依托結構設計競賽對土木工程專業(yè)大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)實踐研究

曾永慶，王光輝，李斌，彭楚才，喻聰，郭永文，吳周

（1.湖南理工學院 土木建筑工程學院，湖南岳陽 414000；2.湖南理工學院 南湖學院，湖南岳陽 414000）

自2005年起，全國大學生結構設計競賽被教育部指定為九大大學生學科競賽之一，至今已成功舉辦15屆。作為一項學科性競賽，該比賽致力于培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識、工程實踐能力和團隊合作精神，有效提高了大學生的創(chuàng)新能力和實踐動手能力[1-2]。該競賽為土木工程專業(yè)大學生提供了鍛煉創(chuàng)新思維能力、實踐動手能力、團隊合作意識的重要平臺。

土木工程專業(yè)的結構設計競賽作為一種新興的實踐教學環(huán)節(jié)，已成為培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、實踐能力的重要途徑[3-4]。在這一創(chuàng)新活動中，學生需要熟練應用理論基礎知識和工程專業(yè)知識，更深入地理解工程材料力學性能和掌握結構設計原理[5-6]。這種實踐性的活動能夠提高學生專業(yè)學習的積極性和主動性，并且為學生今后從事結構設計、施工管理及技術研究開發(fā)等實踐性工作奠定堅實的基礎。此外，教師通過結構設計競賽活動，也能認識到實踐教學的重要性，意識到實踐教學對于應用型人才培養(yǎng)的關鍵作用。

通過結構設計競賽，學生可以從專業(yè)基礎知識入手，通過理論分析、結構計算和動手制作等多個環(huán)節(jié)，參與結構設計，有效提高大學生的創(chuàng)新設計能力、實踐動手能力和團隊協(xié)作意識。

1 結構設計競賽概況

全國大學生結構設計競賽是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新意識、合作精神和工程實踐能力的學科性競賽[7-8]。在參加結構設計競賽過程中，首先，參賽人員應對賽題進行結構概念選型，熟悉運用理論力學、結構力學、混凝土結構設計原理等課程專業(yè)知識分析結構的主要受力特點，選擇合適的荷載傳遞路徑結構形式，完成結構的整體設計。其次，在模型制作環(huán)節(jié)，參賽人員應進行材料的性能實驗，并運用材料力學、土木工程材料和施工技術等專業(yè)課程知識，使用有限元分析軟件進行分析，依據(jù)對結構進行強度、剛度、穩(wěn)定性受力分析，得到結構的優(yōu)化模型參數(shù)，運用小刀、竹條、竹片、紙片、膠水等工具，加工制作各種截面的桿件，使用膠水進行拼接，制作出結構模型。最后，在結構模型加載裝置上進行荷載加載檢驗，在加載的過程中，應實時觀察桿件的受力狀態(tài)，與有限元計算模擬結果進行對比分析，進行多次加載試驗，驗算各種可能的破壞狀態(tài)，如桿件受拉破壞、受壓失穩(wěn)破壞、截面剛度過小引起的變形過大失效破壞等；若加載成功，可采用改變截面形式、減小截面尺寸等方式減輕結構模型自重，增加比賽的名次；若加載失敗，應分析其破壞原因，有針對性地采取增加桿件數(shù)量、增大截面尺寸等增強措施，并再次進行加載試驗，直到滿足強度、變形和穩(wěn)定性要求。

2 結構設計競賽對大學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)

2.1 學習能力的培養(yǎng)

大學生結構設計競賽是一項系統(tǒng)性、專業(yè)性極強的科技競賽，要求參賽人員具有深厚的力學知識和工程專業(yè)知識，達到熟練完成結構模型選型、方案設計、參數(shù)計算、手工制作、結構優(yōu)化等步驟，對學生學習和運用知識能力的要求較高[9-10]。熟練掌握與運用專業(yè)知識，對學生參加結構設計競賽起著決定性作用，在結構模型選型、方案設計、參數(shù)計算、手工制作、結構優(yōu)化等步驟中，相關專業(yè)知識的支撐都是不可或缺的。結構設計競賽可以有效培養(yǎng)學生的學習主動性，在模型設計與制作過程中，學生遇到問題，可以查找相關資料，運用專業(yè)知識解決問題，達到了更好地掌握相關專業(yè)理論知識的目的。在結構設計競賽過程中，由于有提交計算書的要求，學生需熟練掌握一門專業(yè)的有限元分析軟件，進行建模分析，并完成計算書的書寫工作。學生可以通過視頻網(wǎng)站Bilibili查找相應的軟件視頻教程，快速完成對一門分析軟件的熟練運用，達到有效培養(yǎng)學生自主學習能力的目的。

2.2 工程實踐能力的培養(yǎng)

土木工程作為一門實踐性和應用性極強的專業(yè)，需要大學生掌握豐富的理論知識并能用其解決實際問題。現(xiàn)代社會對人才工程實踐應用能力的要求越來越高，單一的理論教學顯然無法滿足要求。在課堂教學中，學生重視期末考試成績，不夠重視實踐教學。通過結構設計競賽，可以有效培養(yǎng)學生的工程實踐能力。結構設計競賽題目均源自重點工程問題，學生參與結構模型設計，可了解工程背景，提出解決方案。競賽的目的在于結合實際生活中的工程問題，讓參賽者在競賽過程中能夠將所學理論知識與工程實踐緊密結合[11]，這一過程對于培養(yǎng)大學生工程實踐能力有著重要意義。

2.3 創(chuàng)新精神的培養(yǎng)

培養(yǎng)創(chuàng)新精神是教育工作的重要任務，其包括激發(fā)學生的主動學習精神、培養(yǎng)學生獨立獲取知識以及開展創(chuàng)造性學習的能力、促進學生形成創(chuàng)新意識等內容，最終使學生成為富有創(chuàng)新精神的人才[12]。結構設計競賽是一項富有創(chuàng)造性的活動，可有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。學生在結構概念選型、模型設計、模型制作、結構優(yōu)化等過程中，運用竹條、竹片、紙片、小刀、膠水，不斷運用創(chuàng)造性思維來完成競賽項目。在歷屆結構設計競賽過程中，都會呈現(xiàn)出構思精巧、結構新穎的作品。結構設計競賽可以使大學生積累實踐經驗，培養(yǎng)大學生創(chuàng)新精神。

2.4 團隊協(xié)作精神的培養(yǎng)

應用型人才不僅需要具有實踐能力，還應具備團隊協(xié)作能力。學生在參與結構設計競賽的過程中，需要完成結構選型、模型制作、加載試驗、理論計算書編寫等一系列任務。團隊成員能否合理分工、發(fā)揮專長、緊密協(xié)作等，都直接影響整個團隊的成績[13]。團隊協(xié)作不僅可以提升學生的溝通能力，還有助于培養(yǎng)學生良好的心理素質。由于參賽隊員可能來自不同專業(yè)、不同年級，溝通交流必不可少。競賽過程中的諸多方面都需要團隊成員經過反復的討論確定，結構設計競賽可為學生提供提升溝通能力的良好機會。

3 湖南理工學院開展結構設計競賽取得的成果

湖南理工學院土木建筑工程學院歷經30多年的建設，現(xiàn)有土木工程、建筑學、歷史建筑保護工程、水利水電工程四個本科專業(yè)，其中土木工程專業(yè)為湖南省一流本科專業(yè)建設點，入選湖南省首批新工科研究與實踐項目。學院擁有土木水利專業(yè)碩士學位點，下設結構工程、巖土工程、道路與橋梁工程三個方向。

大學生結構設計競賽是土木工程領域級別最高、規(guī)模最大的大學生創(chuàng)新競賽活動，賽事致力于激發(fā)大學生的創(chuàng)新設計意識，檢驗大學生的動手實踐能力，助推省內建設類高校主動滿足國家和地方經濟建設發(fā)展對未來人才的需求[14]。為切實提高大學生對結構的設計和分析計算能力，提高大學生對土木工程結構知識的運用能力，培養(yǎng)大學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，湖南理工學院土木建筑工程學院積極舉辦多次校賽，并多次參加了湖南省大學生結構設計競賽，獲得了省二等獎、三等獎的好成績。

4 結語

本文介紹了大學生結構設計競賽的概況，從學習能力、工程實踐能力、創(chuàng)新精神、團隊協(xié)作精神四個方面，強調了結構模型競賽對大學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的作用。結合湖南理工學院土木建筑工程學院大學生參加結構設計競賽的實踐經驗，總結了結構設計競賽對大學生創(chuàng)新設計能力和工程實踐能力培養(yǎng)的重要作用，有助于為高校應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供參考意見。