陳 鑫,蔡新江,毛小勇,曹喜慶

(蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

依托結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的大學(xué)生創(chuàng)新研學(xué)能力培養(yǎng)實踐

陳 鑫,蔡新江,毛小勇,曹喜慶

(蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

為培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展需要的具備實踐和創(chuàng)新能力的卓越工程師，各學(xué)科開展了豐富多彩的課外科技活動。在就專業(yè)興趣、應(yīng)用能力、創(chuàng)新實踐、團(tuán)隊協(xié)作等方面分析結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新研學(xué)能力的意義的基礎(chǔ)上,構(gòu)建起依托結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的創(chuàng)新研學(xué)能力培養(yǎng)模式，并從基礎(chǔ)實踐、創(chuàng)新研學(xué)和綜合素質(zhì)培養(yǎng)三個階段對此模式進(jìn)行實踐，旨在為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供借鑒。

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽；研學(xué)能力；卓越工程師；培養(yǎng)模式

土木工程是一門實踐性很強(qiáng)的學(xué)科，“較強(qiáng)的實踐能力和創(chuàng)新能力”是其重要的培養(yǎng)目標(biāo)之一[1]。與此同時，在“卓越工程師培養(yǎng)計劃”中，“強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力”是最為核心的內(nèi)容[2]。近二十年來，大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽在我國高校得到了較好發(fā)展。早在1994年清華大學(xué)舉辦了第一屆結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽，當(dāng)時的題目源于清華大學(xué)的一座觀賞性小橋——“蓮橋”的建造。隨后，國內(nèi)如同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)、西南交通大學(xué)等高校亦在本世紀(jì)初開展了這類賽事[3]。從2005年開始，全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽成為教育部指定的九大學(xué)科競賽之一。作為土木工程專業(yè)創(chuàng)新性和實踐性最強(qiáng)的學(xué)科競賽，在培養(yǎng)學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力方面發(fā)揮著重要作用[4]。如何充分發(fā)揮競賽對土木工程專業(yè)實踐教學(xué)的促進(jìn)作用，對大學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要意義。

一、全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽概述

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的內(nèi)容通常為給定某種材料，設(shè)計并制作滿足賽題要求的結(jié)構(gòu)模型，并通過計算書審查和加載試驗進(jìn)行最終評定得分。比賽時，需要提交的內(nèi)容包括：設(shè)計計算書(結(jié)構(gòu)選型、建模、計算參數(shù)、受力分析、節(jié)點構(gòu)造、模型加工圖等)，以及按賽題要求在競賽現(xiàn)場規(guī)定時間內(nèi)采用指定材料和工具制作完成的結(jié)構(gòu)模型。比賽的評分體系，包括：設(shè)計圖與計算書、制作質(zhì)量、現(xiàn)場表現(xiàn)、結(jié)構(gòu)重量、承載力等。有時也會根據(jù)具體賽題特點設(shè)置個別特定評分標(biāo)準(zhǔn)，如發(fā)電功率等。

自2005年至今，全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽共舉辦了8屆，每年依據(jù)不同要求，各類團(tuán)體或高校會舉辦不同級別的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競賽，在土木工程學(xué)科師生中具有廣泛影響。以蘇州科技學(xué)院為例，目前參與的較為成熟的結(jié)構(gòu)競賽有蘇州科技學(xué)院本科生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽(校級聯(lián)賽)、江蘇省大學(xué)生土木工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競賽(省級聯(lián)賽)、全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽(全國競賽)三個級別,并已成為蘇州科技學(xué)院土木工程專業(yè)大學(xué)生進(jìn)行實踐和創(chuàng)新能力訓(xùn)練的重要平臺之一。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽對創(chuàng)新研學(xué)能力培養(yǎng)的意義

1.有利于開發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽本身就是一類實踐研學(xué)活動，無論是在結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算分析還是模型制作過程中，學(xué)生都是活動開展的主體。在競賽中，學(xué)生將努力應(yīng)用一系列專業(yè)課中的理論知識解決模型設(shè)計、分析和制作過程中所遇到的各類問題，反復(fù)回憶、組織、應(yīng)用他們之前已儲備的專業(yè)知識，而模型的每一次進(jìn)步都將最直觀地向他們展現(xiàn)專業(yè)理論對實際工程的巨大效用，從而有利于調(diào)動他們對專業(yè)知識學(xué)習(xí)的興趣。

2.有利于提升學(xué)生綜合應(yīng)用能力

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽內(nèi)容決定了在比賽過程中，學(xué)生必須將所能掌握的所有專業(yè)知識進(jìn)行綜合應(yīng)用，從而完成賽題所提出的圖紙、計算書和模型制作等多方面的要求。如在圖紙繪制時，學(xué)生必須掌握工程制圖、CAD軟件等知識；在計算書撰寫時，學(xué)生不但需要涉及力學(xué)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、專業(yè)軟件等專業(yè)知識，同時需要能夠具備較高的文檔編制和處理能力；在模型制作時，學(xué)生又要了解一些土木工程施工和結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面的相關(guān)知識。因此，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽鍛煉，能夠在一定程度上提高學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識解決實際問題的能力。

3.有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐精神

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽題目一般來源于實際結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過適當(dāng)簡化，所考慮的荷載往往也為實際結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的荷載。比賽中一般僅限定材料和必要的模型尺寸，具體結(jié)構(gòu)形式并不限制，具有較大的靈活性，這就為發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性提供了較大空間。同時，模型方案、結(jié)構(gòu)造型在評分體系中也會占據(jù)一定的比重，近幾年的全國結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽均設(shè)有最佳創(chuàng)意獎，這就要求學(xué)生必須充分發(fā)揮其創(chuàng)造性，從而激發(fā)他們的創(chuàng)作欲望。完美的方案必須有高質(zhì)量的實施才能獲得最終成功，評分體系中占據(jù)較大比重的模型加載，要求學(xué)生必須具備將設(shè)計向?qū)嵨镛D(zhuǎn)化的能力，并將創(chuàng)新與實踐相結(jié)合。

4.有利于增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作意識

在結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中，往往是多個學(xué)生(一般是3人)組成的團(tuán)隊參加比賽，這與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中學(xué)生獨立開展學(xué)習(xí)的情形完全不同。賽題在內(nèi)容和時間上的設(shè)置，要求團(tuán)隊內(nèi)的學(xué)生必須分工明確、各有特長，且能夠團(tuán)結(jié)協(xié)作，才能順利完成比賽。競賽中團(tuán)隊的協(xié)作水平直接影響著比賽成績，只有在賽前訓(xùn)練中相互磨合、取長補(bǔ)短、分工明確，比賽中同心協(xié)力、完美合作，才能在競賽中取得較好成績。在平時訓(xùn)練時，團(tuán)隊內(nèi)的學(xué)生通過方案討論、模型制作加載試驗等過程，不斷進(jìn)行相互溝通，在訓(xùn)練中深入了解團(tuán)隊成員，提高溝通能力，加強(qiáng)配合意識，最終形成臨時團(tuán)隊的默契配合方式。

三、依托結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的能力培養(yǎng)實踐

第七屆全國結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題要求參賽隊設(shè)計并制作一雙竹結(jié)構(gòu)高蹺模型(圖1所示)，并進(jìn)行加載測試。模型的加載分為靜加載和動加載兩部分，靜加載的荷載值為參賽選手的總重量，以模型荷重比來體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率；動加載通過參賽選手進(jìn)行繞標(biāo)競速來判斷模型的承載能力，因此模型所受到的沖擊荷載的大小、方向甚至荷載作用點都取決于參賽選手的質(zhì)量、運動方式和模型的結(jié)構(gòu)形式，對參賽隊員的力學(xué)分析能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算能力、現(xiàn)場制作能力等提出了更高的挑戰(zhàn)。

圖1 比賽模型輪廓示意圖Fig.1 Schematic diagram of the game model of contour

針對此次比賽的賽題，結(jié)合學(xué)生能力培養(yǎng)的基本方法和科學(xué)研究的基本規(guī)律，設(shè)計競賽與教學(xué)相結(jié)合的創(chuàng)新研學(xué)能力培養(yǎng)模式，整個過程分為三個階段：

1.基礎(chǔ)實踐階段

根據(jù)賽題情況和賽程安排，組織了針對蘇州科技學(xué)院全體本科生的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽——第十二屆二建杯結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽。通過預(yù)賽和復(fù)賽，最終決出獲勝團(tuán)隊參加全國結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽。

訓(xùn)練前期，指導(dǎo)學(xué)生深入解析賽題，并以學(xué)生依據(jù)自身專業(yè)認(rèn)識為主，指導(dǎo)他們開展方案設(shè)計、模型制作和初步試驗等工作。根據(jù)賽題給出的外形尺寸開展結(jié)構(gòu)方案設(shè)計：

(1)首先聯(lián)想到鋼桁架橋梁，設(shè)計了結(jié)構(gòu)方案S1(圖2a)：該方案桿件主要承受軸力，橫向晃動主要靠拉條限制，利用了竹皮順紋抗拉性能，整體剛度較大，但模型底面尺寸較大，不利于快速行走，且桿件和節(jié)點相對較多，重量較大。

(2)根據(jù)方案S1，不斷減小模型底面尺寸，參考部分鋼桁架橋梁的設(shè)計，演化出了結(jié)構(gòu)方案S2(圖2b)：該方案同樣桿件主要承受軸力，橫向晃動主要靠拉條限制，整體剛度相對方案S1小，但模型地面尺寸可以較大幅度減小，更利于快速行走；同時桿件和節(jié)點數(shù)量降低，模型總重量有一定的減小。

(3)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中搜索的圖片，觀察發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)“踩高蹺”人重心集中于腳后跟，參照設(shè)計了結(jié)構(gòu)方案S3(圖2c)：該方案不對稱，桿件數(shù)量更少，更多地利用了拉條，將有效桿件集中于“踩高蹺”時重心著落的位置，質(zhì)量較輕，具備一定的合理性；但整體剛度較小，且偏載時扭轉(zhuǎn)較大，局部桿件受力遠(yuǎn)大于其余桿件。

(4)觀察金字塔和四角錐網(wǎng)架的形狀，設(shè)計了結(jié)構(gòu)方案S4(圖2d)：該方案為利用拉條，所有桿件均主要受壓，桿件數(shù)量較少，質(zhì)量輕，底面的圓形接觸更接近實際“高蹺”的形狀，方便快速奔跑；但結(jié)構(gòu)整體抗扭能力較差，底面的較小尺寸對選手“踩高蹺”技能提出了更高要求，實際試用時選手未能成功快速行走。

圖2 初步結(jié)構(gòu)方案Fig.2 A preliminary scheme of structure

進(jìn)一步地，指導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)專業(yè)知識，對四種結(jié)構(gòu)方案初步進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度和行走方便度等方面的綜合比較，最終結(jié)合選手自身特點選用了結(jié)構(gòu)方案S2。

2.創(chuàng)新研學(xué)階段

以知識體系為載體，在理論交流過程中進(jìn)行創(chuàng)新引導(dǎo)；以模型設(shè)計實踐為載體，在方案、設(shè)計和試驗過程中進(jìn)行創(chuàng)新訓(xùn)練。從而以結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為依托，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維、指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新方法、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，使學(xué)生初步掌握本學(xué)科研究方法，為其成為“研究創(chuàng)新型”土木工程專業(yè)人才提供基礎(chǔ)訓(xùn)練。

為指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合賽題，依據(jù)科學(xué)研究方法首先制定了整體工作思路(圖3所示)。引導(dǎo)學(xué)生從材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)三個層次認(rèn)識結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練學(xué)生掌握概念判斷、理論分析、數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)試驗等方面的基本知識和手段，培養(yǎng)學(xué)生針對具體工程開展合理評價的能力。

圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽方案優(yōu)化總體思路Fig.3 Optimization scheme of overall train of thought of the structural design competition

3.綜合素質(zhì)提升階段

在計算書撰寫過程中，幫助學(xué)生梳理其中的邏輯關(guān)系，訓(xùn)練學(xué)生規(guī)范表達(dá)成果；在賽前輔導(dǎo)過程中，指導(dǎo)學(xué)生與組織者、其他參賽者以及自身團(tuán)隊成員的交流方法，教授學(xué)生調(diào)節(jié)心理與處理現(xiàn)場事件的手段，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和辯證思維的能力，書面和口頭表達(dá)能力，溝通與合作交流能力，預(yù)防和處理實際工程突發(fā)事件的能力。

在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽過程中，采用了“問題式教學(xué)”的方法引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，通過相互交流對實際問題進(jìn)行分析，最終找到解決問題的方法；鼓勵學(xué)生利用已知的知識去探索未知的知識，用新的方法、新的思想去獲取這些知識，激發(fā)了學(xué)生解決實踐問題的興趣。

[1] 高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會.高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[2] 周臻，童小東，尹凌峰,等.依托結(jié)構(gòu)競賽構(gòu)建開放式創(chuàng)新研學(xué)平臺[J].高等建筑教育,2011,20(6):129-132.

[3] 陳慶軍，羅嘉濠，陳思煌,等.國內(nèi)外大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽總結(jié)及研究[J].東南大學(xué)學(xué)報:哲學(xué)社會科學(xué)版,2012(S2):173-177.

[4] 陳以一，周克榮，顧蕙若,等.工科學(xué)生實踐性設(shè)計競賽活動的組織方式[J].高等建筑教育,2001(2): 39-41.

(責(zé)任編輯：洪 林)

Practicing of the Training of Innovation Capacity and Study Ability ofCollege Students Based on the Structural Design Competition

CHEN Xin,CAI Xinjiang,MAO Xiaoyong,CAO Xiqing

(School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou Jiangsu 215011, China)

In order to train the excellent engineers with practical and innovational capacity who meet the demand of the social development, some extra-curricular science and technology activities have been carried out in many disciplines. The paper introduce the content, form and development of the National Structure Design Competition. Then the importance of the competition, on the training of innovation capacity and study ability of college students, is analyzed from several aspects, such as: professional interest, application ability, innovational practice, group cooperation, et al. Lastly, a training mode for innovative and study capacity cultivation is established. And then take the 7th National Structure Design Competition for example, the traning mode is practiced in three stages, including basic practice, innovation study and overall qualities. The work may offer some reference for the cultivation of talents with creative ability.

structural design competition; ability of research and study; excellent engineer; traning mode

2014-09-08

教育部土木工程卓越工程師教育培養(yǎng)計劃項目(教高廳函[2012]7號)

陳鑫(1983-)，男，江蘇鹽城人，講師，博士，研究方向：土木工程教學(xué)與研究。

TU318

A

1671-5322(2014)04-0065-03