基于“力學+制模+模擬”的賽教融合探索*

常中權 程振東 張志成 章晴雯 胡淑婷

（嘉興職業技術學院，浙江 嘉興 314036）

近年來，隨著建筑行業的蓬勃發展，建筑企業對土建類專業人才的數量與質量需求有了很大提升，對高職院校的人才培養要求也在隨之提高[1]。通過將結構競賽培訓與建筑力學課程相結合的方式，恰好可以適用當前人才培養的需求。建筑力學課程是為高職土建類專業學生開設的一門基礎性專業課，課程內容理論性較強，學生學習課程的興趣感與主動性有所欠缺，對力學分析計算的內驅動力不足；授課形式雖以多樣化形式推進，但沒有充分調動學生的動手能力，課堂沉浸感不夠，學生并沒有實實在在成為課堂主體[2]。

大學生結構設計競賽旨在進一步培養學生的工程實踐能力、創新意識與團隊協同能力，其省級比賽作為國家級比賽的選拔賽，在學校一貫的支持與高度重視下，指導老師一直在尋求成果突破的方法與模式；然而，隊員的選拔仍然存在識人不察之難題，同時，學生在結構設計與模型制作方面還缺乏力學分析的基礎，以及運用計算機輔助模擬的能力。

通過將結構競賽元素有機地融入建筑力學課程的重點環節中，試圖提升課程趣味性與強化力學理論分析的思維，培養一批理論與實踐能力結合的創新型人才與競賽能手，從而有利于結構設計競賽獲得更好的成績[3]。故此，以“建筑力學理論為基礎，模型制作實踐為重點，有限元軟件模擬為輔”的賽教融合探索具有重大的實際意義。

1 競賽內容重塑為教學模塊

本次賽教融合探索，以歷屆競賽內容為指導，以建筑力學理論為基石，將歷年結構設計競賽任務標準與評價規律總結歸納到課程標準與教學環節中，通過將復雜的結構比賽模型拆解、序化和重塑為幾個實踐教學模塊，每個模型都關聯相應的建筑力學的重難點知識，見表1。

表1 建筑力學實踐教學模塊

這些模塊可以讓每位同學皆能參與進來，而且可以在有限的時間內完成制模任務。再運用ABAQUS或MIDAS 軟件，對模型進行有限元模擬與力學驗證[4]，如圖1所示。

圖1 實踐教學建模

2 競賽評價轉化為教學評價

在賽教融合的實踐教學中，同學們在模型結構的模擬分析與制作中精益求精，對自身的專業使命有了更深刻的認識，對思維創新的路徑得到了更廣闊的拓展；同時，通過課程教學與師生磨合，可以全面、全程、全方位記錄學生在模型制作與優化、團隊協作等方面的表現，不但為競賽選拔優質人才提供有利的參考，還有助于對同學們的知識、技能、素養的培養與考核[5]。課程考核評價的實驗成績部分，參考競賽評價機制，將課程實踐成績分成三個部分：模型制作表現、力學分析與加載結果。其中，模型加載結果參考標準如下：

（1）各參賽隊模型的最大承載能力m1，按式（1）計算：

式中M1-本隊模型加載到剛好破壞的荷載；

M-本隊模型的自重，kg。

（2）第i個隊伍的模型加載得分Ci，按式（2）計算：

式中m1,max-所有參賽隊模型的最大承載能力。

3 競賽訓練結合于實踐教學

通過實踐教學幾輪的模型制作環節，培育出幾組實驗成績與競賽素養均較高的隊伍作為校內選拔賽的備選隊伍，同時，歡迎非本課程而對結構設計競賽感興趣的學生參與進來，組織競賽培訓與學院技能選拔比賽，參與校內選拔賽的備選隊伍，可以充分利用歷屆比賽的加載設備，按往屆競賽規律準備競賽方向。競賽培訓的內容安排如下：

（1）通過詳細研究比賽題目，在有限元分析軟件中初步創建模型框架，進行力學分析；

（2）對學生的模型制作方法進行培訓，查看模型制作情況，并推動模型制作進度；

（3）對模型進行加載與破壞性試驗，并結合模擬減量，探究模型減量與破壞機理；

（4）分析討論模型結構形式與優化方案，糾正模型漏洞，去冗余、補短板，確定最終模型理論方案；

（5）在確定方案的基礎上，不斷打磨制作技藝，記錄并沉淀操作技巧。

備賽中，通過邀請學校專家、企業專家與往屆參賽學長指導點評學生的模型制作，對模型方案不斷優化，修改與確定最終模型理論方案，最終帶領選拔隊伍參加省級大學生結構設計競賽。

4 職業素養貫穿于賽教全程

4.1 安全防范意識

無論在課堂實踐上，還是在競賽培訓中，皆須著重強調安全的重要性。在制作模型、加載模型等過程中，指出容易忽視的安全問題，例如：在加工竹條時，注意竹條另一端切勿戳到人；在使用美工刀加工竹材時，注意控制握刀的方向與力度，避免劃到手；在運用膠水粘接竹材時，戴好指套、口罩與護目鏡，避免膠水接觸到皮膚，室內保持通風，避免過量吸入刺激有害的氣體；對模型進行加載時，注意防止加載砝碼落地或擺動砸到人等。容易產生的事故，以事故的發生案例警醒學生，凡事保持瞻前顧后與清醒謹慎的意識，若遇到安全隱患，及時消除，不能消除的隱患要及時上報。

4.2 工匠創新精神

創新精神帶來各領域、各方面發展，工匠精神會讓項目與成果更精湛。在課程教學中，注重課程內容與方法的創新，將競賽元素融入教學中，增加學生在模型中的創新環節，通過引入力學建模軟件，讓學生在制作模型前，創新出多種不同的結構形式；在制作模型中，學生的專注力最為集中，充斥著對職業的熱愛和敬畏，即使是一件不起眼的小構件，也要打磨得特別精細；期間，同學們遇到過幾次困難，例如在建模時，對基礎操作不熟悉，那么就通過在線課程學習操作方法，懷著創新的渴望與堅忍不拔的意志，一點點將之摸透。

4.3 團隊協作精神

結構競賽的成果來源于競賽隊伍的密切合作，通過將每個人的特長融于大局，才能齊心做好一個項目。例如某獲獎隊伍中的三個人，一人負責統籌規劃與溝通，一人負責創新形式，一人心靈手巧，這種組合形式恰似一個小型的項目經理部，在長期的模型設計、制作、加載中，同頻共振，發揮著最大效能。因此，可以在隊伍建立之初，通過前期課程與培訓的考察，靈活匹配隊員的特長，分配不同的職責給各位隊員。

5 賽教融合成效

本輪賽教融合的效果，無論從建筑力學的授課效果，還是從結構比賽的成果上，均得到了顯著提升。從競賽成果的角度看，相比于上一年度的省級三等獎，有了一定進步，獲得了省級二等獎。同時，除了對學生在建筑力學課程的學習成績進行宏觀對比之外，還通過平臺問卷調查了學生對賽教融合的看法與評價，共回收91份問卷，有效問卷86份，問卷有效率為94.50%，其成效匯總如下：

（1）學習表現積極，成績有所提高。為了較合理地體現兩屆學生在本門課程的學習效果對比，建立“本綜比”這一概念，即班級所有學生在本門課程的平均成績與當學期所有相關且相同課程綜合平均成績之比，以此排除生源的專業方面質量差異。研究發現，傳統授課的2020 級學生的本綜比為0.88，賽教融合后的2021級學生的本綜比為1.02，在兩屆試卷難度相當的情況下，賽教融合后的學生在建筑力學的學習成績有顯著提升。

（2）學習興趣增加，力學思維強化。調查發現，在“競賽對于專業教學的好處”中，75.16%的學生認為有利于課堂內容的豐富，提高了深度與廣度；關于“是否對競賽感興趣”，52.31%的學生表示有濃厚興趣，32.64%的學生表示有一般興趣?？梢园l現，學生對于課程中融入競賽元素的興趣很大，同時，在課堂中也表現出對模型制作的濃厚興趣，學生不但能從模型中直觀地感受到力學分析的原理，還能利用力學分析的思維主動去優化結構形式，形成較為嚴謹的思維模式，踐行了精益求精的工匠精神[6]。

（3）學習氛圍良好，綜合能力提升。調查發現，學生在制作模型的過程中，試圖利用有限元軟件對模型進行力學模擬，以達到結構高效優化的目的；此外，學生還積極參與了校賽選拔活動，相比于非本課程授課的學生，突出了力學理論與實踐的扎實基礎，也在此后的校隊培訓中表現得更加堅韌不拔，對模型優化的創新能力、團隊協作能力、自主學習能力等綜合能力均得到了顯著提升。