基于“力学+制模+模拟”的赛教融合探索*

常中权 程振东 张志成 章晴雯 胡淑婷

（嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴 314036）

近年来，随着建筑行业的蓬勃发展，建筑企业对土建类专业人才的数量与质量需求有了很大提升，对高职院校的人才培养要求也在随之提高[1]。通过将结构竞赛培训与建筑力学课程相结合的方式，恰好可以适用当前人才培养的需求。建筑力学课程是为高职土建类专业学生开设的一门基础性专业课，课程内容理论性较强，学生学习课程的兴趣感与主动性有所欠缺，对力学分析计算的内驱动力不足；授课形式虽以多样化形式推进，但没有充分调动学生的动手能力，课堂沉浸感不够，学生并没有实实在在成为课堂主体[2]。

大学生结构设计竞赛旨在进一步培养学生的工程实践能力、创新意识与团队协同能力，其省级比赛作为国家级比赛的选拔赛，在学校一贯的支持与高度重视下，指导老师一直在寻求成果突破的方法与模式；然而，队员的选拔仍然存在识人不察之难题，同时，学生在结构设计与模型制作方面还缺乏力学分析的基础，以及运用计算机辅助模拟的能力。

通过将结构竞赛元素有机地融入建筑力学课程的重点环节中，试图提升课程趣味性与强化力学理论分析的思维，培养一批理论与实践能力结合的创新型人才与竞赛能手，从而有利于结构设计竞赛获得更好的成绩[3]。故此，以“建筑力学理论为基础，模型制作实践为重点，有限元软件模拟为辅”的赛教融合探索具有重大的实际意义。

1 竞赛内容重塑为教学模块

本次赛教融合探索，以历届竞赛内容为指导，以建筑力学理论为基石，将历年结构设计竞赛任务标准与评价规律总结归纳到课程标准与教学环节中，通过将复杂的结构比赛模型拆解、序化和重塑为几个实践教学模块，每个模型都关联相应的建筑力学的重难点知识，见表1。

表1 建筑力学实践教学模块

这些模块可以让每位同学皆能参与进来，而且可以在有限的时间内完成制模任务。再运用ABAQUS或MIDAS 软件，对模型进行有限元模拟与力学验证[4]，如图1所示。

图1 实践教学建模

2 竞赛评价转化为教学评价

在赛教融合的实践教学中，同学们在模型结构的模拟分析与制作中精益求精，对自身的专业使命有了更深刻的认识，对思维创新的路径得到了更广阔的拓展；同时，通过课程教学与师生磨合，可以全面、全程、全方位记录学生在模型制作与优化、团队协作等方面的表现，不但为竞赛选拔优质人才提供有利的参考，还有助于对同学们的知识、技能、素养的培养与考核[5]。课程考核评价的实验成绩部分，参考竞赛评价机制，将课程实践成绩分成三个部分：模型制作表现、力学分析与加载结果。其中，模型加载结果参考标准如下：

（1）各参赛队模型的最大承载能力m1，按式（1）计算：

式中M1-本队模型加载到刚好破坏的荷载；

M-本队模型的自重，kg。

（2）第i个队伍的模型加载得分Ci，按式（2）计算：

式中m1,max-所有参赛队模型的最大承载能力。

3 竞赛训练结合于实践教学

通过实践教学几轮的模型制作环节，培育出几组实验成绩与竞赛素养均较高的队伍作为校内选拔赛的备选队伍，同时，欢迎非本课程而对结构设计竞赛感兴趣的学生参与进来，组织竞赛培训与学院技能选拔比赛，参与校内选拔赛的备选队伍，可以充分利用历届比赛的加载设备，按往届竞赛规律准备竞赛方向。竞赛培训的内容安排如下：

（1）通过详细研究比赛题目，在有限元分析软件中初步创建模型框架，进行力学分析；

（2）对学生的模型制作方法进行培训，查看模型制作情况，并推动模型制作进度；

（3）对模型进行加载与破坏性试验，并结合模拟减量，探究模型减量与破坏机理；

（4）分析讨论模型结构形式与优化方案，纠正模型漏洞，去冗余、补短板，确定最终模型理论方案；

（5）在确定方案的基础上，不断打磨制作技艺，记录并沉淀操作技巧。

备赛中，通过邀请学校专家、企业专家与往届参赛学长指导点评学生的模型制作，对模型方案不断优化，修改与确定最终模型理论方案，最终带领选拔队伍参加省级大学生结构设计竞赛。

4 职业素养贯穿于赛教全程

4.1 安全防范意识

无论在课堂实践上，还是在竞赛培训中，皆须着重强调安全的重要性。在制作模型、加载模型等过程中，指出容易忽视的安全问题，例如：在加工竹条时，注意竹条另一端切勿戳到人；在使用美工刀加工竹材时，注意控制握刀的方向与力度，避免划到手；在运用胶水粘接竹材时，戴好指套、口罩与护目镜，避免胶水接触到皮肤，室内保持通风，避免过量吸入刺激有害的气体；对模型进行加载时，注意防止加载砝码落地或摆动砸到人等。容易产生的事故，以事故的发生案例警醒学生，凡事保持瞻前顾后与清醒谨慎的意识，若遇到安全隐患，及时消除，不能消除的隐患要及时上报。

4.2 工匠创新精神

创新精神带来各领域、各方面发展，工匠精神会让项目与成果更精湛。在课程教学中，注重课程内容与方法的创新，将竞赛元素融入教学中，增加学生在模型中的创新环节，通过引入力学建模软件，让学生在制作模型前，创新出多种不同的结构形式；在制作模型中，学生的专注力最为集中，充斥着对职业的热爱和敬畏，即使是一件不起眼的小构件，也要打磨得特别精细；期间，同学们遇到过几次困难，例如在建模时，对基础操作不熟悉，那么就通过在线课程学习操作方法，怀着创新的渴望与坚忍不拔的意志，一点点将之摸透。

4.3 团队协作精神

结构竞赛的成果来源于竞赛队伍的密切合作，通过将每个人的特长融于大局，才能齐心做好一个项目。例如某获奖队伍中的三个人，一人负责统筹规划与沟通，一人负责创新形式，一人心灵手巧，这种组合形式恰似一个小型的项目经理部，在长期的模型设计、制作、加载中，同频共振，发挥着最大效能。因此，可以在队伍建立之初，通过前期课程与培训的考察，灵活匹配队员的特长，分配不同的职责给各位队员。

5 赛教融合成效

本轮赛教融合的效果，无论从建筑力学的授课效果，还是从结构比赛的成果上，均得到了显著提升。从竞赛成果的角度看，相比于上一年度的省级三等奖，有了一定进步，获得了省级二等奖。同时，除了对学生在建筑力学课程的学习成绩进行宏观对比之外，还通过平台问卷调查了学生对赛教融合的看法与评价，共回收91份问卷，有效问卷86份，问卷有效率为94.50%，其成效汇总如下：

（1）学习表现积极，成绩有所提高。为了较合理地体现两届学生在本门课程的学习效果对比，建立“本综比”这一概念，即班级所有学生在本门课程的平均成绩与当学期所有相关且相同课程综合平均成绩之比，以此排除生源的专业方面质量差异。研究发现，传统授课的2020 级学生的本综比为0.88，赛教融合后的2021级学生的本综比为1.02，在两届试卷难度相当的情况下，赛教融合后的学生在建筑力学的学习成绩有显著提升。

（2）学习兴趣增加，力学思维强化。调查发现，在“竞赛对于专业教学的好处”中，75.16%的学生认为有利于课堂内容的丰富，提高了深度与广度；关于“是否对竞赛感兴趣”，52.31%的学生表示有浓厚兴趣，32.64%的学生表示有一般兴趣。可以发现，学生对于课程中融入竞赛元素的兴趣很大，同时，在课堂中也表现出对模型制作的浓厚兴趣，学生不但能从模型中直观地感受到力学分析的原理，还能利用力学分析的思维主动去优化结构形式，形成较为严谨的思维模式，践行了精益求精的工匠精神[6]。

（3）学习氛围良好，综合能力提升。调查发现，学生在制作模型的过程中，试图利用有限元软件对模型进行力学模拟，以达到结构高效优化的目的；此外，学生还积极参与了校赛选拔活动，相比于非本课程授课的学生，突出了力学理论与实践的扎实基础，也在此后的校队培训中表现得更加坚韧不拔，对模型优化的创新能力、团队协作能力、自主学习能力等综合能力均得到了显著提升。