從“紙上設(shè)計(jì)”到“實(shí)戰(zhàn)演練”：常態(tài)化實(shí)踐教學(xué)課程改革

韓春秀　董博

摘 要： 為改變土木工程專業(yè)傳統(tǒng)的“紙上設(shè)計(jì)”的課堂教學(xué)模式，以全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為依托，以現(xiàn)代土木工程專業(yè)大學(xué)生合理能力結(jié)構(gòu)模型為導(dǎo)向，將“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)”納入常態(tài)化的教學(xué)課程，在學(xué)生中從踐行紙質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)入“實(shí)戰(zhàn)演練”的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)。該實(shí)踐課程鍛煉和提高了學(xué)生的實(shí)際操作能力、分析問(wèn)題能力和組織管理能力，最終形成了教學(xué)與競(jìng)賽銜接、教賽互動(dòng)、教學(xué)相長(zhǎng)的良好局面。

關(guān)鍵詞： 土木工程 能力結(jié)構(gòu)模型 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽 實(shí)戰(zhàn)演練

一、研究背景

土木工程是一門實(shí)踐性與應(yīng)用性非常強(qiáng)的專業(yè)，如何在本科生中開展實(shí)踐性教學(xué)是教學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是土木工程學(xué)科最高水平的競(jìng)賽，其在土木工程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的植入和滲透，對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的作用是巨大的，這一現(xiàn)象引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。A Wilson（2007）指出，美國(guó)通過(guò)ASCE鋼橋競(jìng)賽，印度通過(guò)INSDAG鋼結(jié)構(gòu)競(jìng)賽，匈牙利通過(guò)意粉結(jié)構(gòu)競(jìng)賽在土木工程教學(xué)中起到巨大的推動(dòng)作用[1]-[2]。我國(guó)的丁元新（2001）等人探索了一種“理論—設(shè)計(jì)—實(shí)踐—應(yīng)用”的教學(xué)模式[3]。劉明暉（2013）等人驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)競(jìng)賽對(duì)土木工程專業(yè)教學(xué)及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要性[4]。陳慶軍（2016）等人探討了華南理工大學(xué)土木工程專業(yè)創(chuàng)新性課程結(jié)構(gòu)模型概念、實(shí)驗(yàn)的設(shè)立及教學(xué)研究[5]-[7]。

研究現(xiàn)狀表明[8]，盡管多年來(lái)各大高校一直在積極推進(jìn)教學(xué)方法改革，取得了不少成果，但普遍還是采用教師在講臺(tái)講授、學(xué)生被動(dòng)式聽課的教學(xué)模式，師生之間的有效互動(dòng)是淺薄的、有限的。同時(shí)由于傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)形式趨于陳舊，學(xué)生通常根據(jù)任務(wù)書的要求完成結(jié)構(gòu)選型、計(jì)算及圖紙繪制，即“紙上設(shè)計(jì)”，該教學(xué)模式已不能滿足“寬口徑、應(yīng)用型”土木工程人才培養(yǎng)的要求，教學(xué)內(nèi)容與人才培養(yǎng)需求脫節(jié)，使得學(xué)生所學(xué)知識(shí)跟不上社會(huì)建設(shè)及市場(chǎng)發(fā)展的步伐，正需要新型的實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行補(bǔ)充[9]。本文探索將“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)”納入常態(tài)化的教學(xué)課程中，從踐行紙質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)入“實(shí)戰(zhàn)演練”的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)與競(jìng)賽銜接、教賽互動(dòng)、教學(xué)相長(zhǎng)的良好局面。

二、土木工程專業(yè)常態(tài)化植入“實(shí)戰(zhàn)演練”的實(shí)踐性教學(xué)模式探討

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工程實(shí)踐的發(fā)展，土木工程學(xué)科已發(fā)展成為內(nèi)涵廣泛、門類眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的綜合體系，其“工程性質(zhì)”體現(xiàn)得更重要和關(guān)鍵。1993年，麻省理工學(xué)院院長(zhǎng)莫爾提出了“大工程觀”概念[10]，他對(duì)“大工程觀”提出特有的見解，認(rèn)為大工程應(yīng)區(qū)別于以研究為核心的工程科學(xué)，在工程教體系中需要降低“科學(xué)化”程度，工程教育回歸“工程”，應(yīng)更加注重學(xué)生的能力培養(yǎng)。體現(xiàn)在教育和教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)以學(xué)生為中心、為學(xué)生營(yíng)造自我體驗(yàn)、自主學(xué)習(xí)、自由創(chuàng)造的環(huán)境，讓學(xué)生開展基于學(xué)科專業(yè)的學(xué)習(xí)，從學(xué)中做，在做中學(xué)。

面向土木工程實(shí)際的工程技術(shù)教育一直是我們?cè)谌瞬排囵B(yǎng)工作中的薄弱環(huán)節(jié)。為了提高學(xué)生的核心競(jìng)爭(zhēng)力，必須重視培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。土木工程技術(shù)教育輸出的人才要適應(yīng)企業(yè)不斷變化的要求。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，現(xiàn)代土木工程人才能力結(jié)構(gòu)的基本模型見下圖[8]。這7個(gè)方面的能力既相互聯(lián)系、相互作用又相互區(qū)別，共同組成一個(gè)有主次的、交叉的有機(jī)結(jié)合體。

圖 土木工程專業(yè)大學(xué)生的合理能力結(jié)構(gòu)模型

從上圖可以看出，在土木工程專業(yè)大學(xué)生的能力結(jié)構(gòu)模型中，適應(yīng)能力和自學(xué)能力是生存的基本本領(lǐng)，也是學(xué)生獲得成功的最基本的能力，處于能力層的最低處；能力結(jié)構(gòu)的中間層由思想表達(dá)能力、實(shí)際操作能力、分析問(wèn)題能力和組織管理能力組成，這一層次是能力結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的部分，對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)能夠抓住該層次的核心內(nèi)容，加以系統(tǒng)的鍛煉和實(shí)踐，有助于學(xué)生邁出跨越式的一步，達(dá)到最高層次——?jiǎng)?chuàng)新創(chuàng)造能力?；谶@一分析，在土木工程專業(yè)學(xué)生中探索一種將“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”搬到常態(tài)化“課堂”中的實(shí)踐教學(xué)模式，把傳統(tǒng)的“被動(dòng)式”學(xué)習(xí)模式變?yōu)椤爸鲃?dòng)式”。實(shí)施方案如下：

1.研究對(duì)象：土木工程專業(yè)本科學(xué)生。

2.研究?jī)?nèi)容：將“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)”納入教學(xué)課程，包括以下幾點(diǎn)：

（1）課程設(shè)置：該課程設(shè)置在第6學(xué)期，學(xué)生已完成了所有專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理有一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。

（2）選題類型：選題可涵蓋土木工程中常見的結(jié)構(gòu)類型，如高層建筑、懸挑屋蓋、仿古樓閣和橋梁等。每一年的題目可參考上一年度全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的題目，考慮時(shí)間和經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，可以將規(guī)模按比例縮小進(jìn)行。

（3）實(shí)施方案：設(shè)計(jì)周期為4周，指導(dǎo)教師可以提前將題目告知學(xué)生，以便查找資料。將上該課程的班級(jí)學(xué)生進(jìn)行分組，6個(gè)學(xué)生為一組，每一組的成員都要分工合作，完成結(jié)構(gòu)計(jì)算、建模分析及優(yōu)化、模型制作和加載環(huán)節(jié)，成績(jī)?cè)u(píng)定方式與大賽評(píng)定方式一致。

在“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)”課程中，學(xué)生要完成結(jié)構(gòu)選型、計(jì)算機(jī)建模、計(jì)算機(jī)優(yōu)化分析、模型加工制作及模型加載稱重等過(guò)程。在這一過(guò)程中需要學(xué)生盡最大努力地尋找相關(guān)的理論知識(shí)，并將其綜合、系統(tǒng)地應(yīng)用于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，每一位學(xué)生所做的可能只是整個(gè)模型的其中一部分或一個(gè)環(huán)節(jié)，不可能獨(dú)自一人完成，必須團(tuán)隊(duì)齊心協(xié)力，一環(huán)扣一環(huán)地完成。這使學(xué)生加深對(duì)工程概念的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的求知欲望及自學(xué)能力，發(fā)掘其創(chuàng)新創(chuàng)造的潛力。該過(guò)程體現(xiàn)出來(lái)的能力培養(yǎng)，是每個(gè)土木工程學(xué)生必須具備的，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的缺陷，是傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的必要補(bǔ)充。這是現(xiàn)代土木工程專業(yè)合理能力人才培養(yǎng)模式下的培養(yǎng)目標(biāo)。

三、土木工程專業(yè)常態(tài)化植入“實(shí)戰(zhàn)演練”實(shí)踐性教學(xué)模式實(shí)踐

通過(guò)在云南民族大學(xué)土木工程專業(yè)學(xué)生中開展“實(shí)戰(zhàn)演練”式的實(shí)踐教學(xué)，將每一年全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的賽題設(shè)置到培養(yǎng)計(jì)劃的課程中，學(xué)生完成每一個(gè)賽題的結(jié)構(gòu)選型、力學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)制作和加載運(yùn)行，把傳統(tǒng)的“被動(dòng)式”學(xué)習(xí)模式變?yōu)椤爸鲃?dòng)式”，使學(xué)生的實(shí)際操作能力、分析問(wèn)題能力和組織管理能力得到一定程度的提升。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身就是科學(xué)創(chuàng)造的過(guò)程，一個(gè)成功的設(shè)計(jì)需要傾注學(xué)生的大量精力和心血，體現(xiàn)在其對(duì)結(jié)構(gòu)的深層次認(rèn)識(shí)和理解。整個(gè)過(guò)程幾乎對(duì)大學(xué)期間學(xué)過(guò)的主干課程都洗禮了一遍，包括高等數(shù)學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)施工。在這一過(guò)程中，為了驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，學(xué)生利用計(jì)算機(jī)建模及優(yōu)化分析是課程實(shí)施的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良的決定性因素，是“磨刀不誤砍柴工”的必要環(huán)節(jié)。學(xué)生需掌握土木工程中常用的結(jié)構(gòu)分析軟件，如PKPM、ANSYS或SAP等，而且需要通過(guò)自學(xué)的形式完成，因?yàn)樵谝话愀咝?，土木工程專業(yè)本科生的課程范圍內(nèi)未設(shè)置這些軟件學(xué)習(xí)課程，而是研究生的學(xué)習(xí)工具，因此這對(duì)本科生來(lái)說(shuō)挑戰(zhàn)是極大的。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上選型、計(jì)算及優(yōu)化，能變換各種結(jié)構(gòu)參數(shù)和加載方式，在模型制作之前達(dá)到心中有數(shù)，不至于在制作和加載過(guò)程中出現(xiàn)失誤。從歷次競(jìng)賽的總結(jié)反饋看，一些學(xué)生存在力學(xué)概念不明確、對(duì)材料性能把握不準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)體系做不到優(yōu)化等問(wèn)題。如果不能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行初步模擬分析，急于進(jìn)行模型制終將達(dá)不到預(yù)期的結(jié)果。因此，計(jì)算機(jī)前期正確的模擬分析對(duì)結(jié)構(gòu)的制作和實(shí)施將帶來(lái)“事半功倍”的效果，指導(dǎo)老師在這方面給予了學(xué)生細(xì)致和耐心的指導(dǎo)。

學(xué)生在課堂中需進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的8個(gè)全過(guò)程，模型的結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計(jì)和制作都以學(xué)生為主，老師只是從旁指導(dǎo)，沒有固定的指導(dǎo)教材和制作工藝，主要靠學(xué)生尋找理論支撐和驗(yàn)證工藝的合理性。

在實(shí)施該課堂教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生同時(shí)還參加了云南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，因在平時(shí)的長(zhǎng)期積累中學(xué)生已做了較充分的準(zhǔn)備，所以獲得了較好的競(jìng)賽成績(jī)，挖掘了較多優(yōu)秀作品。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將“結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)”納入常態(tài)化的教學(xué)課程，在學(xué)生中從踐行紙質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)入“實(shí)戰(zhàn)演練”的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，有以下現(xiàn)實(shí)意義：

1.體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教育理念，把傳統(tǒng)的“被動(dòng)式”學(xué)習(xí)模式變?yōu)椤爸鲃?dòng)式”。模型的結(jié)構(gòu)選型、計(jì)算機(jī)數(shù)值分析和模型制作都以學(xué)生為主，老師只起到引路人的作用，整個(gè)過(guò)程沒有固定的設(shè)計(jì)指導(dǎo)書和制作工藝流程，主要靠學(xué)生自己尋找理論支撐和驗(yàn)證工藝的合理性。

2.把教學(xué)重點(diǎn)從知識(shí)轉(zhuǎn)移到“實(shí)踐能力建設(shè)”。突出培養(yǎng)學(xué)生能力結(jié)構(gòu)的最核心部分，即思想表達(dá)能力、實(shí)際操作能力、分析問(wèn)題能力和組織管理能力。

3.有利于指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)。教師在指導(dǎo)過(guò)程中開闊了視野，增強(qiáng)了理論聯(lián)系實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，拓寬了教學(xué)思維，明確了教學(xué)改革的路徑。

4.在組隊(duì)參加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽時(shí)不至于“臨時(shí)抱佛腳”，而是在長(zhǎng)期的準(zhǔn)備和鍛煉中培養(yǎng)出優(yōu)秀的學(xué)生，挖掘出優(yōu)秀的作品，形成教學(xué)與競(jìng)賽銜接、教賽互動(dòng)、教學(xué)相長(zhǎng)的良好局面。

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