从“纸上设计”到“实战演练”：常态化实践教学课程改革

2018-01-22韩春秀董博

文教资料 2018年28期

韩春秀　董博

摘要：为改变土木工程专业传统的“纸上设计”的课堂教学模式，以全国大学生结构设计竞赛为依托，以现代土木工程专业大学生合理能力结构模型为导向，将“结构模型设计”纳入常态化的教学课程，在学生中从践行纸质结构设计进入“实战演练”的教学实践环节。该实践课程锻炼和提高了学生的实际操作能力、分析问题能力和组织管理能力，最终形成了教学与竞赛衔接、教赛互动、教学相长的良好局面。

关键词：土木工程能力结构模型结构设计竞赛实战演练

一、研究背景

土木工程是一门实践性与应用性非常强的专业，如何在本科生中开展实践性教学是教学领域的一个研究热点。全国大学生结构设计竞赛是土木工程学科最高水平的竞赛，其在土木工程实践教学环节中的植入和渗透，对学生能力培养的作用是巨大的，这一现象引起了国内外学者的广泛关注。A Wilson（2007）指出，美国通过ASCE钢桥竞赛，印度通过INSDAG钢结构竞赛，匈牙利通过意粉结构竞赛在土木工程教学中起到巨大的推动作用[1]-[2]。我国的丁元新（2001）等人探索了一种“理论—设计—实践—应用”的教学模式[3]。刘明晖（2013）等人验证了结构竞赛对土木工程专业教学及创新型人才培养的重要性[4]。陈庆军（2016）等人探讨了华南理工大学土木工程专业创新性课程结构模型概念、实验的设立及教学研究[5]-[7]。

研究现状表明[8]，尽管多年来各大高校一直在积极推进教学方法改革，取得了不少成果，但普遍还是采用教师在讲台讲授、学生被动式听课的教学模式，师生之间的有效互动是浅薄的、有限的。同时由于传统的实践教学形式趋于陈旧，学生通常根据任务书的要求完成结构选型、计算及图纸绘制，即“纸上设计”，该教学模式已不能满足“宽口径、应用型”土木工程人才培养的要求，教学内容与人才培养需求脱节，使得学生所学知识跟不上社会建设及市场发展的步伐，正需要新型的实践教学模式进行补充[9]。本文探索将“结构模型设计”纳入常态化的教学课程中，从践行纸质结构设计进入“实战演练”的教学实践环节，最终实现教学与竞赛衔接、教赛互动、教学相长的良好局面。

二、土木工程专业常态化植入“实战演练”的实践性教学模式探讨

随着科学技术的进步和工程实践的发展，土木工程学科已发展成为内涵广泛、门类众多、结构复杂的综合体系，其“工程性质”体现得更重要和关键。1993年，麻省理工学院院长莫尔提出了“大工程观”概念[10]，他对“大工程观”提出特有的见解，认为大工程应区别于以研究为核心的工程科学，在工程教体系中需要降低“科学化”程度，工程教育回归“工程”，应更加注重学生的能力培养。体现在教育和教学活动中应以学生为中心、为学生营造自我体验、自主学习、自由创造的环境，让学生开展基于学科专业的学习，从学中做，在做中学。

面向土木工程实际的工程技术教育一直是我们在人才培养工作中的薄弱环节。为了提高学生的核心竞争力，必须重视培养学生的工程实践能力、工程设计和创新能力。土木工程技术教育输出的人才要适应企业不断变化的要求。从这一观点出发，现代土木工程人才能力结构的基本模型见下图[8]。这7个方面的能力既相互联系、相互作用又相互区别，共同组成一个有主次的、交叉的有机结合体。

图土木工程专业大学生的合理能力结构模型

从上图可以看出，在土木工程专业大学生的能力结构模型中，适应能力和自学能力是生存的基本本领，也是学生获得成功的最基本的能力，处于能力层的最低处；能力结构的中间层由思想表达能力、实际操作能力、分析问题能力和组织管理能力组成，这一层次是能力结构中最关键的部分，对学生的培养能够抓住该层次的核心內容，加以系统的锻炼和实践，有助于学生迈出跨越式的一步，达到最高层次——创新创造能力。基于这一分析，在土木工程专业学生中探索一种将“结构设计竞赛”搬到常态化“课堂”中的实践教学模式，把传统的“被动式”学习模式变为“主动式”。实施方案如下：

1.研究对象：土木工程专业本科学生。

2.研究内容：将“结构模型设计”纳入教学课程，包括以下几点：

（1）课程设置：该课程设置在第6学期，学生已完成了所有专业课程的学习，对混凝土结构、砌体结构、钢结构等结构的设计原理有一定的学习基础。

（2）选题类型：选题可涵盖土木工程中常见的结构类型，如高层建筑、悬挑屋盖、仿古楼阁和桥梁等。每一年的题目可参考上一年度全国大学生结构设计竞赛的题目，考虑时间和经费问题，可以将规模按比例缩小进行。

（3）实施方案：设计周期为4周，指导教师可以提前将题目告知学生，以便查找资料。将上该课程的班级学生进行分组，6个学生为一组，每一组的成员都要分工合作，完成结构计算、建模分析及优化、模型制作和加载环节，成绩评定方式与大赛评定方式一致。

在“结构模型设计”课程中，学生要完成结构选型、计算机建模、计算机优化分析、模型加工制作及模型加载称重等过程。在这一过程中需要学生尽最大努力地寻找相关的理论知识，并将其综合、系统地应用于整个设计过程中，每一位学生所做的可能只是整个模型的其中一部分或一个环节，不可能独自一人完成，必须团队齐心协力，一环扣一环地完成。这使学生加深对工程概念的认识，进一步激发学生的求知欲望及自学能力，发掘其创新创造的潜力。该过程体现出来的能力培养，是每个土木工程学生必须具备的，弥补了传统实践教学的缺陷，是传统实践教学的必要补充。这是现代土木工程专业合理能力人才培养模式下的培养目标。

三、土木工程专业常态化植入“实战演练”实践性教学模式实践

通过在云南民族大学土木工程专业学生中开展“实战演练”式的实践教学，将每一年全国大学生结构设计竞赛的赛题设置到培养计划的课程中，学生完成每一个赛题的结构选型、力学计算、结构优化、结构制作和加载运行，把传统的“被动式”学习模式变为“主动式”，使学生的实际操作能力、分析问题能力和组织管理能力得到一定程度的提升。

结构设计本身就是科学创造的过程，一个成功的设计需要倾注学生的大量精力和心血，体现在其对结构的深层次认识和理解。整个过程几乎对大学期间学过的主干课程都洗礼了一遍，包括高等数学、材料力学、结构力学、结构设计和结构施工。在这一过程中，为了验算结构的力学性能，学生利用计算机建模及优化分析是课程实施的重点和难点，是结构性能优良的决定性因素，是“磨刀不误砍柴工”的必要环节。学生需掌握土木工程中常用的结构分析软件，如PKPM、ANSYS或SAP等，而且需要通过自学的形式完成，因为在一般高校，土木工程专业本科生的课程范围内未设置这些软件学习课程，而是研究生的学习工具，因此这对本科生来说挑战是极大的。通过在计算机上选型、计算及优化，能变换各种结构参数和加载方式，在模型制作之前达到心中有数，不至于在制作和加载过程中出现失误。从历次竞赛的总结反馈看，一些学生存在力学概念不明确、对材料性能把握不准确、结构体系做不到优化等问题。如果不能在计算机上进行初步模拟分析，急于进行模型制终将达不到预期的结果。因此，计算机前期正确的模拟分析对结构的制作和实施将带来“事半功倍”的效果，指導老师在这方面给予了学生细致和耐心的指导。

学生在课堂中需进行结构设计的8个全过程，模型的结构选型、设计和制作都以学生为主，老师只是从旁指导，没有固定的指导教材和制作工艺，主要靠学生寻找理论支撑和验证工艺的合理性。

在实施该课堂教学过程中，学生同时还参加了云南省大学生结构设计竞赛，因在平时的长期积累中学生已做了较充分的准备，所以获得了较好的竞赛成绩，挖掘了较多优秀作品。

四、结语

通过将“结构模型设计”纳入常态化的教学课程，在学生中从践行纸质结构设计进入“实战演练”的教学实践环节，有以下现实意义：

1.体现以学生为中心的教育理念，把传统的“被动式”学习模式变为“主动式”。模型的结构选型、计算机数值分析和模型制作都以学生为主，老师只起到引路人的作用，整个过程没有固定的设计指导书和制作工艺流程，主要靠学生自己寻找理论支撑和验证工艺的合理性。

2.把教学重点从知识转移到“实践能力建设”。突出培养学生能力结构的最核心部分，即思想表达能力、实际操作能力、分析问题能力和组织管理能力。

3.有利于指导教师团队建设。教师在指导过程中开阔了视野，增强了理论联系实际的经验，拓宽了教学思维，明确了教学改革的路径。

4.在组队参加结构设计竞赛时不至于“临时抱佛脚”，而是在长期的准备和锻炼中培养出优秀的学生，挖掘出优秀的作品，形成教学与竞赛衔接、教赛互动、教学相长的良好局面。

参考文献：

[1]A. Wilson， T. Algie， R. Henry， et al. Lessons from the 2006 Asia Pacific IDEERS Seismic Design Competition[C]. NZSEE Conference，2007：47.

[2]陈庆军，罗嘉濠，陈思煌，等.国内外大学生结构设计竞赛总结及研究[J].东南大学学报（哲学社会科学版），2012，14（s）：173-177.

[3]丁元新，姜秀英，金伟良.建立实践基地，培养创新人才[J].高等理科教育，2001，05（39）：76-78.