基于结构设计竞赛的土木工程专业教学改革研究——以黄冈师范学院为例

郭 佳，卢雪松，明廷臻,2

(1.黄冈师范学院 建筑工程学院，湖北 黄冈 438000;2.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)

全国大学生结构设计竞赛创办于2005年，是教育部和财政部批准发文的全国性A类学科竞赛项目，受到各开设土木工程专业高校的一致认可和积极参与，在2015～2019年全国普通高校学科竞赛排行榜中位列第十。参赛学生需要综合运用土木工程材料、理论力学、材料力学、结构力学、混凝土结构设计原理、钢结构、施工技术等专业课程知识，3人1个团队进行协作分工，以质轻承载重为目标，结合赛题要求进行模型的设计和制作，最后用探究性试验检验模型。大学生结构设计竞赛是培养大学生创新意识、合作精神和工程实践能力的学科性竞赛，为高等学校开展创新教育和实践教学改革、加强高校与企业之间联系、推动学科创新活动起到积极示范作用[1]。相较于其他竞赛，大学生结构设计竞赛的特殊作用体现在：对学生综合能力有更高要求；更注重动手能力的培养；比赛公平公正性更易保证；比赛更具有时代性，解决当下实际工程问题[2]。

2015年，教育部印发了《关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》。作为地方普通本科高校，黄冈师范学院成为了湖北省首批应用型试点高校，学校一直把实践教学作为提高人才培养质量的切入点和突破口，着力培养学生实践与创新能力。土木工程专业作为一个注重应用型人才培养的工科专业，不仅要注重专业知识的培养，更要加强对学生实践能力和创新能力的培养。因此必须改变原有的教学模式，以此来推动土木工程专业的教学改革。大学生结构设计竞赛是一个很好的能够把实践教学融入土木工程专业人才培养方案中的平台,学校自2018年开始连续参加两届湖北省大学生结构设计竞赛，并取得了一些成绩。对于如何利用竞赛来促进土木工程专业教学改革，改进教学中存在的问题，培养学生实践与创新能力，达到土木工程专业应用型人才培养的要求，结合我校土木工程专业的背景和教学现状，进行了积极的思考和探索。

1 土木工程专业现状分析

土木工程专业隶属于黄冈师范学院建筑工程学院，是我校应用型专业之一。建筑工程学院成立于2014年，现有土木工程、工程造价2个本科专业和工程造价、建筑工程技术、建筑设计技术3个专科专业，学院的定位是立足黄冈、服务地方经济。学院现有学生730余人，专任教师36人，其中高级职称教师10人，博士10人，专任教师中70%取得了全国注册结构工程师、建筑师、建造师、造价工程师等执业资格。但因开设时间较短，存在很多需要解决的问题，需要积极探索出凸显专业特色且适合我校土木工程专业的发展道路。土木工程专业课程存在的问题主要有：专业课课程不成体系，相互衔接和融合不够，理论课抽象难度大；实践课程偏少，理论与实践严重脱节；缺少具有土木工程专业特色的第二课堂活动。

1.1 专业课程体系设置不合理，相互衔接和融合不够，理论课抽象难度大

首先，土木工程专业课程之间没有主线贯穿于其中，除去毕业设计，没有一门课程能够综合运用专业课知识，课程之间相互独立，任课教师往往只站在本课程角度讲述问题，不能高屋建瓴的看待问题，学生边学边忘，考一门忘一门[3]。

其次，理论课抽象难度大。以力学课程为例，我校土木工程专业设置了理论力学、材料力学和结构力学三门力学课程。力学是土木工程专业重要的基础课程，是许多土木工程专业课的前导课程。力学课程的理论性强，概念抽象不好理解，需要学生具备较强的逻辑推理能力和扎实的数学基础，学生普遍反映不好学，学习效果也不好，迫切需要进行教学改革。

1.2 实践课程偏少，理论与实践严重脱节

由于我校土木工程专业的理论课多，实践课缺失或者未充分利用，学生动手机会较少，理论与实践严重脱节，缺少教师专业的解答和引导，导致学生动手能力和分析解决问题能力较差[4]。而实践课程又多以演示性或验证性实验项目为主，不能充分调动学生学习的积极性和培养学生的科学探究能力。

1.3 缺少具有土木工程专业特色的第二课堂活动

第二课堂活动是第一课堂活动的拓展和有益补充，不仅能丰富学生的课余生活，而且第二课堂内容更具有时代感，能最大程度发挥学生学习的积极性，展示出各专业学子的风采[5]。而能够把土木工程专业的理论知识用于实践，让学生能够实际感知真实的工程建造过程，具有土木工程专业特色的此类第二课堂，相对其他专业来说偏少。

2 结构设计竞赛的经验总结

学校连续参加第六届、第七届两届湖北省大学生结构设计竞赛，第六届未获奖，第七届三队全部获奖，其中，一等奖一项，二等奖两项，成绩在湖北省的参赛高校中位居前列。基于此，我们对其中的经验和教训进行了总结，具体如下：

2.1 自上而下对比赛的重视和坚持

无论是建筑工程学院领导、指导老师，还是参赛同学，自上而下都十分重视湖北省大学生结构设计比赛。院领导通过与去年参赛的指导老师和学生进行谈话，一起总结上届比赛经验教训，并确定了2019年参赛的计划和安排，提供了一间宽敞教室作为模型制作场所。召开了竞赛动员会议，介绍了大学生结构设计竞赛的基本情况、参赛流程和注意事项，指导老师也在各自课堂上进行了宣传，最终有30余学生报名，参与的积极性和热情度都非常高。在上一届比赛失利的情况下，从上到下，遇到困难和挫折时，不气馁不抱怨不放弃，有决心能够在比赛中获奖，坚持集中训练4个月。

2.2 指导教师的精心指导

首先，统一配备了值班指导教师和安排了模型制作时间，保证学生在制作模型时，能够有老师在旁边指导，帮助分析和解决问题。其次，指导教师遵循结构设计竞赛训练的客观规律来进行指导。比如，按照手工制作、杆件空间位置感、杆件的受力分析及优化、整个模型的受力分析及优化的顺序来进行训练。再次，授之以“渔”，鼓励学生多总结多思考，充分发挥学生的创新性思维，从而共同确定出模型制作方案和结构优化方案。最后，指导教师参与所指导小组模型的每次试加载，总结成败，提出改进思路。

2.3 指导教师精准把握赛题出题者意图

赛题公布后，指导教师仔细审题，把握出题者意图，总结出该类型结构结构设计的要点和关键问题，从而去指导学生。这客观上要求指导老师具备一定的实践经验和专业的结构设计知识，指导老师需要不断学习充电，充实自己的专业知识和提高各方面的能力。

2.4 模型制作材料、工具、训练时间上的保障

巧妇难为无米之炊，这也适用于结构设计竞赛，模型的制作材料和工具是物质基础，必须得到保证。在比赛正式训练之前，我们就把模型制作的材料、设备、工具全部采购到位。

足够的训练时间，使学生能够总结经验，提高效率，缩短制作时间，精益求精。我们要求所有参赛学生在课余时间之外，都来教室制作模型，这不仅仅是比赛的需要，也可以此考察参赛学生的恒心和毅力。

2.5 对参赛学生严格的选拔

参赛学生是结构设计竞赛的主体，对参赛学生严格的选拔很关键。首先，要求指导老师能够慧眼识人，训练时多与参赛学生接触，观察出动手能力强、心理素质高、能吃苦耐劳的学生。其次，采用校内选拔赛、指导老师推荐以及召开指导教师和参赛同学座谈会等多种形式，综合考虑个人能力、小组的分工协作等因素，公平公正地选拔出参赛学生。在第七届湖北省大学生结构设计竞赛中，最终我们选拔出3个小组9名同学代表学校参加竞赛。

2.6 对参赛学生生活上的关怀

参赛学生的模型制作，需要有生活上的保障和支持。例如准备碘酒、云南白药、创口贴用于伤口处理，在模型制作室提供灭蚊器防蚊，夏天提供空调，对参赛学生生活上的关怀，极大得提高了学生参赛的热情和积极性。

3 基于结构设计竞赛的土木工程专业教学改革措施和建议

3.1 通过结构设计竞赛实现各课程知识点的衔接和融合

结构设计竞赛要求提供完整的设计方案、计算书和结构模型，要综合运用专业课课程知识。首先，根据赛题对于模型的要求，进行模型的结构选型。这要求参赛师生要熟悉各种结构的形式以及受力特点，要运用结构选型或者结构力学的课程知识。不管是桥梁、高耸建筑还是大跨度结构，依据结构的主要受力特点，保证承载力满足要求，来选择合理的结构选型和设计有效的荷载传递路径[6]。

其次，模型制作过程中，要求参赛师生掌握材料的力学性能和对模型进行受力分析以及加工制作拼接杆件，这要求运用我们土木工程材料、材料力学和施工技术的课程知识。依据结构所需要的强度、刚度、稳定性，确定合适的构件截面尺寸和长度，并重点考虑杆件连接节点，实现构件预期受力性能。

最后，加载检验过程中，观察杆件的实际受力情形，并与理论受力分析情形对照，若不同则分析原因。加载检验结束后，如加载成功，依据模型实际受力情形，进行优化，减轻自重；如加载失败，能够根据破坏的形态，分析出其破坏的原因，在后期对杆件进行针对性的改进。这一环节考察的是我们的探究性实验能力，以试验结果检验专业课的理论知识，并分析出模型的结构选型、杆件设计、杆件拼接和结点问题，做到理论与实践相结合，最终制作出理想的模型。

综上，结构设计竞赛实际上实现了各课程知识点的融合和贯穿，使理论课知识成为了一个完整的体系，比赛过程即是设计、建造工程结构的完整的过程，这正是土木工程专业人才培养方案里专业知识和能力的培养目标。

3.2 通过整合力学课程内容，有效利用和强化实践环节

力学课课时偏少，内容抽象难懂，学生普遍反映不好学，但是力学课是土木工程专业最重要的课程之一[7]。这要求力学课教师整合教学内容，删除力学课程中重叠内容，重点内容讲透彻，自学内容少讲或不讲。实践教学环节培养学生自主学习的意识和独立创新的能力，尤其在力学课程中需要有效利用和强化。例如在材料力学实验中，增设测取结构模型竞赛所用材料竹带、竹条抗拉强度的项目，既让学生理解了材料力学的基本概念，也为结构模型竞赛计算书的仿真模拟提供了数据。在结构力学课程中设置实践环节，对学生进行结构设计竞赛的短期训练，让学生制作出合理的结构模型并进行加载实验，掌握结构模型的选型依据和结构的受力分析。

3.3 把结构设计竞赛设置成为培养学生实践能力的一门专业课程

将结构设计竞赛设置为一门专业课课程，对于教师而言，可作为创新实践、教改项目和编著教材，甚至可进行一流课程、教学团队和教改平台的建设；对于学生而言，因为有学分，参赛积极性提升，有专门的上课时间来保证训练，学生的荣誉感、获得感、综合能力都会得到提升。课程与竞赛紧密结合在一起，课程为竞赛提供理论指导，竞赛又丰富了课程教学内容，实现了“以赛促教、以赛促学”。部分高校已经在试行，目前已证实取得了很好的效果。

将结构设计竞赛设置为一门专业课课程，也可达到土木工程专业人才培养方案中所需要的情感培养目标[8]。

(1)参赛团队成员需要很好的分工协作，组员之间不能相互配合，无法形成合力，模型制作易出错、制作效率低，自然取得不了好成绩。

(2)模型制作，需要耐心细心。竹片的裁剪、拼装、粘接，如果不够耐心细心，模型的做工肯定粗糙，纰漏百出。

(3)模型的试加载环节，极其考验学生抗挫能力。赛前模型的试加载，是结构设计竞赛的一个重要环节，加载是一种探究性实验，结果不可预知。参赛学生面对一次又一次的加载失败，既要屡败屡战又要冷静的分析问题解决问题，必须要有强大的抗挫能力。

(4)模型的制作，强度高、耗时长，必须要有吃苦耐劳的精神。正式比赛是十六个小时的模型制作，即除去吃饭和休息，连续高强度紧张的制作模型，不具备吃苦耐劳精神是无法坚持住的。

(5)比赛创造了学生与其他高校学生沟通交流的平台，无论是否获奖，都增加了学生的人生阅历。对于未获奖学生，能够知其不足而后勇；对于获奖学生，能够获得自信心和集体荣誉感。

3.4 创立模型制作协会,创建具有土木工程专业特色的第二课堂

(1)模型制作协会是一个长效运行的结构设计竞赛的平台和机构[9]。通过这个平台，不仅可以实现结构设计竞赛参赛队员的报名、管理、传帮带、选拔淘汰，而且可以提高参赛学生的综合素质和能力。参赛学生毕业会离校，但关于结构设计竞赛好的作法和经验会一直传承下去。

(2)创建土木工程专业第二课堂，展示土木工程学子风采。由于实际的建筑工程规模宏大，环境复杂，土木工程专业的在校学生很难展示自己的专业知识和能力。学生在模型制作协会制作模型的过程，不仅能够感知真实的工程建造过程，把理论知识用于实践，提高自己的动手能力，而且能展示出土木工程专业学子的风采。

(3)建立具有本专业特色的协会，形成我校土木工程专业文化，丰富了校园文化生活。与土木工程专业相关的协会较少，学生如果参加模型制作协会，不仅宣传了结构设计竞赛，加深对本专业的了解，而且加强了不同年级团队成员之间的交流合作，先进带动后进，互相学习和进步，甚至通过激励学生参加竞赛，激发学生的专业学习，促进良好班风学风的形成，进而形成了土木工程专业文化，丰富学生的校园生活。

结构设计竞赛已经成为我校土木工程专业创新实践能力的一个重要平台。它改变了传统教学模式，增加了探究性实验教学环节，丰富了实践教学内容，调动了学生学习的兴趣和主观能动性，有效的综合了土木工程专业的各课程，培养了学生的综合能力，充分解决了土木工程专业教学中存在的问题，促进了我校土木工程专业教学改革。在今后的教学中，我们需要更加充分的利用大学生结构竞赛的平台，继续推动我校土木工程专业的教学改革。