基于“力學(xué)+制模+模擬”的賽教融合探索*

常中權(quán) 程振東 張志成 章晴雯 胡淑婷

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314036）

近年來，隨著建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑企業(yè)對(duì)土建類專業(yè)人才的數(shù)量與質(zhì)量需求有了很大提升，對(duì)高職院校的人才培養(yǎng)要求也在隨之提高[1]。通過將結(jié)構(gòu)競賽培訓(xùn)與建筑力學(xué)課程相結(jié)合的方式，恰好可以適用當(dāng)前人才培養(yǎng)的需求。建筑力學(xué)課程是為高職土建類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門基礎(chǔ)性專業(yè)課，課程內(nèi)容理論性較強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣感與主動(dòng)性有所欠缺，對(duì)力學(xué)分析計(jì)算的內(nèi)驅(qū)動(dòng)力不足；授課形式雖以多樣化形式推進(jìn)，但沒有充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的動(dòng)手能力，課堂沉浸感不夠，學(xué)生并沒有實(shí)實(shí)在在成為課堂主體[2]。

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽旨在進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)與團(tuán)隊(duì)協(xié)同能力，其省級(jí)比賽作為國家級(jí)比賽的選拔賽，在學(xué)校一貫的支持與高度重視下，指導(dǎo)老師一直在尋求成果突破的方法與模式；然而，隊(duì)員的選拔仍然存在識(shí)人不察之難題，同時(shí)，學(xué)生在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型制作方面還缺乏力學(xué)分析的基礎(chǔ)，以及運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助模擬的能力。

通過將結(jié)構(gòu)競賽元素有機(jī)地融入建筑力學(xué)課程的重點(diǎn)環(huán)節(jié)中，試圖提升課程趣味性與強(qiáng)化力學(xué)理論分析的思維，培養(yǎng)一批理論與實(shí)踐能力結(jié)合的創(chuàng)新型人才與競賽能手，從而有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽獲得更好的成績[3]。故此，以“建筑力學(xué)理論為基礎(chǔ)，模型制作實(shí)踐為重點(diǎn)，有限元軟件模擬為輔”的賽教融合探索具有重大的實(shí)際意義。

1 競賽內(nèi)容重塑為教學(xué)模塊

本次賽教融合探索，以歷屆競賽內(nèi)容為指導(dǎo)，以建筑力學(xué)理論為基石，將歷年結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)規(guī)律總結(jié)歸納到課程標(biāo)準(zhǔn)與教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)比賽模型拆解、序化和重塑為幾個(gè)實(shí)踐教學(xué)模塊，每個(gè)模型都關(guān)聯(lián)相應(yīng)的建筑力學(xué)的重難點(diǎn)知識(shí)，見表1。

表1 建筑力學(xué)實(shí)踐教學(xué)模塊

這些模塊可以讓每位同學(xué)皆能參與進(jìn)來，而且可以在有限的時(shí)間內(nèi)完成制模任務(wù)。再運(yùn)用ABAQUS或MIDAS 軟件，對(duì)模型進(jìn)行有限元模擬與力學(xué)驗(yàn)證[4]，如圖1所示。

圖1 實(shí)踐教學(xué)建模

2 競賽評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為教學(xué)評(píng)價(jià)

在賽教融合的實(shí)踐教學(xué)中，同學(xué)們?cè)谀Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的模擬分析與制作中精益求精，對(duì)自身的專業(yè)使命有了更深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)思維創(chuàng)新的路徑得到了更廣闊的拓展；同時(shí)，通過課程教學(xué)與師生磨合，可以全面、全程、全方位記錄學(xué)生在模型制作與優(yōu)化、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的表現(xiàn)，不但為競賽選拔優(yōu)質(zhì)人才提供有利的參考，還有助于對(duì)同學(xué)們的知識(shí)、技能、素養(yǎng)的培養(yǎng)與考核[5]。課程考核評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)成績部分，參考競賽評(píng)價(jià)機(jī)制，將課程實(shí)踐成績分成三個(gè)部分：模型制作表現(xiàn)、力學(xué)分析與加載結(jié)果。其中，模型加載結(jié)果參考標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）各參賽隊(duì)模型的最大承載能力m1，按式（1）計(jì)算：

式中M1-本隊(duì)模型加載到剛好破壞的荷載；

M-本隊(duì)模型的自重，kg。

（2）第i個(gè)隊(duì)伍的模型加載得分Ci，按式（2）計(jì)算：

式中m1,max-所有參賽隊(duì)模型的最大承載能力。

3 競賽訓(xùn)練結(jié)合于實(shí)踐教學(xué)

通過實(shí)踐教學(xué)幾輪的模型制作環(huán)節(jié)，培育出幾組實(shí)驗(yàn)成績與競賽素養(yǎng)均較高的隊(duì)伍作為校內(nèi)選拔賽的備選隊(duì)伍，同時(shí)，歡迎非本課程而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽感興趣的學(xué)生參與進(jìn)來，組織競賽培訓(xùn)與學(xué)院技能選拔比賽，參與校內(nèi)選拔賽的備選隊(duì)伍，可以充分利用歷屆比賽的加載設(shè)備，按往屆競賽規(guī)律準(zhǔn)備競賽方向。競賽培訓(xùn)的內(nèi)容安排如下：

（1）通過詳細(xì)研究比賽題目，在有限元分析軟件中初步創(chuàng)建模型框架，進(jìn)行力學(xué)分析；

（2）對(duì)學(xué)生的模型制作方法進(jìn)行培訓(xùn)，查看模型制作情況，并推動(dòng)模型制作進(jìn)度；

（3）對(duì)模型進(jìn)行加載與破壞性試驗(yàn)，并結(jié)合模擬減量，探究模型減量與破壞機(jī)理；

（4）分析討論模型結(jié)構(gòu)形式與優(yōu)化方案，糾正模型漏洞，去冗余、補(bǔ)短板，確定最終模型理論方案；

（5）在確定方案的基礎(chǔ)上，不斷打磨制作技藝，記錄并沉淀操作技巧。

備賽中，通過邀請(qǐng)學(xué)校專家、企業(yè)專家與往屆參賽學(xué)長指導(dǎo)點(diǎn)評(píng)學(xué)生的模型制作，對(duì)模型方案不斷優(yōu)化，修改與確定最終模型理論方案，最終帶領(lǐng)選拔隊(duì)伍參加省級(jí)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽。

4 職業(yè)素養(yǎng)貫穿于賽教全程

4.1 安全防范意識(shí)

無論在課堂實(shí)踐上，還是在競賽培訓(xùn)中，皆須著重強(qiáng)調(diào)安全的重要性。在制作模型、加載模型等過程中，指出容易忽視的安全問題，例如：在加工竹條時(shí)，注意竹條另一端切勿戳到人；在使用美工刀加工竹材時(shí)，注意控制握刀的方向與力度，避免劃到手；在運(yùn)用膠水粘接竹材時(shí)，戴好指套、口罩與護(hù)目鏡，避免膠水接觸到皮膚，室內(nèi)保持通風(fēng)，避免過量吸入刺激有害的氣體；對(duì)模型進(jìn)行加載時(shí)，注意防止加載砝碼落地或擺動(dòng)砸到人等。容易產(chǎn)生的事故，以事故的發(fā)生案例警醒學(xué)生，凡事保持瞻前顧后與清醒謹(jǐn)慎的意識(shí)，若遇到安全隱患，及時(shí)消除，不能消除的隱患要及時(shí)上報(bào)。

4.2 工匠創(chuàng)新精神

創(chuàng)新精神帶來各領(lǐng)域、各方面發(fā)展，工匠精神會(huì)讓項(xiàng)目與成果更精湛。在課程教學(xué)中，注重課程內(nèi)容與方法的創(chuàng)新，將競賽元素融入教學(xué)中，增加學(xué)生在模型中的創(chuàng)新環(huán)節(jié)，通過引入力學(xué)建模軟件，讓學(xué)生在制作模型前，創(chuàng)新出多種不同的結(jié)構(gòu)形式；在制作模型中，學(xué)生的專注力最為集中，充斥著對(duì)職業(yè)的熱愛和敬畏，即使是一件不起眼的小構(gòu)件，也要打磨得特別精細(xì)；期間，同學(xué)們遇到過幾次困難，例如在建模時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)操作不熟悉，那么就通過在線課程學(xué)習(xí)操作方法，懷著創(chuàng)新的渴望與堅(jiān)忍不拔的意志，一點(diǎn)點(diǎn)將之摸透。

4.3 團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神

結(jié)構(gòu)競賽的成果來源于競賽隊(duì)伍的密切合作，通過將每個(gè)人的特長融于大局，才能齊心做好一個(gè)項(xiàng)目。例如某獲獎(jiǎng)隊(duì)伍中的三個(gè)人，一人負(fù)責(zé)統(tǒng)籌規(guī)劃與溝通，一人負(fù)責(zé)創(chuàng)新形式，一人心靈手巧，這種組合形式恰似一個(gè)小型的項(xiàng)目經(jīng)理部，在長期的模型設(shè)計(jì)、制作、加載中，同頻共振，發(fā)揮著最大效能。因此，可以在隊(duì)伍建立之初，通過前期課程與培訓(xùn)的考察，靈活匹配隊(duì)員的特長，分配不同的職責(zé)給各位隊(duì)員。

5 賽教融合成效

本輪賽教融合的效果，無論從建筑力學(xué)的授課效果，還是從結(jié)構(gòu)比賽的成果上，均得到了顯著提升。從競賽成果的角度看，相比于上一年度的省級(jí)三等獎(jiǎng)，有了一定進(jìn)步，獲得了省級(jí)二等獎(jiǎng)。同時(shí)，除了對(duì)學(xué)生在建筑力學(xué)課程的學(xué)習(xí)成績進(jìn)行宏觀對(duì)比之外，還通過平臺(tái)問卷調(diào)查了學(xué)生對(duì)賽教融合的看法與評(píng)價(jià)，共回收91份問卷，有效問卷86份，問卷有效率為94.50%，其成效匯總?cè)缦拢?/p>

（1）學(xué)習(xí)表現(xiàn)積極，成績有所提高。為了較合理地體現(xiàn)兩屆學(xué)生在本門課程的學(xué)習(xí)效果對(duì)比，建立“本綜比”這一概念，即班級(jí)所有學(xué)生在本門課程的平均成績與當(dāng)學(xué)期所有相關(guān)且相同課程綜合平均成績之比，以此排除生源的專業(yè)方面質(zhì)量差異。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)授課的2020 級(jí)學(xué)生的本綜比為0.88，賽教融合后的2021級(jí)學(xué)生的本綜比為1.02，在兩屆試卷難度相當(dāng)?shù)那闆r下，賽教融合后的學(xué)生在建筑力學(xué)的學(xué)習(xí)成績有顯著提升。

（2）學(xué)習(xí)興趣增加，力學(xué)思維強(qiáng)化。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在“競賽對(duì)于專業(yè)教學(xué)的好處”中，75.16%的學(xué)生認(rèn)為有利于課堂內(nèi)容的豐富，提高了深度與廣度；關(guān)于“是否對(duì)競賽感興趣”，52.31%的學(xué)生表示有濃厚興趣，32.64%的學(xué)生表示有一般興趣?？梢园l(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)于課程中融入競賽元素的興趣很大，同時(shí)，在課堂中也表現(xiàn)出對(duì)模型制作的濃厚興趣，學(xué)生不但能從模型中直觀地感受到力學(xué)分析的原理，還能利用力學(xué)分析的思維主動(dòng)去優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，形成較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S模式，踐行了精益求精的工匠精神[6]。

（3）學(xué)習(xí)氛圍良好，綜合能力提升。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在制作模型的過程中，試圖利用有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)模擬，以達(dá)到結(jié)構(gòu)高效優(yōu)化的目的；此外，學(xué)生還積極參與了校賽選拔活動(dòng)，相比于非本課程授課的學(xué)生，突出了力學(xué)理論與實(shí)踐的扎實(shí)基礎(chǔ)，也在此后的校隊(duì)培訓(xùn)中表現(xiàn)得更加堅(jiān)韌不拔，對(duì)模型優(yōu)化的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、自主學(xué)習(xí)能力等綜合能力均得到了顯著提升。