大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽對結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)的啟示

喬朋 李悅 馬乾瑛

摘要：中國高?！半p一流”建設(shè)的核心是一流本科教學(xué)。一流本科教學(xué)要實現(xiàn)一流人才的培養(yǎng)目標，在課程教學(xué)中應(yīng)強化“學(xué)生為本”的教學(xué)理念。通過引導(dǎo)大學(xué)生積極參加結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力、創(chuàng)新能力、動手能力和團隊協(xié)作能力等，全面提升學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力。參考結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的良好效果，建議在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中增加定性結(jié)構(gòu)力學(xué)內(nèi)容，加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)和采用探究性學(xué)習(xí)方式，可彌補傳統(tǒng)課堂教學(xué)對學(xué)生知識應(yīng)用訓(xùn)練方面的不足。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué);課程教學(xué)改革;結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽;能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2019）05-0074-06

在國家高等學(xué)?！半p一流”建設(shè)方案和高等教育綜合改革的引領(lǐng)下，中國高等教育進入內(nèi)涵式發(fā)展的新時代?！耙涣鞔髮W(xué)”“一流學(xué)科”建設(shè)應(yīng)該以“一流學(xué)院”“一流專業(yè)”的建設(shè)為基礎(chǔ)，以“一流人才”的培養(yǎng)為目標。只有把教師、學(xué)生以及課程與教學(xué)方法放在專業(yè)平臺上進行整合，把專業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)得更扎實，把一流本科真正辦好了，才能實現(xiàn)一流人才的培養(yǎng)目標。一流大學(xué)、一流專業(yè)建設(shè)的核心就是一流本科和一流本科教學(xué)，一流大學(xué)、一流專業(yè)必須要有一流的教學(xué)作支撐[1-3]。新時代的高等教育要求課堂教學(xué)不僅應(yīng)采用多媒體、慕課、微課等信息化新技術(shù)，而且應(yīng)樹立“學(xué)生為本”的教學(xué)理念，以人才培養(yǎng)目標為依據(jù)調(diào)整教學(xué)方案、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)評價方式。

以土木工程專業(yè)為例，人才培養(yǎng)目標要求學(xué)生能夠運用基礎(chǔ)和專業(yè)知識解決實際復(fù)雜的工程問題。傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，有利于學(xué)生掌握基本理論和專業(yè)知識，但要培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和解決具體問題的能力，必須強化課程設(shè)計、工地實習(xí)等實踐環(huán)節(jié)。為增強學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，國家各學(xué)科指導(dǎo)委員會和專業(yè)協(xié)會組織開展了一系列大學(xué)生科技競賽。其中，教育部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與中國土木工程學(xué)會聯(lián)合主辦的大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽就是一項極富創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的競賽活動。2005年以來，全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽已舉辦了十二屆。競賽要求學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)，按照賽題要求的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸和荷載作用方式，利用給定的材料制作最優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型，完成結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計、制作、試驗等任務(wù)，并提交完整的理論計算書和詳細的方案說明。整個參賽過程，既能激發(fā)學(xué)生的求知欲望，又可鍛煉學(xué)生的動手能力。多年的實踐表明，大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽可以全面考查和提升學(xué)生綜合運用土木工程專業(yè)理論知識解決實際問題的能力。本文結(jié)合第十一屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的具體賽題和學(xué)生完成情況，探討結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽對提高學(xué)生綜合能力的作用，為結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)的改革提供借鑒。

一、賽題背景及要求

中國是一個水資源短缺且水資源時空分布不均勻的國家?？傮w來看，時間上，夏秋多、冬春少;空間上，南方多、北方少。在這種情況下，積極建設(shè)輸水工程，是合理利用水資源的重要手段。在地形復(fù)雜的地區(qū)修建輸水工程，渡槽是一種常見的結(jié)構(gòu)（圖1），它可以有效減小地形對輸水的限制。第十一屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽以渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為背景，要求通過制作渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并進行輸水加載試驗，探討輸水時渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的受力特點、設(shè)計優(yōu)化、施工技術(shù)等問題。

賽題任務(wù)是完成圖2中支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作和加載，保證順利完成輸水、排水。輸水裝置和承臺的具體尺寸、模型加載和材料的具體要求可查看《第十一屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽題目》。

二、競賽對學(xué)生能力的培養(yǎng)

（一）賽題分析

由于每屆結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的賽題都不同，在模型制作之前，應(yīng)首先反復(fù)閱讀賽題，準確理解賽題的關(guān)鍵內(nèi)容和設(shè)計要點，找到賽題的難點和突破口，才能有一個合理和先進的概念設(shè)計。此次競賽賽題中，有效模型質(zhì)量依舊是一個重要評分指標，同時增加了排水效率。這就要求模型結(jié)構(gòu)不僅要滿足承載力的要求，還必須使結(jié)構(gòu)有足夠的剛度以保證排水效率，避免因結(jié)構(gòu)變形過大導(dǎo)致水無法排出。此外，模型結(jié)構(gòu)除在承臺板上的支承部分（岸跨結(jié)構(gòu)）外，還需要設(shè)計一個凈跨徑不小于1m大跨結(jié)構(gòu)（江跨結(jié)構(gòu)），這兩部分結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)所給條件和要求分別進行設(shè)計。

賽題分析需要具有廣博的專業(yè)理論知識和較豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽經(jīng)驗，通常需要在指導(dǎo)教師的點撥和指導(dǎo)下進行。學(xué)生一方面要根據(jù)已掌握的相關(guān)知識準確理解賽題的關(guān)鍵點;另一方面要通過查閱相關(guān)文獻了解渡槽結(jié)構(gòu)的受力特點和設(shè)計要點。在賽題分析環(huán)節(jié)，應(yīng)充分激發(fā)學(xué)生面對新問題時想要解決問題的欲望，這樣才能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性。

（二）結(jié)構(gòu)選型

在建筑結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計是指在建筑設(shè)計和施工之前，從經(jīng)濟、合理、實用、美觀的角度選定結(jié)構(gòu)的體系，是宏觀角度上對結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制。在設(shè)計模型之前，也應(yīng)進行模型結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計。其主要任務(wù)是在了解賽題規(guī)定的周圍附屬構(gòu)造、使用功能以及材料性能的前提下，確定結(jié)構(gòu)的主要承重體系、附屬結(jié)構(gòu)體系和連接方式等，并考慮構(gòu)件支座、安裝和加載的可實施性。競賽所用材料一般與實際的建筑材料有差異，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和破壞形式方面卻是相同的。只有充分認識材料和構(gòu)件的力學(xué)性能，才能設(shè)計較優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型。材料的實際性能往往具有一定的離散性和不確定性，附加膠水后的性能還會發(fā)生變異。除參考賽題給出的彈模、強度等力學(xué)指標外，還應(yīng)對所給材料的力學(xué)性能進行測試，以便做出合理設(shè)計。

此次競賽設(shè)計的是渡槽支撐系統(tǒng)，實際工程中可采用梁式橋、斜拉橋、拱橋、桁架橋、吊橋等多種結(jié)構(gòu)形式。在確定主體結(jié)構(gòu)體系之前，必須明確各種結(jié)構(gòu)形式的特點。通過結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的計算方法，并初步了解了不同類型結(jié)構(gòu)的受力特點。此外，通過查閱相關(guān)專業(yè)資料，結(jié)合指導(dǎo)教師參賽經(jīng)驗的介紹，學(xué)生基本掌握了各類結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點。桁架結(jié)構(gòu)各桿件受力均以單向拉、壓為主，通過對上下弦桿和腹桿的合理布置，可適應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎矩和剪力分布。結(jié)構(gòu)布置靈活，但桿件繁多會使整體質(zhì)量偏重，節(jié)點受力復(fù)雜造成制作難度較大，手工水平要求高。拱結(jié)構(gòu)是一種有水平推力的結(jié)構(gòu)，上部承受荷載后，會在支座處產(chǎn)生較大的推力，結(jié)構(gòu)可以將豎向荷載轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的軸力，減小不必要的彎矩。但拱形結(jié)構(gòu)在受力上沒有充分發(fā)揮竹材的力學(xué)性能，不適合競賽材料特點。斜拉結(jié)構(gòu)屬于拉壓并存的組合結(jié)構(gòu)體系，其主梁跨度較大，但標高較高，且以受壓為主，也無法充分發(fā)揮竹皮的受拉性能;同時，斜拉結(jié)構(gòu)整體柔度較大，排水效率較差。結(jié)合各類結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，最終決定岸跨結(jié)構(gòu)采用“多柱少梁”的結(jié)構(gòu)形式，以受壓的墩柱結(jié)構(gòu)為主;江跨結(jié)構(gòu)采用三角形桁架，并利用拉帶約束水管動位移。設(shè)計時考慮充分利用水管剛度，岸跨結(jié)構(gòu)利用少數(shù)橫梁支承水管而不設(shè)置橋面板，江跨結(jié)構(gòu)在跨中部分不設(shè)主梁，將進出水管綁扎成整體參與受力。主體結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

結(jié)構(gòu)選型能考查學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)、橋梁工程等課程中各種常見結(jié)構(gòu)受力特點的掌握程度，以及根據(jù)競賽的加載要求和材料性能進行合理比選的能力。通過結(jié)構(gòu)選型，可培養(yǎng)學(xué)生定性分析的能力，有助于學(xué)生理解概念設(shè)計的重要性。

（三）細部構(gòu)造設(shè)計

在主體結(jié)構(gòu)完成選型后，即可按照結(jié)構(gòu)定性分析的結(jié)果初步選擇各部位構(gòu)件的材料、截面以及構(gòu)件連接方式。結(jié)構(gòu)的定性分析是指根據(jù)結(jié)構(gòu)和荷載等特點對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的規(guī)律和趨勢進行判斷。在細部構(gòu)造設(shè)計時，需要通過定性分析判斷主要構(gòu)件是以受彎、受拉還是受壓為主。受彎或受壓構(gòu)件一般可選擇木條或竹條粘貼成的箱形或圓形截面，受拉構(gòu)件則選擇臘線或竹皮拉帶。從圖2的主體示意圖可知，模型岸跨結(jié)構(gòu)主要為豎向承重的墩柱，應(yīng)按受壓構(gòu)件設(shè)計，故選擇常用的箱形截面。江跨結(jié)構(gòu)的三角形桁架各桿件均為受壓桿件，根據(jù)彎矩分布規(guī)律選擇變截面的箱形截面。另外，在賽題分析時發(fā)現(xiàn)，競賽題目規(guī)定不發(fā)生承載破壞的同時，需要滿足一定的剛度要求。為達到這個目標，需要通過理論計算和反復(fù)試驗找到最優(yōu)設(shè)計跨徑。

細部構(gòu)造設(shè)計往往需要結(jié)合試驗加載。通過多次試驗加載，學(xué)生發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)柱的彎曲強度破壞、壓桿穩(wěn)定破壞、梁的彎曲強度破壞、支撐的彎曲強度破壞和節(jié)點破壞等幾種破壞形式。在仔細分析試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)受力特點的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化主要受力構(gòu)件，減少不必要的支撐，才能達到充分發(fā)揮材料特性，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量降到最低的目標。此外，由于節(jié)點往往應(yīng)力集中明顯、受力復(fù)雜，且易受制作工藝影響，其細部構(gòu)造設(shè)計尤其重要。除了要求提高工藝的精細程度之外，還需在模型試驗中觀察模型的受力反應(yīng)，分析節(jié)點的實際傳力狀態(tài)，依此判斷節(jié)點是否接近設(shè)計要求，并根據(jù)試驗結(jié)果進行調(diào)整。

在了解和掌握實際結(jié)構(gòu)受力特點，以及競賽對結(jié)構(gòu)幾何尺寸、構(gòu)件材料要求的基礎(chǔ)上，對實際結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新性的設(shè)計改進，才能充分發(fā)揮材料的力學(xué)特性，達到競賽的加載要求。在細部構(gòu)造設(shè)計的過程中，需要學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館查閱文獻，或與老師、學(xué)長討論以獲取相關(guān)知識，這非常有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。學(xué)生通過實際動手來制作模型，開展試加載試驗，從中觀察和分析模型破壞形態(tài)，在驗證定性分析的基礎(chǔ)上，在失敗中不斷對模型進行改進的一過程中，提高學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和動手能力。

（四）理論計算

結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個逐步優(yōu)化的過程，在結(jié)構(gòu)形式和細部構(gòu)造初步確定后，還需根據(jù)賽題要求、荷載作用方式等建立理論分析模型，并進行理論仿真計算，以明確結(jié)構(gòu)體系的傳力路徑和桿件的受力特征，結(jié)合模型試加載不斷優(yōu)化構(gòu)件截面形式，加強局部構(gòu)造。通過理論計算，估算所設(shè)計模型結(jié)構(gòu)的承載能力，并對各階段的結(jié)構(gòu)受力及破壞形式、位置等進行預(yù)測。在建立有限元仿真分析模型時，需要結(jié)合定性分析考慮結(jié)構(gòu)不同位置桿件的受力特點，結(jié)合節(jié)點支座細部構(gòu)造選擇合適的單元、節(jié)點約束進行模擬。只有正確進行結(jié)構(gòu)理論分析，才有助于選擇最佳的結(jié)構(gòu)體系、桿件線型和截面形式，確保結(jié)構(gòu)在加載過程中滿足各階段的受力要求和變形等使用性能要求。

在理論計算過程中，一般需要使用Midas、ANSYS等有限元分析軟件。建立有限元模型并完成電算后，還需要結(jié)合結(jié)構(gòu)定性分析掌握結(jié)構(gòu)各部分受力規(guī)律，對有限元計算結(jié)果的正確性和合理性進行判斷。對于初步接觸和使用有限元分析軟件的本科生來說出現(xiàn)錯誤在所難免，建模過程中的查錯糾錯，有利于學(xué)生對實際結(jié)構(gòu)分析計算簡圖重要性的理解，能有效幫助學(xué)生提高計算分析能力。

（五）模型制作、安裝與加載

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽要求學(xué)生組成團隊，共同完成模型的制作、安裝和加載。制作模型相當(dāng)于實際結(jié)構(gòu)的施工過程，這是一個很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。制作工藝十分重要，模型細節(jié)的質(zhì)量好壞直接決定加載的成敗。千里之堤，潰于蟻穴。梁、柱、節(jié)點所有部位制作和安裝的任何一個小小的失誤，都有可能造成整個結(jié)構(gòu)的破壞。此次競賽要求模型制作時間累計不超過18小時，模型和輸水管安裝在承臺板的時間不超過25分鐘，模型與輸水管連接的安裝時間不超過5分鐘，對加載過程中的加載、持荷和卸載也分別有一定要求。參賽學(xué)生必須要有團隊合作意識，做到有計劃、展特長、常溝通、重協(xié)作，才能順利完成模型制作、安裝和加載的整個過程。

一個好的模型作品往往需要組員在模型制作、安裝及加載過程中各負其責(zé)，分工協(xié)作，全力投入。團隊成員競賽中共同工作，對培養(yǎng)學(xué)生的團隊意識和協(xié)作能力有著十分重要的作用。

三、對結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)的啟示

從結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的效果來看，在競賽過程中，學(xué)生加深了對結(jié)構(gòu)概念和結(jié)構(gòu)設(shè)計的理解，提高了學(xué)生理論知識的運用與實踐能力，以及解決問題的能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和團隊協(xié)作能力[4]。這類競賽活動可以全面考查和提升學(xué)生綜合運用結(jié)構(gòu)學(xué)科理論知識解決實際問題的能力，對于推進土木工程一流專業(yè)建設(shè)，實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標有著重要的作用。同時，競賽活動能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，彌補傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽也給本科教學(xué)改革提供了一些啟示。以土木工程專業(yè)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程為例，由于通常以計算類題目作為單一學(xué)習(xí)和考查方式，學(xué)生往往感覺課程枯燥、抽象、難學(xué)，學(xué)習(xí)效果往往不理想。在完成結(jié)構(gòu)力學(xué)課程學(xué)習(xí)后，不少學(xué)生對簡單結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形依然無法準確理解，說明學(xué)生可能只是機械地記住了計算方法，并未真正理解結(jié)構(gòu)的受力特點和規(guī)律。結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的效果，以及對參賽學(xué)生的問卷調(diào)查結(jié)果[5-6]，建議在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中進行以下幾個方面的嘗試。

1.增加定性結(jié)構(gòu)力學(xué)或概念結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)容

定性結(jié)構(gòu)力學(xué)注重培養(yǎng)學(xué)生對結(jié)構(gòu)受力規(guī)律與變形趨勢的判斷能力。通常，定性分析不需要進行繁冗的計算就可得到比較合理的結(jié)果，這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和直覺。

2.加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

比如在課程教學(xué)中增加相應(yīng)工程結(jié)構(gòu)內(nèi)容的參觀實習(xí)，使學(xué)生更容易理解實際結(jié)構(gòu)和理想結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別和簡化原則。同時，對實際結(jié)構(gòu)的計算分析可增強學(xué)生的成就感，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

3.結(jié)合競賽題目開展探究性學(xué)習(xí)

結(jié)合模型在加載過程中的現(xiàn)象，講解結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中的問題，引導(dǎo)學(xué)生討論改進結(jié)構(gòu)受力性能的方法，既能強化學(xué)生分析問題、解決問題的能力，也能鍛煉學(xué)生綜合運用專業(yè)知識的能力。

四、結(jié)語

一流專業(yè)建設(shè)的核心是課程建設(shè)，課程建設(shè)的內(nèi)涵是教學(xué)改革。要達到土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標，課程教學(xué)必須適應(yīng)新時代的發(fā)展要求和學(xué)生的需求。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽對學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的成效來看，在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中應(yīng)增加定性結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)容，加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，鼓勵采用探究性學(xué)習(xí)方法，這樣才能彌補傳統(tǒng)課堂教學(xué)在知識運用方面的不足，增加課程教學(xué)的趣味性，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和自覺性，最終提高課程教學(xué)效果。

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Abstract： The first-class undergraduate teaching is the core part of “Double World-class” construction in Chinese colleges and universities. In order to achieve the objectives of training “first-class talents” in first-class undergraduate education， the “student-oriented” education philosophy should be adopted in teaching. Through guiding students to participate actively in National Structure Design Competition， the students are trained to improve their abilities of problem solving， innovation， practicing and team-cooperation. Their ability to use professional knowledge comprehensively is also enhanced. Referring to some specific practices and good effects of structure design competition， three measures are suggested in teaching of structural mechanics， which are adding qualitative analysis content， strengthening practice teaching and adopting inquiry learning method. These measures can complement the deficiency of knowledge application training in traditional teaching.

Key words： structural mechanics; teaching reform; structure design competition; ability training

（責(zé)任編輯 王 宣）