土木工程課程教學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽融合模式的探索

李煒明， 馬騰飛

(1.武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430023; 2.普渡大學(xué) 西拉法葉校區(qū)，印第安納州 47906 美國)

0 引 言

李克強(qiáng)總理2014年9月在達(dá)沃斯論壇上提出“萬眾創(chuàng)新”是中國經(jīng)濟(jì)前行的新引擎之一，從而進(jìn)一步明確、強(qiáng)調(diào)了普通高校對(duì)于人才培養(yǎng)的重點(diǎn)與目標(biāo)。同時(shí)，面對(duì)90后大學(xué)生與即將入學(xué)的00后大學(xué)生群體，工科教學(xué)部分沿用了上個(gè)世紀(jì)的傳統(tǒng)模式，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以至實(shí)驗(yàn)形式基本無變化，有必要進(jìn)行新的探索與實(shí)踐。

對(duì)于土木工程，為培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、合作精神和工程實(shí)踐能力，教育部在2007年設(shè)立了大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，并逐步形成了國家級(jí)、區(qū)域級(jí)、省級(jí)、校級(jí)的多層次賽事，促進(jìn)了高校的創(chuàng)新教育與實(shí)踐教學(xué)改革[1-4]。國內(nèi)諸多高校對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的模式及試題進(jìn)行了較為廣泛的討論[5-6]，并與教學(xué)改革相結(jié)合，進(jìn)行了多方面的探索與實(shí)踐[7-8]。湖北省在2013年，由省教育廳、省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳、省土木建筑學(xué)會(huì)等單位，開始舉辦湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽。而國外類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽開始更早，如美國在1992年即由美國土木工程師協(xié)會(huì)(ASCE)開始舉辦全國性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽(Student Steel Bridge Competition，SSBC)，并邀請(qǐng)多個(gè)國家隊(duì)伍參賽?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽雖為專業(yè)性競(jìng)賽，暫未與本科教學(xué)進(jìn)行結(jié)合，大多數(shù)未參賽同學(xué)的專業(yè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)載體較為缺乏。

有鑒于此，普通高校土木工程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有必要對(duì)新模式進(jìn)行探索以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求，有必要進(jìn)行現(xiàn)有學(xué)科競(jìng)賽與課程教學(xué)融合模式的研究。

1 專業(yè)課程現(xiàn)有教學(xué)模式問題

現(xiàn)有土木工程專業(yè)課程一般從第4個(gè)學(xué)期開始，比較典型的是專業(yè)基礎(chǔ)課程材料力學(xué)?，F(xiàn)以材料力學(xué)為例，討論目前專業(yè)課程教學(xué)模式中存在的問題。

我國材料力學(xué)(Mechanics of Materials)已有理論體系較為成熟[9-12]，教學(xué)改革也已有較多討論[13-16]。本文前期以孫訓(xùn)方老師的教材為基礎(chǔ)，提煉了“緒論-4種主要變形-4個(gè)特殊問題” 的基本理論體系，幫助學(xué)生建立起了材料力學(xué)的整體邏輯框架，在教學(xué)中取得了較好的效果，同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了一些需要改進(jìn)的問題。

1.1 專業(yè)詞匯較為抽象

如教材第1章第1頁中即提出了構(gòu)件正常工作的條件：強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題。傳統(tǒng)上，對(duì)此，會(huì)舉簡(jiǎn)單的工程構(gòu)件加以說明。但對(duì)于剛進(jìn)入專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)的大二同學(xué)，簡(jiǎn)單的工程案例對(duì)部分同學(xué)仍然較為陌生抽象。

1.2 章節(jié)聯(lián)系缺乏載體

第2～3章分別闡述構(gòu)件在拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲時(shí)的內(nèi)力、應(yīng)力、變形、強(qiáng)度與應(yīng)變能，各章第1節(jié)的引例分別為桁架拉桿、齒輪傳動(dòng)軸、簡(jiǎn)支橋梁。而第6～9章分別闡述超靜定、應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論、組合變形及連接件、壓桿穩(wěn)定等4個(gè)特殊問題。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，前期提煉的“4種主要變形-4個(gè)特殊問題” 基本理論體系，學(xué)生能夠進(jìn)行記憶，但不容易對(duì)于8章內(nèi)容進(jìn)行內(nèi)在聯(lián)系，不利于加深理解與靈活運(yùn)用。

1.3 理論與實(shí)際缺乏橋梁

土木工程實(shí)際工程結(jié)構(gòu)體量巨大，體系復(fù)雜，各版本教材中的例題、習(xí)題與實(shí)際工程存在鴻溝，大部分同學(xué)不能通過學(xué)習(xí)課程完成理論到工程的跨越，二者中間亟需一個(gè)中間環(huán)節(jié)的橋梁。這個(gè)中間環(huán)節(jié)的橋梁，既不同于簡(jiǎn)單的例題習(xí)題，又沒有復(fù)雜到無從下手的工程結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以借此完成從理論到工程的跨越。

1.4 學(xué)生主觀能動(dòng)性存在差異

現(xiàn)在本科生為“90后”(以及即將入學(xué)的“00后”)，從幼兒園開始，接受的教育模式比傳統(tǒng)模式更為注重興趣，教育形式也更為注重參與多元化，一旦進(jìn)入專業(yè)較為傳統(tǒng)模式的階段，大部分學(xué)生積極性無法及時(shí)、充分發(fā)揮，甚至有少數(shù)學(xué)生從這里開始產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)成績(jī)的分化。

1.5 深入理解缺乏實(shí)踐案例

材料力學(xué)理論性較強(qiáng)，計(jì)算較為靈活，現(xiàn)有例題習(xí)題往往限于教材、大綱、課時(shí)要求，停留在簡(jiǎn)單理解、掌握的階段，對(duì)于深入理解、靈活運(yùn)用缺乏載體輔助。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽與案例

全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽由中國高等教育學(xué)會(huì)工程教育專業(yè)委員會(huì)、高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)、中國土木工程學(xué)會(huì)教育工作委員會(huì)和教育部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)環(huán)境與土木水利學(xué)部共同主辦。以“3C”，即創(chuàng)造(Creativity)、協(xié)作(Cooperation)、實(shí)踐(Construction)為宗旨，致力于培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)意創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與挑戰(zhàn)、工程實(shí)踐能力，致力于推動(dòng)大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)，立足于進(jìn)一步推進(jìn)高校創(chuàng)新教育、實(shí)踐教育的教學(xué)改革，為土木工程“以賽促學(xué)、以賽促教、以賽促建、以賽促改”提供平臺(tái)，鼓勵(lì)大學(xué)生“展示才華、提升能力、培養(yǎng)協(xié)作、享受過程”。

2016年舉辦了第十屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽。本屆比賽賽題立足于結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)概念，考察結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)提出了剛?cè)岵?jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，首次提出了第2階段荷載自選，使比賽富于競(jìng)爭(zhēng)性，增加比賽的趣味性。

賽題要求設(shè)計(jì)一大跨度屋蓋，承臺(tái)板標(biāo)準(zhǔn)尺寸1 200 mm×800 mm，厚度16 mm，屋蓋結(jié)構(gòu)的具體形式不限，屋蓋結(jié)構(gòu)的總高度≤125 mm，最高處標(biāo)高≤425 mm，平面凈尺寸范圍(850 mm×550 mm)，內(nèi)屋蓋凈空≥300 mm，屋蓋結(jié)構(gòu)覆蓋面積(水平投影面積)≥900 mm×600 mm，≤1 050 mm×750 mm，不需制作屋面。屋蓋結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)(軸網(wǎng)900 mm×600 mm的中心)處頂面為撓度測(cè)量點(diǎn)。

競(jìng)賽加載分為了兩個(gè)階段：第1階段用來模擬正常使用極限狀態(tài)，第1、2級(jí)分別加載6、8 kg；第2階段用來模擬承載力極限狀態(tài)，第3、4級(jí)分別加載荷載自選。

3 融合模式的課程教學(xué)改革

以材料力學(xué)與第十屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽本校作品的融合為例，給出了基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)模式(見圖1)。以本校大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)(見圖1)為案例，將結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件，基于理論教學(xué)的基本假設(shè)，分別探討拉壓、扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲等各種變形形式。進(jìn)一步討論設(shè)計(jì)作品的超靜定特征，基于應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度理論，分析構(gòu)件可能的破壞形式，并討論構(gòu)件可能存在的組合變形、細(xì)長受壓桿件的壓桿穩(wěn)定等典型不利工況，最后，考慮在材料力學(xué)課程的原有實(shí)驗(yàn)中，加入競(jìng)賽材料(竹材)的拉壓實(shí)驗(yàn)。

圖1 材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽融合的教學(xué)模式

對(duì)照傳統(tǒng)模式存在的問題，可以以此賽題為貫穿全課程的案例，根據(jù)自愿原則，學(xué)生可以個(gè)人或小組參與討論，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

3.1 將抽象專業(yè)詞匯轉(zhuǎn)化為了具體問題

如對(duì)于教材第1章第1頁提出的構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性工作條件。強(qiáng)度定義為荷載作用下，桿件不發(fā)生破壞(斷裂或失效)，那么，對(duì)于我?，F(xiàn)有模型，有哪些桿件可能發(fā)生破壞？請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行預(yù)判，并提出可能的優(yōu)化方案，在各章學(xué)習(xí)中，進(jìn)行相關(guān)分析與計(jì)算，分別與備賽過程中模型的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較。

3.2 將整個(gè)材料力學(xué)體系融入實(shí)際案例

對(duì)于本校模型，4種變形哪幾種是主要的？可以通過哪些方式來避免不利工況？4個(gè)特殊問題在此模型中如何體現(xiàn)？我校競(jìng)賽方案中柱子做成格構(gòu)柱的理論依據(jù)是什么？細(xì)長柱受壓失穩(wěn)與強(qiáng)度破壞、允許變形存在哪些差異？應(yīng)該選擇什么樣截面的構(gòu)件？有可能發(fā)生哪些失效工況？應(yīng)該如何分別解決各類失效工況？

3.3 搭建了理論與工程的過渡橋梁

材料力學(xué)為土木工程中的專業(yè)基礎(chǔ)課，為學(xué)生在此階段接觸專業(yè)理論的起步階段，部分例題習(xí)題無工程背景，將理論、計(jì)算與工程結(jié)合存在難度，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽剛好完成理論到工程的過渡，既非單純理論，又比實(shí)際工程要簡(jiǎn)單，具備本階段理論解決實(shí)際問題的條件。

3.4 激發(fā)了傳統(tǒng)工科領(lǐng)域低年級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

能讓學(xué)生清楚為什么學(xué)，能解決什么問題，同時(shí)，賦予了學(xué)習(xí)過程一定的競(jìng)爭(zhēng)性，符合“95后”“00后”的學(xué)習(xí)習(xí)慣，使傳統(tǒng)工科領(lǐng)域低年級(jí)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)熱情，不再僅限于主動(dòng)性強(qiáng)的同學(xué)。

3.5 為學(xué)生深入理解提供案例

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽不僅能為學(xué)生提供理論結(jié)合實(shí)踐的平臺(tái)，同時(shí)，能在較低經(jīng)濟(jì)成本的前提下，為學(xué)生理論-實(shí)踐-再理論-再實(shí)踐的循序深化提供案例，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的校、省、國三級(jí)平臺(tái)的競(jìng)賽結(jié)果方案，又自然具備了啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力、深化學(xué)生理論理解、促進(jìn)學(xué)生切實(shí)實(shí)踐的基礎(chǔ)。

圖2為第十屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽全國部分高校的競(jìng)賽方案。圖2(a)～(c)為與本校不同結(jié)構(gòu)形式，圖2(d)～(f)為與本校主體受力結(jié)構(gòu)有類似之處的結(jié)構(gòu)形式，這兩大類也是本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽主要的兩類結(jié)構(gòu)形式。對(duì)此，綜合以上各點(diǎn)，如結(jié)合材料力學(xué)課程，可與學(xué)生開展如下討論：

(1) 各類結(jié)構(gòu)選型各有何優(yōu)劣？不同類選型各自的主要受力桿件是什么？其主要變形類型是什么？

(2) 方案(d)～(f)為與本校同類型選型，細(xì)節(jié)異同的優(yōu)劣是什么？此類選型的優(yōu)缺點(diǎn)各是什么？此類選型的要點(diǎn)是什么？

(3) 對(duì)于分部結(jié)構(gòu)，以柱子為例,本校模型格構(gòu)柱為棱臺(tái)型，同類型的選型中，方案(d)、(e)分別為棱柱型、棱錐型，三類格構(gòu)柱分別的優(yōu)點(diǎn)是什么？實(shí)際工程選用哪種類型比較好？實(shí)際工程中，柱子選型還需考慮哪些因素？方案(f)單柱類型，其與格構(gòu)柱比較，優(yōu)缺點(diǎn)是什么？各自受力特征、破壞特征是什么？各自的強(qiáng)度、變形與穩(wěn)定性如何？

其他各校方案圖片，為競(jìng)賽舉辦方官方發(fā)布，有來自同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等124所高校的125個(gè)方案，每個(gè)方案都經(jīng)過了漫長的設(shè)計(jì)、制作與優(yōu)化的過程，是工科教學(xué)難得的全國范圍內(nèi)的一題多做的案例。加上本校方案、參賽隊(duì)員帶來的親切感，能有力激發(fā)學(xué)生的參與感與主觀能動(dòng)性，是創(chuàng)新能力培養(yǎng)難得的載體，融入土木工程專業(yè)的教學(xué) 意義顯著。

(a) 方案a

(d) 方案d

4 結(jié) 語

對(duì)于土木工程專業(yè)課程，概念較多，體系相對(duì)復(fù)雜而前后聯(lián)系緊密。本文將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽與土木工程專業(yè)教學(xué)改革相結(jié)合，對(duì)于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)體系與實(shí)踐進(jìn)行了探索。在近3年的教學(xué)與競(jìng)賽指導(dǎo)的過程中，激發(fā)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，加深了理論學(xué)習(xí)的理解，提供了理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，提高了學(xué)生的創(chuàng)造、協(xié)作與實(shí)踐能力，取得了一定的效果，獲得了全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，湖北省及中南區(qū)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，可以為土木工程專業(yè)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)模式研究提供參考。