结构设计大赛对本科教学改革和学生综合能力提升的影响研究

谭文辉 陈昕 刘彩平 施建俊

摘  要：针对结构设计竞赛的特点，通过调查研究，分析了结构设计大赛对专业课程教学、课程设计和实习的要求，研究了结构设计大赛对学生综合能力提升的影响，为建立一套有助于学生综合能力提升的课程教学、课程设计、实习的教学体系，培养“实践能力和创新精神强的应用研究型工程技术人才”提供了参考，有助于土木工程专业培养目标的实现。

关键词：结构设计大赛;教学改革;综合能力;创新能力

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）10-0055-04

Abstract： According to the features of structural design competition， the demand of structural design competition from undergraduate professional course teaching， course design and work off-campus was analyzed by investigation. This provides reference for teaching system reform on course teaching， course design and work off-campus to improve students' comprehensive ability and train applied research engineering and technical personnel with practical ability and innovative spirit. It is helpful to realize the goal of specialized training of civil engineering students.

Keywords： structure design competition; teaching reform; comprehensive ability; innovation ability

全國大学生结构设计竞赛已被教育部列为大学生 9 项科技竞赛之一，迄今为止已成功举行了十二届。北京市从2002年起到今年为止已经举行了18届结构设计大赛，我校土木工程专业本科生每年都参加北京市的结构设计大赛，每次都取得了不错的成绩。但是，这么多年来，从未做过结构设计大赛与土木工程专业教学改革、学生综合能力提升之间关系的研究，现有文献中，大部分也只是关于结构设计大赛某一方面的研究[1-5]，因此，为了土木工程专业的发展及土木工程人才的培养，有必要相应的研究。

结构设计大赛是一项极富创造性，挑战性的科技竞赛，旨在通过对所学知识的综合运用和团队精神的考验，提高学生的动手能力与思维能力，突出创新精神，加强同学之间的合作与交流，培养团队精神，增强学生们的专业能力。通过参与竞赛，学生们不仅实践了当前所学知识，还对将来需要学习的知识有了最直观的体验和尝试，从而变被动学习为主动学习，变被动认知为主动认知，有效促进对第一课堂知识的理解。

结构设计竞赛也促使专业教师从理论知识讲授者到创新实践指导者的角色转变，从形式单一的课堂教学走到形式丰富多样、内容生动具体的课余实践活动中，有利于教师教学和教育方法的革新。由于历届大赛的主要题目为大跨屋盖结构、桥梁、高层建筑等，因此，拟对目前结构类几门主要专业课程的课程体系、课程内容、教学方式等进行问卷调查分析，研究课堂教学的改革问题;对土木工程专业的课程设计和生产实习进行调查，研究实践类课程的改进方向;对参与结构设计大赛的学生进行调研，分析结构设计大赛对学生能力的培养情况，研究学生能力提升的培养模式，探求培养“实践能力和创新精神强的应用研究型工程技术人才”的途径。

一、结构设计大赛对结构类课程教学的要求研究

笔者分别于2017年和2018年，在每年的北京市结构设计大赛结束后，对参与本校结构设计大赛和代表学校参加市赛的同学进行了问卷调查，分别收到47份和50份问卷的反馈。2017年问卷反馈中男生为76.6%，女生为23.4%，大二学生占38.3%，大三学生占55.32%;2018年问卷反馈中男生为64%，女生为36%，大二学生占64%，大三学生占34%。由于大一学生什么专业课都没学，大四学生又忙于毕设和找工作，因此大二和大三学生是结构设计大赛的主力。2018年大二学生参与结构设计大赛的比例明显升高是因为北京市市赛改革，A组比赛直接用的国赛题，做得好可以冲击国赛，而且A组比赛对专业要求稍低点，只需要良好的力学基础。

对与结构设计大赛密切相关的课程（房屋建筑学、土木工程制图、结构力学、结构抗震设计、钢结构、高层建筑结构设计）进行了调查，这些课程在同学们心中的重要性如图1所示。

可见，在结构设计中，结构力学当之无愧是最重要的。调查结果显示，53.7%（2017）和55.6%（2018）的同学认为应该进行该课程的改革。如何改？同学们的建议很多，譬如，课堂上结合某个简单的实际例子，具体讲述该例子涉及的原理;采用制作力学小模型的方法，寓教于学;将结构设计大赛中所要求设计的结构与课堂教学相结合;课程中可以添加一些软件的教学，并进行实际操作。

对于大二学的《房屋建筑学》，50%（2017）和58.1%（2018）的学生也认为应该改变，由于课程内容比较多，学生们希望有重点，有针对性地讲授;他们觉得纯理论讲解比较多，比较枯燥，希望讲解更多的实例以辅助教学，将理论与实践结合起来;将各种结构设计规范穿插到作业中去;将课设这个环节与结构设计大赛结合起来;增加一些建筑学以及外观设计内容;增加平立面布局设计作业;在建筑美学与造型设计、建筑设计与绘图方面可适当增加内容到教学中。课堂内容加入一些实际工程案例，结合生活中的例子来说明每个构造的原理和作用，在讲解结构时能够引入一些动画效果或者用模型来体现结构的优缺点;可以借鉴往年结构比赛的作品来介绍具体工程的设计，如楼梯设计，洗手间设计，房屋平面布置等。多增加一些实践方面的课程内容;可以增加一些动手操作的环节，提高大家的兴趣和理解力。

可以看出，通过结构设计大赛，同学们希望学到真正能用于实际的知识，甚至希望扩展相关知识。增加课程的实践性成为了呼声最高的要求。同时，结构设计竞赛也促使专业教师要改革教学内容和教学方式，将理论与实践结合起来，变形式单一的课堂教学为形式丰富多样、内容生动具体的课内外指导。

因此，必须优化课程体系，创新课程管理模式，根据实际工程需要，建立理论教学与实践创新能力培养相结合的课程体系，实现理论的“实用性”，实践教学的现场“亲历性”，通识课程的“立体性”，创新课程的“灵活性”，创业课程的“融入性”与选修课程的“特色性”。

二、结构设计大赛对结构类课程设计和实习的要求研究

课程设计和实习属于实践教学。土木工程专业结构类的课程设计有房屋建筑学课程设计、混凝土结构课程设计、基础工程课程设计、施工组织设计、钢结构课程设计。实习主要有认识实习和生产实习。实践教学是学生能力培养的重要方式。目前的课程设计和实习能否满足结构设计大赛的需要呢？

以大三必做的《混凝土结构课程设计》为例，36%（2017）和39%（2018）的同学认为应该有所改进，如：可以遴选实际中的一些简单结构，每年改变课设题目，尽量不重复;尽量与课程内容结合，课设为其具体的应用;混凝土课程的原理和设计放在同一个学期比较好;希望对于课设有专门的纠错指导。希望能够用结构设计大赛的设计来抵消相应课程设计的学分。

对于大二必做的《房屋建筑学课程设计》，28.2%（2017）和28.6%（2018）的同学认为可以作些改进，如：设计课题可以以结构设计大赛历年题目为参考，每年题目可以加以变化，尽量不重复;课程设计课堂做，增加指导。给学生的作业提出问题所在，并留有时间修改。

调查结果表明，对于课程设计，学生们希望做一些与实际紧密结合的设计，并且能得到老师的及时纠错，还希望与结构设计大赛结合起来，确认学分。

对于认识实习，39%（2017）和36.8%（2018）的同学认为：应该更加贴近我们所学习的内容以及我们可以应用到的东西;实践时间可以多一点，多培养思考和动手能力，而不只是听技术人员的介绍;多一些不同的结构形式，应该接触土木工程领域尽量多的工程，特别是重大工程项目的建设，比如大跨，桥梁、高层建筑等的建设，让他们从感性上了解认识这些结构和组成;增加一些地铁项目、大型公共建筑，规划馆，设计院或者市政等参观项目，增加与项目总工的交流，形成整体性工程思维;了解特殊建筑的承受荷载能力以及施工过程;在参观讲解方面希望更加深入，对一些经典的、著名的物建筑结合学习内容，着重讲解，达到更好的效果;不应局限于书本，要开拓视野，着重应用与实践。

对于生产实习，18.9%（2017）和33.3%（2018）的同学认为：可以延长生产实习时间;以实习生的身份加入到工程设计与施工过程一线中，特别是大跨，房建，桥梁，隧道等的建设项目中;增加一些设计计算方面的知识;增加和现场施工的工程师学习交流的机会。

对课设与实习的调查表明，与实践相结合，增强动手能力的培养，让学生将所学的理论运用到实践中，在实践中提升是土木工程课设和实习改革的不二之选。厦大“一体四翼”实践教学体系[6]与其他地方高校对实践创新能力的培养[7]也许可以给我们提供参考。我校土木工程本科生必修学分187，其中实践类学分是46.5，实践学分占总学分的24.9%。从实践性强的土木工程学科来说，实践教学比例应大幅提升，占总学时至少应该30%以上，进入企业等现场的学习和实习总学时应增加50%。

三、结构设计大赛对学生综合能力提升的影响研究

结构设计大赛需要进行建筑造型设计、做实物模型、用计算机软件进行结构受力分析与验算、画设计图纸等一系列工作，学生们通过完成这些工作有什么收获或体会呢？调查结果显示，对于工程系统能力（构思、设计、实现），38.3%（2017）和44%（2018）的同学认为提升很快，61.7%（2017）和54%（2018）的同学认为有提升。在动手能力、思维能力、创新能力和协作能力方面，93%以上的同学的动手能力得到了提升，86%以上的同学协作能力得到了加强。学生们认为完成结构设计大赛最需要的品质排名见图2。坚持不懈和团队意识是最重要的品质。

完成结构设计大赛的过程中，面临的困难是什么呢？由于参加结构设计大赛的时候很多专业课还没上。如何构思？如何将自己的想法变成实物？如何进行规范的查找，进行结构强度和变形分析？图3是比赛过程中遇到的困难直方图，可见，建模设计和计算分析成为比赛中遇到的最大困难。因此，在参赛过程中，64%（2017）和48%（2018）学生认为最需要的是专业知识，其他还有软件培训、有经验的学长指导、材料;场地提供等。

结构设计大赛实际是一个全面调动学生知识和技能，解决问题的过程，对学生是一个极大的锻炼和提升，需要学生做到自信、自主、自强、自励，养成喜爱钻研，不满足于已有知识及解答的心理素质以及思考问题时力求深入、全面、缜密的习惯能力。这也是我们老师在教学中需要加强的，授人以鱼不如授人以渔，因此，进行创新型、研究型教学势在必行。

四、结束语

2016年，我国正式成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员，土木工程专业的国际化被提上日程，这要求我们的课程教学及相关的教学实践必须改革，以满足培养具有良好创新能力和综合能力的适应国际化需要的土木工程专业毕业生的需要。

连续三年被《美国新闻与世界报道》评为美国最具创新力大学的亚利桑那州立大学（简称ASU）校长Michael M.Crow在GES 2017未来教育大会上发表《高等教育改革美国案例》的主题演讲时，介绍了ASU由于实施了“加速器”项目取得的成就[8]。通过引入新技术，学校实现了个性化教学，取得了丰硕的教育成果。

对于土木工程这类实践性要求强的学科，传统的教室互动教学体验进展相对缓慢，无法为学生提供更加个性化的教学，不能在更大范围以更多途径帮助学生获得学习上的成功和能力的提升。结构设计大赛形成了以学生为主， 教师提供支持的运作机制，学生的学习积极性大大调动起来了，因此可以考虑采用以实践的方式去学习知识，取代传统的课堂学习;将人工智能、BIM技术等引入教学，融合不同学科的角度和知识架构，实现传统教学与新技术的融合;采取灵活的学科学习方式，根据学生的不同类型、不同需求进行学科和课程设置，如开设建筑模型制作课、软件培训课等，从而为国家培养出实践能力强，具有创新创业意识和国际视野的高素质工程技术人才。

参考文献：

[1]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.

[2]程强科，梁国儒，张宏，等.结构设计大赛命题理论设计[J].科技传播，2011（9）：37-38.

[3]刁泽民，陈富廉，李宏涛，等.结构设计大赛中的计算机仿真分析[J].计算机工程应用技术，2017，13（8）：207-209.

[4]沈璐，高潮，王志云.第七届全国大学生结构设计竞赛模型结构设计与分析[J].高等建筑教育，2014，23（4）：159-163.

[5]刘承斌，王步宇，孫凤钢，等.结构设计大赛材料性能试验[J].实验室研究与探索，2007，26（10）：178-180.

[6]谢火木，刘李春，钟杰，等.构建“一体四翼”实践教学体系加强本科生实践创新能力培养[J].中国大学教学，2017（8）：40-44.

[7]李斌，杨恒山，陈积光.地方院校土建类大学生实践创新能力培养体系构建[J].中国冶金教育，2018，184（1）：62-64.

[8]孟蕾.创新科技下的教育改革：专访美国亚利桑那州立大学校长MichaelM.Crow[J].留学，2017（23）：50-56.