以結構設計大賽為平臺的以賽促學教學模式研究

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2024.02.017

歡迎按以下格式引用：旺敏玲，王化杰，錢宏亮，等.以結構設計大賽為平臺的以賽促學教學模式研究［J］.高等建筑教育，2024，33（2）：123-129.

摘要：大學生結構設計大賽是全國范圍內土木工程領域參與度最廣泛、專業性較強的賽事。為豐富土木工程專業學生的實踐教學內容，提升學生創新意識、團隊協作和工程實踐能力，對土木工程專業以賽促學教學模式進行研究，論述以賽促學教學模式推廣的可行性和優勢，建立了清晰的以賽促學教學模式框架。同時，詳細分析了各個教學環節的內容及要點，并對以賽促學教學方法進行了小范圍的實踐嘗試，獲得了較好的教學效果，表明以賽促學教學模式的可行性。其思路和成果可為類似教學模式實踐提供參考。

關鍵詞：結構設計大賽；以賽促學；土木工程；教學方法

中圖分類號：G642. 0；TU98 """""文獻標志碼：A """""文章編號：1005-2909（2024）02-0123-07

目前，土木工程專業學生的培養模式以傳統教學方式為主，學生理論知識與實踐應用脫節，理論聯系實際的能力較弱，且創新能力不足。調動學生的學習積極性，讓學生更好地理解和運用專業知識，并提高學生的創新能力和實踐能力，是當前教學工作的關鍵問題。

學科競賽是大學生能力培養的有效載體，是對傳統課堂教學、實驗教學的重要補充。結構設計大賽是土木工程領域最重要、最能鍛煉學生專業技能的比賽，是土木工程專業學生培養創新能力和實踐能力的重要平臺。學者對“賽學結合”教學模式，結構設計大賽對學生專業學習和成長的影響開展了系列研究。賈傳果等^［1］認為結構設計競賽不僅提高了大學生的綜合專業技能，還提高了大學生的創新能力、實踐能力和協作能力，對培養創新型、實踐型學生具有重要作用；Paya-Zaforteza^［2］對中學生用意大利面條建造的橋梁模型荷載測試活動進行了研究，結果發現，通過舉辦這樣的活動，極大地增強了學生的實踐能力、參與熱情和團隊合作能力；陳志軍等^［3］"對高等職業教育“學賽一體、研創融教”雙元協同育人體系進行了探索；劉冰等^［4］"對地方高校“學訓研賽”一體化人才培養模式的背景、理論依據、目標定位、核心要素以及保障條件進行了總結；鈕鵬等^［5］對以“結構設計競賽”形式促進本科結構力學課程教學改革進行了探討。

綜上所述，學者充分認識競賽對教學質量的促進作用，結構設計大賽對土木工程專業學生有足夠的吸引力和影響，但是以大學生結構設計大賽為依托的以賽促學實踐教學研究還未充分展開。盡管現有研究多針對具體學科的賽學結合討論，但缺乏系統、具體的以賽促學實踐教學方法和內容。因此，以大學生結構設計大賽為平臺，通過以賽促學實踐教學模式的探索，激發學生的學習興趣，促進師生互動交流，加強理論知識的理解運用，對豐富土木工程專業學生的實踐教學內容，提升土木工程專業學生創新意識、團隊協作和工程實踐能力具有重要意義。

一、以賽促學教學模式的可行性及其優勢

（一）"良好的參與基礎

為推進以賽促學教學模式，需要開展參與度高、相關領域專家認可度高的賽事。中國大學生結構設計大賽是由中華人民共和國教育部、住房和城鄉建設部、中國土木工程學會聯合主辦，高校輪流承辦的土木工程專業最高水平學科性競賽，目前已舉辦十三屆，被譽為“土木皇冠上最璀璨的明珠”，備受土木工程專業學生的青睞。分析不同年級學生參與比賽的300多份調研問卷，如圖1所示，可以看出，除大四學生即將畢業外，大一到大三學生參與積極性較高漲。據統計，2018年全國已有542所高校參與了結構設計大賽，基本涵蓋了全國大多數土木工程專業的高校，良好的參賽基礎使得以賽促學教學模式更容易在全國高校推廣。

（二）"良好的教學條件積累

以結構設計大賽為平臺的以賽促學教學模式須有足夠的實踐內容和硬件設備支持。根據賽題需求，每屆結構設計大賽都需要專門的賽題裝置和設備，如第8屆的三重檐攢尖頂仿古樓閣結構模型制作與抗震測試需要專門的小型地震臺裝置，如圖2所示；第10屆的大跨度屋蓋結構需要特定的豎向加載裝置，如圖3所示；第12屆的山地輸電塔需要特定的多向加載和檢測裝置，如圖4所示。參賽高校為準備比賽，通常會購置相應的賽題裝置，這些裝置也為以賽促學的課堂內容制定和順利實施提供了教學條件保障。若賽后不能較好地開展以賽促學實踐教學，閑置的設備往往造成巨大的資源浪費，因此，以賽促學教學模式在提高教學質量的同時，也實現對資源的充分利用，是一種可持續的教學模式。

（三）"理論與實踐相結合

目前，土木工程專業學生培養過程中能與工程實際聯系起來的實踐教學環節主要有集體現場實習和“卓越工程師”企業培養等。其中，集體實習主要是以學生團隊參觀為主，學生參與感不強，較難達到鍛煉學生主動思考和動手能力的目的；而“卓越工程師”企業培養只針對有限的成績優秀的學生，無法大規模開展。通過以賽促學，可以全面、高效地將理論與實踐相結合，且這種結合具有良好的操作性，可以使大多數學生參與進來，解決現有實踐教學方法學生參與度不足，缺乏動力的問題。

完整的結構設計大賽作品，通常需要經過賽題理解、方案設計、模型工況分析及優化、圖紙繪制、模型制作等環節，這與實際建筑結構的建設流程——方案設計、模型計算及優化、施工圖繪制、結構施工較相似。因此，通過結構設計大賽作品的設計制作給學生呈現了實際結構建設的全過程，而過程中涉及的理論知識和工程經驗以最直觀的形式展現在結構作品的設計、分析全過程，從而將理論與實際較好地聯系起來。作品方案設計、體系建模優化、圖紙繪制及模型制作完全由學生團隊自主完成，教師只輔助指導。學生能夠最大程度地獨立思考，針對具體問題開展學習，第一時間將理論知識轉化到實踐中。

自2005年以來，結構設計大賽已成功舉辦十三屆，大賽題目基本涵蓋了高層、大跨、橋梁、特種結構、靜載、動載、抗風、抗震、抗沖擊等土木工程學科領域，見表1，比賽準備階段，需要綜合運用大量的專業知識，尤其是材料力學、結構力學、高層建筑結構、大跨空間結構、地震工程等與比賽密切相關的課程知識，實現多門課程的理論知識綜合應用，更深程度、更加靈活地實現理論與實踐的結合。

（四）"賽事成果與經驗的延續

以往的結構設計大賽，學生主要關注比賽本身，為比賽服務，且只針對賽題進行思考。首先，賽題內容涉及的專業知識有限，專業知識的應用較為零散，無法對專業知識形成系統地應用和深入的思考；其次，賽后缺乏足夠的總結，比賽工藝和成果的延續性和啟發性不足。然而，通過以賽促學的實踐教學，可將以往及未來比賽中專業知識的運用經驗、加工制作工藝以及比賽成果進行系統總結；制定系統的比賽經驗及成果總結機制，形成完整的問題對策、制作工藝及優秀成果數據庫，建立規律的教學內容，并隨著教學和比賽進程不斷完善；可豐富以賽促學的教學內容，增強知識的轉化效率，加強技術和成果的傳承性，提升學生比賽水平。

二、以賽促學的教學模式探究

根據教學活動中的學生和教師活動強度的不同，可將教學模式分為替代性教學、指導性教學和生成性教學^［6］。其中，替代性教學更接近于傳統教學方式，是學生通過教師呈現材料來掌握現有知識的教學方法，學生缺乏足夠的主觀能動性，在培養學生的探究精神、創新能力方面有明顯的缺陷；生成性教學則是強調以學生為中心，認為學生是認知的主體，并不要求教師直接向學生傳授知識，其主要問題是教學用時過多，教學效果不好。作為指導性教學模式的以賽促學方式可以較好地平衡前兩者之間的關系。以賽促學模式是以競賽為平臺，基本上競賽的過程就是教學過程。圖5為以賽促學教學模式框架圖，主要包括賽題分解與教學案例、學習群體分組機制、理論學習與實踐學習模式、考核機制等環節部分。

（一）"賽題與教學案例分類

完整的教學體系需要確定教學內容，而以賽促學的教學最為關鍵的是將“賽”和“學”結合起來，圍繞著賽題進行專業知識的引入和學習。因此需要對已有賽題進行梳理和分類，確定各賽題涉及的專業知識架構，將專業知識的學習與賽題解析和設計相結合，建立學科專業知識與賽題結合的課堂教學內容，提升學生的學習興趣。賽題涉及的專業知識可分為兩大類：（1）通用專業知識。包括完成結構設計需要具備的理論知識、計算方法和試驗手段等。具體課程主要有結構力學、材料力學、荷載與結構設計方法、結構實驗方法、有限元軟件、工程制圖等。（2）特色專業知識。按照結構類型可以將已有賽題分成高層結構、大跨結構、橋梁結構、特種結構四大類。按照所受荷載工況又可以分為靜載、動載、風荷載、地震作用、沖擊荷載等多種工況。因此，要在比賽中獲得優異的成績，還要根據結構類型和賽題內容具備高層建筑結構、大跨空間結構、橋梁工程、風工程、工程結構抗震等土木工程專業知識。專業課程分階段地由指導教師進行啟發教學。教師指導學生在比賽的不同階段進行學習和應用。

（二）"群體分組機制

傳統教學主要以班級作為教學單位，教師進行“一站式”教學，不能較好地聯系實際，也不能較好地將多個課程進行綜合應用。而在以賽促學教學模式中的學生和教師則可采用更加靈活的教學分組制度。

（1）學生競賽組隊。以“賽”為平臺，按照賽制，學生3∽4人組隊。傳統組隊往往是同年級熟悉的學生，為了促進不同階段不同知識水平學生的學習交流，提高學習效率，提升團隊創新能力，要求各隊必須按照不同年級進行交叉組隊，各隊必須包括大一至大三不同年級隊員，由經驗豐富的大三老隊員帶隊，實現團隊的良好搭配和高效合作，以更好地鍛煉學生的團隊合作意識和動手實踐能力。

（2）教師指導團隊。為了滿足教學和競賽的雙重需求，打破傳統的單一教師上課和指導帶隊模式，以賽題對象和內容為依據，對教師指導團隊進行分類。目前根據賽題類型，教師指導團隊可以分為高層結構指導團隊、大跨結構指導團隊、橋梁結構指導團隊、特種結構指導團隊4種，指導團隊由多位相關專業教師組成，通過發揮指導教師的專業特長，建立完整的多學科指導教師聯合培養的學習模式，增加知識運用的專業性和系統性，實現對學生更加全面的多學科多專業指導。

（三）"理論學習方式

結構設計大賽根據完成進度可分為賽題理解、方案設計、方案優化、結構計算、計算書撰寫、圖紙繪制、構件制作、節點制作、模型制作、加載比賽等階段。其中，賽題理解、方案設計、方案優化、結構計算、計算書撰寫、圖紙繪制等可歸納為理論學習階段，該階段工作需要綜合運用多學科專業知識對結構進行設計、計算、優化和出圖。指導團隊教師介紹通用專業知識，如材料力學、結構力學、荷載與結構設計方法、有限元軟件、工程制圖，圍繞賽題結構類型和內容進行具體的高層結構、大跨結構、橋梁及其他結構的方案設計指導，使學生明確如何選擇抗風、抗震有利的體系外形，設置合理的構造措施，進行關鍵構件的計算，指導學生第一時間將專業知識和結構概念應用到結構方案設計中。前期指導教師團隊主要以講解介紹為主，在學生對設計方案形成初步概念后，指導團隊只需對基本概念和力學合理性進行評估指導，學生則可以充分發揮個人想象力和團隊的創造性進行方案設計。在此基礎上，學生根據所學軟件和制圖技術對模型方案進行優化計算和圖紙繪制，進行計算書章節的規劃和撰寫，此方法可加深其對知識的理解，協助搭建工程設計的總體思維框架。整個學習過程始終圍繞著賽題結構展開，使專業知識第一時間與實際結構相結合，有利于學生對所學知識的理解與應用。

（四）"實踐學習方式

構件制作、節點制作、模型制作、加載比賽等階段可歸納為實踐學習階段。該階段需要學生應用試驗手段和加工技術制作和使用模型，在專業教師團隊的指導下，學生通過對構件和節點的加工制作及性能測試試驗，掌握構件和節點的性能，總結規律和經驗，改進制作工藝和構造措施。最后，由團隊協作完成最終比賽模型的制作。

該階段理論與實踐相結合，以學生實踐為主。除了試驗方法和儀器設備的操作指導外，指導教師以思路和問題指導為主，學生以自我管理和團隊配合為主，具有較高的自主性，充分鍛煉了學生的試驗、動手和團隊協作能力。

（五）"考核機制

傳統課程的考核方式以卷面考試或者答辯為主，難以有效體現學生的知識應用水平。相比之下，以賽促學教學模式更加注重對學生知識應用過程和應用效果的考查，且與結構設計大賽相協調，參考競賽的評分模式對團隊成績進行考核，考核成績分四部分。

（1）計算書成績。計算書的編寫能較好地反映學生設計思維能力，能夠充分鍛煉學生組織報告和撰寫報告的能力，能看出理論知識在結構設計和優化中應用的水平，因此，該部分可以作為成績考核的重要組成部分，建議占總成績的15%。

（2）模型創意成績。模型方案創意是團隊創新能力和基本概念運用能力的重要體現，該部分也可以作為成績考核的組成部分，建議占總成績的5%。

（3）模型制作質量。該部分主要是與賽結合的重要內容，制作過程充分體現了制作工藝和細節處理的能力，同時也為以學養賽打下基礎，積累更多的樣板工藝，建議占總成績的10%。

（4）模型加載表現成績。結構設計的目的是用最經濟的手段建造出能夠滿足安全和正常使用的建筑結構。所以模型加載的表現是結構設計和制作水平最直觀評價依據，也是最客觀、最公平的評價方法，因此這部分成績較為重要，占總成績的70%，這也與比賽的評價體系相一致。另外，成績最優一組將代表學校參加省級以及全國大學生競賽，實現以賽促學和以學養賽的統一。

三、以賽促學的教學實踐嘗試

新的教學模式的實施和推廣需要探索、嘗試和完善。2019年筆者對以賽促學的教學模式進行了小范圍的初步探索，建立了由高層建筑結構專業教師、材料力學專業教師、結構力學專業教師、結構實驗方法教師組建的專業指導團隊，結合大學生科技創新項目，組建了兩支分別由3名大一至大三不同年級組成的學生隊伍，并以結構設計大賽中通用軸壓構件的設計與優化為題，對學生進行全過程指導教學。

在教學實踐的嘗試過程中，教師指導團隊與學生隊伍每周進行例會交流。首先，由學生根據自己的理解進行賽題解析。師生討論互動，材料力學、結構力學教師從構件的受力模式和優化的角度給出設計建議，使學生能夠更好地理解影響軸壓桿件承載力的關鍵因素，明確用有限的材料有效地提高構件的承載力；高層建筑結構教師則從結構設計角度指導學生理解“強柱弱梁”等結構設計原則的重要意義，使學生明確了柱子作為主要軸壓構件，要保證其承載力的重要性；最后，完成構件截面設計方案后，在結構實驗方法教師指導下，學生完成了構件的制作和試驗測試，以及試驗數據分析和評價構件優化效果。整個學習過程，學科知識和結構概念的解讀更加生動和直觀，大大調動了學生的學習積極性，

教學過程中，由于高年級學生已具有材料力學、結構力學等相關知識基礎，且有一定的前期參與比賽經驗，一般能夠表現出良好的帶隊經驗和組織能力，能夠不通過導師、直接將結構概念和構件加工工藝傳授給低年級學生，起到了“傳幫帶”的效果。整個學習過程中，學員主動學習的意愿較為強烈。學員在完成正常課程學習后，利用課余時間進行以賽促學模式的學習，可有效完成課程所布置的任務，選出合理的構件尺寸和形式，以加深對多門學科和專業工具的理解和綜合應用，進而鍛煉了學員之間的良好團隊協作和動手能力。圖6—圖8為學生構件設計方案圖繪制、制作以及試驗測試。

四、結語

高質量土木工程專業型人才的培養至關重要，以大學生結構設計大賽為平臺，進行以賽促學教學模式的探索，以激發學生的學習興趣，促進師生互動交流，加強學生對土木工程專業知識的理解和掌握，對提高學生自我學習能力、實踐動手能力、管理協作能力、成果總結能力，以及創新思維能力具有明顯的優勢。未來應進一步完善以賽促學模式土木工程專業本科生實踐教學方法和實施體系，進行更大范圍的推廣和嘗試，提高創新人才培養質量，可為我國基礎設施建設的快速發展提供高質量的土木工程人才，為類似學科以賽促學實踐教學模式的探索和研究提供參考。

參考文獻：

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［6］"邱才訓.課堂教學的指導性策略［J］.教學理論與方法，2001（2）：49-51.

Teaching method research of \"Competition to Promote Learning\" taking structural design competition as a platform

WANG Minling¹，"WANG Huajie¹，"QIAN Hongliang¹，"CHEN Deshen¹，"FAN Feng²

（a.Department of Civil Engineering， Harbin Institute of Technology at Weihai， Weihai 264209，P.R.China；b.School of Civil Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150090，P.R.China）

Abstract： College student structural design competition is most widely participation nationwide civil engineering field， the highest value， in order to enrich students majoring in civil engineering practice teaching content， improve civil engineering students' innovative consciousness， team coordination and engineering practice ability， to the civil engineering professional study in order to promote science teaching methods， detailed discussed in order to promote teaching methods to promote the feasibility and advantage， established a clear framework to promote learning teaching mode， the analysis of the refrigerator for each link， finally， in order to promote teaching methods try to a small range of practice， obtained the very good teaching effect，It reveals the positive effect of the teaching mode of \"promoting learning by competition\".The research ideas and results will also provide reference for the transformation of the practice teaching mode of similar disciplines.

Key words： Competition of Structural Design; Competition to Promote Learning; Civil engineering; Teaching method

（責任編輯""鄧""云）

基金項目：山東省研究生導師指導能力提升項目（SDYY18198）；哈爾濱工業大學（威海）教研項目（BKJY201920）

作者簡介：旺敏玲（1983—），女，哈爾濱工業大學（威海）海洋工程學院工程師，碩士，主要從事本科生實驗教育及競賽研究，（E-mail）wangminling2007@163.com；（通信作者）王化杰（1982—），男，哈爾濱工業大學（威海）海洋工程學院副教授，博士，主要從事本科生及研究生教育，（E-mail）huajie_wang@hit.edu.cn。