基于SRTP項(xiàng)目的大學(xué)生工匠精神培養(yǎng)實(shí)踐

張 明，劉楠楓，余志祥，尹紫紅

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

引言

關(guān)于工匠精神理念，2016年3月5日，時任總理李克強(qiáng)在《政府工作報告》中指出：鼓勵企業(yè)開展個性化定制、柔性化生產(chǎn)，培育精益求精的工匠精神，增品種、提品質(zhì)、創(chuàng)品牌［1］。2017 年，黨的十九大報告提出要“建設(shè)知識型、技能型、創(chuàng)新型勞動者大軍，弘揚(yáng)勞模精神和工匠精神，營造勞動光榮的社會風(fēng)尚和精益求精的敬業(yè)風(fēng)氣”［2］。工匠精神是指工匠對自己的產(chǎn)品精雕細(xì)琢、精益求精的精神理念，專業(yè)、專注、極致等都是其關(guān)鍵詞［3］。高校是培養(yǎng)社會各行各業(yè)卓越工程師的主戰(zhàn)場，而大學(xué)階段是培育工程師“工匠精神”的黃金時期。

“大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）”可以為本科生提供科研訓(xùn)練平臺，使學(xué)生盡早進(jìn)入專業(yè)科研領(lǐng)域，接觸學(xué)科前沿，掌握科研的基本方法，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高團(tuán)隊(duì)合作精神［4］。從2006年開始，筆者所在的西南交通大學(xué)也開始了該類本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃，至今已開展到第15期。

本研究立足時代背景，以工匠精神的定義和內(nèi)涵為指引，以SRTP項(xiàng)目——“重組竹材在建筑結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用研究”為實(shí)踐平臺，深入挖掘本科專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課蘊(yùn)含的“德育基因”，拓展其“育人”功能，使工匠精神潛移默化地內(nèi)化于專業(yè)課的學(xué)習(xí)過程中。

一、科學(xué)問題的提出

為培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主的思考能力，在選題時，要求學(xué)生自主查閱國內(nèi)外時政資料，根據(jù)工匠精神的內(nèi)涵，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件選擇合適的科研題目開展SRTP項(xiàng)目科學(xué)訓(xùn)練計(jì)劃。2016年，我國建筑能耗占總能耗的27%以上，而且還在以每年1個百分點(diǎn)的速度增加。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國每年城鄉(xiāng)建設(shè)新建房屋建筑面積近20億平方米，其中80%以上為高能耗建筑。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2018年建筑業(yè)煤消費(fèi)總量約為8 685萬噸，比2017年增長約400萬噸。對現(xiàn)有建筑材料的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鋼材和混凝土不可再生，且在制造的過程中會污染環(huán)境［5］。竹子生長周期短、輕質(zhì)高強(qiáng)，是環(huán)境友好型建筑材料。鑒于原竹本身存在幾何變異性大、易蟲蛀、質(zhì)地不均勻、耐久性差等問題，人們常采用現(xiàn)代材料技術(shù)對原竹進(jìn)行重組，形成工業(yè)化的材料并制成工程竹，這類工程竹能夠克服原竹諸多缺點(diǎn)，又保留了竹材本身的優(yōu)良特性。為此，在四川省政府的大力推動下，近些年四川省涌現(xiàn)大量竹制品企業(yè)，已基本可生產(chǎn)加工不同規(guī)格和不同強(qiáng)度等級的結(jié)構(gòu)用重組竹。與此同時，《結(jié)構(gòu)用重組竹》［6］行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)于2020年10月1日發(fā)布實(shí)施。但目前還缺少對重組竹材料在建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中的相關(guān)理論的研究，特別是節(jié)點(diǎn)連接、構(gòu)件截面初選等設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題，現(xiàn)有的重組竹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程主要參考木結(jié)構(gòu)相關(guān)理論和方法，合理性有待考證。

在調(diào)研資料的基礎(chǔ)上，SRTP 小組成員踐行工匠精神，針對重組竹材特殊的物理力學(xué)特性，通過理論分析和數(shù)值仿真分析挖掘構(gòu)件截面尺寸與結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)的關(guān)系，研究在構(gòu)建重組竹框架結(jié)構(gòu)房屋承重體系中的構(gòu)件的截面初選方法，為該綠色材料在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的應(yīng)用做前沿基礎(chǔ)探索。

二、導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)組成及學(xué)生小組成員選拔

（一）導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)組建

組建導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)的過程中應(yīng)有意識地從基礎(chǔ)理論知識、數(shù)值分析軟件操作、實(shí)驗(yàn)操作及綠色材料等不同專業(yè)方向挑選相關(guān)專業(yè)教師，選擇10位學(xué)生對其進(jìn)行多角度全方位培養(yǎng)。教師團(tuán)隊(duì)由一批具有較高學(xué)歷的年輕碩士和博士組成，其中博士學(xué)歷占4/5，年齡主要在30～50歲之間；校內(nèi)導(dǎo)師4名、校外導(dǎo)師1名；科研或教學(xué)方向有結(jié)構(gòu)工程、建筑材料、軟件工程和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等。校內(nèi)導(dǎo)師主要是線下對學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，校外導(dǎo)師通過線上進(jìn)行指導(dǎo)和答疑解惑。

（二）學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)組建

筆者擔(dān)任2019級工程造價1班班導(dǎo)師，此次試點(diǎn)工作從該班級30名學(xué)生中選擇。秉承學(xué)生自愿報名的原則，教師團(tuán)隊(duì)在報名學(xué)生當(dāng)中根據(jù)學(xué)生是否有較多課余時間、能否利用課余時間進(jìn)行充分自主學(xué)習(xí)為主要原則對學(xué)生進(jìn)行挑選，對于已經(jīng)參加了校級或院級比賽項(xiàng)目的學(xué)生，原則上不再考慮進(jìn)入團(tuán)隊(duì)。初選學(xué)生10名，后期會根據(jù)學(xué)生科研情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。學(xué)習(xí)方法主要有導(dǎo)師宏觀指導(dǎo)、學(xué)生自主探索及小組內(nèi)部討論等。

三、工匠精神過程培養(yǎng)

對于還未系統(tǒng)掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法的本科生而言，工匠精神的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、計(jì)算分析軟件的深入學(xué)習(xí)，以及準(zhǔn)確應(yīng)用其探索重組竹結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件截面初選這一科學(xué)問題。同時，還要分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論對于重組竹新型結(jié)構(gòu)的適用性及改進(jìn)方案，挖掘重組竹結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等在力學(xué)性能方面的異同點(diǎn)。

（一）建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括建筑結(jié)構(gòu)布置和各個局部的具體構(gòu)造、內(nèi)力計(jì)算分析。本項(xiàng)目中的板、梁和柱承重的框架結(jié)構(gòu)體系，連接均為剛接，柱與基礎(chǔ)之間采用鋼套筒加強(qiáng)力膠的連接方式。設(shè)計(jì)過程中參考了《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》［7］，分別進(jìn)行持久設(shè)計(jì)狀況、短暫設(shè)計(jì)狀況和地震設(shè)計(jì)狀況分析，綜合考慮結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時，持久設(shè)計(jì)狀況和短暫設(shè)計(jì)狀況應(yīng)采用作用的基本組合；地震設(shè)計(jì)狀況應(yīng)采用作用的地震組合；進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時，應(yīng)采用作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，如下式所示。

對于板和梁，主要通過強(qiáng)度指標(biāo)和撓度變形程度判定是否為失效；對于柱，通過層間位移角不超過規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值界定是否為失效。

（二）結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際受荷情況，確定荷載標(biāo)準(zhǔn)值及分項(xiàng)系數(shù)，如表1 所示，又根據(jù)已確定的結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)布置和材料屬性等，確定合理的有限元模型和分析方法，平面尺寸為21×18 m，柱高為3.5 m，柱間距采用3 m及3.5 m。重組竹的順紋抗壓強(qiáng)度小于抗拉強(qiáng)，為簡化分析，取材料順紋抗壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系代替該各向異性材料的本構(gòu)關(guān)系。抗壓彈性模量Ec=37 730 Mpa，割線模量Et=15 730 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度fc=129.17 MPa，比例極限強(qiáng)度fe=111.66 MPa，密度ρ=1150 kg/m3。梁和柱采用C3D8R單元，初選截面為200 mm×200 mm，板采用C3D8R單元模擬，初選板厚為120 mm。采用綁定約束（tie constraint）模擬梁、柱、板之間的剛性連接。底層柱與基礎(chǔ)固接，網(wǎng)格尺寸取50 mm。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，分別開展內(nèi)力和變形分析，如圖1所示。

圖1 豎向靜力荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

表1 取用荷載標(biāo)準(zhǔn)值及分項(xiàng)系數(shù)

為探究構(gòu)件截面尺寸的控制因素，在上下兩板面上逐級進(jìn)行加載，最小均布荷載為2 kN/m2，最大荷載為20 kN/m2，共分10 級，根據(jù)荷載—位移曲線及應(yīng)力分布云圖研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)撓度最大值超過允許撓度值的兩倍70 mm 時（允許撓度為7 000/200=35 mm），結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力僅118.8 MPa（比例極限強(qiáng)度fe=111.66 MPa），仍未達(dá)到順紋抗壓強(qiáng)度。導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)和學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)一致認(rèn)為，正常使用極限狀態(tài)為該類材料組成空間結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計(jì)的主要參考依據(jù)。

為探索該類材料組成空間結(jié)構(gòu)柱構(gòu)件截面設(shè)計(jì)依據(jù)，學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)采用底部剪力法還開展了地震作用下該類結(jié)構(gòu)的抗震分析。在水平向地震作用下，該類結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力較小，相對而言結(jié)構(gòu)位移較大。當(dāng)最大應(yīng)力為61.11 MPa時（小于該類材料的比例極限強(qiáng)度111.66 Mpa），層間位移角為1/240，已超過了允許的層間位移角限值（1/250），進(jìn)而判斷柱截面尺寸仍由正常使用極限狀態(tài)決定。

（三）小結(jié)

針對基于abaqus計(jì)算出的數(shù)據(jù)，學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)成員分別建立一元線性回歸擬合。不同長寬比下板厚度和跨度、板的長寬比為3時，不同寬度下梁高度和板跨度、板跨和矩形柱截面尺寸的數(shù)學(xué)模型分別如下式所示，其中，d為板的厚度，l0為板或梁的計(jì)算跨度，lx/ly為長寬比，b為梁或柱的寬度，h為梁高度。

通過上述練習(xí)，使工匠精神內(nèi)化于專業(yè)課學(xué)習(xí)過程中，培養(yǎng)了學(xué)生穩(wěn)定而優(yōu)異的精神品質(zhì)與道德標(biāo)準(zhǔn)；與此同時，SRTP 小組成員不但系統(tǒng)地掌握了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和軟件使用、了解了重組竹結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)，還培養(yǎng)了自己對待科研工作精雕細(xì)琢、精益求精的精神理念。

四、新培養(yǎng)模式討論

從基礎(chǔ)理論知識深入理解到有限元軟件的準(zhǔn)確掌握，再到重組竹結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、內(nèi)力分析、截面優(yōu)化，教師和學(xué)生均花費(fèi)了大量的精力和時間。在這一過程中，學(xué)生反復(fù)研究基礎(chǔ)理論和軟件操作等環(huán)節(jié)，使學(xué)生體會到知識點(diǎn)理解的準(zhǔn)確性、工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及知識體系和設(shè)計(jì)方法建立的不易。同時，通過上述練習(xí)，學(xué)生掌握了一門較為復(fù)雜的有限元軟件，并且收獲了自主學(xué)習(xí)的興趣和信心。

在深入理解設(shè)計(jì)理論和方法的基礎(chǔ)上，本研究針對重組竹材特殊的物理力學(xué)特性，通過理論和數(shù)值仿真分析挖掘構(gòu)件截面尺寸與結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)的關(guān)系，為該類型結(jié)構(gòu)早期設(shè)計(jì)提供參考。該種新型人才培養(yǎng)模式能夠在潛移默化中全方面提高學(xué)生的專業(yè)技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和工匠精神。另外，導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)建議新式人才培養(yǎng)模式要與傳統(tǒng)課堂教學(xué)相互配合、取長補(bǔ)短、整合資源優(yōu)勢，共同為培養(yǎng)具有工匠精神的全面復(fù)合型創(chuàng)新人才服務(wù)，為培養(yǎng)知識型、技能型、創(chuàng)新型的勞動者，營造勞動光榮的社會風(fēng)尚和精益求精的敬業(yè)風(fēng)氣做準(zhǔn)備。