非“替代”學生思考。所以在實踐教學的過程中，指導教師是輔助學生去分析、檢驗他們結構模型設計方案的優缺點，而不是設計一個理論上的方案，讓學生去進行手工制作。

學校在實踐教學中不斷地摸索，在結構模型實踐教學方面，已經凝聚了一支結構合理的指導團隊。團隊成員老中青搭配，并各有所長，有的是來自企業、設計經驗豐富的雙師型教師，有的是對軟件分析比較熟練的結構選型教師，有的是對模型制作有專長的建筑學教師。在實踐教學中，他們都發揮著重要作用，各自分工協作，引導學生在不同階段分析其模型作品，使學生的實踐創新能力真正得到提高。

（二）磨煉一批優秀的學生隊伍

就學生而言，不僅應該具有扎實的結構設計方面的專業能力，而且還應掌握熟練的實踐操作能力，在比賽時還要具備較好的綜合素質。這種實踐創新能力不是一蹴而就，需要在模型競賽的實踐教學過程中不斷磨煉。

對于低年級的學生，由于學生的專業知識還比較缺乏，進行結構設計還不成熟，因此以訓練手工操作能力為主，并讓他們對參加競賽所需具備的能力有初步認識。同時因為沒有專業知識的約束，可以讓他們自由想象，充分發揮自己的創新思維。從歷屆比賽情況不難發現，很多具有創造性的作品都出自低年級的同學之手。

二年級的學生已有一定的力學基礎，但結構設計能力比較缺乏。經歷了前期對結構模型競賽的認識之后，學生的動手操作能力明顯提高，對于結構概念會更加理性，解決問題也會更有針對性。此時讓學生接觸一些結構分析軟件，如學生比較容易上手的專業軟件MIDAS、SAP2000等，有助于提高學生的軟件分析和空間計算能力。

高年級的學生在力學和結構等方面的專業知識相對比較成熟，同時也具備一定的軟件分析和計算的能力，是競賽的主力軍。針對這一部分學生，應著重培訓他們的綜合能力。如在結構選型、計算分析、計算書的編制、模型制作和最終加載的各個環節，讓他們起到團隊主導作用，使參賽團隊既要明確分工又要通力協作，真正具備解決實際問題的能力。

（三）提煉一套行之有效的培養模式

進行結構模型的實踐教學，要從培養學生的綜合能力的角度出發，形成一套培養機制，使學生在實踐創新能力方面有很大的提高。即使是結構模型競賽，也不能急功近利地由教師把結構設計包辦起來。

學校在進行具體的結構模型競賽訓練時，一般分為兩個階段：預選和集訓。在預選階段很多學生都可以參與進來。正如前文所述，可以使他們對結構設計的概念有初步認識，并充分發揮他們的創新能力，不同年級、不同專業學生的合作甚至可能迸發出靈感。預選賽使得相當一部分學生參與進來，具有很好的普及意義。經過一段時間的制作，預選出參賽人數兩三倍左右的人員進行集中訓練。在這一階段，要有計劃、有針對性地解決一些實際問題，如材料性能的定量測試（圖2）、結構選型的軟件分析和加載試驗等。只要把這些功夫做足了，學生的實際收獲已經遠遠超出一門課程所給予的知識，當然競賽時也能拿出較好的作品。

圖2試件抗壓試驗在競賽訓練實踐中，學生雖然學過或部分學過力學、結構設計的知識，但依然對結構設計概念不清楚，作品結構明顯不合理，實踐動手能力比較薄弱。為了鞏固和拓展學生的知識結構，強化學生的動手能力，學校教師指導團隊還開展了專題講座和實訓教學。專題講座有歷屆結構模型競賽賽題解讀、結構選型、結構軟件應用等，實訓教學為手工模型制作。這些講座和實訓內容能夠全方位、多角度幫助學生提高實踐創新能力。

五、結語

結構模型競賽是創新實踐教學的一個重要載體和形式，是培養土建學科學生創新實踐能力的重要平臺。通過結構模型競賽開展的實踐教學能夠培養學生的實踐創新能力、軟件應用能力、團隊協作能力以及毅力、抗逆境能力等，能夠全面提高學生的綜合素質。在今后的教學過程中，應進一步充分發揮競賽平臺的作用，凝聚一支結構合理的指導團隊，磨煉一批優秀的學生隊伍，提煉一套行之有效的教學方法，完善教學內容，改進教學方法，促進土建學科實踐創新人才培養模式的形成。

參考文獻：

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[5]鄧光，傅偉.大學生實踐創新能力的內涵及其構成[J].教育理論與實踐，2011，31（12）：4-6.

[6]陳俊嶺，黃皇.結構模型競賽在土木工程專業大學生創新能力培養中的作用[J].高等建筑教育，2014，23（2）：103-107.

Abstract： Structural model contest， as an important carrier and form of practical teaching， can not only develop the students professional skills and team consciousness， but also cultivate their practical innovation ability. This paper introduces the main content of the contest， and makes a comparative analysis between contest and practical engineering problems. It also analyzes its effect on the studentscomprehensive qualities， and summarizes teaching practice of structural model， and explores cultivation mode of innovative talents who can meet the needs of practical engineering.

Keywords： structural model；subject contest； practical teaching； practical innovation ability；civil subjects

（編輯王宣）