土木工程專業(yè)大學(xué)生參與“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”的模式與效果分析

賈穗子，徐能雄

中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083

“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”（簡稱“大創(chuàng)”）的實施，有助于培養(yǎng)大學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新意識?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020 年）》明確指出，要提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，支持學(xué)生參與科學(xué)研究，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。我國《高等教育法》規(guī)定： 本科教育應(yīng)當使學(xué)生比較系統(tǒng)地掌握本學(xué)科和專業(yè)必需的理論基礎(chǔ)知識，掌握本專業(yè)必要的基本技能、方法和相關(guān)知識，具有從事本專業(yè)實際工作和研究工作的初步能力?？梢?，大學(xué)生科研能力的培養(yǎng)已成為高校關(guān)注的焦點。“大創(chuàng)”項目為大學(xué)生參與科研課題的研究提供平臺，有利于激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力，為解決本科層次工科人才“工程性”與“創(chuàng)新性”缺失的問題提供了良好的平臺和條件，加強了教師與學(xué)生之間的交流與合作，寓教于“創(chuàng)新性實驗”[1-4]。

“大創(chuàng)”項目應(yīng)有計劃、有目標、有考核地實施，強化實踐，學(xué)以致用。針對土木工程專業(yè)的學(xué)生，“大創(chuàng)”項目是同學(xué)們未來從事工作的一個歷練，其實質(zhì)就是“工程性”與“創(chuàng)新性”訓(xùn)練的一門課程，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)興趣具有重要作用。我校將“大創(chuàng)”作為大三學(xué)生的必修課，納入教學(xué)計劃，設(shè)置科研學(xué)分。按照學(xué)校相關(guān)文件精神，依據(jù)學(xué)生自愿、學(xué)生和教師雙向選擇原則，每個學(xué)生都要作為主持者或者作為參與者參加1項“大創(chuàng)”項目，每個項目最多6人形成一個團隊，小組成員分工明確，若達到考核要求，可獲得2個創(chuàng)新學(xué)分。由于專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)任務(wù)在大三階段基本完成，參與“大創(chuàng)”項目能夠及時將所學(xué)到的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識結(jié)合實踐進行深化。

一、 影響“大創(chuàng)”項目實施效果的4個要素

1. “大創(chuàng)”項目的個性化培養(yǎng)

“大創(chuàng)”項目的個性化培養(yǎng)是決定實施效果的第一要素，是指導(dǎo)教師發(fā)揮“導(dǎo)”的作用的關(guān)鍵所在?！按髣?chuàng)”指導(dǎo)教師應(yīng)預(yù)先根據(jù)自己的科研課題擬定研究方向，并向小組成員詳細介紹課題的研究背景及意義，以及擬解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。土木工程專業(yè)教師承擔(dān)的科研課題面向?qū)嶋H工程的應(yīng)用型課題較多，這種情況下應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析研究課題的社會價值、經(jīng)濟價值、環(huán)境價值，提高學(xué)生從事科研的積極性和主動性。研究小組成員結(jié)合自己的興趣及所學(xué)專業(yè)知識情況，在教師指導(dǎo)下發(fā)揮各自特長，做好任務(wù)分工。在每個學(xué)生都必須參與創(chuàng)新性實驗基本要求基礎(chǔ)上，指導(dǎo)教師要充分了解每個小組成員的發(fā)展需求，在分工中有所側(cè)重，實施個性化培養(yǎng)，對于本科畢業(yè)后選擇參加工作的同學(xué)可多承擔(dān)一些實際操作性強的研究，而對于選擇繼續(xù)攻讀研究生的同學(xué)可多承擔(dān)些理論分析工作。

2. “大創(chuàng)”項目與導(dǎo)師科研課題的融合

“大創(chuàng)”項目與導(dǎo)師科研課題的融合是決定實施效果的第二要素。土木工程專業(yè)指導(dǎo)教師的科研課題，往往結(jié)合實際工程進行應(yīng)用技術(shù)研究，使得大學(xué)生能夠較早地接觸實際工程，進行科研訓(xùn)練，有助于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實際工程問題的能力，達到學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提升的訓(xùn)練目標。

3. “大創(chuàng)”項目的選題

“大創(chuàng)”項目的選題是決定實施效果的第三要素。土木工程專業(yè)“大創(chuàng)”項目選題的核心問題，就是應(yīng)結(jié)合“大工程”選題。以“裝配式輕鋼—輕墻結(jié)構(gòu)”研發(fā)為例，這種新型結(jié)構(gòu)體系是筆者研發(fā)的一種適于村鎮(zhèn)低層住宅的新型裝配式輕鋼框架—組合墻結(jié)構(gòu)體系，指導(dǎo)的“大創(chuàng)”項目為“低周反復(fù)荷載作用下裝配式輕鋼—輕墻結(jié)構(gòu)承載力計算”，是研究該新型結(jié)構(gòu)體系抗震性能的關(guān)鍵技術(shù)的重要組成部分。該“大創(chuàng)”項目選題的特征：（1）研發(fā)一種新型抗震節(jié)能農(nóng)房結(jié)構(gòu)，具有量大面廣的“大工程”的選題內(nèi)涵；（2）研發(fā)裝配式新型農(nóng)房結(jié)構(gòu)，具有“像造汽車一樣造房子”的工業(yè)化建筑特征，新型工業(yè)化建筑體系的研發(fā)同樣具有“大工程”的內(nèi)涵；（3）研發(fā)的輕鋼框架—組合墻結(jié)構(gòu)，利用了再生混凝土材料，再生混凝土是建筑垃圾廢棄混凝土資源化的產(chǎn)品，建筑材料資源化循環(huán)利用，具有“大工程”的屬性；（4）研發(fā)的新型綠色農(nóng)房結(jié)構(gòu)圍護墻體是抗震節(jié)能一體化墻體，建筑從建造到運維全過程的能耗在全國總能耗中約占30%，低能耗建筑技術(shù)的研發(fā)顯見更具“大工程”的屬性。

4. “大創(chuàng)”項目的分工合作

“大創(chuàng)”項目的分工合作是決定實施效果的第四要素。學(xué)生分工合作完成“大創(chuàng)”項目，在完成項目研發(fā)過程中，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神。在明確各成員任務(wù)分工后，大家查閱相關(guān)文獻資料，項目負責(zé)人匯總問題，小組討論分析，經(jīng)歸納總結(jié)形成研究思路

二、土木工程專業(yè)“大創(chuàng)”項目實施的3種模式

1. 大工程下實踐化研發(fā)模式

旨在克服學(xué)生培養(yǎng)脫離工程和實踐的弊端，結(jié)合大工程的實驗研發(fā)，包括工程模型實驗和工程現(xiàn)場實驗研發(fā)，師生共同面對工程一線關(guān)鍵技術(shù)問題挑戰(zhàn)，在解決大工程關(guān)鍵技術(shù)問題過程中，實現(xiàn)師生創(chuàng)新思維的碰撞與溝通，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新靈感。

2. 大工程下群體型研討模式

旨在克服師傅帶徒弟模式的弊端，發(fā)揮學(xué)生群體創(chuàng)新與團隊作用，師生群策群力，共同研討，觸類旁通，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，推進個體創(chuàng)新與群體創(chuàng)新互動發(fā)展。

3. 大工程下開放式培養(yǎng)模式

旨在克服“閉門造車”研究模式的弊端，結(jié)合大工程和產(chǎn)業(yè)化集成技術(shù)研發(fā)、校外專家、校內(nèi)導(dǎo)師和學(xué)生互動的方式，探究科學(xué)與技術(shù)問題，豐富了工程案例，引領(lǐng)了工程方向，開拓了創(chuàng)新視野，提升學(xué)生解決實際工程問題的創(chuàng)新能力。

本文的“大工程”指社會經(jīng)濟價值大的工程，一是指“鳥巢”“中國尊大廈”“三峽大壩”“京滬高鐵”“秦嶺隧道”等重大工程；二是指量大面廣的工程，比如綠色農(nóng)房抗震節(jié)能結(jié)構(gòu)，我國農(nóng)房占全國房屋總面積的50%，歷次大地震農(nóng)房破壞和倒塌是造成人民生命財產(chǎn)重大損失的根源，新型抗震節(jié)能農(nóng)房的研發(fā)是重大的民生工程。

三、 土木工程專業(yè)“大創(chuàng)”項目的5個要點及實施效果

以筆者指導(dǎo)的土木工程專業(yè)大學(xué)生“大創(chuàng)”項目“低周反復(fù)荷載作用下裝配式輕鋼—輕墻結(jié)構(gòu)承載力計算”為例，從項目選題到實施過程，探討了“大創(chuàng)”實施模式—大工程下實踐化研發(fā)模式的5個要點，并分析了實施效果。

1. 大工程下實踐化研發(fā)模式的5個要點

（1）“大創(chuàng)”項目必須結(jié)合工程實際，明確研究分工，恰當安排研究內(nèi)容，合理確定實施方案。首先根據(jù)學(xué)生的知識水平和興趣，確定學(xué)生能力范圍之內(nèi)的研究內(nèi)容。在閱讀文獻環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱裝配式結(jié)構(gòu)中包含綠色環(huán)保、高效節(jié)能、梁柱節(jié)點、組合結(jié)構(gòu)、裝配式鋼框架、裝配式鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)、組合剪力墻等關(guān)鍵詞的相關(guān)文獻，充分了解所研究結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)類似結(jié)構(gòu)承載力計算方法。針對擬研究的問題，教師與學(xué)生溝通和研討，制訂出可行的研究方案和合理的進度安排。在方案實施過程中，按照進度安排，通常每半個月和指導(dǎo)教師溝通一次，遇到問題隨時溝通并及時解決，保證課題研究順利有效地開展。同時，應(yīng)根據(jù)學(xué)生在參與課題過程中表現(xiàn)出的科研能力，靈活調(diào)整難度，以充分調(diào)動學(xué)生的科研積極性。

（2）“大創(chuàng)”項目的特點在于“實驗”，教師要引導(dǎo)學(xué)生對“實驗”從感性認識向理性認識發(fā)展。組織學(xué)生觀看裝配式輕鋼—輕墻結(jié)構(gòu)房屋，講解結(jié)構(gòu)抗震性能試驗試件的制作要點，觀看低周反復(fù)荷載下輕鋼—輕墻結(jié)構(gòu)試驗全過程的影像資料，觀摩類似結(jié)構(gòu)試驗現(xiàn)場，了解試驗加載裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，掌握試驗測試方法。

（3）“大創(chuàng)”項目的數(shù)值仿真是學(xué)生未來進行科研的基本技能，需要加強訓(xùn)練。組織學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的有限元分析軟件，掌握專業(yè)軟件的應(yīng)用，對學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計同樣是重要的，這樣可將“大創(chuàng)”項目對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與理論教學(xué)實踐環(huán)節(jié)相統(tǒng)一，相互支撐，全方位構(gòu)成大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)體系。

（4）“大創(chuàng)”項目實施要有工程目標，研究內(nèi)容源于工程，研究成果高于工程并用于工程。讓學(xué)生在裝配式輕鋼—輕墻結(jié)構(gòu)低周反復(fù)荷載試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進行裝配式結(jié)構(gòu)正截面承載力計算和斜截面承載力計算方法研究，建立承載力計算模型和理論公式，并結(jié)合國家現(xiàn)行組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（JGJ138-2016）中相關(guān)公式，提出用于工程設(shè)計的裝配式輕鋼—輕墻結(jié)構(gòu)承載力計算方法。

（5）“大創(chuàng)”項目實施中，必須與學(xué)生已學(xué)過的基礎(chǔ)理論知識相結(jié)合。

2. 實施效果

（1）提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和分析問題的能力。學(xué)生參與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性實驗后，發(fā)現(xiàn)了諸多問題，比如：鋼筋混凝土原理課程中的鋼筋混凝土梁和柱，由于混凝土抗拉強度顯著小于抗壓強度，不符合材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)中材料各向同性的假定，混凝土開裂后不再符合材料是連續(xù)的假定；“大創(chuàng)”項目研發(fā)的輕鋼—輕墻結(jié)構(gòu)的輕鋼框架，采用強化型裝配節(jié)點時，框架節(jié)點基本滿足“剛結(jié)”的假定；輕鋼框架柱采用輕型鋼管再生混凝土柱時，框架柱由鋼與混凝土兩種材料組合而成，不再符合材料力學(xué)中材料是均勻的、各向同性的假定；輕鋼—輕墻結(jié)構(gòu)抗震試驗中，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的側(cè)移變形，不再符合結(jié)構(gòu)變形是微小的假定，此時結(jié)構(gòu)受力的二階效應(yīng)已不可忽略，等等。正是由于這些發(fā)現(xiàn)，激發(fā)了學(xué)生研發(fā)新型工程結(jié)構(gòu)的興趣。

（2）提高了學(xué)生解決問題的能力。學(xué)生參與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性實驗后，將所學(xué)的工程圖學(xué)、土木工程材料、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、房屋建筑學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等課程的知識點有機結(jié)合，融會貫通，并在此過程中提升解決問題的能力。

（3）提高了學(xué)生創(chuàng)新能力。由于“大創(chuàng)”項目要求通過創(chuàng)新性實驗解決實際工程問題，特別是新型抗震節(jié)能結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)問題，結(jié)合創(chuàng)新性實驗，學(xué)生對新型結(jié)構(gòu)的受力分析理論模型產(chǎn)生了濃厚的興趣，并建立了承載力計算模型，推導(dǎo)了計算公式，明顯提高了學(xué)生理論結(jié)合實際的創(chuàng)新能力。

（4）提高了學(xué)生綜合素質(zhì)。學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，應(yīng)貫穿于整個培養(yǎng)過程中，學(xué)生參與“大創(chuàng)”項目，對提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、團隊精神、實踐能力等綜合素質(zhì)，起到了關(guān)鍵的推進作用。

（5）以“大創(chuàng)”形式讓大學(xué)生參與教師科研課題的創(chuàng)新性實驗，促進了科研與教學(xué)的互動與深化內(nèi)涵發(fā)展。

四、小結(jié)

本文以實際工程為背景，將土木工程專業(yè)“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目與筆者承擔(dān)的國家自然科學(xué)青年基金項目關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)相結(jié)合，歸納了影響“大創(chuàng)”項目實施效果的4個要素，提出了“大創(chuàng)”項目實施的大工程下實踐化研發(fā)模式、大工程下群體型研討模式和大工程下開放式培養(yǎng)模式3種模式。以筆者指導(dǎo)的“大創(chuàng)”項目“低周反復(fù)荷載作用下裝配式輕鋼—輕墻結(jié)構(gòu)承載力計算”為例，探討了“大創(chuàng)”項目實施模式中“大工程下實踐化研發(fā)模式”的5個要點，分析了實施效果。結(jié)果表明，以“大創(chuàng)”形式讓土木工程專業(yè)大學(xué)生參與教師科研課題的創(chuàng)新性實驗，提高了大學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，拓展了大學(xué)生創(chuàng)新思維，提升了獨立思考、勇于實踐的能力，推進了科研與教學(xué)的互動與深化內(nèi)涵發(fā)展。