基于结构设计竞赛的土建专业人才创新实践能力培养研究

付善春，沈红艳，尹祖兴，王冬冬，王 亮

(1.信阳学院 土木工程学院，河南 信阳 464000；2.信阳学院 图书馆，河南 信阳 464000)

大学生结构设计竞赛是一项极富创新意识和挑战精神的专业学科竞赛，目的是构建高校工程教育实践平台，提高大学生创新意识、团队协作和工程实践能力；作为教育部确定的全国九大大学生学科竞赛之一，其对培养适应时代要求的应用型土木工程专业人才具有重要的指导意义。

信阳学院作为一所民办普通本科高校，是应用技术大学(学院)成员之一，基于学科竞赛的应用型专业人才培养模式，符合我校“实践应用型”为导向的办学定位；通过参加专业学科竞赛，学生增强了团队协作、实践创新能力，拓宽了专业视野；教师转变教学模式，加深对实践教学的理解。为此我校以培养应用型土木工程专业人才为目标，充分发挥学科竞赛在教学中的作用，进一步强化学科竞赛的应用型高校创新人才培养模式的探索研究[1]。

1 结构设计竞赛概况

全国大学生结构设计竞赛至今已成功举办十二届，各省市、地区的结构设计竞赛也在如火如荼地开展。大赛题目涉及建筑、桥梁、发电塔、渡槽、大跨度空间结构等，愈加倾向于简化当今时代面临的重大工程实际问题，采用的材料、对结构模型的要求以及试验加载方式也不尽相同，这对参赛学生的综合能力也提出了更高的要求[2-3]。

自2017年起，全国大学生结构设计竞赛开创了全国竞赛与各省(市)分区赛相结合的全新模式，即先通过各省(市)大学生结构设计竞赛选拔出各省(市)优胜队，代表本省(市)参加全国大学生结构设计竞赛。新模式为许多高校提供了与国内名校同台竞技的机会，并极大拓宽了全国大学生结构设计竞赛参与面。我校土木工程学院参加了河南省第六届、第七届大学生结构设计竞赛，并两次参加第十一届和第十二届全国大学生结构设计竞赛，其中河南省第六届和第七届大学生结构设计竞赛题目分别为“塔式起重机结构模型设计”和“装配式悬臂结构模型设计”，第十一届和第十二届全国大学生结构设计竞赛题目分别为“渡槽支承系统结构设计与制作”和“承受多荷载工况的大跨度空间结构模型设计与制作”，信阳学院参赛队在四次竞赛中的获奖模型如图1所示。

大学生结构设计竞赛内容通常是利用某种指定材料(指定竹材、胶水等)和给定工具，在规定的时间内设计并制作出符合赛题要求的结构，通过分级加载试验，综合考虑各项因素评选出获奖等级。竞赛程序一般为方案设计、理论计算分析、现场模型制作、模型安装、作品介绍与答辩和模型加载实验等环节，比赛需要提交模型的结构设计计算说明书和现场制作完成的结构模型，其中模型计算说明书包括：结构选型、结构建模及计算参数、荷载计算、内力分析、承载力验算等，设计说明书包括结构布置图、构件信息图、节点详图和材料表在内的设计方案。

图1 信阳学院参赛模型Fig.1 Xinyang college competition model

2 结构设计竞赛对大学生创新实践能力的培养

结构设计竞赛作为土木工程专业大学生课堂专业理论学习的延伸，打破了以往过分侧重理论知识传授而忽视对学生创造性能力培养的教学模式，对提高学生运用专业知识解决工程实际问题的能力、培养创新意识和团队合作精神有着十分重要的意义。实践证明，大学生结构设计竞赛已经成为应用型土木工程专业培养学生创新精神和提升综合素质的重要突破口和有效途径。

2.1 学习能力的培养

大学生结构设计竞赛是一项系统性、专业性的科技竞赛。结构模型的设计不仅涉及到理论力学、材料力学和结构力学等力学知识，学生还需应用结构设计基本原理、桥梁工程和结构动力学等专业知识来解决模型的选型、设计、计算，甚至要求学生应用专业的有限元软件对所设计的结构进行力学分析与结构优化，这就对学生的学习能力提出了很高的要求。我校结构设计竞赛团队一般是从大二或者大三学生中挑选培养，从最基础的手工制作、结构设计优化，到建模计算分析、编写理论计算书，需要一年左右的学习时间，且经过校内选拔后才能站到竞赛舞台，整个过程需要不断学习，应用专业知识解决结构模型实际问题。

专业理论知识学习能力的培养。结构设计竞赛需要专业理论知识支撑，无论是结构构件材料截面属性分析、荷载计算还是内力分析、承载力验算，都需要相关专业知识做支撑，相比常规的灌输式课堂教学，带着目标学习则显得更为有效，模型设计计算过程中，学生会带着问题主动学习、查找相关资料，并结合课堂教授知识学以致用，能够更好的掌握相关专业理论知识。例如，在参加河南省第七届大学生结构设计竞赛时，要计算小球从斜向轨道滑落撞击模型的冲击荷载，由于动荷载较为复杂，学生采用静荷载乘以动荷系数的方法来模拟冲击荷载，这就需要学习材料力学动荷载相关知识；而在进行结构承载力和稳定性验算时，由于没有相关技术规范，学生采用类比的方法，利用钢结构设计相关知识来解决。

相关软件学习能力的培养。结构设计竞赛不仅需要加载试验来验证结构模型的变形及承载能力，而且还需使用相关有限元软件进行建模分析，例如较为常用的SAP2000、MIDAS、ANSYS等(图2为学生使用SAP2000建模进行计算分析)，通过学习本科生不易接触到的有限元分析软件，也能培养学生的科研探索精神；由于每次竞赛组委会都需要参赛队提供模型效果图，以便专家评委评分，为此学生学习了SketchUp和Revit等相关三维建模软件(图3为学生制作的参赛模型效果图)；此外，绘制模型布置图、编写计算书、构件承载力计算还需用到AutoCAD、Office办公软件和结构力学求解器等工具性软件；相关软件的学习不仅能够提升学生的专业技能，还能为今后学习深造做好铺垫[4]。

图2 SAP2000建模分析Fig.2 SAP2000 modeling analysis

图3 SketchUp三维模型效果图Fig.3 SketchUp 3d model rendering

2.2 工程实践能力的培养

土木工程是一门实践性与应用性较强的专业，大学生在课堂上所接受的纯理论的教学已无法满足社会对应用型人才的需求，而学生自身为了应对考试往往也是重理论轻实践。而大学生结构设计竞赛题目源于实际工程，又服务于实际工程，目的在于简化当今时代面临的重大工程实际问题，参赛过程中学生能够将所学理论知识与工程实际紧密结合，对培养其工程实践能力有着重要意义。

理论联系实际，将工程实践应用于结构模型设计。第十一届全国大学生结构设计竞赛中，赛题要求输水管跨越间距1m的平台板，这就需要设计一座大跨度桥梁结构，大跨度桥梁结构形式多样，学生们为了选择合适结构类型，通过查阅资料、实际工程对比，分别设计制作出不同的结构形式，并最终选择桁架式拱桥结构形式(如图1(c)所示)；河南省第八届全国大学生结构设计竞赛要求设计制作装配式悬臂结构模型，要求所有构件之间的连接均采用装配式而不得采用胶水粘接，学生通过参观工程中装配式结构的特点，并类比钢结构梁柱节点样式，在梁节点侧面粘接两片节点板，节点板预先用打孔器打孔，使用塑料螺栓穿孔连接作为层间梁竖向支承，最终设计出合适的节点连接方式(如图4所示)。

实践动手能力的提升。结构设计计算分析的最终目的都是为了实际模型的建立，能否制作出与理论分析相符的结构模型，细致的动手操作能力至关重要，无论是简单的杆件制作，还是复杂的节点拼接，手工精致与否都直接体现在最后的实验效果中。此外，为了详细了解所做模型中相关杆件的力学性能，学生在实验室进行模型杆件的轴向受压试验(如图5所示)，得到模型杆件受压承载力试验数据以及竹皮受拉承载力试验数据，为理论计算和模型设计制作提供参考依据[5]。

图4 装配式结构节点连接方式 Fig.4 Assembly structure node connection

图5 结构试件轴向拉压试验Fig.5 Axial tensile and compression test for structural specimens

2.3 创新精神的培养

创新能力的培养包括使学生在学校中具备主动学习的精神以及独立获取知识的能力和创造性学习的能力，促进学生创新意识的形成等，但更为重要的是使学生走出校门后能成为主动的、富有创新精神的社会建设者[6]。结构设计竞赛是一项创造性的劳动，培养学生的创新精神是其主要目的之一。如何将薄薄的几片竹纸变成能够承受规定荷载的结构，这就需要学生充分发挥创造性思维，竞赛为学生提供了广阔的创新舞台, 每届结构设计竞赛都会涌现出一大批构思精巧、形式新颖的作品。

在第十一届全国大学生结构设计竞赛渡槽支承系统结构模型设计过程中，输水管线需经过指定的两个灌溉点，但输水路线并没有限定，这给参赛者制造了相当大的创新舞台，我校参赛学生根据不同输水路线方案和输水管的空间排布方式，设计出四种方案，即：全程环向方案、半程折回双拱桥方案、半程折回上下排布方案和半程折回左右排布方案(如图6所示)，将创造性思维发挥的恰到好处；在模型制作过程中，为了解决实际问题，学生充分发散思维，采用平面图纸定位方法、使用自制空间定位工具来保证模型杆件拼接精确度，制作打磨工具(使用规定的材料)对构件和模型整体进行打磨加工，保证模型美观。实践表明结构设计竞赛对大学生创新精神的培养起着重要的推动作用。

图6 渡槽支承系统结构模型方案 Fig.6 Structural model scheme of aqueduct support system

2.4 团队协作精神的培养

应用型人才不仅要具有较强的实践能力，更应具有良好的团队协作能力。当今社会，单打独斗必然走不了多远，大的成就往往是基于团队合作；结构设计竞赛不仅仅是对学生个人能力的考验，更是对团队协作能力的挑战。参加结构设计竞赛过程中通常需要组建参赛团队，竞赛题目要求参赛队编写理论计算书、完成模型制作、安装模型、现场答辩、试验加载等一系列工作，如何默契分工，充分挖掘和利用各自的专长，直接关系到整个团队能否发挥出应有的水平，获得良好的成绩。

团队协作有助于提升学生沟通能力，培养良好的心理素质。由于每个团队的参赛队员可能是不同专业、不同年级的学生组合，无论是在参赛准备阶段还是在比赛现场，队员之间、队员与指导教师之间的沟通交流必不可少，参赛过程中包括赛题分析、结构方案比选、模型制作分工、安装及加载技巧等等都需要经过多次讨论确定，并且竞赛还需面向专家评委介绍模型、完成答辩等环节，整个过程潜移默化的提升了学生良好的沟通能力。团队协作需要奉献精神和责任心，从拿到竞赛题目到完成参赛作品，一般需要两个月左右的时间，期间参赛队员需要牺牲大部分的课余时间，付出艰辛的劳动，进行枯燥的手工制作训练、反复的加载试验和繁琐的理论计算分析，学生需要有强烈的集体责任感和奉献精神才能坚持到底。

根据笔者以往带领团队参赛经验，从挑选队员开始就应注重团队精神的培养，从平时训练中发现每个学生的特长，并合理安排分工。例如，在模型手工制作时，有人负责下料裁片，有人负责制作杆件，有人负责构件拼接，最终才能完成整个模型的制作，而在模型安装和加载过程中更加考查团队协作能力，模型安装中一点小的误差或者加载过程中一个小的失误，都会使前期的工作功亏于溃，所以队员之间应相互理解、相互信任、相互支持，发挥出团队的力量，这也为他们今后走上工作岗位提高团队协作能力打下坚实的基础。

3 结构设计竞赛对实践教学改革启示

学科竞赛是服务于人才培养目标，服务于教育教学改革的，属于第二课堂，它对第一课堂起着推动和检验的作用，对教学改革提供思路和方向[7]。基于多次指导学生参加大学生结构设计竞赛，结合自身教学科研情况，对实践教学改革有如下建议。

3.1 调整实践教学比例，加强实践教学环节

在参加竞赛过程中，发现许多学生参与意识较好但动手能力相对较差，理论基础较扎实而将理论知识应用于工程设计的能力较差，大部分学生只是被动的接受任务，而没有发挥出本该有的实践创新设计能力。这反应出有些学生平时重理论而轻实践，重考试而轻应用，也说明现有的教学内容和课程体系需要调整。因此在工程类专业教学中，应根据实际情况适当调整理论教学和实践教学的比例，加强实践教学环节，让学生能够走出课堂，参与工程实践，鼓励学生利用假期时间参加专业相关实践实习，这也为学生今后更好的走上工作岗位打下坚实的基础。信阳学院土木工程专业开设的土木工程施工和工程地质课程，其形式不仅包括课堂理论教学，还包括1～2周的课外工程实习；在工程结构鉴定与加固改造课程中不仅要求学生掌握相关理论知识，还要求学生能够参与土木工程结构试验、检测鉴定与加固等实践活动。在制定土木工程专业培养方案时，针对大四学生在校外实习的基础上增加校内实习，完成校内实习报告，提高其搜集信息查阅文献的能力。

3.2 改进课程考核方式，注重学生综合能力培养

由于结构设计竞赛还包括编写理论计算书、专家答辩等环节，在参赛过程中发现部分学生理论知识尚可，但文本编写、语言组织能力和临场发挥心理素质还有待提高，特别是在面对专家提问时显得较慌乱，这也间接反应课堂教学中多以“教师讲解、学生接受”的现象，学生缺乏自主性。这些问题可以从调整课堂考核方式方面入手，大学教育中课程考核方式除采用卷面考试外，应增加一定比例的自主发挥环节。目前信阳学院课程考核多为期末成绩和平时成绩按比例计算的总评成绩，期末考核除了采用卷面考试外，还增加了课程论文或报告、课程设计等。在计算平时成绩时除了课堂考勤外，更应注重学生课堂自主表现，如课堂问答、小组讨论、汇报总结等。课程考核方式的改进，能够提高学生查阅资料、语言表达、团队协作等综合能力，也符合应用型专业人才培养目标的大方向。

3.3 提高实验室利用率，加强开放性实验室建设

结构设计竞赛过程中，由于模型安装、加载方法不当而造成模型破坏的案例不在少数，这就对学生实操能力提出较高要求。为了提高学生的动手能力和科研能力，加强开放性实验室建设是必要的，实验室除了满足正常实验课要求外，应结合部分学生实际情况适当开放，信阳学院学生在结构设计竞赛中为了准确获得模型构件、节点等的受力性能，学生将使用结构实验室做相关试件轴向拉压试验，部分学生申请大学生创新创业项目计划或者参与教师科研项目等，开放性实验室将为他们同便利条件，同时提升了学生独立完成实验方案设计、仪器操作、实验结果分析等综合能力。

3.4 建立大学生实训实习基地，加强校企合作力度

实训实习基地的建立为大学生和社会企业之间架起一座桥梁，为学生从事相应工作打下坚实的基础。大学生实训实习基地包括校内实训基地和校外实践基地，目前我校建有大学生创新创业中心、BIM实训中心和大学生结构设计竞赛训练中心等，实训基地的建立，方便了学生建立科研团队、申请创新创业项目，校内完成具体工程项目、参加专业学科竞赛等。目前我校土木工程学院与多家工程测量单位、检测加固公司、施工企业和建筑设计院建立校企合作关系，通过输送学生实习、选派青年教师挂职锻炼、为毕业生创造就业条件等一系列措施，充分发挥了校企合作带来的互利双赢作用。

4 结语

大学生结构设计竞赛对培养应用型人才创新实践能力有着重要意义，如何利用结构设计竞赛这一创新平台，培养学生的创新实践能力，提升学生的综合素质，培养高质量应用型创新人才，是值得研究的新课题。结合信阳学院土木工程学院参加全国以及河南省大学生结构设计竞赛的具体实践，介绍了大学生结构设计竞赛背景，总结了大赛对提升大学生创新实践能力的重要作用，并结合信阳学院土木工程学院现状，提出基于结构设计竞赛的应用型土木工程专业教学改革的建议，希望为高校培养应用型创新人才提供参考意见。