依托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的大學(xué)生創(chuàng)新研學(xué)能力培養(yǎng)實(shí)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)

依托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的大學(xué)生創(chuàng)新研學(xué)能力培養(yǎng)實(shí)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(huì)發(fā)展需要的具備實(shí)踐和創(chuàng)新能力的卓越工程師，各學(xué)科開(kāi)展了豐富多彩的課外科技活動(dòng)。在就專(zhuān)業(yè)興趣、應(yīng)用能力、創(chuàng)新實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)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(jì)競(jìng)賽的創(chuàng)新研學(xué)能力培養(yǎng)模式，并從基礎(chǔ)實(shí)踐、創(chuàng)新研學(xué)和綜合素質(zhì)培養(yǎng)三個(gè)階段對(duì)此模式進(jìn)行實(shí)踐，旨在為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供借鑒。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；研學(xué)能力；卓越工程師；培養(yǎng)模式

土木工程是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，“較強(qiáng)的實(shí)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(shí)，在“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)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(lái)，大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽在我國(guó)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(jì)大賽，當(dāng)時(shí)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(guó)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(kāi)展了這類(lèi)賽事[3]。從2005年開(kāi)始，全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽成為教育部指定的九大學(xué)科競(jìng)賽之一。作為土木工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新性和實(shí)踐性最強(qiáng)的學(xué)科競(jìng)賽，在培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)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(jìng)賽對(duì)土木工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的促進(jìn)作用，對(duì)大學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要意義。

一、全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽概述

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的內(nèi)容通常為給定某種材料，設(shè)計(jì)并制作滿(mǎn)足賽題要求的結(jié)構(gòu)模型，并通過(guò)計(jì)算書(shū)審查和加載試驗(yàn)進(jìn)行最終評(píng)定得分。比賽時(shí)，需要提交的內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)(結(jié)構(gòu)選型、建模、計(jì)算參數(shù)、受力分析、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、模型加工圖等)，以及按賽題要求在競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)規(guī)定時(shí)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(píng)分體系，包括：設(shè)計(jì)圖與計(jì)算書(shū)、制作質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)、結(jié)構(gòu)重量、承載力等。有時(shí)也會(huì)根據(jù)具體賽題特點(diǎn)設(shè)置個(gè)別特定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，如發(fā)電功率等。

自2005年至今，全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽共舉辦了8屆，每年依據(jù)不同要求，各類(lèi)團(tuán)體或高校會(huì)舉辦不同級(jí)別的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競(jìng)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(jìng)賽有蘇州科技學(xué)院本科生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽(校級(jí)聯(lián)賽)、江蘇省大學(xué)生土木工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競(jìng)賽(省級(jí)聯(lián)賽)、全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽(全國(guó)競(jìng)賽)三個(gè)級(jí)別,并已成為蘇州科技學(xué)院土木工程專(zhuān)業(yè)大學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐和創(chuàng)新能力訓(xùn)練的重要平臺(tái)之一。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)創(chuàng)新研學(xué)能力培養(yǎng)的意義

1.有利于開(kāi)發(fā)學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽本身就是一類(lèi)實(shí)踐研學(xué)活動(dòng)，無(wú)論是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算分析還是模型制作過(guò)程中，學(xué)生都是活動(dòng)開(kāi)展的主體。在競(jìng)賽中，學(xué)生將努力應(yīng)用一系列專(zhuān)業(yè)課中的理論知識(shí)解決模型設(shè)計(jì)、分析和制作過(guò)程中所遇到的各類(lèi)問(wèn)題，反復(fù)回憶、組織、應(yīng)用他們之前已儲(chǔ)備的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，而模型的每一次進(jìn)步都將最直觀地向他們展現(xiàn)專(zhuān)業(yè)理論對(duì)實(shí)際工程的巨大效用，從而有利于調(diào)動(dòng)他們對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)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(jì)競(jìng)賽內(nèi)容決定了在比賽過(guò)程中，學(xué)生必須將所能掌握的所有專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，從而完成賽題所提出的圖紙、計(jì)算書(shū)和模型制作等多方面的要求。如在圖紙繪制時(shí)，學(xué)生必須掌握工程制圖、CAD軟件等知識(shí)；在計(jì)算書(shū)撰寫(xiě)時(shí)，學(xué)生不但需要涉及力學(xué)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、專(zhuān)業(yè)軟件等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，同時(shí)需要能夠具備較高的文檔編制和處理能力；在模型制作時(shí)，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(shí)。因此，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)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(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐精神

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目一般來(lái)源于實(shí)際結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化，所考慮的荷載往往也為實(shí)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(shí)，模型方案、結(jié)構(gòu)造型在評(píng)分體系中也會(huì)占據(jù)一定的比重，近幾年的全國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽均設(shè)有最佳創(chuàng)意獎(jiǎng)，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(shí)施才能獲得最終成功，評(píng)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(jì)向?qū)嵨镛D(zhuǎn)化的能力，并將創(chuàng)新與實(shí)踐相結(jié)合。

4.有利于增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)

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

三、依托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的能力培養(yǎng)實(shí)踐

第七屆全國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題要求參賽隊(duì)設(shè)計(jì)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(cè)試。模型的加載分為靜加載和動(dòng)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(lái)體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率；動(dòng)加載通過(guò)參賽選手進(jìn)行繞標(biāo)競(jìng)速來(lái)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(diǎn)都取決于參賽選手的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)方式和模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)參賽隊(duì)員的力學(xué)分析能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算能力、現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(jì)競(jìng)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(gè)過(guò)程分為三個(gè)階段：

1.基礎(chǔ)實(shí)踐階段

根據(jù)賽題情況和賽程安排，組織了針對(duì)蘇州科技學(xué)院全體本科生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽——第十二屆二建杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽。通過(guò)預(yù)賽和復(fù)賽，最終決出獲勝團(tuán)隊(duì)參加全國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhuān)業(yè)認(rèn)識(shí)為主，指導(dǎo)他們開(kāi)展方案設(shè)計(jì)、模型制作和初步試驗(yàn)等工作。根據(jù)賽題給出的外形尺寸開(kāi)展結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)：

(1)首先聯(lián)想到鋼桁架橋梁，設(shè)計(jì)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(dòng)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(diǎn)相對(duì)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(jì)，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(dòng)主要靠拉條限制，整體剛度相對(duì)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(shí)桿件和節(jié)點(diǎn)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(jì)了結(jié)構(gòu)方案S3(圖2c)：該方案不對(duì)稱(chēng)，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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(duì)選手“踩高蹺”技能提出了更高要求，實(shí)際試用時(shí)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(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)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(diǎn)選用了結(jié)構(gòu)方案S2。

2.創(chuàng)新研學(xué)階段

以知識(shí)體系為載體，在理論交流過(guò)程中進(jìn)行創(chuàng)新引導(dǎo)；以模型設(shè)計(jì)實(shí)踐為載體，在方案、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行創(chuàng)新訓(xùn)練。從而以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)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(zhuān)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(gè)層次認(rèn)識(shí)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(yàn)等方面的基本知識(shí)和手段，培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)具體工程開(kāi)展合理評(píng)價(jià)的能力。

圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)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(jì)算書(shū)撰寫(xiě)過(guò)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(guò)程中，指導(dǎo)學(xué)生與組織者、其他參賽者以及自身團(tuán)隊(duì)成員的交流方法，教授學(xué)生調(diào)節(jié)心理與處理現(xiàn)場(chǎng)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(shū)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(shí)際工程突發(fā)事件的能力。

在整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽過(guò)程中，采用了“問(wèn)題式教學(xué)”的方法引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，通過(guò)相互交流對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析，最終找到解決問(wèn)題的方法；鼓勵(lì)學(xué)生利用已知的知識(shí)去探索未知的知識(shí)，用新的方法、新的思想去獲取這些知識(shí)，激發(fā)了學(xué)生解決實(shí)踐問(wèn)題的興趣。

[1] 高等學(xué)校土木工程學(xué)科專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)委員會(huì).高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專(zhuān)業(yè)規(guī)范[M].北京:中國(guó)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(jìng)賽構(gòu)建開(kāi)放式創(chuàng)新研學(xué)平臺(tái)[J].高等建筑教育,2011,20(6):129-132.

[3] 陳慶軍，羅嘉濠，陳思煌,等.國(guó)內(nèi)外大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽總結(jié)及研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):哲學(xué)社會(huì)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(shí)踐性設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)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(jì)劃項(xiàng)目(教高廳函[2012]7號(hào))

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