土木工程課程教學與結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽融合模式的探索

李煒明， 馬騰飛

(1.武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，武漢 430023; 2.普渡大學 西拉法葉校區(qū)，印第安納州 47906 美國)

0 引 言

李克強總理2014年9月在達沃斯論壇上提出“萬眾創(chuàng)新”是中國經(jīng)濟前行的新引擎之一，從而進一步明確、強調(diào)了普通高校對于人才培養(yǎng)的重點與目標。同時，面對90后大學生與即將入學的00后大學生群體，工科教學部分沿用了上個世紀的傳統(tǒng)模式，實驗內(nèi)容以至實驗形式基本無變化，有必要進行新的探索與實踐。

對于土木工程，為培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識、合作精神和工程實踐能力，教育部在2007年設(shè)立了大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，并逐步形成了國家級、區(qū)域級、省級、校級的多層次賽事，促進了高校的創(chuàng)新教育與實踐教學改革[1-4]。國內(nèi)諸多高校對于結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的模式及試題進行了較為廣泛的討論[5-6]，并與教學改革相結(jié)合，進行了多方面的探索與實踐[7-8]。湖北省在2013年，由省教育廳、省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳、省土木建筑學會等單位，開始舉辦湖北省大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽。而國外類似結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽開始更早，如美國在1992年即由美國土木工程師協(xié)會(ASCE)開始舉辦全國性的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽(Student Steel Bridge Competition，SSBC)，并邀請多個國家隊伍參賽?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽雖為專業(yè)性競賽，暫未與本科教學進行結(jié)合，大多數(shù)未參賽同學的專業(yè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)載體較為缺乏。

有鑒于此，普通高校土木工程的理論與實驗教學模式，有必要對新模式進行探索以適應(yīng)時代發(fā)展的需求，有必要進行現(xiàn)有學科競賽與課程教學融合模式的研究。

1 專業(yè)課程現(xiàn)有教學模式問題

現(xiàn)有土木工程專業(yè)課程一般從第4個學期開始，比較典型的是專業(yè)基礎(chǔ)課程材料力學?，F(xiàn)以材料力學為例，討論目前專業(yè)課程教學模式中存在的問題。

我國材料力學(Mechanics of Materials)已有理論體系較為成熟[9-12]，教學改革也已有較多討論[13-16]。本文前期以孫訓方老師的教材為基礎(chǔ)，提煉了“緒論-4種主要變形-4個特殊問題” 的基本理論體系，幫助學生建立起了材料力學的整體邏輯框架，在教學中取得了較好的效果，同時，也發(fā)現(xiàn)了一些需要改進的問題。

1.1 專業(yè)詞匯較為抽象

如教材第1章第1頁中即提出了構(gòu)件正常工作的條件：強度、剛度和穩(wěn)定性問題。傳統(tǒng)上，對此，會舉簡單的工程構(gòu)件加以說明。但對于剛進入專業(yè)基礎(chǔ)課學習的大二同學，簡單的工程案例對部分同學仍然較為陌生抽象。

1.2 章節(jié)聯(lián)系缺乏載體

第2～3章分別闡述構(gòu)件在拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲時的內(nèi)力、應(yīng)力、變形、強度與應(yīng)變能，各章第1節(jié)的引例分別為桁架拉桿、齒輪傳動軸、簡支橋梁。而第6～9章分別闡述超靜定、應(yīng)力狀態(tài)和強度理論、組合變形及連接件、壓桿穩(wěn)定等4個特殊問題。教學中發(fā)現(xiàn)，前期提煉的“4種主要變形-4個特殊問題” 基本理論體系，學生能夠進行記憶，但不容易對于8章內(nèi)容進行內(nèi)在聯(lián)系，不利于加深理解與靈活運用。

1.3 理論與實際缺乏橋梁

土木工程實際工程結(jié)構(gòu)體量巨大，體系復(fù)雜，各版本教材中的例題、習題與實際工程存在鴻溝，大部分同學不能通過學習課程完成理論到工程的跨越，二者中間亟需一個中間環(huán)節(jié)的橋梁。這個中間環(huán)節(jié)的橋梁，既不同于簡單的例題習題，又沒有復(fù)雜到無從下手的工程結(jié)構(gòu)，學生可以借此完成從理論到工程的跨越。

1.4 學生主觀能動性存在差異

現(xiàn)在本科生為“90后”(以及即將入學的“00后”)，從幼兒園開始，接受的教育模式比傳統(tǒng)模式更為注重興趣，教育形式也更為注重參與多元化，一旦進入專業(yè)較為傳統(tǒng)模式的階段，大部分學生積極性無法及時、充分發(fā)揮，甚至有少數(shù)學生從這里開始產(chǎn)生學習興趣、學習成績的分化。

1.5 深入理解缺乏實踐案例

材料力學理論性較強，計算較為靈活，現(xiàn)有例題習題往往限于教材、大綱、課時要求，停留在簡單理解、掌握的階段，對于深入理解、靈活運用缺乏載體輔助。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽與案例

全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽由中國高等教育學會工程教育專業(yè)委員會、高等學校土木工程學科專業(yè)指導(dǎo)委員會、中國土木工程學會教育工作委員會和教育部科學技術(shù)委員會環(huán)境與土木水利學部共同主辦。以“3C”，即創(chuàng)造(Creativity)、協(xié)作(Cooperation)、實踐(Construction)為宗旨，致力于培養(yǎng)大學生創(chuàng)意創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、團隊協(xié)作與挑戰(zhàn)、工程實踐能力，致力于推動大學生科技創(chuàng)新活動，立足于進一步推進高校創(chuàng)新教育、實踐教育的教學改革，為土木工程“以賽促學、以賽促教、以賽促建、以賽促改”提供平臺，鼓勵大學生“展示才華、提升能力、培養(yǎng)協(xié)作、享受過程”。

2016年舉辦了第十屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽。本屆比賽賽題立足于結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的設(shè)計概念，考察結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)提出了剛?cè)岵慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計要求。同時，在全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中，首次提出了第2階段荷載自選，使比賽富于競爭性，增加比賽的趣味性。

賽題要求設(shè)計一大跨度屋蓋，承臺板標準尺寸1 200 mm×800 mm，厚度16 mm，屋蓋結(jié)構(gòu)的具體形式不限，屋蓋結(jié)構(gòu)的總高度≤125 mm，最高處標高≤425 mm，平面凈尺寸范圍(850 mm×550 mm)，內(nèi)屋蓋凈空≥300 mm，屋蓋結(jié)構(gòu)覆蓋面積(水平投影面積)≥900 mm×600 mm，≤1 050 mm×750 mm，不需制作屋面。屋蓋結(jié)構(gòu)中心點(軸網(wǎng)900 mm×600 mm的中心)處頂面為撓度測量點。

競賽加載分為了兩個階段：第1階段用來模擬正常使用極限狀態(tài)，第1、2級分別加載6、8 kg；第2階段用來模擬承載力極限狀態(tài)，第3、4級分別加載荷載自選。

3 融合模式的課程教學改革

以材料力學與第十屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽本校作品的融合為例，給出了基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學模式(見圖1)。以本校大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)(見圖1)為案例，將結(jié)構(gòu)的各個構(gòu)件，基于理論教學的基本假設(shè)，分別探討拉壓、扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲等各種變形形式。進一步討論設(shè)計作品的超靜定特征，基于應(yīng)力狀態(tài)與強度理論，分析構(gòu)件可能的破壞形式，并討論構(gòu)件可能存在的組合變形、細長受壓桿件的壓桿穩(wěn)定等典型不利工況，最后，考慮在材料力學課程的原有實驗中，加入競賽材料(竹材)的拉壓實驗。

圖1 材料力學與結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽融合的教學模式

對照傳統(tǒng)模式存在的問題，可以以此賽題為貫穿全課程的案例，根據(jù)自愿原則，學生可以個人或小組參與討論，充分調(diào)動學生的主觀能動性。

3.1 將抽象專業(yè)詞匯轉(zhuǎn)化為了具體問題

如對于教材第1章第1頁提出的構(gòu)件強度、剛度和穩(wěn)定性工作條件。強度定義為荷載作用下，桿件不發(fā)生破壞(斷裂或失效)，那么，對于我校現(xiàn)有模型，有哪些桿件可能發(fā)生破壞？請學生進行預(yù)判，并提出可能的優(yōu)化方案，在各章學習中，進行相關(guān)分析與計算，分別與備賽過程中模型的優(yōu)化結(jié)果進行比較。

3.2 將整個材料力學體系融入實際案例

對于本校模型，4種變形哪幾種是主要的？可以通過哪些方式來避免不利工況？4個特殊問題在此模型中如何體現(xiàn)？我校競賽方案中柱子做成格構(gòu)柱的理論依據(jù)是什么？細長柱受壓失穩(wěn)與強度破壞、允許變形存在哪些差異？應(yīng)該選擇什么樣截面的構(gòu)件？有可能發(fā)生哪些失效工況？應(yīng)該如何分別解決各類失效工況？

3.3 搭建了理論與工程的過渡橋梁

材料力學為土木工程中的專業(yè)基礎(chǔ)課，為學生在此階段接觸專業(yè)理論的起步階段，部分例題習題無工程背景，將理論、計算與工程結(jié)合存在難度，而結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽剛好完成理論到工程的過渡，既非單純理論，又比實際工程要簡單，具備本階段理論解決實際問題的條件。

3.4 激發(fā)了傳統(tǒng)工科領(lǐng)域低年級學生的學習熱情

能讓學生清楚為什么學，能解決什么問題，同時，賦予了學習過程一定的競爭性，符合“95后”“00后”的學習習慣，使傳統(tǒng)工科領(lǐng)域低年級學生的專業(yè)學習熱情，不再僅限于主動性強的同學。

3.5 為學生深入理解提供案例

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽不僅能為學生提供理論結(jié)合實踐的平臺，同時，能在較低經(jīng)濟成本的前提下，為學生理論-實踐-再理論-再實踐的循序深化提供案例，而結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的校、省、國三級平臺的競賽結(jié)果方案，又自然具備了啟發(fā)學生創(chuàng)新能力、深化學生理論理解、促進學生切實實踐的基礎(chǔ)。

圖2為第十屆結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽全國部分高校的競賽方案。圖2(a)～(c)為與本校不同結(jié)構(gòu)形式，圖2(d)～(f)為與本校主體受力結(jié)構(gòu)有類似之處的結(jié)構(gòu)形式，這兩大類也是本次結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽主要的兩類結(jié)構(gòu)形式。對此，綜合以上各點，如結(jié)合材料力學課程，可與學生開展如下討論：

(1) 各類結(jié)構(gòu)選型各有何優(yōu)劣？不同類選型各自的主要受力桿件是什么？其主要變形類型是什么？

(2) 方案(d)～(f)為與本校同類型選型，細節(jié)異同的優(yōu)劣是什么？此類選型的優(yōu)缺點各是什么？此類選型的要點是什么？

(3) 對于分部結(jié)構(gòu)，以柱子為例,本校模型格構(gòu)柱為棱臺型，同類型的選型中，方案(d)、(e)分別為棱柱型、棱錐型，三類格構(gòu)柱分別的優(yōu)點是什么？實際工程選用哪種類型比較好？實際工程中，柱子選型還需考慮哪些因素？方案(f)單柱類型，其與格構(gòu)柱比較，優(yōu)缺點是什么？各自受力特征、破壞特征是什么？各自的強度、變形與穩(wěn)定性如何？

其他各校方案圖片，為競賽舉辦方官方發(fā)布，有來自同濟大學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、浙江大學等124所高校的125個方案，每個方案都經(jīng)過了漫長的設(shè)計、制作與優(yōu)化的過程，是工科教學難得的全國范圍內(nèi)的一題多做的案例。加上本校方案、參賽隊員帶來的親切感，能有力激發(fā)學生的參與感與主觀能動性，是創(chuàng)新能力培養(yǎng)難得的載體，融入土木工程專業(yè)的教學 意義顯著。

(a) 方案a

(d) 方案d

4 結(jié) 語

對于土木工程專業(yè)課程，概念較多，體系相對復(fù)雜而前后聯(lián)系緊密。本文將結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽與土木工程專業(yè)教學改革相結(jié)合，對于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)體系與實踐進行了探索。在近3年的教學與競賽指導(dǎo)的過程中，激發(fā)了學生的主觀能動性，加深了理論學習的理解，提供了理論聯(lián)系實際的橋梁，提高了學生的創(chuàng)造、協(xié)作與實踐能力，取得了一定的效果，獲得了全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽二等獎2項，湖北省及中南區(qū)大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽一等獎3項，可以為土木工程專業(yè)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)模式研究提供參考。