基于結構模型競賽培養土木工程學生的創新能力

王少偉 朱平華

摘要：基于結構模型競賽來提升土木工程專業學生的創新能力目前越來越受到各高校的重視。本文從創新思維、計算分析能力、動手能力、綜合能力4個方面，論述了結構模型競賽在土木工程專業學生創新能力培養中的作用，提出了課內教學和競賽準備階段中學生創新能力的培養應圍繞創新理念的產生能力和執行能力2個方面而進行的具體實施模式。

關鍵詞：土木工程學生；結構模型競賽；創新能力培養

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）16-0095-03

所謂創新就是能產生新穎且恰當的想法及實現方法。土木工程是一個較為古老的學科，其創新是指運用專業理論知識，提出在經濟、社會、生態、環境等方面具有一定價值的新理念[1]。同時，土木工程也是一個實踐性非常強的專業，如何將這些新的理念用于解決實際工程問題，更為至關重要。因此，土木工程專業學生的創新能力不僅包含能產生好的理念，還包含如何實現這種新理念。

一、結構模型競賽在學生創新能力培養中的作用

土木工程學生結構模型競賽是以培養學生創新意識、工程實踐能力和交流合作精神為宗旨的學科性競賽[2]。基于結構模型競賽來提升土木工程專業學生的創新能力，目前越來越受到各高校的重視。除了常規的校級聯賽、省級聯賽及省賽突圍后的全國賽，部分土木工程專業優勢學科高校還受邀參加國內地區性邀請賽（如華東地區邀請賽、中南地區邀請賽）和亞洲或北美地區國際邀請賽等[3-5]。常規課內課堂和實踐教學中，更多是對已有知識、經驗、實物等方面的再學習，有著明確的目標對象，而結構模型競賽是一個從無到有的過程，通過這種以學生為主、教師為輔的課外實踐創新活動，可將學生創新能力的培養落到實處。

1.創新思維培養。考查學生創新思維能力是結構模型競賽的目的之一，其模型設計制作過程則就是創新思維的具體培養與實現過程。學生的創新思維不是與生俱來的，而是在長期教學、實踐和生活中緩慢培養起來的。根據賽題，學生會擬定不同的設計主題和方案，在指導老師的引導下，學生會反復討論、修改設計方案，遇到問題時則尋求不同方法去解決它。例如，做加載模型時，有時需要對細竹條進行并桿處理，如果直接將幾根竹條粘在一起，限定的膠水數量可能不夠，并且會極大增加模型自重，因此學生想出了并桿時粗桿件做成空心的，僅在端部和中間部位進行并桿，以及對受力較小部位進行削桿處理以減輕模型自重。在結構模型競賽集中準備過程中，學生朝著“設計屬于自己的土木工程構筑物”的目標，此時思維活躍性更高，解決問題的積極性和主觀能動性明顯強于平時課堂教學。

2.計算分析能力培養。結構模型設計是一個從無到有的過程，不同于結構力學中的習題求解，需要學生首先自行設計模型并確定計算簡圖，且根據賽題設計的結構模型一般均是復雜的空間超靜定結構。這就要求學生能首先根據材料力學和結構力學中的基本力學理論，以及給定材料中竹條和竹片各自的拉壓力學性能及適宜粘結方式，初步擬定模型結構的大體輪廓，再對彎矩、剪力、變形等比較大的部位進行截面并桿加粗或設置中間支撐，以及充分利用拉桿抗拉性能來減輕模型重量等細部設計。要做到上述對復雜結構力學性能的分析，就需要掌握一種結構設計或分析軟件，如ANSYS、ABAQUS、MARC、SPS2000、Midas等，進而對結構的傳力路徑、內力分布、剛度等進行驗證和優化。在此過程中，可較好地培養學生的計算機建模、多荷載工況組合下的結構優化分析、復雜空間節點設計優化等計算分析能力，并加深學生對力學基本理論的理解與掌握。

3.動手能力培養。如何將良好的創新理念轉換為實體模型是結構模型競賽中的關鍵所在。總結以往經驗，可謂“動手能力決定結果，細節決定成敗”。學生原以為一個很簡單的問題，往往最終出現的結果是“會說但不會做”，原因就在于：具體做的時候會遇到各種意想不到的問題，而學生在平時學習過程中很少踏踏實實地去關注過每一個細節。參賽模型均是純手工制作，且制作工具簡單，導致設計模型能否最終實現以及美觀性完全取決于學生的動手能力，這一點對加載模型尤為明顯。加載模型需要學生在規定的時間內和限定材料的前提下，現場完成模型的制作并加載，短時間內需要進行大量的材料截斷、加工及組合，且細竹條用502膠水粘結硬化過程中很容易發生彎曲變形，因而模型承載力的大小不僅僅取決于理論承載力，很多情況下更大程度地取決于模型制作質量的好壞，特別是結構構件節點的制作方式和膠水粘結質量。在參賽準備階段，歷屆取得較好成績的學生團隊平均每兩三天就可以利用課余時間制作一個成品模型并完成加載試驗，反復制作模型過程中，學生對材料、工具、制作工藝的掌握不斷提高，所制作的模型越趨精細、美觀，這都是學生動手能力提高的具體表現。

4.綜合能力培養。興趣會引導學生選擇去做一件事，而能否堅持下去還需要一定的毅力和團隊協作精神。結構模型競賽中多以3人為小組，從設計方案提出到最終模型制作過程中，需要團隊成員反復討論、分工合作、互相糾正、互相鼓勵，在此過程中可極大激發學生的團隊協作精神。此外，土木工程專業目前部分學生的狀況為基本知識和理論比較扎實，考試成績較好，但缺乏對所學知識的靈活運用以將其用于解決實際工程問題。例如，土木專業學生在進行混凝土基本構件試驗時，在教師講解之后，參照試驗規程基本可完成整個試驗過程并處理試驗數據，但很多情況下都是照本宣科，缺乏對試驗結果的工程應用分析。而結構模型競賽則可較好地提升學生實踐中的觀察分析能力和獨立解決問題的能力。以2017年江蘇省賽加載模型為例，要求學生進行渡槽支承系統的結構設計與制作，加載時由學生自行打開水泵將水抽進水管而加載，且50 Kg范圍內具體加載到何種程度完全由加載學生根據水管和下部支撐結構的實際變形情況而自行決定，加載持時不超過90s，現場影響因素多，因此需要學生在校內試驗加載過程中養成良好的預判能力，根據以往經驗在加載現場見機行事，以便在加載遇到異常狀況時快速決定是繼續加載沖擊更好成績，還是保守方式獲獎。

二、基于結構模型競賽培養學生創新能力的實施模式

學生創新能力的培養應貫穿于整個大學學習中，包括課堂教學及實踐過程中的長期性培養和結構模型競賽準備階段的集中性培養，且應從學生創新理念的產生能力培養和執行能力培養兩個方面。

（一）學生創新理念的產生能力培養

1.課程建設培養學生學科興趣與探索精神。課堂教學是當前大學中的主要教學模式，因此首先應通過加強課程建設來啟迪學生的創新思維，推行啟發式、討論式、探索式的教與學，這一點在《土木工程概論》課程中尤為重要。大一學生沒有太多的專業知識，但他們有著無窮的好奇心和問題。對此，概論課程可圍繞土木工程史與土木工程大師的創新思想、偉大工程巡禮錄像觀看、重大工程案例分析、土木工程各學科方向的內涵與發展等系列內容，在傳授土學生木工程基本知識的同時，培養學生的大工程觀、工程美學和探索性思維。

2.培養學生的討論習慣。討論的過程實際上是一個相互引導、相互辯證、相互激發的過程，有助于培養學生的變換思維能力和聯想思維能力，擴寬思維視角，引導團隊成員從多角度、多層次地去思考問題，進而迸發出創新思維的火花。

3.關注與建筑結構有關的微信公眾號，如建筑結構、建筑設計、城市住宅等。這些平臺上對土木工程領域的著名建筑、熱點問題、科學前沿及新技術、新材料、新產品等均有專業的分析評價，權威性強，且圖文并茂、通俗易懂，長期關注可積少成多，有助于提升學生自身專業領域內的創新能力和實際問題解決能力，且可有效緩解“手機依賴癥”對當今大學生帶來的消極影響。如建筑結構公眾號，近期則主要討論了天津濱海圖書館、上海拉斐爾云廊、昆明第一高樓“春之眼”等世界著名建筑的設計案例分析，以及高層建筑抗風、抗震等創新設計理念；其中，2018年4月8日該平臺推出了“是他打開了張弦結構世界的大門”一文，介紹了1992年由日本齋藤公男教授設計的采用木質拱殼結構與鋼索組合而成的“出云穹頂”建筑，該建筑可謂是2018年全國和江蘇省結構模型競賽中加載組賽題的工程原型。

4.結構模型競賽準備階段的集中培養。好奇是學生探索心理的推動力，質疑則構成了學生從一般性思維發展到創新思維鏈上的關節點，因此“好奇生疑”在培養學生創新能力中起著至關重要的作用。對此，此階段的針對性培養則主要是指導學生圍繞結構模型競賽賽題搜索國內外工程的前沿進展，探討當前建筑結構設計中的新理念，如生態建筑、綠色建筑、仿生建筑、垂直森林等，激發學生的好奇心而使其質疑，進而選擇合適的切入點來進行結構模型的創新設計。

（二）學生創新理念的執行能力培養

針對實際問題，學生在產生新的理念之后，其合理與否、是否最優、如何實現等，是創新理念能否最終實現的關鍵所在。具體到土木工程結構創新競賽，學生在建筑、結構和力學概念上萌生新的想法后，應注重培養學生的計算分析能力和動手實踐能力。具體從以下三方面進行：

1.強化實踐環節學生實現創新的基本技能培養。任何天馬行空的想象都要有扎實的基礎功底做鋪墊，學生掌握實現創新的技能主要是在實踐環節中訓練的。對此，可在必修的課程設計和專業實驗中，提高學生自主設計、獨立完成的比例；依托專業教師的科研項目，設置開放性探索試驗，在對學生進行實驗儀器操作培訓之后，由學生自行擬定試驗目的、方案，開展試驗過程，并對試驗結果進行分析、討論，這樣既具有探索性與啟發性，又鍛煉了學生動手能力及技術創新能力。

2.專業軟件計算分析能力培養。目前大部分高校參加省賽和全國賽的學生均以大二學生為主，此時僅完成了材料力學和結構力學等力學基礎課程，尚無接觸專業的結構設計、分析軟件。鑒于結構模型競賽中學生僅需進行簡單的靜動力分析，無需對專業軟件進行二次開發，因而不需要彈、塑性力學及有限單元法的理論基礎，其重點在于軟件中仿真模型的建立和計算結果的查看分析，對軟件界面的操作能力依賴較強，因此可利用模型競賽之前的寒暑假設置專題講座，指導學生掌握一種可用于結構創新競賽的建模分析軟件，推薦學生相應的專業書籍和論壇，如《Abaqus在土木工程中的應用》、《midas Building從入門到精通》等，并給學生提供基于該軟件的工程案例分析，由學生利用課余時間提前自行摸索軟件的使用。

3.模型制作動手能力的細節性培訓。競賽中加載模型的承載力很大程度上取決于模型的制作細節，加載現場很多模型的破壞均是由節點或其他局部缺陷處開始的。對此，可邀請往屆參賽學生（由于學業、考研等原因，大多數大三學生不選擇重復參賽）和有經驗的指導老師，將模型制作過程中的細節性問題和競賽規則的如何合理利用與本屆參賽學生進行分享，例如立柱通過打孔方式插入底板后再膠粘、利用電動螺絲刀和螺絲配合打孔、柱梁連接部位設加腋、砂紙打磨竹條后502膠粘、削桿減輕模型自重等。

三、結束語

土木工程專業的實踐性非常強，土木領域的創新不僅要能產生好的新理念，還需要具備實現這種新理念的創新執行能力，而結構模型競賽正是落實學生創新能力培養的最好載體，各高校和學生應充分利用此競賽平臺。

參考文獻：

[1]劉健，陳英杰，朱海燕.大學生結構設計競賽對土木工程專業大學生創新能力的培養[J].中國管理信息化，2017，20（23）：216-217.

[2]周臻，童小東，尹凌峰，等.依托結構競賽構建開放式創新研學平臺[J].高等建筑教育，2011，20（6）：129-132.

[3]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.

[4]李黎，龍曉鴻，張先進.土木工程專業學生創新能力培養探討[J].高等建筑教育，2010，19（5）：52-55.

[5]劉健，陳英杰，朱海燕.大學生結構設計競賽對土木工程專業大學生創新能力的培養[J].中國管理信息化，2017，20（23）：216-217.