以結構設計競賽為引導的實踐教學及高水平人才培養

陳穗茵， 李文雄

(華南農業大學水利與土木工程學院， 廣東廣州 510642)

以結構設計競賽為引導的實踐教學及高水平人才培養

陳穗茵， 李文雄

(華南農業大學水利與土木工程學院， 廣東廣州 510642)

將結構設計競賽與實踐教學有機結合是培養土木工程專業高水平人才的有效途徑。文章通過分析土木工程專業學生設計水平不高的原因，指出了培養結構優化設計思想是提高設計水平的關鍵。針對這一問題，提出在實踐教學中加強優化設計能力的培養，增加與結構設計競賽相關的教學環節和教學活動，以激發學生的學習興趣，最終提高學生的設計水平，實現土木工程專業高水平人才的培養。

實踐教學； 結構設計競賽； 人才培養

大學生結構設計競賽是一項富有創新性和挑戰性的活動[1]。近年來，各類結構設計競賽活動的開展為土木工程專業學生設計能力的培養提供了很好的平臺。這類活動對學生的綜合能力和實踐教學的質量都提出了很高的要求。將結構設計競賽與實踐教學相結合，以改進教學質量、提高土木工程專業學生的創新能力和設計水平，是培養高水平專業人才的有效途徑[2-3]。結構優化設計能力是大學生在結構設計競賽中的致勝關鍵，也是高水平設計人才必須具備的條件。然而，目前土木工程專業學生對結構優化設計這一概念缺乏深入認識，未能很好地掌握結構優化設計的具體方法。

1 結構競賽與結構優化設計

目前，針對大學生結構設計競賽，不少院校已構建了相關的學習交流平臺。這些平臺有助于學生相互交流、一定程度上提高了競賽水平。然而，由于知識水平的限制，學生難以系統地掌握競賽中所必須具備的全部技能，其中最突出的問題是未能確定最優的結構方案。據筆者了解，大多數學生并不理解結構優化設計的概念，也不掌握相應的優化技術。學生的設計方案通常根據經驗或對比多個方案來確定，往往需要大量試驗幫助分析，造成時間和材料的浪費，而且不一定能得到理想結果。主要原因包括三方面：

(1) 學生缺乏對整體結構方案決定性作用的認識。從制作工藝上提高參賽作品的性能是相對容易實現的工作。通過比較材料的特性、選用好的連接方法和構造措施等，也能提高結構的局部性能。然而，結構內力分布與整體結構密切相關，如果忽略結構方案的優劣，盲目提高構件的承載能力，很可能造成材料的浪費。這一關鍵問題未能被學生所理解，阻礙了設計水平的提高。

(2) 土木工程專業本科階段未開設結構優化設計課程，學生難以掌握優化設計的概念和相關技術。結構優化設計課程以講授優化設計概念和具體算法為主，由于難度較大，通常僅在研究生階段開設。本科階段主要學習既定結構的計算分析和局部設計，對結構整體優化的概念未有深刻認識，這是目前本科生在結構設計競賽中未能很好地運用結構優化設計方法的客觀原因。

(3) 計算機軟件條件阻礙了結構優化設計技術的推廣。目前，能實現結構優化計算的計算機程序很少，在研究生課程中通常也需要自主開發相應的計算程序。本科階段以學習基本理論為主，課程也較多，難以集中精力開發相應的程序，即使掌握了結構優化設計的概念，也難以將其應用于實際。

2 結構設計教學方法

上述問題反映了土木工程專業教學中的不足——缺乏結構優化設計概念，設計水平不高。為了進一步培養高水平的設計人才，提升競賽水平，提高設計質量，增強隊伍競爭力，在大學課程中補充相關的實踐教學環節是關鍵一步[4-5]。當前已有可供使用的優化設計程序，為優化設計的教學和應用提供了條件，欠缺的是適當的理論教學和技術指導，通過對現有課程的適當調整和補充即可很好地解決以上問題，讓學生的設計水平提升一個臺階。

以結構設計競賽為引導，以培養“高水平人才”為目標，增加相關的實踐教學環節，探索在現代教育技術環境下開展創新教育的目標、內容、方法、手段，可從以下四方面開展。

2.1 結構優化設計思想的培養

結構優化設計應著眼于整體結構的優化，通過合理的結構布置達到優化的目的，而不僅限于構件層面的優化。在實際工程中，結構布置方案直接關系到結構承載力、建造成本、施工速度等方面。讓學生理解優化設計的概念并掌握相關的優化技術是關鍵問題。

2.2 實踐教學與競賽活動相結合

隨著土木工程專業課程設置的調整，各課程的課堂講授課時有所減少，這意味著教學中需要更好地利用實踐教學課時。目前實踐教學中缺乏具有吸引力的專業活動，導致學生的積極性不高。將實踐教學與各項競賽活動相結合，通過競賽活動激發學生對專業知識的興趣，提高學生的積極性，增加學習和交流的機會，有利于解決上述問題，最終提高教學水平。

2.3 教學內容的創新

結構設計競賽是一種具有競爭性的比賽，比的是各競賽隊伍在結構設計、模型制作、力學概念等方面的綜合水平。通過競賽活動，學生之間能相互學習，掌握更先進的設計方法。同時，競賽成績檢驗了教學質量，有助于進一步改進教學方法。為了提高參賽隊伍的競爭力，必須有針對性地開展實踐教學：(1)在工程力學、混凝土結構、工程荷載等課程的基礎上，進一步開展與結構優化設計有關的實踐教學。將優化設計作為主要的教學內容開展實踐教學，能有效提升設計水平和創新理念。對于具有良好基礎和較強學習能力的學生，應加倍重視和培養，幫助他們盡快掌握優化設計的相關技術。(2)在開展以結構設計競賽為引導的實踐教學過程中，不僅僅在應用軟件方面進行掃盲，還必須注重培養學生分析問題的能力。例如讓學生掌握分析結構破壞原因的方法，懂得如何對結構進行調整，學會如何利用優化計算的成果指導結構方案設計，同時培養學生在結構設計過程中相互溝通的能力。

3 結論

本文分析了目前土木工程專業學生設計水平不高的主要原因，提出了以結構競賽為引導開展實踐教學的思路，給出了培養高水平設計人才的實踐教學方法。文中指出，將結構競賽和實踐教學相結合，加強結構優化設計相關知識的教學是培養土木工程專業高水平設計人才的關鍵。

[1] 陳慶軍, 羅嘉濠, 陳思煌, 等. 國內外大學生結構設計競賽總結及研究[J]. 東南大學學報：哲學社會科學版, 2012, 14(S1): 173-177.

[2] 梁靖波, 朱江, 吳炎海, 等. 中南地區第三屆大學生結構設計競賽的實踐與探討[J]. 廣東工業大學學報：社會科學版, 2010, 10(z1): 284-286.

[3] 吳樟榮, 章明卓, 章旭健. 以結構設計競賽為載體培養大學生創新能力[J]. 實驗室科學, 2010, 13(2): 6-8.

[4] 賈傳果, 張川, 李英民, 等. 結構設計競賽對土木工程專業本科教育重要性的探討[J]. 高等建筑教育, 2014, 23(1): 133-135.

[5] 許昊, 徐龍軍, 李洋, 等. 大學生結構設計競賽中創新能力的培養與發揮[J]. 高等建筑教育, 2011, 20(5): 121-124.

G642.2

A

[定稿日期]2017-05-22

華南農業大學教育教學改革與研究項目，華南農業大學校級精品資源共享課項目(編號：K16271)

陳穗茵(1980～)，女，碩士，高級工程師，主要從事造價工程、實驗室的研究與教學工作；李文雄(1979～)，男，博士，副教授，主要從事結構設計的研究和教學工作。