科研项目参与背景下研究生科研创新能力的培养——以“抗洪护桥措施‘重车压桥’下简支箱梁桥稳定机理研究”项目为例

窦国涛，薛 茹，赵雯桐

（郑州航空工业管理学院土木建筑学院，河南 郑州 450046）

0 引言

2020年9月，教育部与国家发展改革委、财政部共同发布《关于加快新时代研究生教育改革发展的意见》，明确了进一步深化科教融合，加强学术学位研究生知识创新能力培养。鼓励研究生积极参与科研项目的立项申报、内容研发及结题验收等。定期进行项目进展汇报及交流，不仅能使研究生了解科研项目的实施体系，更能促使研究生掌握本学科最新的科研动态、学习最新的技术手段、激发出更多新的想法[1]。本文结合抗洪护桥措施“重车压桥”下简支箱梁桥稳定机理研究项目（以下简称“重车压桥”项目），从研究生“做项目”这一视角出发，描述研究生通过项目参与其科研能力提升的过程，探讨如何通过项目牵引，激发学生科研兴趣和创新思维。

1 科研项目参与对研究生培养的重要性

1.1 科研项目是培养研究生创新能力的重要支撑

研究生培养的核心是创新思维和能力的培养，科研项目是研究生创新能力培养的重要支撑，参与本研究领域的科研项目有利于激发研究生的好奇心和求知欲，锻炼其创新思维能力，找出解决问题的简单、有效的方法，并在其相应的研究方向上创造有新意的研究成果[2]。科研项目一般都经过前期研究工作，科研经费能够为项目调研和试验的进行提供资助，而没有科研项目支持的研究生选题往往是针对性不强的选题，是不能进行深入研究的选题，是不具备可持续发展研究的选题，所以研究生阶段一定要以“科研项目”为中心，在全面了解和掌握现有技术和研究水平的基础上，通过在科研项目中反复的科学研究训练发现新知识和形成新的科学技术，并在此过程中实现对研究生创新能力培养[3]。中国科学院原院长路甬祥曾经说过：研究生教育是培养一流创新人才的基础，到目前为止，已很难找到一项没有研究生参与的重要科研活动，也很难找到一项不包含研究生贡献的重要科研成果[4]。所以，科研项目是培养研究生创新能力的重要支撑，没有科学研究的训练，研究生的创新能力培养的目标是难以实现的。

以土木类研究生为例，科研项目中大多涉及基本理论和专业知识等的运用、实验方案设计、实验数据的采集和处理分析、实验结果的分析与总结、工况模拟和对比总结等方面的要求。学生在科研项目训练中不仅要经历过程性学习来建立个人系统性的知识体系，且必须能够自主学习和掌握新的知识和技能。综上，不难看出科研项目能够激发研究生深度学习，运用所学知识解决问题，达到对专业知识和技能的创新应用。

1.2 科研项目是提升研究生科研能力的有效方式

研究生正处于知识结构的强化和扩展关键阶段，科研项目充当着研究生学习和科研的切入点，参与具有创新性、前沿性的科研项目，可以拓宽研究生的知识面，建立系统的个人知识体系，并将学习内容和研究方向有机地联系在一起，使其摆脱了低效无序的自习状态。科研项目的顺利完成要求研究人员能够就项目中的复杂问题与同行业的人进行交流（会议交流、各阶段的项目进展报告），还需要能够与团队或项目中的人员进行协作（项目中不同研究内容之间的对接）[5]。研究生在参与科研项目的步步进阶又往复循环的过程中，其专业知识与专业技能在具体的科研环境中得到更深层的习得，为其从事科研活动打下了坚实的基础。杨静[6]在教研结合培养研究生的创新能力中提出科研项目完成过程中，研究生的科研成果经过系统、周密的检验培养了其严谨、细致、周密的科研习惯，并逐渐建立了从全局出发、系统思考问题的思维方法。已有文献[7-9]提出项目学习有助于研究生实现“在研究中学习，在学习中研究”，实现拓展学习建立个人知识体系，使其发现问题、解决问题的能力、资料收集处理能力、论文撰写水平、科研实践等科研能力的提升上均有益处。科研项目的参与和完成过程中，研究生的专业知识必须与实际工程问题有机结合起来，这就要求研究生通过不断的学习掌握复杂工程问题的科学研究方法，发现项目中研究创新点和实际解决办法。因此，科研项目的参与极大地提高了研究生的思维深度和敏捷性，为研究生在后续研究过程中能做出创造性的研究成果打好基础。

2 科研项目中研究生科研创新能力的提升

在研究生教育中，创新是灵魂，科学研究为主导是核心[10]。从科研项目入手，研究其立项背景和意义、主要研究内容和方法，将专业知识与实际工程问题有机结合起来，能够引导研究生快速领会到科研的重要性，激发其对科学研究创新内在动力。新入学研究生由于首次接触科研，在科研创新方面需逐步引导，逐步培养研究生理论创新的能力，试验设计方案及手段创新能力，有限元计算创新的能力。为实现以上三种能力的提升，可引导研究生参与科研项目，通过创新意识的培养，创新基本能力的培养，创新能力的养成，最终使研究生理论创新的能力，实验手段及方案的创新能力，有限元计算创新的能力达到一个质的飞跃。

2.1 创新意识的培养

2.1.1 查找文献的意识

参与科研项目能够很好地培养研究生如何在浩如烟海的文献资料中准确、高效找到适合自己学术研究必备文献资料，在大量阅读国内外文献的基础上，全面了解领域内的学术动态，从大量的科技资料和文献中寻找适用于自己研究的思路和方法是开展科学研究的重要步骤[11]。在研究生课堂教学中，首先指导研究生要清楚查找文献的途径，（1）到学校图书馆，检索相关书籍目录；（2）通过中国知网，万方数据库，维普数据库以及外文数据库进行收集资料；（3）通过百度、360搜索，收集相关方面的最新资料。其次，确定查找文献的主题，该主题围绕科技攻关题目，精简关键词，进行相关搜索。再次，收集完资料，由于相关资料众多，要掌握资料的阅读方式，不能每篇文献都深入分析，要分为泛读和精读，泛读，从大题上了解与主题相关文献的基本概况，普遍的实验和理论方法、结论等。精读则是在大量泛读之后，经过不断筛选，认真阅读与当前问题最为相关的那部分文献，从而汲取文献中最有营养价值的内容[13]。通过查找和收集国内外研究现状，让学生了解相关领域理论研究前沿，使学生对自己课题目前研究范围和深度有了充分的理解与把握。从而拓展思路，思索研究项目目前的技术水平和存在的问题。

2.1.2 研究生发现问题的意识

在科研项目中培养研究生去发现问题、思索问题、分析问题进而解决问题是培养其创新思维和创新能力的关键。问题是矛盾体呈现的重要方式，也是事物发展的动力源泉，问题是思维的开端和学习的起点[12]。对于研究者而言，问题的发现和定位是研究的首要前提，研究中的问题并不是空穴来风，也不是拍脑袋就能够寻找到的，它更多的是基于现实观察、调查中的理论阐释。现实中，由于绝大部分研究生缺乏一定的生活阅历和理论准备，在尝试发现问题的过程中常会处于四处碰壁，最终无法找到理想目标的困境[14]。

创新意识培养阶段是研究生对知识的收集、筛选、分析的过程，在这一阶段，研究生需要通过各种渠道从外界获取知识，持续积累和扩充知识，不断挖掘和思考问题，促进创新意识的形成[15]。

2.2 创新基本能力的培养

2.2.1 力学理论分析工程问题及创新的能力

力学是工科大类专业的基础学科，是工科学生提升专业素质的重要学科，了解和掌握力学理论是工科专业学习生涯的重中之重[16]。力学思维是从具体生动的工程实际到抽象的数学思维，再用抽象的数学思维来指导工程实际的思维过程[17-18]。用力学理论去分析工程问题是土木工程类研究生必备的基本技能，在培育其工程实力和科研创新方面起着关键作用。

土木工程相关的科研项目，力学理论是解决其科研问题的最基本的手段，大多数高校土木工程专业都会开设理论力学，材料力学，结构力学，等一系列力学课程，硕士期间，可进一步自学弹性力学，弹塑性力学及塑性力学等相关力学知识，土木工程的研究生已具备一定的力学功底，但不具备用力学的方法解决科研项目中科研问题的能力。通过参与科研项目，培养研究生在科研项目中提炼力学问题，并用力学知识去解决相关力学问题，在解决问题过程中，培养其理论推导创新方面的能力。

2.2.2 有限元分析及创新能力

随着工程结构的不断复杂化及工程实践对计算分析的要求越来越高，利用有限元分析解决工程实际问题已经是很多工科类研究生进行科学研究创新的一项重要技能。有限元分析是土木类研究生需要培养的重要能力，是学生开展科学研究和未来从事专业工作的理论基石[19]。有限元分析是土木工程研究生创新必备的一种手段，研究生在参与科研项目时，可以用有限元分析对科研问题进行佐证，将项目中的模型用有限元软件建立并计算，同时需要考虑到网格如何划分，边界条件如何处理，物理模型如何简化，力学加载如何实现，计算如何收敛等相关问题，当用常规方法不能解决时，需要用有限元软件进行二次开发以实现科研项目中一些特殊问题的验证，在此过程中，有限元分析能力及相关创新能力即可得到提升。

2.2.3 试验设计方案及手段创新能力

观察和实验是科学研究的基础，科研成果的层出不穷，都是建立在实验的基础之上，在研究生阶段，不仅需要对学生实施专业知识的教育，要求学生掌握坚实的基础理论和系统的专业知识，还要基于专业知识的科研试验能力进行培养，有条件的鼓励学生独立开展大型试验，并对他们科研实验提供指导和建议，实现学生的科研素养和试验动手能力的全方位发展[20]。要认真研究科研试验的思路、目的和意义，综合靠考虑理论和技术方法的可行性，分析试验的可信性和不确定性，预判试验可能产生的失误或错误，以及在试验出现问题无法进行时的补救措施和纠偏措施。在此期间研究生还要注意培养自己的工程意识和试验技能，在参加试验和生产时间活动中，要踏踏实实不怕脏不怕累，最重要的对待科研试验一定要有敬畏之心，要尊重原始试验数据的真实性。

2.2.4 三维制图的能力

研究生作为科研储备人才，将来面临着发表论文，申报专利，申报课题等一系列科研活动。三维图具备立体感，具有比较具体的印象，有助于作者清晰地表达自己的想法，更利于他人理解自己的思路。对于土木工程的研究生，三维制图可以通过BIM软件，或者CAD三维制图软件进行绘图，在参与科研项目过程中，要锻炼三维作图能力，总结材料，汇报项目进展，整理成果都要习惯用三维图形表达自己的观点，长期训练即可提升三维制图的能力。

2.3 创新能力的养成

创新能力养成阶段是经过创新意识培养、创新基本能力培养后形成的最终阶段，通过前两个阶段的培养，促使研究生形成创新能力。研究生能够提出、求解和突破问题，并对成果进行证明和验证[15]。

3 案例

本节将以“抗洪护桥措施‘重车压桥’下简支箱梁桥稳定机理研究”项目为例，说明如何在科研项目中提升科研创新能力。

3.1 科研项目中创新意识的培养

例如，在“重车压桥”项目中，通过对洪水期桥梁作用和安全问题的介绍，引导研究生对桥梁工程设计理论、建造技术、材料特性等方面不断思考和研究。依托河南省科技攻关项目—抗洪护桥措施“重车压桥”下简支箱梁桥稳定机理研究项目为例，将研究生科研能力培养的各环节与项目具体过程相结合，以实际工程问题为导向，在对科研项目的立题背景及研究目的、意义进行充分解读的基础上，充分发挥研究生的主体作用，为土木工程专业桥梁方向的研究生开展研究提供了广阔的舞台。

3.1.1 结合时事讨论

在河道上修建跨河桥梁目前是人类解决陆路交通跨河连接问题采用的最普遍、最经济有效的方法之一，跨河桥梁的修建为经济的发展发挥着重要作用，洪水水毁灾害是世界各国道路桥梁共同面临的灾害。洪灾中，抗险救灾时桥梁往往通过河流的一种重要通道，保护好桥梁，也为抗险救灾提供了重要通道。郑州“7.20”特大暴雨，强度大、持续时间长，导致市政道路、干线公路塌陷，67座桥梁受损，造成了巨大的经济财产损失。洪灾发生时往往具有突发性，不具备临时加固桥梁的条件，多采用“重车压桥”紧急护桥措施，如图1所示，以抵抗桥梁受到的浮力和洪水作用。在抵御洪水的同时，负荷若是太轻，起不到压制效果导致救援工作功亏一篑；车辆若是过重反而会对桥梁本身造成冲击，甚至压垮大桥。2021年8月，河南省人民政府发布《河南省突发事件总体应急预案》要求全力防范化解重大灾害风险，科学应对各类突发事件，提高应对突发事件的科技水平和指挥能力，避免发生次生、衍生灾害事件。

图1 重车压桥紧急护桥措施

3.1.2 引导研究生查阅文献

首先要指导研究生到学校图书馆、中国知网，万方数据库，维普数据库以及外文数据库、百度、360搜索等收集简支箱梁桥相关书籍及资料。其次，精简关键词，如：洪灾、重车压桥、简支箱梁桥稳定等进行相关搜索。最后，分为泛读和精读。通过以上措施，学生对自己课题目前研究范围和深度有了充分的理解与把握，如：

（1）针对桥墩冲刷方面，目前采用的措施是墩身和桥墩共同加固的方法，由于桥梁众多，为了防洪，每座桥梁都去加固，造成巨大的经济浪费。

（2）针对洪水水流模拟方面，研究较多，本项目可采用其既有研究成果，转换成洪水作用力来分析桥梁的稳定性。

（3）针对洪水作用下桥梁稳定及力学性能方面，目前研究针对箱梁失稳，支座破坏已有相关研究，但针对洪水作用下桥墩失稳，箱梁强度破坏研究较少，同时，未见有针对“重车压桥”耦合洪水作用下桥梁破坏机理相关研究，本项目将针对此进行一系列研究。

3.1.3 引导研究生发现问题

从上述现实背景中发现问题，2021年7月20日，郑州发生特大暴雨，强度大、持续时间长，在交通设施方面，特大暴雨导致数十座桥梁受损，造成了巨大的经济损失，以此为背景，引导学生思考以下问题：（1）暴雨造成洪水流速、水位的变化；（2）桥墩的受力的改变；（3）支座浸水条件和干燥状态摩擦系数是否改变；（4）桥梁上部结构受力的改变；同时进一步思考应急状态下如何保护桥梁，积极鼓励学生在积极主动开展思维探索，从发现问题、提出问题、讨论问题、分析问题直到解决问题。

3.2 科研项目中创新基本能力的培养

3.2.1 力学理论分析工程问题及创新的能力培养

（1）重车荷载耦合洪水作用下简支箱形梁稳定机理研究。引导学生思考洪水来临时，简支箱梁桥受力和正常工况下的区别，进一步思考水流的冲击力和水流的浮力将会产生什么样的影响，桥梁上部结构箱梁设计时并未考虑到洪水作用力的影响，然而洪灾发生时，洪水常常局部淹没甚至漫过箱梁，对于处在洪水中的桥梁来说，洪水浮力使得上部结构的有效重量减小，进而抗倾覆力矩减小。桥梁阻水面积增大，导致其横向倾覆力矩增大，因而在洪水水平冲力作用下，桥梁易发生倾覆破坏。采用“重车压桥”，等于在桥面上增加竖向荷载，用来抵消浮力，同时增加与支座的摩擦力，来抵抗洪水的水平作用力，提出自己的创新点则是，推导出重车荷载耦合洪水作用下简支箱形梁稳定验算理论公式，并研究箱梁跨径、洪水水位高度及流速对箱梁稳定的影响。在保证箱梁不被洪水冲坏的同时，也不被重车压坏，此时，箱梁为空间受力状态，需对此展开一系列推导。

（2）重车荷载耦合洪水作用下板式橡胶支座稳定机理研究。引导学生思考简支箱梁通常采用板式橡胶支座，板式橡胶支座正常工作状态通常是在大气中，但洪灾发生时，支座浸泡在水中，其与箱梁和桥墩的接触摩擦系数将降低。基于板式橡胶支座的破坏特征与受力机制，洪水作用下，支座除了发生滑动破坏之外，较大的剪切作用力也会使支座在水平方向的剪切变形量超过一定的限制，从而使支座发生剪切破坏。洪水作用下，若支座摩阻力不足，则箱梁则滑移；若支座剪切变形过大，支座则剪切破坏，同时，由于重车荷载，支座强度是否满足均需验算。

（3）重车荷载耦合洪水作用下桥墩稳定机理研究。引导学生思考洪水作用下，箱梁受力模式发生改变，进一步传递给桥墩的力也将产生改变，箱梁受到浮力，则传递给桥墩的竖向力减小，箱梁受到洪水水平作用力，则通过支座传递给桥墩，对桥墩稳定性极为不利，除此之外，桥墩自身也受受到洪水浮力以及洪水水平推力，桥墩抗倾覆以及抗滑移理论公式尚需加入洪水作用的影响，当“重车压桥”后，竖向力增加，能否抵抗住洪水作用力，也需验算。在此过程中，有效地培养了研究生解决实际问题的综合能力和持续的科研创新能力。

3.2.2 有限元分析及创新能力的培养

以科技攻关项目“抗洪护桥措施重车压桥下简支箱梁桥稳定机理研究”采用ANSYS分析为例，通过实际工程问题的模拟分析培养研究生有限元分析的能力。

（1）力学模型简化。由于桥梁构造复杂，模拟时不能照顾到所有细节，对于一些环节需要简化，例如本项目中，引导学生思考“重车压桥”、水浮力、水流冲击力在有限元软件中怎样实现，桥梁支座在建模时如何简化，预应力钢筋以及普通钢筋在建模时如何简化，都需要引导学生思考。

（2）单元选取。引导研究生自学有限元软件中常用的单元，如本项目中桥墩和箱梁所需要用到的实体单元，支座所要用到的弹簧单元，让研究生去归纳总结各个实体、弹簧单元的定义，属性以及区别，选取最适合的单元。

（3）网格划分。对于任何实际结构，要获得高质量的单元网格，通常都要控制网格划分，引导学生学会单元形状控制及网格类型选择，单元尺寸控制，内部网格划分控制等一系列网格划分操作。通过桥墩和箱梁的网格划分，掌握网格划分流程，进一步举一反三。

（4）边界条件确定。有限元模型，边界条件至关重要，边界条件确定错误，将导致模拟分析不准确，计算错误，甚至计算不收敛，正确的根据实际工况选择边界条件尤为重要，引导学生思考洪水作用下桥墩底部约束形式，来理解边界条件的概念。

3.2.3 试验设计方案及手段创新能力培养

在“重车压桥”项目的实施过程中，引导学生根据“抗洪护桥措施重车压桥下简支箱梁桥稳定机理研究”如洪水作用耦合重车荷载作用下桥墩稳定性试验，试验方案要合理简化，如对于桥墩来说，上部结构的重力可通过千斤顶来模拟加载，当研究水压力时，可通过理论计算简化成集中力，通过千斤顶进行加载模拟试验，如图2所示。引导学生思考支座的试验，研究支座浸水状态滑动破坏模式及剪切破坏模式，强度破坏模式，以期推导出重车荷载耦合洪水作用下支座稳定及强度验算公式。因此，观察和试验方法仍然是获取科学事实的基本方法和有效手段，也是科研创新研究活动的基础。

图2 重车荷载耦合洪水作用下桥墩稳定性试验方案

3.2.4 三维制图的能力

在“重车压桥”项目中，将要求研究生用CAD三维模型展示出桥梁整体模型，如图3所示，CAD中的三维图可以借助工具完成不同侧面、部位的观察和设计、修改等，为项目设计和更改提供了极大的便利。以此培养研究生三维制图能力及空间思维能力，提升研究生的科研表达能力。

图3 桥梁模型示意图

4 结语

科研项目是研究生创新能力培养的重要支撑和有效途径，参与本研究领域的科研项目有利于研究生掌握科学研究的基本要求，并在其相应的研究方向上创造有新意的研究成果。且科研项目都紧跟时代步伐，拟解决实际工程问题，具有很强的前瞻性，将科研项目融入土木类研究生培养，既可以推动推动科研项目的顺利进行，项目中涉及的基础知识和专业知识又可激发学生的学习劲头，弥补欠缺知识，培养研究生正确判断和解决各种复杂的实际问题的能力。在“重车压桥”项目中的研究过程土木专业的研究生发现问题的能力、查找文献的能力、力学理论分析工程问题的能力、有限元分析能力以及试验能力等都得到了有效的培养和极大地提高，为今后的科研工作的开展打下良好的基础。因此，在研究生中广泛地开展科研实践，让更多的研究生积极地参与到科学研究活动当中，不仅直接关系到高校的科研质量和创新水平，更是培养研究生科研素质和创新能力的重要途径。