從“紙上設計”到“實戰演練”：常態化實踐教學課程改革

韓春秀　董博

摘 要： 為改變土木工程專業傳統的“紙上設計”的課堂教學模式，以全國大學生結構設計競賽為依托，以現代土木工程專業大學生合理能力結構模型為導向，將“結構模型設計”納入常態化的教學課程，在學生中從踐行紙質結構設計進入“實戰演練”的教學實踐環節。該實踐課程鍛煉和提高了學生的實際操作能力、分析問題能力和組織管理能力，最終形成了教學與競賽銜接、教賽互動、教學相長的良好局面。

關鍵詞： 土木工程 能力結構模型 結構設計競賽 實戰演練

一、研究背景

土木工程是一門實踐性與應用性非常強的專業，如何在本科生中開展實踐性教學是教學領域的一個研究熱點。全國大學生結構設計競賽是土木工程學科最高水平的競賽，其在土木工程實踐教學環節中的植入和滲透，對學生能力培養的作用是巨大的，這一現象引起了國內外學者的廣泛關注。A Wilson（2007）指出，美國通過ASCE鋼橋競賽，印度通過INSDAG鋼結構競賽，匈牙利通過意粉結構競賽在土木工程教學中起到巨大的推動作用[1]-[2]。我國的丁元新（2001）等人探索了一種“理論—設計—實踐—應用”的教學模式[3]。劉明暉（2013）等人驗證了結構競賽對土木工程專業教學及創新型人才培養的重要性[4]。陳慶軍（2016）等人探討了華南理工大學土木工程專業創新性課程結構模型概念、實驗的設立及教學研究[5]-[7]。

研究現狀表明[8]，盡管多年來各大高校一直在積極推進教學方法改革，取得了不少成果，但普遍還是采用教師在講臺講授、學生被動式聽課的教學模式，師生之間的有效互動是淺薄的、有限的。同時由于傳統的實踐教學形式趨于陳舊，學生通常根據任務書的要求完成結構選型、計算及圖紙繪制，即“紙上設計”，該教學模式已不能滿足“寬口徑、應用型”土木工程人才培養的要求，教學內容與人才培養需求脫節，使得學生所學知識跟不上社會建設及市場發展的步伐，正需要新型的實踐教學模式進行補充[9]。本文探索將“結構模型設計”納入常態化的教學課程中，從踐行紙質結構設計進入“實戰演練”的教學實踐環節，最終實現教學與競賽銜接、教賽互動、教學相長的良好局面。

二、土木工程專業常態化植入“實戰演練”的實踐性教學模式探討

隨著科學技術的進步和工程實踐的發展，土木工程學科已發展成為內涵廣泛、門類眾多、結構復雜的綜合體系，其“工程性質”體現得更重要和關鍵。1993年，麻省理工學院院長莫爾提出了“大工程觀”概念[10]，他對“大工程觀”提出特有的見解，認為大工程應區別于以研究為核心的工程科學，在工程教體系中需要降低“科學化”程度，工程教育回歸“工程”，應更加注重學生的能力培養。體現在教育和教學活動中應以學生為中心、為學生營造自我體驗、自主學習、自由創造的環境，讓學生開展基于學科專業的學習，從學中做，在做中學。

面向土木工程實際的工程技術教育一直是我們在人才培養工作中的薄弱環節。為了提高學生的核心競爭力，必須重視培養學生的工程實踐能力、工程設計和創新能力。土木工程技術教育輸出的人才要適應企業不斷變化的要求。從這一觀點出發，現代土木工程人才能力結構的基本模型見下圖[8]。這7個方面的能力既相互聯系、相互作用又相互區別，共同組成一個有主次的、交叉的有機結合體。

圖 土木工程專業大學生的合理能力結構模型

從上圖可以看出，在土木工程專業大學生的能力結構模型中，適應能力和自學能力是生存的基本本領，也是學生獲得成功的最基本的能力，處于能力層的最低處；能力結構的中間層由思想表達能力、實際操作能力、分析問題能力和組織管理能力組成，這一層次是能力結構中最關鍵的部分，對學生的培養能夠抓住該層次的核心內容，加以系統的鍛煉和實踐，有助于學生邁出跨越式的一步，達到最高層次——創新創造能力。基于這一分析，在土木工程專業學生中探索一種將“結構設計競賽”搬到常態化“課堂”中的實踐教學模式，把傳統的“被動式”學習模式變為“主動式”。實施方案如下：

1.研究對象：土木工程專業本科學生。

2.研究內容：將“結構模型設計”納入教學課程，包括以下幾點：

（1）課程設置：該課程設置在第6學期，學生已完成了所有專業課程的學習，對混凝土結構、砌體結構、鋼結構等結構的設計原理有一定的學習基礎。

（2）選題類型：選題可涵蓋土木工程中常見的結構類型，如高層建筑、懸挑屋蓋、仿古樓閣和橋梁等。每一年的題目可參考上一年度全國大學生結構設計競賽的題目，考慮時間和經費問題，可以將規模按比例縮小進行。

（3）實施方案：設計周期為4周，指導教師可以提前將題目告知學生，以便查找資料。將上該課程的班級學生進行分組，6個學生為一組，每一組的成員都要分工合作，完成結構計算、建模分析及優化、模型制作和加載環節，成績評定方式與大賽評定方式一致。

在“結構模型設計”課程中，學生要完成結構選型、計算機建模、計算機優化分析、模型加工制作及模型加載稱重等過程。在這一過程中需要學生盡最大努力地尋找相關的理論知識，并將其綜合、系統地應用于整個設計過程中，每一位學生所做的可能只是整個模型的其中一部分或一個環節，不可能獨自一人完成，必須團隊齊心協力，一環扣一環地完成。這使學生加深對工程概念的認識，進一步激發學生的求知欲望及自學能力，發掘其創新創造的潛力。該過程體現出來的能力培養，是每個土木工程學生必須具備的，彌補了傳統實踐教學的缺陷，是傳統實踐教學的必要補充。這是現代土木工程專業合理能力人才培養模式下的培養目標。

三、土木工程專業常態化植入“實戰演練”實踐性教學模式實踐

通過在云南民族大學土木工程專業學生中開展“實戰演練”式的實踐教學，將每一年全國大學生結構設計競賽的賽題設置到培養計劃的課程中，學生完成每一個賽題的結構選型、力學計算、結構優化、結構制作和加載運行，把傳統的“被動式”學習模式變為“主動式”，使學生的實際操作能力、分析問題能力和組織管理能力得到一定程度的提升。

結構設計本身就是科學創造的過程，一個成功的設計需要傾注學生的大量精力和心血，體現在其對結構的深層次認識和理解。整個過程幾乎對大學期間學過的主干課程都洗禮了一遍，包括高等數學、材料力學、結構力學、結構設計和結構施工。在這一過程中，為了驗算結構的力學性能，學生利用計算機建模及優化分析是課程實施的重點和難點，是結構性能優良的決定性因素，是“磨刀不誤砍柴工”的必要環節。學生需掌握土木工程中常用的結構分析軟件，如PKPM、ANSYS或SAP等，而且需要通過自學的形式完成，因為在一般高校，土木工程專業本科生的課程范圍內未設置這些軟件學習課程，而是研究生的學習工具，因此這對本科生來說挑戰是極大的。通過在計算機上選型、計算及優化，能變換各種結構參數和加載方式，在模型制作之前達到心中有數，不至于在制作和加載過程中出現失誤。從歷次競賽的總結反饋看，一些學生存在力學概念不明確、對材料性能把握不準確、結構體系做不到優化等問題。如果不能在計算機上進行初步模擬分析，急于進行模型制終將達不到預期的結果。因此，計算機前期正確的模擬分析對結構的制作和實施將帶來“事半功倍”的效果，指導老師在這方面給予了學生細致和耐心的指導。

學生在課堂中需進行結構設計的8個全過程，模型的結構選型、設計和制作都以學生為主，老師只是從旁指導，沒有固定的指導教材和制作工藝，主要靠學生尋找理論支撐和驗證工藝的合理性。

在實施該課堂教學過程中，學生同時還參加了云南省大學生結構設計競賽，因在平時的長期積累中學生已做了較充分的準備，所以獲得了較好的競賽成績，挖掘了較多優秀作品。

四、結語

通過將“結構模型設計”納入常態化的教學課程，在學生中從踐行紙質結構設計進入“實戰演練”的教學實踐環節，有以下現實意義：

1.體現以學生為中心的教育理念，把傳統的“被動式”學習模式變為“主動式”。模型的結構選型、計算機數值分析和模型制作都以學生為主，老師只起到引路人的作用，整個過程沒有固定的設計指導書和制作工藝流程，主要靠學生自己尋找理論支撐和驗證工藝的合理性。

2.把教學重點從知識轉移到“實踐能力建設”。突出培養學生能力結構的最核心部分，即思想表達能力、實際操作能力、分析問題能力和組織管理能力。

3.有利于指導教師團隊建設。教師在指導過程中開闊了視野，增強了理論聯系實際的經驗，拓寬了教學思維，明確了教學改革的路徑。

4.在組隊參加結構設計競賽時不至于“臨時抱佛腳”，而是在長期的準備和鍛煉中培養出優秀的學生，挖掘出優秀的作品，形成教學與競賽銜接、教賽互動、教學相長的良好局面。

參考文獻：

[1]A. Wilson， T. Algie， R. Henry， et al. Lessons from the 2006 Asia Pacific IDEERS Seismic Design Competition[C]. NZSEE Conference，2007：47.

[2]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（s）：173-177.

[3]丁元新，姜秀英，金偉良.建立實踐基地，培養創新人才[J].高等理科教育，2001，05（39）：76-78.

[4]劉明暉，王偉.以結構設計競賽為契機培養學生創新實踐能力[J].實驗室研究與探索，2013，4（32）：238-243.

[5]陳慶軍，季靜，王曉旋.土木工程專業創新模型試驗課程教學探索[J].力學與實踐，2016（38）：328-332.

[6]郭金龍，陳慶軍，鄭錦洪，等.竹質框架模型受側向沖擊測試及分析[J].力學與實踐，2014，36（1）：69-75.

[7]袁柯明.基于創新型人才培養的大學課程改革與實踐[J].吉林省教育學院學報，2015（01）.

[8]周亦唐，李洛克，王懿娜，等.現代土木工程人才培養研究與實踐[M].昆明：云南人民出版社，2016.

[9]暴偉，朱珊，胡忠君.從大學生結構設計競賽看創新平臺建設與人才培養[J].吉林省教育學院學報，2015，9（31）：17-20.

基金項目：2017年云南民族大學質量工程教學改革面上項目（00170）。