土木工程實踐教學與學科競賽融合模式創(chuàng)新研究
——以大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為例

趙云峰，曾 磊

（長江大學城市建設(shè)學院，湖北荊州 434023）

在“一帶一路”倡議，“長江經(jīng)濟帶”“鄉(xiāng)村振興”等國家戰(zhàn)略引領(lǐng)下，新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、交通和水利等重大工程建設(shè)快速推進，國家建設(shè)投資持續(xù)增長。建設(shè)生態(tài)宜居、綠色智慧的城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施急需更多掌握堅實理論基礎(chǔ)和具有創(chuàng)新能力的土木工程專業(yè)人才。同時，我國大力實施的工程教育專業(yè)認證對學生的培養(yǎng)目標中指出，學生參加工作后具有從實踐中發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，具有科學的思維方法與較強的創(chuàng)新意識[1]。新工科背景下，要將學生培養(yǎng)成為實踐能力強、創(chuàng)新能力強且具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型新工科人才，實踐和創(chuàng)新的重要性進一步凸顯[2-3]。因此，圍繞新時代高等教育人才培養(yǎng)目標，探索實踐教學新方法，完善土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的理論及現(xiàn)實意義。

全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是教育部和財政部批準發(fā)文的全國性A 類學科競賽，其宗旨為培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識、合作精神，提高大學生的創(chuàng)新設(shè)計能力、動手實踐能力和綜合素質(zhì)，加強高校間的交流。該競賽為高等學校開展創(chuàng)新教育和實踐教學改革、加強高校與企業(yè)之間聯(lián)系和推動學科創(chuàng)新活動起到積極示范作用。競賽宗旨與新時代土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)目標相契合，為土木工程專業(yè)實踐教學改革提供了新的思路[4-6]，得到了部分高校的認可和關(guān)注[4，7]。本文對于實踐教學與學科競賽融合模式的推廣，結(jié)合長江大學土木工程專業(yè)的實踐教學改革，進行積極的分析和思考。

一 全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽剖析

全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽（簡稱“國賽”）于2005 年由浙江大學倡導，聯(lián)合國內(nèi)11 所高校共同發(fā)起，截至2021 年已舉辦了14 屆。競賽原則上每年舉辦一次，競賽時間一般安排在下半年9—10 月份。2018 年起要求須通過省（市）分區(qū)賽方式選拔參加全國總決賽，參賽學校推薦1 個參賽隊（當年承辦全國總決賽的高校可推薦2 個參賽隊），由3 名學生組成，可指定1～2 名指導教師。參賽學校原則上以通過全國高等學校土木工程專業(yè)教育評估的學校為主。競賽基本流程包括開幕式、抽簽、模型制作、分組比賽、得分計算、頒獎及閉幕式，其中分組比賽包括稱重、固定模型、作品介紹與專家提問及加載環(huán)節(jié)。

歷屆大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽題目涉及的結(jié)構(gòu)類型包括高層建筑、橋梁、風力發(fā)電塔、懸挑屋蓋、吊腳樓、三重檐攢尖頂仿古樓閣及渡槽支承系統(tǒng)等，豐富多樣，考驗學生的專業(yè)知識綜合運用能力、創(chuàng)新能力、手工制作能力、邏輯思維能力和團隊協(xié)作能力。其中，專業(yè)知識的綜合運用具體涉及了三大力學（理論力學、材料力學和結(jié)構(gòu)力學）、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計等專業(yè)課程，創(chuàng)新源于扎實的專業(yè)知識和對生活的觀察，手工制作離不開學生的細心和耐心，良好的邏輯思維能合理優(yōu)化模型和簡潔明了地介紹制作的模型，團隊協(xié)作，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。大賽內(nèi)容兼具趣味性和專業(yè)性，競賽模式具有很好的激勵性和交流性。在興趣和求勝心的驅(qū)動下，能激發(fā)大學生的自主學習熱情和創(chuàng)造性思維。

二 以結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為導向的實踐教學

（一）課程設(shè)置與簡介

為更好地培養(yǎng)競賽人才，同時達到以賽助學的目的，長江大學城市建設(shè)學院開設(shè)了專業(yè)選修課程——結(jié)構(gòu)建模。該課程開課時間設(shè)置在上半學期，課程學分為2.0 學分，對應(yīng)的課時為32 學時。課程授課對象為大二學生，前置課程包括材料力學、理論力學，與結(jié)構(gòu)力學同步。在課程時間設(shè)置方面，與校賽和省賽無縫對接，擬參賽學生有充足的時間準備比賽。在授課對象方面，大二學生對學科競賽的興趣濃厚，且已完成相關(guān)力學課程的學習。大三學生專業(yè)課程緊湊、課余時間較少，畢業(yè)年級學生準備考研、找工作等，報名參加競賽的學生較少。

通過該課程的學習和實踐，使學生能夠把所學的專業(yè)理論知識綜合應(yīng)用于實踐。學生能夠熟練應(yīng)用數(shù)值模擬軟件，會用其對各類建筑結(jié)構(gòu)進行計算分析；在動手制作模型的過程中，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、實踐能力及團結(jié)協(xié)作精神。

（二）課程教學內(nèi)容與考核要求

課程教學包括4 個專題的理論教學和3 個實踐教學內(nèi)容。課內(nèi)理論教學16 學時、實踐教學16 學時。理論教學專題包括大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽及賽事流程解讀、大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題介紹與典型賽題解讀及結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型制作中的發(fā)散型思維與基本功解讀、結(jié)構(gòu)建模分析軟件的應(yīng)用。實踐教學內(nèi)容包括大跨度橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作、高層建筑結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作和本年度全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題為背景的模型設(shè)計與制作。實踐教學分組與競賽保持一致，采用3 人小組的形式。

課程考核采用實驗報告和對制作的模型評分相結(jié)合的形式。每名學生對設(shè)計與制作的3 個模型分別撰寫實驗報告，記錄完整的模型制作過程，并總結(jié)技巧和經(jīng)驗教訓。以大跨度橋梁結(jié)構(gòu)和高層建筑結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作作為訓練，對模型重量、承載能力和美觀程度進行評分。以競賽賽題為背景的模型評分標準和過程與結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽一致，包括計算書、模型介紹和模型加載。

（三）課程畢業(yè)要求

按照工程教育認證畢業(yè)要求，結(jié)構(gòu)建模課程應(yīng)能支撐如下畢業(yè)要求。

能夠針對一個復雜系統(tǒng)或者過程選擇一種數(shù)學模型，并達到適當?shù)木纫蟆Ｅc之對應(yīng)的課程內(nèi)容為大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題介紹與典型賽題解讀。

具有創(chuàng)新思維，能夠解決土木工程專業(yè)復雜工程實施過程中遇到的問題。與之對應(yīng)的課程內(nèi)容為結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型制作中的發(fā)散型思維、制作要點及基本功訓練解讀。

掌握計算機在土木工程中的應(yīng)用，能夠利用計算機技術(shù)進行復雜工程問題的預測與模擬計算，并理解其局限性。與之對應(yīng)的課程內(nèi)容為軟件操作界面認識、模型建立操作過程和模型加載、求解及結(jié)果分析。

三 實踐教學與學科競賽融合效果

（一）融會貫通，理論結(jié)合實踐

土木工程專業(yè)課程之間存在相互銜接和融合不足、實踐課程偏少和理論與實踐脫節(jié)的問題[6]。部分專業(yè)課程如三大力學，具有理論知識多、抽象難懂、枯燥且邏輯性強等特點。進而使得部分專業(yè)課程的教學效果不甚理想，如基本概念理解不清、跟不上教學進度和考一門忘一門等。同時，專業(yè)課程體系中的實踐教學也存在較多問題，如走馬觀花、實踐內(nèi)容與課程理論教學不一致及以抄襲嚴重的實驗報告或心得為考核依據(jù)等。作為工科專業(yè)，許多專業(yè)知識來源于實際和服務(wù)于實際，理論與實際的結(jié)合才能達到理解掌握與融會貫通。

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題多來源于生活實際，競賽對所制作的模型的核心評價指標為質(zhì)輕承載重，即以最輕的質(zhì)量承受最大的荷載，同時考慮精細、美觀等指標。最終的模型作品呈現(xiàn)需經(jīng)歷方案對比、結(jié)構(gòu)選型、計算分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、手工制作和加載測試等階段。其中會涉及材料特性辨識、構(gòu)件截面形式選擇、核心構(gòu)件判斷、結(jié)構(gòu)受力分析、節(jié)點設(shè)置與細部構(gòu)造及優(yōu)化等問題，需結(jié)合材料力學、理論力學、結(jié)構(gòu)力學、橋梁工程和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計等課程的專業(yè)知識。因此，以結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為向?qū)У慕Y(jié)構(gòu)建模課程教學為學生理解、領(lǐng)悟和串聯(lián)專業(yè)課程理論知識提供幫助，同時為理論知識應(yīng)用于工程實踐提供支撐，達到理論指導實踐、實踐反哺理論的目的。

（二）自主學習，變被動為主動

本科人才培養(yǎng)方案中，土木工程專業(yè)課程數(shù)量較多，普遍存在課程內(nèi)容多而學時少的矛盾。為了課程進度，授課教師將部分課程內(nèi)容寄希望于學生課后的自主學習和課后輔導。同時，在疫情常態(tài)化的影響下線上教學得到推廣，使得課程的主體更多地偏向?qū)W生，對學生的自主學習要求進一步增強。對于部分普通院校的學生來說，自身基礎(chǔ)偏弱、自我約束能力低和課程內(nèi)容枯燥等原因使得學生缺乏自主學習的興趣和動力，學習效果大打折扣。

結(jié)構(gòu)建模課程理論教學中對結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽事介紹和賽題解讀，大大提高了學生參加競賽的積極性；課程實踐教學中對手工模型制作的趣味，激發(fā)了學生的熱情。模型制作經(jīng)歷的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)受力分析和結(jié)構(gòu)建模優(yōu)化等環(huán)節(jié)，涉及的專業(yè)知識廣泛，需綜合應(yīng)用相關(guān)專業(yè)知識才能達到模型質(zhì)輕，承載重的目標。因此，學生需對已學和遺忘的知識點進行回顧和補充，以及新知識的自主學習。從最初的模型構(gòu)思到最終的模型呈現(xiàn)，學生們不僅實踐了當前所學知識，還對將來需要學習的知識有了最直觀的體驗和嘗試，從而變被動學習為主動學習，變被動認知為主動認知，有效促進對第一課堂知識的理解。結(jié)構(gòu)建模課程教學和結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的融合，充分激發(fā)了學生的自主學習興趣，求勝心理也讓學生持續(xù)擁有自主學習動力。

（三）創(chuàng)新思維，綜合能力提升

創(chuàng)新是一個民族的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力。學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力是民族和國家發(fā)展的推動力。優(yōu)秀獨特的土木工程結(jié)構(gòu)通常兼具經(jīng)濟、節(jié)能、美觀、安全穩(wěn)定與耐用等特點，與自然和諧共生，其設(shè)計本身是創(chuàng)新實踐的綜合體現(xiàn)。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題模型，如何用輕薄的竹皮紙制作出質(zhì)輕高強的模型，需要學生具有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和創(chuàng)造性思維。在竹皮紙組成的構(gòu)件截面、結(jié)構(gòu)體系安全穩(wěn)定、節(jié)點的連接加固、細部構(gòu)造及優(yōu)雅美觀等方面為學生的創(chuàng)新提供了廣闊的空間。每屆競賽中出現(xiàn)的精致優(yōu)美、新穎獨特的模型正是創(chuàng)新思維的體現(xiàn)。以結(jié)構(gòu)建模課程教學中的結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型制作中的發(fā)散型思維與基本功解讀，以及實踐教學中模型的動手制作，培養(yǎng)和激發(fā)學生的創(chuàng)新潛力。

課程教學和競賽中3 名學生組成團隊，而在有限的時間內(nèi)完成模型的制作離不開團隊的合作。團隊成員需在數(shù)值軟件的模擬優(yōu)化、計算書的標準化撰寫和模型的手工制作方面按優(yōu)勢互補原則進行合理分工，對遇到的問題進行討論交流，一起享受成功的喜悅或分擔失敗的難過，培養(yǎng)和提升學生的團隊協(xié)作能力。最優(yōu)模型的呈現(xiàn)通常需要經(jīng)歷多個模型的制作與測試，如第十四屆國賽賽題中橋梁加載參數(shù)的不確定性使得學生需要準備多個備選模型方案，極大地培養(yǎng)了學生的動手實踐能力。同時，也是對學生的耐心、細心和恒心的考驗。

（四）以學促賽，合作帶來共贏

1 提高了競賽知名度

以長江大學為例，每年選修結(jié)構(gòu)建模課程的學生約120 人，基本涵蓋了整個土木工程專業(yè)的大二學生。通過該課程的教學，學生更清晰地了解了競賽的流程與規(guī)則，以及參加競賽的意義。同時，通過學生間的交流，極大地提高了競賽在學生中的知名度和認可度，宣傳效果顯著。對比2013 年和2021 年學院報名參加競賽的隊伍數(shù)量，由三支增加至二十余支。

2 提升了競賽人才選拔與培養(yǎng)質(zhì)量

傳統(tǒng)的競賽人才選拔與培養(yǎng)方式為發(fā)布通知、自由報名、校賽選拔和集中培訓，選拔出的學生知識儲備量較少、動手能力不足、競技水平偏低，且集中培訓占用學生的學習時間較多。長江大學參加結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽至今積累了較為豐富的經(jīng)驗和技巧，通過結(jié)構(gòu)建模課程的教學，使得學生在創(chuàng)新思維、模型優(yōu)化和手工制作等方面得到了初步指導和培訓。在此基礎(chǔ)上，進行多輪校賽選拔，最終的參賽學生在模型設(shè)計與制作方面已有一定基礎(chǔ)；進而開展針對性的培訓，大大地提升了競賽人才選拔與培養(yǎng)質(zhì)量。同時，課程教學計入工作量，以課程為依托進行創(chuàng)新實踐與教學改革，大大激發(fā)了指導教師的熱情。

3 體現(xiàn)了競賽宗旨

結(jié)構(gòu)建模課程時間設(shè)置與校賽（各學校組織的大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，簡稱“校賽”）和省賽（各省舉辦的大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，簡稱“省賽”）無縫對接，避免了以指導教師為主體的集中培訓方式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生主導。同時，與競賽融合的實踐教學模式和集中培訓相比，讓更多的學生在創(chuàng)新意識、合作精神、創(chuàng)新設(shè)計能力、動手實踐能力和綜合素質(zhì)等方面得到了培養(yǎng)，體現(xiàn)了競賽的宗旨，也與《新工科建設(shè)指南》中要求的工科專業(yè)實現(xiàn)50%以上的學生參與“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”的目標相符[8]。

4 提升了競賽成績

長江大學于2013 年首次參加第一屆湖北省大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，參賽體會為準備倉促、毫無經(jīng)驗、參賽程序與競賽規(guī)則不清，思路狹隘、結(jié)構(gòu)普通及手工制作粗糙。學校十分重視大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，截至2021 年已參加3 屆國賽和8 屆省賽，并成功舉辦了第七屆湖北省省賽。競賽與實踐教學的融合，使得參賽學生基本功更加扎實、自信心更加充足，使得指導更加合理規(guī)范，使得參賽前的準備更加充分。學院的競賽成績從最初的優(yōu)秀獎到近年來的省賽一等獎，提升顯著。

四 實踐教學與學科競賽融合模式的拓展延伸

（一）力學課程教學與競賽的融合

土木工程專業(yè)的力學課程包括材料力學、理論力學和結(jié)構(gòu)力學，在專業(yè)課程體系中占據(jù)十分重要的地位，是學生開展后續(xù)專業(yè)課程學習的基礎(chǔ)。力學課程理論性強、抽象，傳統(tǒng)“滿堂灌”式教學讓課堂教學枯燥無味。大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中模型的設(shè)計與制作過程涵蓋了力學課程中的大部分重要知識點，這為課程中的理論知識提供了良好的理解與應(yīng)用的平臺。將結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽融入力學課程的教學內(nèi)容中，以賽題為載體，提高理論知識教學的趣味性和有效性，也可實現(xiàn)力學課程教學之間的聯(lián)動。目前，大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽促進力學課程教學改革的思考也得到力學課程教師的關(guān)注[9]。

（二）畢業(yè)設(shè)計與競賽的融合

畢業(yè)設(shè)計是學生完成教學計劃規(guī)定的全部課程學習之后，所必須進行的最后一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)本科培養(yǎng)目標的重要階段，是學生從學習走向工作崗位必要的過渡階段。通過畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)學生所學基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識的綜合應(yīng)用的能力，以及獨立分析與解決一般工程技術(shù)問題的能力，為學生將來走上工作崗位、順利完成所承擔的建設(shè)任務(wù)奠定基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計模式常依托某一工程背景，進行方案比選、設(shè)計計算分析、繪制設(shè)計施工圖，存在換標題不換內(nèi)容、模板套用和知其然而不知其所以然的問題，同時創(chuàng)新性體現(xiàn)不足。

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的賽題來源于生活實際，模型的設(shè)計與制作過程與畢業(yè)設(shè)計過程較為相似。賽題涉及的專業(yè)知識廣泛，模型優(yōu)化環(huán)節(jié)中數(shù)值模擬軟件的學習與應(yīng)用，進一步提高了學生綜合應(yīng)用專業(yè)知識能力的要求。第十四屆國賽賽題為《變參數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作》，以承受豎向靜力和移動荷載的橋梁結(jié)構(gòu)為對象，通過在賽題中加入部分待定參數(shù)，賦予賽題更多的靈活性。將畢業(yè)設(shè)計與競賽融合，賽題的創(chuàng)新性、綜合性和靈活性讓畢業(yè)設(shè)計更好地培養(yǎng)學生的綜合能力。同時，畢業(yè)設(shè)計的答辯環(huán)節(jié)也可考慮參考競賽的比賽評分環(huán)節(jié)。

（三）新增專業(yè)選修課程與競賽的融合

專業(yè)選修課程的開設(shè)基于學生興趣和專業(yè)知識拓展的需求，隨著教學改革和知識更替而改變。大學生對學科競賽興趣的提高及高校重視程度的加強，可以基于學科競賽而開設(shè)專業(yè)選修課程。如開設(shè)數(shù)值模擬軟件課，向?qū)W生推廣ANSYS、MIDAS 等專業(yè)分析軟件，為應(yīng)用型人才培養(yǎng)打下基礎(chǔ)；開設(shè)手工模型制作課，通過截面選擇、構(gòu)件制作和節(jié)點處理等方面的培訓，針對性地提高學生的動手能力。此類課程的開設(shè)不僅能滿足學生的興趣和專業(yè)知識的拓展需求，也能進一步培養(yǎng)學科競賽人才。

五 結(jié)束語

新時代高等教育人才培養(yǎng)更加注重實踐與創(chuàng)新，與大學生學科競賽的宗旨十分契合。本文以土木工程專業(yè)的大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為例，結(jié)合長江大學多年的實踐教學改革，分析總結(jié)了實踐教學與學科競賽融合的模式和效果，思考了該模式的拓展延伸。該模式可以構(gòu)建理論與實踐結(jié)合的橋梁，培養(yǎng)學生自主學習的意識，提升學生的創(chuàng)新能力、動手實踐能力和團隊協(xié)作能力，以及持之以恒的毅力，提高競賽人才的選拔和培養(yǎng)質(zhì)量及競賽成績，實現(xiàn)“以賽助學、以學促賽”共贏的目標，達到創(chuàng)新實踐人才培養(yǎng)和競賽成績提升的目的，具有良好的推廣前景。