基于“習(xí)而學(xué)”理念構(gòu)建土木工程模擬創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)

周臻 陸金鈺

摘要：本文在詳細(xì)分析茅以升先生“習(xí)而學(xué)”工程教育理念的基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)卓越土木工程師的工程創(chuàng)新實(shí)踐能力為目標(biāo)，構(gòu)建土木工程模擬創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，提出平臺(tái)的柔性開(kāi)放式運(yùn)行機(jī)制，可為“卓越工程師計(jì)劃”在土木工程專業(yè)的成功實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：習(xí)而學(xué);土木工程;工程模擬;創(chuàng)新實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）07-0146-02

“卓越工程師計(jì)劃”是我國(guó)工科高等教育的重大改革項(xiàng)目和發(fā)展方向，“強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力”是最為核心的目標(biāo)和內(nèi)容。土木工程是工科專業(yè)中一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，不僅需要系統(tǒng)的工程理論知識(shí)，更需要較強(qiáng)的工程思維和動(dòng)手實(shí)踐能力。東南大學(xué)工科創(chuàng)始人、我國(guó)橋梁奠基人茅以升先生曾提出“習(xí)而學(xué)”的教育理念，即強(qiáng)調(diào)實(shí)踐與理論教學(xué)的同步性與交互性。由于土木工程實(shí)踐的特殊性，如完全將實(shí)踐能力的培養(yǎng)放在工程現(xiàn)場(chǎng)，勢(shì)必受到很多客觀條件的限制。因此，基于“習(xí)而學(xué)”理念構(gòu)建模擬創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，成為實(shí)現(xiàn)卓越土木工程師培養(yǎng)目標(biāo)的一種有效途徑。

一、“習(xí)而學(xué)”工程教育理念

茅以升先生結(jié)合自己擔(dān)任多所工科院校校長(zhǎng)和主持多項(xiàng)重大工程設(shè)計(jì)的特殊經(jīng)歷，提出我國(guó)工程教育存在的幾個(gè)突出問(wèn)題：理論與實(shí)際脫節(jié)、科學(xué)與生產(chǎn)脫節(jié)、招生與畢業(yè)考核偏理論而輕實(shí)踐等，針對(duì)性地提出“習(xí)而學(xué)”工程教育理念，其中“習(xí)”指的是工程實(shí)踐環(huán)節(jié)，“學(xué)”則是理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。在“習(xí)而學(xué)”的工程教育理念中，“習(xí)”與“學(xué)”的關(guān)系應(yīng)是先“習(xí)”后“學(xué)”，再“習(xí)”再“學(xué)”，“習(xí)”“學(xué)”交替。因此，工程教育過(guò)程應(yīng)以實(shí)踐為中心，理論學(xué)習(xí)應(yīng)圍繞工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)而進(jìn)行。在這種理念的指導(dǎo)下，茅以升主張工程專業(yè)學(xué)生在進(jìn)校后首先進(jìn)行工程實(shí)踐方面的認(rèn)識(shí)和訓(xùn)練，即要先“知其然”，初步建立感性知識(shí)體系，了解工程任務(wù)的細(xì)分環(huán)節(jié)。然后，再進(jìn)行相關(guān)工程基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)，即要“知其所以然”，建立理性知識(shí)體系，通過(guò)理論的指導(dǎo)和解釋，將感性知識(shí)體系中初步認(rèn)識(shí)到的一些片段化的、相互割裂的具體現(xiàn)象和環(huán)節(jié)串聯(lián)起來(lái)，整合成為系統(tǒng)的工程知識(shí)。學(xué)生在“習(xí)”與“學(xué)”的螺旋交替過(guò)程中，不僅工程實(shí)踐能力得到不斷強(qiáng)化，同時(shí)理論知識(shí)也因?yàn)橛辛斯こ虒?shí)踐的先驗(yàn)情境和具體經(jīng)驗(yàn)而更加深刻地理解透徹，工程創(chuàng)新能力得到有效提升。

由上述分析可知，“習(xí)而學(xué)”的工程教育理念為我國(guó)卓越工程師的培養(yǎng)提供一個(gè)很好的實(shí)現(xiàn)路徑。但對(duì)土木工程專業(yè)而言，真實(shí)的工程環(huán)境多為大型的施工工地和設(shè)計(jì)企業(yè)?？紤]到目前學(xué)生規(guī)模、企業(yè)承受能力和現(xiàn)場(chǎng)人身安全等多方面因素，且“習(xí)”與“學(xué)”的交替應(yīng)是一個(gè)不斷循環(huán)的過(guò)程，因此將“習(xí)”完全置于這樣的真實(shí)工程環(huán)境中，開(kāi)展難度非常大，模擬創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)則在目前成為實(shí)現(xiàn)“習(xí)而學(xué)”理念的一個(gè)較好選擇。

二、土木工程模擬創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的構(gòu)建

基于“習(xí)而學(xué)”的工程教育理念，土木工程真實(shí)工程環(huán)境中的各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)有相應(yīng)的可供學(xué)生反復(fù)實(shí)踐的平臺(tái)。為此，我們?cè)谝劳袊?guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的基礎(chǔ)上，構(gòu)建面向土木工程本科生的模擬創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，主要包含三個(gè)子平臺(tái)。

1.子平臺(tái)1：模型制作平臺(tái)。該平臺(tái)是對(duì)土木工程中施工環(huán)節(jié)的模擬，即利用模型材料按照一定的施工原理將其組裝成不同的結(jié)構(gòu)體系。大一和大二年級(jí)的學(xué)生主要利用木材、竹片、白卡紙等常見(jiàn)材料制作模型結(jié)構(gòu)。大三和大四年級(jí)的學(xué)生在經(jīng)過(guò)一定專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備和前期實(shí)踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，可采用真實(shí)的建筑材料制作小型工程結(jié)構(gòu)，如自己制備小型混凝土試件、加工短細(xì)鋼筋或小型鋼鋁合金結(jié)構(gòu)試件等。通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，一方面可讓學(xué)生對(duì)真實(shí)的結(jié)構(gòu)施工過(guò)程有初步的了解，有利于他們后續(xù)建筑施工和結(jié)構(gòu)構(gòu)造相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，另一方面也讓學(xué)生在動(dòng)手制作的過(guò)程中，收獲自信，提高動(dòng)手能力，增強(qiáng)對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。

2.子平臺(tái)2：模型加載平臺(tái)。該平臺(tái)是對(duì)土木工程中工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)環(huán)節(jié)的模擬。隨著土木工程建設(shè)的不斷發(fā)展，各種新材料、新結(jié)構(gòu)形式和新建造技術(shù)日益涌現(xiàn)。因此，在實(shí)際的土木工程結(jié)構(gòu)中，針對(duì)一些特殊結(jié)構(gòu)類型或新型技術(shù)的應(yīng)用，往往要先制作一定比例縮尺結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行不同類型的加載試驗(yàn)，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性能，或確定一些異型結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)。例如，高層建筑結(jié)構(gòu)模型的抗震試驗(yàn)、大跨空間結(jié)構(gòu)或大跨橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)承載力性能試驗(yàn)等。但是用于土木工程結(jié)構(gòu)加載設(shè)備，一般很大且價(jià)格昂貴，不適用于面向土木工程本科生常態(tài)性使用的需求。因此，在模型加載平臺(tái)中，可采購(gòu)或自制一些體積較小、價(jià)格較低、操作簡(jiǎn)便的模擬加載設(shè)備，并且可以直接讓本科生經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)后即可使用。東南大學(xué)在參加歷年全國(guó)性和地區(qū)性結(jié)構(gòu)競(jìng)賽的過(guò)程中，積累了較為完備的模擬加載設(shè)備體系，包括用于模擬地震荷載的小型振動(dòng)加載臺(tái)、模擬風(fēng)荷載的變頻多級(jí)鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、用于模擬沖擊荷載的彈簧—小球—鋼架系統(tǒng)及用于模擬橋梁結(jié)構(gòu)移動(dòng)荷載的遙控載重車加載系統(tǒng)。同時(shí)，為這些設(shè)備配備相應(yīng)的檢測(cè)儀器，讓學(xué)生能夠獨(dú)立、完整地完成結(jié)構(gòu)模型的加載與試驗(yàn)，有效提升他們的工程創(chuàng)新和科研能力。

3.子平臺(tái)3：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)。該平臺(tái)是對(duì)土木工程中設(shè)計(jì)分析環(huán)節(jié)的模擬，是三個(gè)平臺(tái)中理論知識(shí)要求最高和綜合性最強(qiáng)的一個(gè)實(shí)踐平臺(tái)。目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析環(huán)節(jié)是很多土木工程本科生知識(shí)體系和工程能力中的薄弱環(huán)節(jié)。雖然在教學(xué)體系中開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的課程，但是大部分學(xué)生只是掌握了如何解決課堂的習(xí)題，缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)體系的整體性把握，以及相關(guān)規(guī)范規(guī)程中一些關(guān)鍵細(xì)節(jié)的理解。因此，該平臺(tái)的實(shí)踐目標(biāo)是讓學(xué)生針對(duì)一個(gè)具體的工程背景，應(yīng)用常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件，完成在特定荷載下的結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)用相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范條文進(jìn)行設(shè)計(jì)和校驗(yàn)，利用AutoCAD、天正、探索者等專業(yè)繪圖軟件繪制施工圖。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)提供的模擬環(huán)境是一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全過(guò)程的系統(tǒng)模擬，讓學(xué)生在軟件分析、規(guī)范條文和手算校核的設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)會(huì)如何在真實(shí)的工程環(huán)境中完成設(shè)計(jì)并表達(dá)相應(yīng)的成果，從而提升他們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工程能力。此外，建筑信息模型（Build Information Model，BIM）已成為土木工程建設(shè)發(fā)展的大勢(shì)所趨，我們也開(kāi)始逐步引入Revit等BIM設(shè)計(jì)軟件及模擬項(xiàng)目，提升學(xué)生在未來(lái)設(shè)計(jì)行業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

在模擬工程創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)中，為了確保各子平臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)，還提供了四項(xiàng)輔助支持策略。①工程情境導(dǎo)入。由平臺(tái)指導(dǎo)教師介紹實(shí)踐項(xiàng)目的工程背景和工程意義，讓學(xué)生對(duì)相應(yīng)的工程情境有初步了解。②工程視頻展示。播放與實(shí)踐項(xiàng)目相關(guān)的工程視頻，讓學(xué)生獲得直觀的感性認(rèn)知信息。③實(shí)踐演示流程。由指導(dǎo)教師或?qū)W生助教通過(guò)圖片、視頻等多媒體技術(shù)演示項(xiàng)目實(shí)踐的基本步驟流程。④理論知識(shí)簡(jiǎn)介。將實(shí)踐項(xiàng)目相關(guān)的理論知識(shí)整合成技術(shù)手冊(cè)，供學(xué)生邊實(shí)踐邊思考。

三、模擬創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的運(yùn)行機(jī)制

“習(xí)而學(xué)”思想強(qiáng)調(diào)“習(xí)”與“學(xué)”是往復(fù)交替的過(guò)程，且學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中應(yīng)具有很強(qiáng)的主動(dòng)性，這樣才能充分鍛煉他們的工程思維與創(chuàng)新實(shí)踐能力。傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)課程等實(shí)踐環(huán)節(jié)，多以內(nèi)容預(yù)設(shè)、時(shí)間固定和形式統(tǒng)一為主要特征，因此學(xué)生的實(shí)踐過(guò)程處于較為被動(dòng)、封閉和受約束的狀態(tài)。真正有效的實(shí)踐應(yīng)是一種常態(tài)化的、學(xué)生完全自主動(dòng)腦來(lái)思考與動(dòng)手進(jìn)行的實(shí)踐。因此，模擬創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的運(yùn)行機(jī)制應(yīng)以“柔性”和“開(kāi)放性”為主要特征。

1.工程模擬實(shí)踐選修課。在土木工程相關(guān)課程中，增設(shè)工程模擬實(shí)踐環(huán)節(jié)，或?qū)ｉT(mén)開(kāi)設(shè)工程模擬實(shí)踐選修課。由教師依據(jù)模擬創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的硬件和軟件，設(shè)定若干針對(duì)真實(shí)工程情境的模擬專題，供學(xué)生自由組合分組，自主進(jìn)行選修。例如，在《特種結(jié)構(gòu)》課程中，我們引入塔架抗沖擊荷載和廣告架抗風(fēng)設(shè)計(jì)的工程模擬環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在模擬創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)自行設(shè)計(jì)、分析和制作結(jié)構(gòu)模型，利用平臺(tái)設(shè)備完成相應(yīng)的模型加載，最后用研討的形式將實(shí)踐過(guò)程和成果呈現(xiàn)出來(lái)并與其他組討論，取得良好的效果。

2.學(xué)生創(chuàng)新研學(xué)項(xiàng)目。目前，許多高校每年投入大量經(jīng)費(fèi)供本科生進(jìn)行課外研學(xué)訓(xùn)練（SRTP），形式是讓學(xué)生自由組合形成小型研究團(tuán)隊(duì)，自主提出創(chuàng)新實(shí)踐想法，申報(bào)并完成課外研學(xué)項(xiàng)目，從而通過(guò)這樣的實(shí)踐訓(xùn)練提升創(chuàng)新能力和研究能力。模擬創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的柔性開(kāi)放性機(jī)制，正好可以讓學(xué)生全過(guò)程自主完成項(xiàng)目的構(gòu)想、設(shè)計(jì)和實(shí)施環(huán)節(jié)，使他們的工程思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力得到最大程度的鍛煉。

3.工程模擬競(jìng)賽訓(xùn)練與選拔。目前，土木工程專業(yè)每年有多項(xiàng)以學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的學(xué)科競(jìng)賽，如各級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)混凝土設(shè)計(jì)大賽、鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)競(jìng)賽，以及一些國(guó)際性的賽事等?？梢劳泄こ棠M實(shí)踐平臺(tái)，針對(duì)各項(xiàng)競(jìng)賽開(kāi)展訓(xùn)練和選拔活動(dòng)，讓學(xué)生自由組隊(duì)，針對(duì)賽題要求，利用模擬實(shí)踐平臺(tái)的軟硬件設(shè)備，在課余時(shí)間自行進(jìn)行模型設(shè)計(jì)、制作和加載。

四、結(jié)語(yǔ)

自2008年以來(lái)，東南大學(xué)土木工程學(xué)院逐步構(gòu)建針對(duì)本科生的模擬工程創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，在學(xué)校內(nèi)部較好地實(shí)現(xiàn)茅以升先生的先“習(xí)”后“學(xué)”、再“習(xí)”再“學(xué)”、“習(xí)”“學(xué)”交替的工程教育思想，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為“卓越工程師計(jì)劃”在土木工程專業(yè)的成功實(shí)施提供參考和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林健.卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃通用標(biāo)準(zhǔn)研制[J].高等工程教育研究，2010，（4）：21-29.

[2]王雄.“習(xí)而學(xué)”：茅以升工程教育思想研究[J].高等工程教育研究，2011，（4）：85-89.