基于课堂教学活动的结构设计竞赛培训制度

王永宝 靳瑾 张晋杰 秦鹏举 裴一鸣

[摘 要] 经过多年的发展，大学生结构设计竞赛为土木工程专业大学生提高实践能力提供了很好的平台，但由于设计竞赛时间紧、任务重，参赛学生得不到较为系统的专业化训练，阻碍了竞技水平的提高。如何实现结构设计竞赛模型设计理论和制作技巧的传承和发展成为各大高校面临的难题。通过分析目前结构设计竞赛培训制度存在的问题，提出了从课堂教学角度开展大学生结构设计竞赛培训的具体措施和方法，并指出了上述制度的优点，为后续开展相关设计竞赛培训提供参考。

[关键词] 结构设计;竞赛;课堂教学;培训

[基金项目] 2019年山西省高等学校科技创新项目“赤泥地聚物混凝土徐变机制及预测模型研究”（2019L0295）;2020年山西省教学改革      创新项目“基于大学生结构设计大赛的学科竞赛管理体系研究”（2020JG012）

[作者简介] 王永宝（1989—），男，山东潍坊人，工学博士，太原理工大学土木工程学院讲师，主要从事土木工程理论与教学研究;靳 瑾 （1989—），女，山西临汾人，工学博士，太原理工大学土木工程学院讲师，主要从事土木工程理论与教学研究;张晋杰（1995—），男，山西太原人，同济大学土木工程学院2019级桥梁与隧道工程專业硕士研究生，研究方向为桥梁抗风。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）34-0071-03    [收稿日期] 2019-11-07

大学生结构设计竞赛可提高学生的创新思维、实践能力和团队合作意识，因而得到高校土木学子的广泛参与[1]。该项赛事每年举行一次，受大学课程及学制年限影响，每年的参赛队员不尽相同，竞技水平很难有效传承。如何培养学生的结构设计竞技水平，提高大学生的实践能力是目前各大高校面临的难题。

大一学生（以3月份赛题公布算）虽有时间参加竞赛，但由于知识储备量较少（校赛为大一，国赛为大二），不敢报名参赛;大三学生虽具有扎实的专业理论知识，但忙于考研、就业，无暇顾及各种竞赛;大二学生无疑成为结构设计竞赛的主力。虽然学生有一定的知识储备，但结构力学和有限元等内容仍了解甚少，比赛开始时，理论基础仍然较差，且几乎未参与实际模型的制作，实践能力也较差。虽有部分高校在竞赛前对学生进行了短期培训[2]，这对提高学生竞技水平有一定帮助，但由于时间短、任务重，培训效果较差。且受场地和指导老师精力影响，仅有少数学生能参加培训，多数学生被拒之门外，违背了新工科要求中广泛培养学生实践能力的目的[3]。也有高校成立了社团，发挥其传帮带作用[4]，对促进结构设计竞赛的发展有较大帮助[5]，但社团学长的指导不系统，且参与社团群体学生较少。

为克服现有参赛学生竞赛水平参差不齐，学生实践能力差的不足，本文对目前结构设计竞赛培训制度存在的问题进行分析，提出了基于课堂教学活动的结构设计竞赛培训模式，通过改革提高大学生在结构设计竞赛中的竞技水平，为高校进行相关结构设计活动奠定基础。

一、传统培训制度的缺陷

（一）培训任务重、受益学生群体少

参赛学生的专业基础知识较为薄弱，突击培训使得学生在进行繁忙学业的同时还需花大量时间学习竞赛知识和模型制作经验等[4]，且目前市面上无系统的教材参考学习，需要课堂系统的培训。另外，突击培训针对的学生面较少，仅有部分学生受益[6]。而该培训体制很难达到新工科指南中要求工科专业实现50%以上的学生参与“大学生创新创业训练计划”中的目标[7]。

（二）培训指导老师激励不足

现有的短期培训制度要求指导老师义务为学生进行相关培训，且授课老师需根据历年最新赛题内容收集结构设计竞赛的相关资料。制作授课PPT和培训手册，均需要花大量的时间和精力，但现有绩效奖励制度既无工作量，也无任何报酬，且相关培训与评职称无关，导致指导老师的参与积极性较低。

（三）宣传力度和受益面不足

若参赛高校本身的结构设计竞赛竞技水平较低，过去几年未获得较好的比赛成绩，会导致结构设计竞赛在学生间的影响力较小，基础理论知识扎实的学生认为即使进行了突击培训，也很难获得较好的比赛成绩，参与积极性较低。

除此以外，由于结构设计竞赛宣传力度不够，且培训时间短，专门的实践训练环节少，多数学生不知道竞赛的益处而对培训采取观望态度，起不到全面培养学生实践能力的目的。

二、课堂培训大纲

将土木工程学科竞赛培训过程纳入本科生培养方案，开设“土木设计理论与实践”这门选修课，时间设置为第三学期，授课内容主要以结构设计竞赛培训为例开展。该课程可在全校范围内选课，鼓励不同年级、不同专业的本科生选课，并将该选修课纳入本科培养计划。

该课程主要分为课堂教学环节和实践环节，学分1.5，总学时24，其中理论环节12学时，实践环节12学时。设置该课程的目的在于以结构设计竞赛为例提高土木工程学生的实践能力。通过该课程普及土木设计的基础知识，指导学生学习结构设计竞赛的相关专业知识，为后续进行结构设计竞赛奠定基础。课堂环节，讲授结构设计竞赛的理论知识和竞赛技巧等;实践环节，以赛题导向为基准，让学生训练实践能力，熟练掌握构件和模型的制作。

课程的难点在于：学院要为本门课程配备足够的经费，经费主要用于授课教师购买结构设计竞赛实践环节的竹材、胶水等耗材，以及加载装置。同时还需要配备专门的材料管理人员管理相关材料。

三、课堂教学内容

本课程开设12学时的理论授课环节，课堂授课主要包括以下内容。

1.结构设计基本流程及本科专业知识应用：梳理本科课程框架（工程荷载组合、结构力学、材料力学、有限元等）及其在设计流程中的地位。

2.结构设计竞赛与实际课程的差异性对比：结构设计模型为抽象化的结构，功能性要求不高、可重复试验追求极致、传力直接高效，需考虑考虑施工要求。

3.结构设计竞赛的基本概况介绍：常用材料性质、截面及其特性、结构类型。

4.结构模型的理论构思及力学计算：桁架、空心杆、拱、梁、柱、张弦梁等基本元素的特点和构思。

5.模型制作技巧：常见构件制作方法、节点处理、连接长度及安装要点、试验过程及分析。

6.软件学习及计算书书写：常用有限元及办公软件的学习资料获取方法，建模流程、技巧;制图软件介绍;计算书的基本组成，撰写内容、技巧等。

四、实践教学内容

开设12学时的实践授课环节，主要包括以下内容。

1.受压、弯杆件或构件：空心杆、鱼鳆式杆、张弦梁、小格构柱等基本受压弯构件的制作;受压构件的承载能力试验。

2.受拉杆件或构件：长竹条的拼接、劈开，竹皮拉条的加工制作，超长受拉构件预应力张拉技巧等;受拉构件的承载能力试验。

3.连接构造：梁柱之间的连接，拉条与柱的连接，柱与基础的连接，多根受压柱或梁之间的复杂节点连接;考虑复杂节点连接构件的承载能力试验。

4.工具及整体模型制作：练习抛光工具、劈条工具、施工图、施工支架等简单工具的制作技巧;基于上述制作的受拉、受压杆件和节点拼接技术，按照既有的理论分析模型，练习整体模型的拼装。

5.模型加载及反思：通过现场加载，检验模型的受力合理性和制作水平，加载过程录像并回放，根据加载结果分析模型出现问题的原因，为改进提供依据。

6.模型方案改进：基于加载结果和分析的原因，考虑模型改进措施，如改变结构形式，减小或增加杆件，加固主要受力构件或节点等措施。

五、考核方式及优点

（一）考核方式

1.原则。本课程以实践考核为主，理论考核为辅的方式结课。由于结构设计竞赛要求参赛学生具备的知识面较广，实际比赛为三人组成的团队，每名队员专业知识储备和能力均存在较大差异，而竞赛要求考察团队的合作能力。因此，本课程的考核形式也呈多样性，仅要求参赛队员有某一方面专长即可，学生可根据自身特点选择一种主要理论考核方式，但每名同学必须参加动手实践能力考核，实践考核分不少于50%。理论考核以PPT展示设计思路为主，主要从模型创新思维，有限元建模，计算书书写等角度考虑;实践考核以“小构件或小结构”制作加载为主。

2.理论考核环节。该环节为模型构思开放性考核，主要对以往国赛或省赛赛题进行改编，根据12学时的理论学习设置理论考核方式，重点考察学生的综合创新能力。考核从五个方面开展：（1）独特的模型思维能力;（2）软件建模分析能力;（3）计算书书写能力;（4）构件、结构、节点处理或模型工具制作能力;（5）事故分析和综合答辩能力。

3.实践考核环节。根据课堂讲述的模型制作流程和技巧，以往届国赛赛题为依据设计理论方案，制作小结构或构件的模型并加载，根据加载结果提出改进措施和优化方案。通过给定学生理论模型，让学生在限定时间内完成小构件制作并加载，根据加载分数确定考核结果。除加载外，还考虑模型制作过程中的杆件、节点和拼装制作技巧等过程分。

（二）优点

1.该课程的开设可让更多学生参与到结构设计竞赛中，掌握结构设计竞赛的相关专业技能，体会结构设计竞赛带来的創新性思维，以更大的信心参与到竞赛活动中。可避免每年校赛选拔时间紧张，学生理论和实践动手能力差的问题。

2.可促进不同层次的学生交流，为跨年级和专业组队创造条件[4]。不同年级和专业的学生会在整个组队过程中发挥不同优势，高年级学生理论知识扎实，适合理论模型创新，低年级学生时间充裕，适合实践制作。

3.将培训设置为选修课，能充分调动老师的参与积极性，为更好地服务学生奠定制度基础，克服只有竞赛获奖才有奖励的弊端。

4.课堂培训增加了结构设计竞赛的学习时间，上课过程中，老师可了解每名学生在学科竞赛方面的特点，课堂成绩还可为选拔合适的竞赛人选提供依据。

5.通过个性化的培训，能充分发挥每个参赛队员的优势。专业知识储备高、思维敏捷、能够提出创新性模型的理论型队员和具备扎实动手实践能力、对待细节一丝不苟、能够准确完成结构模型的实践型队员的完美组合是结构设计竞赛取得优异成绩的法宝。

六、结语

针对现有结构设计竞赛培训制度存在的缺陷，本文提出了以课堂教学为基础的结构设计竞赛培训制度，通过课堂教学的方式让广大学生参与到学科竞赛活动中去，达到了广泛培养学生创新思维及动手实践能力的目的，避免学科竞赛时间紧与学生的学科竞赛基础知识薄弱之间矛盾问题的出现。另外，本文提出的培训制度也可为土木工程的其他学科竞赛（茅以升公益桥比赛，世界桥梁设计大赛等）培训提供参考。

参考文献

[1]唐纯翼.基于学科竞赛的土木工程专业“三融三促”人才培养模式探究[J].西部素质教育，2019（11）.

[2]李振兴，李悦，侯鹏程.浅谈我院结构设计竞赛参赛学生的选拔培养与激励机制[C].土木工程教学改革理论与实践，2010（4）.

[3]邓艳明，丁宁.大学生学科竞赛管理体系研究[J].科技创新导报，2017（20）.

[4]邓少华，袁显宝，杜轩.高校学科竞赛遴选机制探究[J].科教导刊（上旬刊），2019（5）.

[5]胡锦秀，王秋香，于均园.基于结构设计大赛的结构设计协会建设研究——以琴岛学院为例[J].建材与装饰，2018（24）.

[6]李文，刘霞，姚建红，等.基于翻转课堂的科技竞赛培训模式研究[J].教育现代化，2018（22）.

[7]丁广龙，夏镇波，辛志宏，等.创新创业教育：新工科类大学生学科竞赛体系构建[J].创新与创业教育，2019（2）.