谈开设结构模型制作课程的必要性和可行性

张婧媛 杜德润 卢雯珺

(中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100)

0 引言

近年来，随着土木工程教学越来越重视学生实践能力的培养，以此为目的的各种大学生竞赛活动也应运而生。结构模型设计大赛便是其中较为成功的一例。面对该项赛事在高校中产生的良好影响，我们考虑是否能将结构模型大赛的成功经验转化为教学资源，并以此为基础创建土木本科教学的创新实践平台，使学生在实践中综合运用所学知识，增强其创新意识和动手能力。为此，我校土木工程专业拟开设《结构模型设计与制作》这门课程。

然而，由于目前尚无高校开设此类课程，我们对于设立该课缺乏经验指导，对课程形式、讲授内容以及同学们的期望均没有明确答案。为此，我们面向学校土木工程系全体学生进行了问卷调查(发放问卷314份，收回有效回馈287份)。以下我们将根据调查结果，对课程开设的必要性和可行性进行分析。

1 课程开设的必要性

1.1 学生具有浓厚的兴趣

我们对于“是否支持开设该课程”和“是否了解结构设计大赛”这两个问题的答案进行了统计。其中，250人支持该课程的开设，23人不支持，14人认为无所谓。进一步调查发现，大多数人对于结构设计大赛不了解，仅有少部分人有所了解，仅有9人对此非常了解。

具体结果如图1所示。

图1 课程开设调查结果图

从调查结果可以得出两点结论:

1)同学们对于实践性课程具有较大需求，希望能通过实践课程或者活动来提高自己的专业水平和动手能力。

2)我校土木专业大多数同学对于结构模型和结构模型试验并不了解，甚至从来没听说过。这说明我校在此方面的活动投入力度和参与程度都较少。

3)对于该课程，还有极少部分同学持保留意见或不支持态度，如何更好地推进该课程的实施，让更多地同学都参与进来也是本科教学应当多加考虑的问题。

1.2 完善实践课程的建设

通过对各高校土木专业课程设置的调查发现，目前土木专业本科开设的实践课程可以分为:实验课和实习课两大类。以土力学实验、建筑材料实验为代表的实验课程，旨在让学生通过亲自动手增强对知识的理解。此类实验均为验证性实验，试验方法是固定的，实验结果是已知的。另一类以工程测量、工程制图为代表的实习课程，目的是令学生在实践中熟练掌握课上所学知识，通常为仪器使用的练习和制图方法的练习。

从学生实践能力的培养角度来看，这两方面的实践都是不可或缺的。但这两种实践课程有一个共同的问题——学生在实践中缺乏自主性，没有自由发挥的空间。例如，大多数的实验课程多以实验指导书为指导，学生只需完成数据整理和处理即可，很少有同学能够真正对实验中出现的问题进行思考和分析，成绩评定也仅仅根据学生们给出的实验报告给出，评价标准较为单一。而课程设计等方面的实习，因为自身条件的限制，大多数学生也是照本宣科，许多学生都只是对着书本上的公式一通乱套，对于其中的原理大多都云里雾里，且由于课程设计题目较为单一，可能存在学生之间互相抄袭修改的现象。这显然是与课程设计本身的教学目的相悖的。由此可见，传统的实践课程在教学模式、成绩评定等方面都存在比较多的问题，这一方面遏制了同学们的创造力，另一方面也会使学生在重复的操作中失去兴趣。而《结构模型设计与制作》课程的开设恰恰能够弥补二者的不足。在结构模型的设计阶段，同学们通过对不同体系的分析比较，能够更加深刻地体会到不同结构体系对力传递方式的影响。在此基础上选择最优的方案，并根据自己的审美设计出形态各异的优美造型。这不仅需要学生综合运用力学知识，而且需要最大限度地发挥其创造力。既能提高自己的动手能力，也能增强团队合作意识，有利于培养学生的综合素质。

1.3 增强学生的工程实践经验

例如，截面设计是大多数模型设计的重要环节，在这个过程中，我们通常以材料力学的基本假定为理论依据进行计算和比较，但学生实际制作时会发现，木条的拼贴对于材料的性能影响比较大，胶水的均匀程度、厚度等都会对模型产生影响。即使我们考虑了结构的长细比等稳定性因素，把可能的理论上的破坏形式都想齐全了，但做加载试验的时候，我们会发现有许多构件是在接缝处劈裂破坏的，这都是在实践中才能获得的宝贵经验。通过结构模型设计这门课程，学生可以对以前学过的翘曲现象、装配应力概念等课本中的知识有更好更清晰的认识，也增强了学生的工程实践经验，意义重大。

1.4 学科建设意义

作为被教育部认定的五大学科竞赛之一，结构设计大赛在各大高校的推广和开展是十分必要的。而开设“结构模型设计与制作”这门课程，可以使土木院校与校际、省级、全国结构模型设计大赛直接对接。特别是全国结构模型设计大赛是各高校土木专业的力量展示，我校有优秀的师资和优秀的学生，开设结构模型制作课程，可以给学生提供到各竞赛平台去展示自己的机会，同时促使土木专业学生形成良好的学习、实践氛围，对土木专业建设将大有裨益。

2 课程开设的可行性

1)结构形式简单。在这里我们所说的结构模型是指由杆件组成的力学结构体系，而不是实物模型。所以相比于实际工程模型，这些模型具有形式简单、传力直接、便于分析等优点，这正符合本科生的学术水平。因此，在本科教学中开设这门课程是非常恰当、可行的。

2)成本较低，易于推广。模型试验是土木工程研究的一种常用方法。为探究某种结构形式的受力特性，研究者往往按照一定要求将实际结构按比例缩小，并用与实际相同或性能相近的材料制作结构模型，然后进行加载试验。

然而，考虑到本科生人数较多且学术水平不高，没有必要也没有能力对大型实物模型进行试验和研究。在《结构模型设计与制作》这门课上，我们拟使用木条、白卡纸等廉价、方便的材料进行模型制作。这一方面大大降低了模型的成本，保证了课程的顺利开展。

3)安全性好，易于教学。用木质材料、纸质材料和胶水、剪刀等简易工具制作模型，过程简单安全，无需老师值守监督，适合大小班分小组进行。

4)符合“宽口径、应用型人才”的培养要求。结构模型设计课程作为一种教学模式的创新，深入贯彻了以学生作为主体的理念，学生亲自选型，亲自动手，完成一项项充满挑战性的工作，通过克服困难，自主解决问题，来增加学生的工程实践经验和创新能力，切合了土木工程专业对应用型人才的培养要求。

3 开设建议

1)建议课程采取分组形式进行，3人～4人一组，成绩考核方式可以以给定题目完成作品质量为标准进行打分。

2)建议该课程设置在大三学年进行。经过材料力学、结构力学等学科基础课的学习，可以使学生拥有较好的理论基础，模型设计与制作也会更具专业性。

3)可尝试实现该课程与建筑结构试验课程的相互融合。建筑结构试验中的模型试验对模型在材料、几何等方面的可比性提出了要求，这与结构模型设计与制作课程的许多思想不谋而合，因此可以将建筑结构试验中理论性的内容和知识运用到结构模型制作上。

［1］ 程 涛.结构模型设计竞赛与土木工程专业教学改革［J］.力学与实践，2010(6):56-57.

［2］ 袁大伟，韩 春.将“结构模型设计竞赛”纳入土木工程实践教学环节的探讨［J］.新课程研究，2011(8):39-40.