基于结构模型竞赛培养土木工程学生的创新能力

王少伟 朱平华

摘要：基于结构模型竞赛来提升土木工程专业学生的创新能力目前越来越受到各高校的重视。本文从创新思维、计算分析能力、动手能力、综合能力4个方面，论述了结构模型竞赛在土木工程专业学生创新能力培养中的作用，提出了课内教学和竞赛准备阶段中学生创新能力的培养应围绕创新理念的产生能力和执行能力2个方面而进行的具体实施模式。

关键词：土木工程学生；结构模型竞赛；创新能力培养

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）16-0095-03

所谓创新就是能产生新颖且恰当的想法及实现方法。土木工程是一个较为古老的学科，其创新是指运用专业理论知识，提出在经济、社会、生态、环境等方面具有一定价值的新理念[1]。同时，土木工程也是一个实践性非常强的专业，如何将这些新的理念用于解决实际工程问题，更为至关重要。因此，土木工程专业学生的创新能力不仅包含能产生好的理念，还包含如何实现这种新理念。

一、结构模型竞赛在学生创新能力培养中的作用

土木工程学生结构模型竞赛是以培养学生创新意识、工程实践能力和交流合作精神为宗旨的学科性竞赛[2]。基于结构模型竞赛来提升土木工程专业学生的创新能力，目前越来越受到各高校的重视。除了常规的校级联赛、省级联赛及省赛突围后的全国赛，部分土木工程专业优势学科高校还受邀参加国内地区性邀请赛（如华东地区邀请赛、中南地区邀请赛）和亚洲或北美地区国际邀请赛等[3-5]。常规课内课堂和实践教学中，更多是对已有知识、经验、实物等方面的再学习，有着明确的目标对象，而结构模型竞赛是一个从无到有的过程，通过这种以学生为主、教师为辅的课外实践创新活动，可将学生创新能力的培养落到实处。

1.创新思维培养。考查学生创新思维能力是结构模型竞赛的目的之一，其模型设计制作过程则就是创新思维的具体培养与实现过程。学生的创新思维不是与生俱来的，而是在长期教学、实践和生活中缓慢培养起来的。根据赛题，学生会拟定不同的设计主题和方案，在指导老师的引导下，学生会反复讨论、修改设计方案，遇到问题时则寻求不同方法去解决它。例如，做加载模型时，有时需要对细竹条进行并杆处理，如果直接将几根竹条粘在一起，限定的胶水数量可能不够，并且会极大增加模型自重，因此学生想出了并杆时粗杆件做成空心的，仅在端部和中间部位进行并杆，以及对受力较小部位进行削杆处理以减轻模型自重。在结构模型竞赛集中准备过程中，学生朝着“设计属于自己的土木工程构筑物”的目标，此时思维活跃性更高，解决问题的积极性和主观能动性明显强于平时课堂教学。

2.计算分析能力培养。结构模型设计是一个从无到有的过程，不同于结构力学中的习题求解，需要学生首先自行设计模型并确定计算简图，且根据赛题设计的结构模型一般均是复杂的空间超静定结构。这就要求学生能首先根据材料力学和结构力学中的基本力学理论，以及给定材料中竹条和竹片各自的拉压力学性能及适宜粘结方式，初步拟定模型结构的大体轮廓，再对弯矩、剪力、变形等比较大的部位进行截面并杆加粗或设置中间支撑，以及充分利用拉杆抗拉性能来减轻模型重量等细部设计。要做到上述对复杂结构力学性能的分析，就需要掌握一种结构设计或分析软件，如ANSYS、ABAQUS、MARC、SPS2000、Midas等，进而对结构的传力路径、内力分布、刚度等进行验证和优化。在此过程中，可较好地培养学生的计算机建模、多荷载工况组合下的结构优化分析、复杂空间节点设计优化等计算分析能力，并加深学生对力学基本理论的理解与掌握。

3.动手能力培养。如何将良好的创新理念转换为实体模型是结构模型竞赛中的关键所在。总结以往经验，可谓“动手能力决定结果，细节决定成败”。学生原以为一个很简单的问题，往往最终出现的结果是“会说但不会做”，原因就在于：具体做的时候会遇到各种意想不到的问题，而学生在平时学习过程中很少踏踏实实地去关注过每一个细节。参赛模型均是纯手工制作，且制作工具简单，导致设计模型能否最终实现以及美观性完全取决于学生的动手能力，这一点对加载模型尤为明显。加载模型需要学生在规定的时间内和限定材料的前提下，现场完成模型的制作并加载，短时间内需要进行大量的材料截断、加工及组合，且细竹条用502胶水粘结硬化过程中很容易发生弯曲变形，因而模型承载力的大小不仅仅取决于理论承载力，很多情况下更大程度地取决于模型制作质量的好坏，特别是结构构件节点的制作方式和胶水粘结质量。在参赛准备阶段，历届取得较好成绩的学生团队平均每两三天就可以利用课余时间制作一个成品模型并完成加载试验，反复制作模型过程中，学生对材料、工具、制作工艺的掌握不断提高，所制作的模型越趋精细、美观，这都是学生动手能力提高的具体表现。

4.综合能力培养。兴趣会引导学生选择去做一件事，而能否坚持下去还需要一定的毅力和团队协作精神。结构模型竞赛中多以3人为小组，从设计方案提出到最终模型制作过程中，需要团队成员反复讨论、分工合作、互相糾正、互相鼓励，在此过程中可极大激发学生的团队协作精神。此外，土木工程专业目前部分学生的状况为基本知识和理论比较扎实，考试成绩较好，但缺乏对所学知识的灵活运用以将其用于解决实际工程问题。例如，土木专业学生在进行混凝土基本构件试验时，在教师讲解之后，参照试验规程基本可完成整个试验过程并处理试验数据，但很多情况下都是照本宣科，缺乏对试验结果的工程应用分析。而结构模型竞赛则可较好地提升学生实践中的观察分析能力和独立解决问题的能力。以2017年江苏省赛加载模型为例，要求学生进行渡槽支承系统的结构设计与制作，加载时由学生自行打开水泵将水抽进水管而加载，且50 Kg范围内具体加载到何种程度完全由加载学生根据水管和下部支撑结构的实际变形情况而自行决定，加载持时不超过90s，现场影响因素多，因此需要学生在校内试验加载过程中养成良好的预判能力，根据以往经验在加载现场见机行事，以便在加载遇到异常状况时快速决定是继续加载冲击更好成绩，还是保守方式获奖。

二、基于结构模型竞赛培养学生创新能力的实施模式

学生创新能力的培养应贯穿于整个大学学习中，包括课堂教学及实践过程中的长期性培养和结构模型竞赛准备阶段的集中性培养，且应从学生创新理念的产生能力培养和执行能力培养两个方面。

（一）学生创新理念的产生能力培养

1.课程建设培养学生学科兴趣与探索精神。课堂教学是当前大学中的主要教学模式，因此首先应通过加强课程建设来启迪学生的创新思维，推行启发式、讨论式、探索式的教与学，这一点在《土木工程概论》课程中尤为重要。大一学生没有太多的专业知识，但他们有着无穷的好奇心和问题。对此，概论课程可围绕土木工程史与土木工程大师的创新思想、伟大工程巡礼录像观看、重大工程案例分析、土木工程各学科方向的内涵与发展等系列内容，在传授土学生木工程基本知识的同时，培养学生的大工程观、工程美学和探索性思维。

2.培养学生的讨论习惯。讨论的过程实际上是一个相互引导、相互辩证、相互激发的过程，有助于培养学生的变换思维能力和联想思维能力，扩宽思维视角，引导团队成员从多角度、多层次地去思考问题，进而迸发出创新思维的火花。

3.关注与建筑结构有关的微信公众号，如建筑结构、建筑设计、城市住宅等。这些平台上对土木工程领域的著名建筑、热点问题、科学前沿及新技术、新材料、新产品等均有专业的分析评价，权威性强，且图文并茂、通俗易懂，长期关注可积少成多，有助于提升学生自身专业领域内的创新能力和实际问题解决能力，且可有效缓解“手机依赖症”对当今大学生带来的消极影响。如建筑结构公众号，近期则主要讨论了天津滨海图书馆、上海拉斐尔云廊、昆明第一高楼“春之眼”等世界著名建筑的设计案例分析，以及高层建筑抗风、抗震等创新设计理念；其中，2018年4月8日该平台推出了“是他打开了张弦结构世界的大门”一文，介绍了1992年由日本斋藤公男教授设计的采用木质拱壳结构与钢索组合而成的“出云穹顶”建筑，该建筑可谓是2018年全国和江苏省结构模型竞赛中加载组赛题的工程原型。

4.结构模型竞赛准备阶段的集中培养。好奇是学生探索心理的推动力，质疑则构成了学生从一般性思维发展到创新思维链上的关节点，因此“好奇生疑”在培养学生创新能力中起着至关重要的作用。对此，此阶段的针对性培养则主要是指导学生围绕结构模型竞赛赛题搜索国内外工程的前沿进展，探讨当前建筑结构设计中的新理念，如生态建筑、绿色建筑、仿生建筑、垂直森林等，激发学生的好奇心而使其质疑，进而选择合适的切入点来进行结构模型的创新设计。

（二）学生创新理念的执行能力培养

针对实际问题，学生在产生新的理念之后，其合理与否、是否最优、如何实现等，是创新理念能否最终实现的关键所在。具体到土木工程结构创新竞赛，学生在建筑、结构和力学概念上萌生新的想法后，應注重培养学生的计算分析能力和动手实践能力。具体从以下三方面进行：

1.强化实践环节学生实现创新的基本技能培养。任何天马行空的想象都要有扎实的基础功底做铺垫，学生掌握实现创新的技能主要是在实践环节中训练的。对此，可在必修的课程设计和专业实验中，提高学生自主设计、独立完成的比例；依托专业教师的科研项目，设置开放性探索试验，在对学生进行实验仪器操作培训之后，由学生自行拟定试验目的、方案，开展试验过程，并对试验结果进行分析、讨论，这样既具有探索性与启发性，又锻炼了学生动手能力及技术创新能力。

2.专业软件计算分析能力培养。目前大部分高校参加省赛和全国赛的学生均以大二学生为主，此时仅完成了材料力学和结构力学等力学基础课程，尚无接触专业的结构设计、分析软件。鉴于结构模型竞赛中学生仅需进行简单的静动力分析，无需对专业软件进行二次开发，因而不需要弹、塑性力学及有限单元法的理论基础，其重点在于软件中仿真模型的建立和计算结果的查看分析，对软件界面的操作能力依赖较强，因此可利用模型竞赛之前的寒暑假设置专题讲座，指导学生掌握一种可用于结构创新竞赛的建模分析软件，推荐学生相应的专业书籍和论坛，如《Abaqus在土木工程中的应用》、《midas Building从入门到精通》等，并给学生提供基于该软件的工程案例分析，由学生利用课余时间提前自行摸索软件的使用。

3.模型制作动手能力的细节性培训。竞赛中加载模型的承载力很大程度上取决于模型的制作细节，加载现场很多模型的破坏均是由节点或其他局部缺陷处开始的。对此，可邀请往届参赛学生（由于学业、考研等原因，大多数大三学生不选择重复参赛）和有经验的指导老师，将模型制作过程中的细节性问题和竞赛规则的如何合理利用与本届参赛学生进行分享，例如立柱通过打孔方式插入底板后再胶粘、利用电动螺丝刀和螺丝配合打孔、柱梁连接部位设加腋、砂纸打磨竹条后502胶粘、削杆减轻模型自重等。

三、结束语

土木工程专业的实践性非常强，土木领域的创新不仅要能产生好的新理念，还需要具备实现这种新理念的创新执行能力，而结构模型竞赛正是落实学生创新能力培养的最好载体，各高校和学生应充分利用此竞赛平台。

参考文献：

[1]刘健，陈英杰，朱海燕.大学生结构设计竞赛对土木工程专业大学生创新能力的培养[J].中国管理信息化，2017，20（23）：216-217.

[2]周臻，童小东，尹凌峰，等.依托结构竞赛构建开放式创新研学平台[J].高等建筑教育，2011，20（6）：129-132.

[3]陈俊岭，黄皇.结构模型竞赛在土木工程专业大学生创新能力培养中的作用[J].高等建筑教育，2014，23（2）：103-107.

[4]李黎，龙晓鸿，张先进.土木工程专业学生创新能力培养探讨[J].高等建筑教育，2010，19（5）：52-55.

[5]刘健，陈英杰，朱海燕.大学生结构设计竞赛对土木工程专业大学生创新能力的培养[J].中国管理信息化，2017，20（23）：216-217.