結構模型競賽與土木工程應用型人才的培養(yǎng)

鄭輝　劉方成　歐陽建湘　萬計鵬

摘 要：在土木工程學科的實踐教學中，大學生的結構模型設計大賽對學生在實際課程中的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有著重要的指導作用。大學生結構模型競賽對土木工程學科學生的實踐能力與團結協(xié)作的意識能有一個巨大的提高。這是屬于土木工程教學實驗的一個實踐環(huán)節(jié)，也是一個值得我們深思的環(huán)節(jié)。文章作者根據多年的教學經驗，從輔導大學生參加結構模型競賽的經驗出發(fā)，詳細地介紹了整個結構模型中有關的設計過程，從這一點出發(fā)，論述了如何將結構模型的競賽與相應的土木工程的學科進行聯合創(chuàng)新，最終目標是建立一個完整的應用型人才知識體系。這對加強教學改革以及對課程體系的改變都是一種很好的借鑒。我們國家最近在進行高等教育的課程改革，用于改革相關的課程內容。文章對土木工程學科的課外實踐過程進行了有效的闡述，并開展了相應的創(chuàng)新工作，可以啟發(fā)我們對土木工程應用型人才的培養(yǎng)方案進行改革，這種改革可以通過在教學課堂上的實例進行。學科競賽在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力以及相應的科學計算能力方向都有著非常重要的作用，因此，對根據相關的模型制作經驗以及模型制作中與實際的教學內容之間的聯系都要進行相應的探索，以便為以后的模型競賽提供很好的借鑒作用。

一、引言

對于土木工程學科來說，結構模型競賽是對學生的知識掌握程度進行檢驗的非常好的手段，這是土木工程學科相關專業(yè)學生的實踐機遇。這種結構模型的設計競賽是比較有想象力和創(chuàng)造力的，這是針對學生而享負有挑戰(zhàn)性的任務。因為對學生來講，學科競賽除了是對其所學知識掌握程度的一種檢驗，更是對學生的自我學習和自我認知能力的考驗，對學生自己收集資料的能力都是一個很大的提升。

在這種結構模型的設計競賽里，知識得到了綜合運用，除了最主要的結構力學材料力學以及理論力學三大力學知識，模型競賽還結合學生本身實際對模型進行了相應的改造和一定的創(chuàng)新，對學生們的動手能力的培養(yǎng)以及創(chuàng)新思維的養(yǎng)成，都具有重大意義。同時，由團結隊共同完成課題的過程中，采用這種方式對每個學生在實際團隊中的共同協(xié)作的能力以及整個團隊意識的提高都具有十分重要的作用，這也是模型競賽真正帶來價值的體現。 在2005年的6月份，我國的教育部門舉行了第一次全國大學生結構設計大賽，這項競賽對整個土木工程領域來講都十分重要，很多著名大學派出優(yōu)秀的人才參與這項競賽的角逐，現已成為土木工程專業(yè)最為重要的比賽之一。湖南省大學生結構設計競賽旨在通過專業(yè)知識的綜合運用，多方面培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新設計能力、動手實踐能力和綜合素質，加強高校間的交流與合作。第一屆大賽于2012年12月8～10日在長沙中南林業(yè)科技大學舉行，第二屆大賽于2013年12月6～9日在益陽湖南城市學院舉行，第三屆大賽于2014年11月28～11月30日在衡陽南華大學舉行，第四屆大賽于2015年11月26～29日在株洲湖南工業(yè)大學舉行，第五屆大賽于2016年在長沙學院舉行。

二、 結構模型的設計工作

對于一般的結構設計來說，模型的設計主要分為三個主要方面：第一是相關構件的設計；第二是關于結構的選型設計；第三是關于節(jié)點之間的設計。這三個環(huán)節(jié)是相輔相成、互為一體的，整個過程都需要具有豐富的綜合性知識，這就要運用到結構力學等土木工程學科主干知識。但是運用的前提是對整體構件要有一個清醒的認識，對整個材料力學的框架以及在材料力學實驗中材料的性質都能夠把握好，只有達到這樣的水準，才能夠進行第二階段的工作。第二階段的工作主要是依據以上的基礎對整個項目進行結構的選擇以及相關的計算工作，這是結構設計能夠成功的關鍵，這對整個結構力學知識都能起到一個很好的串聯作用，能夠增強學生對知識的理解程度以及運用程度。但是一個結構設計要想成功，除了靠的是結構設計，還要有著很強的技術支撐。

1.如何進行構件的選擇

模型的設計最開始的是關于構件的設計。但是構件的合理性是建立在對整個結構力學以及相關的材料力學的基礎上進行的，這主要體現在競賽材料主要采用白色的硬質的卡紙進行試驗，進行黏接的主要的材料是相關的黏膠。

一般而言，白色的卡紙可以制作成為薄壁的空心的桿狀物體，同時遇到材料的受力情況不明顯的情況時，對整個構件的截面尺寸進行重新設計，這樣在重新設計時可以選擇一個合適的橫截面積。往屆很多參加決賽的作品都出現了很多很有創(chuàng)意的梯形截面形式，這種新型的截面形式能夠有效地利用“在有關于構件的截面的中距越遠，但是出現的正的應力會比較大”的原理，這樣就能根據結構合理地進行再分配，這種競賽對于學生的材料力學的實驗性能的掌握是非常強的。對學生來說，一定要在學習的基礎上加強對創(chuàng)造力的培養(yǎng)，這樣才能夠有效地進行能力的提升。

2.對所選擇的構件要有相應的測試

在結構設計競賽中，模型材料的選取是多樣化的，而且賽事的主辦方只提供一些基本的力學相關性能的指標，而且并不過多地參與指導。有的賽事主辦方僅僅是提供一些參與實驗的材料樣品，這樣就要求學生在參加模型競賽的時候對自己完成的材料進行相應的設計檢測工作。如了解桿件的不同長度以及相應的尺寸是不是符合相應的強度以及力學性能上的特點。測試題中經常出現有關彈性模量的性能測試，有時候需要相應的萬能材料的試驗機才能完成任務，這種綜合設備檢驗有時會需要專門的設備來進行檢驗。如果并不具備這些條件，可以查閱有關的資料，對于整個實驗直接要獲取相關的實驗的系數，這些力學實驗都是在材料力學當中比較常見的實驗內容。因此只要在平時扎實地對所學的知識進行鞏固和理解，才能在結構模型設計的大賽上得到充足的機會展示自己的學識。只有對材料力學到了初步熟悉的地步，對整個材料力學的實驗的結果認識得都比較清楚，才能夠在此基礎上達到一個比較理想的結果。要在這樣的結果上得到相應的設計實驗和分析結果才會使得整個模型相關的分析的結果達到一個比較合理的狀態(tài)。

在實際的競賽中，筆者發(fā)現如果膠水粘貼了三次對于提高桿件的強度起到的作用并不是很大，因此需要利用這一規(guī)律對紙張和膠水節(jié)省了使用的數量。這樣也能防止膠水過多對整個桿件凝結后的整體的破壞作用。

3.對整個過程結構選擇的意義

（1）對結構的整體的選擇。不同的競賽對不同的結構都有著不同的意義，有的競賽對結構的類型進行了相應的限制，有的競賽只是給出了有關的邊界計算的條件，對于不同的結構體，需要進行不同的討論。對于結構體的選擇，要根據不同的情況進行判斷。整個結構體系的選擇是對學生知識掌握情況一個比較重要的考驗，能夠考查學生對整個結構力學知識體系的掌握情況，是運用所學相關知識以及提高自身創(chuàng)造力的關鍵所在。創(chuàng)新的能力是建立在對知識掌握的基礎之上的。比如說，在筆者經歷的一次輔導學生參加的大學生機構模型建模大賽上，就有一道題目是關于在簡支梁的約束下進行大跨度的結構設計，有一些學生只是考慮了有關大跨度梁的條件，但是沒有細致地對題目進行研究，只考慮到拱的結構適合做大跨度的結構，但是忽視了題目中對簡支梁的約束條件。最后的結果是由于沒有側向的約束條件，很多學生的模型沒有得到有力的支撐，因此不能夠算是一個成功的模型。這樣的經驗和教訓對學生的思考以及相關的反思是寶貴的財富，這也是結構設計競賽帶給學生 最寶貴的精神財富。對于學科競賽的重要意義，我們要有充分的認識，不僅僅是從知識層面有充分認識，也要從精神激勵的層面上進行相應的分析。

對結構設計的模型來說，結構的選擇在實際上只是一個初步選擇的過程，這種過程是可以進行優(yōu)化的。我們需要對結構的功能上的需求及對所有的結構進行相應的選擇，選擇好的結構有利于進行下一步的優(yōu)化設計，也有利于對模型的條件進行進一步的修正。

在結構的選型上雖然只是涉及一般的定性分析，不會涉及具體的計算過程，但是在結構設計的過程中，這個環(huán)節(jié)是十分重要的，這是決定模型設計方向的環(huán)節(jié)，如果選擇了一個比較好的模型就等于模型設計成功了一半。

（2）對計算的優(yōu)化。結構優(yōu)化的過程要針對受力的特點進行相應的分析，通過不同的傳導路徑進行選擇，在進行優(yōu)化設計的過程中可能會需要科學計算機的幫助，在計算的時候可以通過一些實驗的材料進行獲得，可以采用一些在學校中使用的商用有限元分析的軟件來進行相應的操作和分析。

在結構的優(yōu)化中，達到最理想的條件就是能夠使每個構件以及構件的結構達到相應的極限的狀態(tài)，在這種極限狀態(tài)下，通過相關的合理的計算來使桿件的截面達到最優(yōu)化，從而來保證桿件的受力以及截面的尺寸都能夠滿足實驗的需求，結構的內力也能滿足相關的需要。在計算的過程中需要利用一些計算力學的分析軟件，這就要求自身對結構力學以及材料力學的內容十分熟悉。

4.對節(jié)點的設計

從歷屆的競賽經驗可以看出：大多數失敗的作品是由節(jié)點的破壞所引起的，這是因為在節(jié)桿件在節(jié)點處的受力是比較復雜的，受到的應力是比較明顯的。制作構件的工藝實際上就決定在這個節(jié)點上的受力是否是一個比較合理的狀態(tài)，如果計算錯誤的話，這些節(jié)點就會產生相應的附件應力的影響，最終對實驗的結果造成很大的影響。在桿件的連接中，最主要的連接方式靠的是膠水的連接，如何有效地利用膠水是影響桿件相關受力的關鍵所在。對于受拉的節(jié)點來說，膠水產生的節(jié)點的力會對這種摩擦的阻力具有一定的削弱作用，因此我們在制作相應的節(jié)點的時候，需要對節(jié)點進行相關的纏繞，然后用膠水進項粘接，這樣才能夠有效利用膠水所產生的阻力作用。

另外，在構件制作的過程中，有時候也需要對裝配的工藝進行改進，來確保一定的精度上的操作。比如說，膠水的不均勻會使得桿件產生一定的初曲率，這樣會使得在軸心上受壓的桿件變得偏心，這樣的情形會導致相應的構件在裝配時形成一定的誤差。這種誤差使得我們達不到理想狀態(tài)的受力，在加載到一定程度后會容易引起相關的荷載失控的現象。

因此，我們在對制作模型構件的精確度需要提高之外，有時也要特別重視相應的結構力學和材料力學的實驗。我們可以通過在模型中材料的受力情況來判斷相關的模型的受力情況，來對實際的節(jié)點的受力進行相應的轉化，這樣我們就能夠判斷是否達到了相關的要求。然后我們可以根據實際的情況對整個模型進行相應的調整，使得我們整個的模型更加符合構件的特性。

三、對人才培養(yǎng)模式的意義

結構模型競賽更多的意義來源于實踐的技術要求，它更多的是讓學生對整個土木工程學科的結構有個認識，因為從最基本的理論開始到最系統(tǒng)的知識體系，由知識的學習能力到最終的知識運用的能力都需要學生有很強的實際運用的能力，考查的是一個學生對知識綜合運用的能力。對模型的制作以及設計能力對學生來說都是一個很好的過程上的鍛煉，這樣的競賽能夠鍛煉學生對綜合知識的運用能力以及利用相應的工具解決問題的能力，這種能力也是我們應用型人才培養(yǎng)所要達到的目標。

與此同時，整個學科競賽是非常艱苦的，其中的復雜程度超出我們的想象。學生能夠從比較專業(yè)的培訓中得到有關于土木工程專業(yè)的鍛煉工作，對學生意志品質的鍛煉也是一個很好的機會，這也是全面應用型人才所應該具備的最基本的素質。

在完成競賽作品的過程中，一件參賽作品需要每個成員都要完成一部分相應的任務，只有團結協(xié)作才能把事情做好，這對當代大學生的團隊意識的培養(yǎng)具有重要的意義。在當今對人才寬口徑的培養(yǎng)思路的模式下培養(yǎng)的人才絕對不是照葫蘆畫瓢的技術工人，而是在整個過程中都富有創(chuàng)造力的相應的人才，這些人才在競賽中不斷創(chuàng)新，打破常規(guī)，才是比賽想要的結果。這也是競賽的主要宗旨。

在這樣一個過程中，不僅僅是對學生的鍛煉，也是對青年指導老師的教學與科研工作的考驗，對教師在專業(yè)上的進步有著重要的影響，青年教師可以通過探討模型來對自己的教學模式進行反思和改進，能夠培養(yǎng)自己嚴謹的學風以及扎實的水平和堅定的意志力，有助于青年教師的成長。這不但為其以后的工作以及科研提供了相對來說比較便利的條件，也為以后應用型人才的培養(yǎng)奠定了一個極好的基礎。

四、針對培養(yǎng)應用型人才模式下的力學的教學改革

1. 組建相關的學科群建設

我們建設的學科群應該以專業(yè)的基礎課程為主，同時以其他應用型的選修課程為輔。一是能夠保證整個教學內容相對的完整性，二是有利于整個課程體系的融合以及清除了相互之間的銜接的障礙。

2. 對教學的實踐環(huán)節(jié)要加強

學生在平常課堂上所學的知識最重要的是落實到實處。要學會在實踐中將學到的知識加以利用，提高自己的動手能力和實踐能力。學習與競賽要相結合，教師要經常組織教學改革的研討活動，對實踐教學進行相應的改進。在實踐的教學中，實驗具有不可替代的重要作用，實踐教學環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力的重要保障，也是對學生獨立性的培養(yǎng)，這樣能夠銜接學生在知識上的一些不連貫的地方。

3. 對非實驗性質的教學要增加

在課程體系里面，對結構力學的實驗基本上是驗證性的實驗，這樣實驗的結果是早就確定好的，只要按照書中的方法和步驟就能達到想要的結果，在這樣的背景下，學生的創(chuàng)新能力沒有得到很好的培養(yǎng)。因此，我們可以適當對教學的內容進行一定的更改，對整個課程體系里面設計實驗的部分進行一定程度的增加，但是所設計的實驗在內在的聯系上能夠與所學的課程進行一定的銜接。在實際的教學中，雖然有些實驗并不是和結構模型競賽有一定的關聯，但是實驗的主體要轉換為學生而不是教師，在實驗課上，不再是以理論知識為主題，而是以設計探究性的實驗為主，這樣會對學生的自主性產生積極的影響，對學生的創(chuàng)新能力也是一個極大提高。

4. 要建立開放性的實踐的基地

要在輔導模型競賽的同時，積極地以參賽學生為主體來建立活動組織，組織最好有專門的場地來進行相關的學習工作，對于愛好者，學校也要適當開放實驗室，增加學生進行學習的機會。要盡量在軟件和硬件上都給予學生相應的支持。要定期對學生進行知識上的補充和培訓，這樣能夠提高學生對整個專業(yè)學習的熱情，在另外一方面也讓學生對專業(yè)的認識程度有了一個比較大的提高。積極地與企業(yè)進行洽談，成立幾個相關的實踐培訓的基地，這樣就能夠在實際的業(yè)務上對學生的能力進行相應的培養(yǎng)。

五、結語

本文主要介紹了結構設計競賽中模型制作的基本步驟和過程，進一步闡述了結構模型競賽與土木工程專業(yè)教學改革以及相關的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)之間的關系，對如何進行教學的改革，提出了自己的見解：要在建設結構課程群的基礎上，增加實踐性教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)專業(yè)的創(chuàng)新型人才，在教學的過程中突出實踐性和創(chuàng)新性的教學內容；還要進一步加強課程之間的相關的融合，創(chuàng)新性的實踐教學環(huán)節(jié)是主要的培養(yǎng)途徑；另外，還要加強創(chuàng)新基地的建設，這樣才能形成一個培養(yǎng)土木工程專業(yè)創(chuàng)新型人才的便捷通道。

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