以工程力学为主线的土木工程专业学生创新能力培养与实践

张树光　余文成　张研　唐丽华

摘  要：土木工程专业是涉及从业领域较多和工程实践性很强的工科专业，工程力学是土木工程专业最重要的专业基础课。通过推行课堂教学-实验教学-数值实验一体化教学体系，搭建力学教研室、专业教研室、土木工程实验室和土木仿真实训中心协同运行的工程力学教学平台，将工程力学融入土木工程专业学生的主题活动、创新思维、能力训练和学科竞赛的全过程，在培养大学生创新能力和增强创新意识方面取得了良好效果。

关键词：创新能力;工程力学;土木工程;教学平台;能力培养

中图分类号：C961       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）05-0049-04

Abstract： Civil engineering is an engineering major that involves many fields and has strong engineering practice. Engineering Mechanics is the most important basic course for civil engineering major. The integrated teaching system of classroom teaching-experiment teaching-numerical experiment is reformed， and an Engineering Mechanics teaching platform is set up for the collaborative operation of mechanics teaching and research office， specialized teaching and research office， civil engineering laboratory and civil simulation and training center. By integrating Engineering Mechanics into the whole process of subject activities， innovative thinking， ability training and discipline competition of students majoring in civil engineering， good results have been achieved in cultivating students' innovative ability and enhancing their consciousness of innovation.

Keywords： innovation ability; Engineering Mechanics; civil engineering; teaching platform; ability training

高等院校作为国家创新型人才培养和储备的主要场所，肩负着国家未来兴衰荣辱的重要使命，深化高等教育创新创意改革，已经被提升到人才培养的战略层面[1]。近年来，教育部相继实施了“双一流”和“双万计划”建设方案，旨在推动我国由高等教育大国向高等教育强国转变，全面提升高等教育综合实力和人才培养质量。就人才培养质量而言，构建科学合理的课程体系与专业结构、适应新时代的教学理念与教学方法、注重实效的创新实践与实践能力等已成为高等院校人才培养的核心任务。针对我国高校大学生创新能力培养普遍存在的“大学生创新能力培养的意识与动力不足、社会与家庭的支持力度不够、国家高等教育的应试化特征明显”等问题[2]，全面培养大学生创新能力和增强学生的创新意识，是我国高等教育面临的重大任务，也是新时代高等教育综合改革的必然要求。

一、大学生創新能力要素

创新能力宏观上来说是产生新思想、创造新事物的能力，一般意义上的大学生创新能力具备知识结构、能力结构和素质结构三要素[3]。通过学习和应用知识、发现和分析问题、提出和论证假设、掌握和创新知识等环节的往复循环训练，培养学生积极向上的学习心态及获取和创造知识的能力。侯锡林等[4-5]结合我国高等教育的实际，围绕创新意识、知识基础、创新技能和创新成果四个方面，构建了学术型研究生创新能力评价指标体系，这四个评价维度对大学生也具有很强的指导意义。

在大学生创新能力培养方面，广大高校教师和教育工作者开展了广泛的探索与实践，提出了采用“三全育人”实践平台[6]、项目教学法[7]、实验教学改革[8]、依托学科竞赛[9]等多种模式的教学改革，从课堂教学、实践教学和课外竞赛活动等方面为大学生创新能力培养搭建平台，激发学生由内而外自发的积极主动去思考和创意的活力。在这些改革与实践中，培养学生的认知探求能力、发散思辨能力、实践创新技能和塑造成才意识等尤为必要，这些能力素养应贯穿于人才培养的全过程。

二、土木工程专业特点

土木工程专业培养掌握土木工程学科的基本理论和基本知识，能在房屋建筑、地下建筑、道路、隧道、桥梁建筑、水电站、港口及近海结构与设施、地基处理等领域从事规划、设计、施工、管理和研究工作的高级工程技术人才。土木工程专业的课程体系通常由通识教育模块、专业基础模块、专业课群组和实践模块组成。通识教育模块主要是思政、数学、物理、外语和计算机等方面的知识;专业基础模块主要是工程力学、岩土工程和结构工程学科的基本理论和知识;专业课群组主要分为房屋建筑、道路桥梁、地下建筑和岩土工程等专业方向;实践模块主要包括课程实验、专业实习、课程设计和毕业设计等实践教学环节。由此可见，土木工程专业是涉及从业领域较多和工程实践性很强的工科专业。

土木工程专业是一个富有空间想象力，强调严谨性、综合性和实践性的专业，我国的珠港澳大桥、中国天眼、上海中心大厦、中央电视台新楼等诸多璀璨建筑都是人类智慧的结晶，无不彰显着土木工程的创造力和想象力，印证着工程力学是土木工程建造灵魂的美誉。工程力学课程作为土木工程专业的重要基础，为学生学习后续专业课程起承上启下的纽带作用[10]。土木工程专业的工程力学课程一般安排在大学二年级和三年级，包括理论力学、材料力学、弹性力学、结构力学、岩土力学、流体力学和计算力学等，这些力学课程是土木工程专业基础课的骨架和专业课的支撑，是结构设计类课程的核心内容和学生创新能力培养的重要基础。

三、工程力学教学平台

桂林理工大学土木工程专业为国家一流专业和国家工程教育认证专业，设有建筑工程、道路桥梁工程、岩土工程和地下建筑工程四个专业方向，始终坚持“厚基础，宽口径，重实践”的人才培养理念，在广西一流学科建设项目的支持下不断充实内涵建设，形成了力学教研室、专业教研室、土木工程实验室和土木仿真实训中心协同运行的工程力学教学平台。

工程力学教学平台分为课程教学和实验实训两个单元。课程教学单元由力学教研室和专业教研室负责，其中，力学教研室负责理论力学、弹性力学和材料力学的教学任务，专业教研室负责结构力学、岩土力学和计算力学的教学任务。实验实训单元由土木工程实验室和土木仿真实训中心组成，其中，土木工程实验室包括力学实验室、建材实验室、结构实验室和岩土实验室，分别承担了材料力学、土木工程材料、结构力学和岩土力学的课程实验，土木仿真实训中心由数值实验室和BIM中心组成，安装了ANSYS、ABAQUS、COMSOL、FLAC、RFPA和BIM等软件，承担组合结构计算、工程稳定性分析、岩体破坏过程模拟和建筑信息化设计等创新实验项目，在学生毕业设计、创新训练和学科竞赛等方面提供了有力支撑。

四、创新能力培养改革与实践

（一）工程力学与主题活动

土木工程专业低年级学生主要学习通识类课程，专业基础课仅学习了土木工程概论和土木工程材料两门课程，尚未接触真正的专业课，对专业的认知还处于培养兴趣阶段。通过学习理论力学和材料力学等工程力学方面的课程，初步掌握经典力学的基础知识、理论体系和处理力学问题的一般方法，掌握了材料的拉、压、扭、剪等力学性能，对工程力学对土木工程专业的重要性认识尚缺乏。为了激发他们的创造力和想象力，深化对力学课程内容和实验教学的理解，增强土木类专业和建筑类专业学生的交流，学院策划了“土建砼话”和“建造节”等低年级学生可参加的比赛，通过搭建建筑感受工程材料性能和基本的力学计算，在感受建筑魅力的同时，也在建造失败中感受工程力学的重要性，增强学生对专业的认知能力，激发学生创新的内动力（图1）。

（二）工程力学与创新思维

土木工程专业学生进入大学三年级后，弹性力学、岩土力学和结构力学等专业基础课给学生带来较大的学习压力，调动学生的学习兴趣和主动性尤为关键，否则容易挫伤基础差的学生的学习积极性。在工程力学课程的教学实践中，我们推行了课堂教学-实验教学-数值实验一体化教学体系，即：课堂教学讲授知识点、课程实验验证理论知识、数值实验启发思维，在激发学生主动获取知识和培养发散思维能力等方面起到良好效果。比如：在岩体力学课程中，对“岩体的抗压强度是随着加载速度和围压的增加而增大”这一知识点，通过岩石力学实验是很容易验证的，若用应力-应变曲线直接解释这一现象，学生会觉得不好理解和知识枯燥，通过引入岩石破裂过程分析系统（RFPA软件、PFC软件等），模拟岩石试件内部裂纹的产生、扩展、演化、贯通、破坏的全过程（图2），让学生感受实体模型实验中无法看到的力学现象，再将能量耗散的基本观点加以渗透，学生的理解和接受能力会大大提升;同时，将通过实验获取的力学参数置入数值模型，克服了岩石这类多孔介质材料初始性能的差异性，通过更改加载路径演示变形破坏过程和分析结果，让学生进一步思考增大加载速度和增加围压导致抗压强度增大的内在作用机制，都将有助于深化学生对岩石强度理论的认识。

（a）花岗岩内部裂纹扩展RFPA数值试验[11]

（b）节理岩石卸载破坏RFPA数值实验[12]

（c）砂岩加载破坏过程PFC数值实验

（三）工程力学与能力训练

工程力学课程的精髓在于使学生掌握运用力学知识分析问题的思想方法， 将工程力学知識点转化为工程力学模型[13]。土木工程专业是强调技能应用的工科专业，“授人以鱼，不如授之以渔，授人以鱼只救一时之急，授人以渔则可解一生之需”，这句话非常适合土木工程专业的人才培养。我们常说“土木工程是工程力学的外在表现，工程力学是土木工程的灵魂”，是因为工程力学的知识始终贯穿于专业基础课程、专业课程和施工课程。比如：在建筑和桥梁方向最基本的墩柱截面确定问题，看似简单的问题却蕴含着剪跨比、轴压比、纵筋率与体积配箍率等因素对构件力学性能的影响，以及水流荷载、流冰压力和风荷载等横向外力的作用等力学问题;在地下工程方向的新奥法施工中要求及时封闭围岩，目的是限制支护前的变形发展，阻止围岩进入松动状态，防止围岩因风化作用造成破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，把岩石荷载转化为岩石承载结构，从而使得支护与围岩形成了一个共同工作的力学系统，充分体现了保护原有岩体强度和发挥自身承载能力的思想。因此，引导学生从用工程力学分析问题根源为出发点，才能保证在今后的工作中正确理解设计意图，依据工程实际制定出合理的施工方案、安全措施和质量保障措施，确保建筑结构安全和避免工程事故。

（四）工程力学与学科竞赛

土木工程本科专业所需的工程力学课程在第七学期全部完成，学生对工程力学的基础理论、知识体系和计算方法有了系统的学习，使得第六学期和第七学期成为学生参加学科竞赛的黄金时期，通过参加竞赛达到“以赛促学、以赛促练、以赛促用”的目的。在这个时期，可根据学生的自身特长和专业特点，指导他们参加各类全国普通高校学科竞赛。近年来，我校土木工程专业学生先后获得了全国大学生结构设计竞赛二等奖、美国大学生数学建模比赛一等奖、全国数学建模竞赛一等奖、全国徐芝纶力学优秀学生奖、全国周培源大学力学竞赛奖、广西“互联网+”大学生创新创业大赛金奖等奖项。2019年，获得省部级以上学科竞赛奖励107项，其中，“建筑中会喊痛的骨骼——自感知的承力筋材”和“风畅——基于多级设防理论的建筑抗风设计”等作品充分展示了土木工程专业的特色，体现了学生利用工程力学知识分析问题和解决问题的能力。

五、结束语

土木工程专业是具有浓厚工程背景的工科专业，工程力学是土木工程专业最重要的專业基础课，不仅承担着夯实专业基础的重任，还对培养学生的创新能力、分析问题和解决问题的能力具有重要作用。通过开展以工程力学为主线的学生创新能力培养与实践，引导学生把工程力学融入主题活动、实践教学、创新思维、能力训练和学科竞赛，很好地激发了学生对枯燥力学课程的学习兴趣，提升了学生运用知识分析问题的能力。因此，深化以工程力学为主线的教学改革与实践，对培养学生的创新能力和提升人才培养质量都具有重要意义。

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