“結構大賽”訓練新模式促進土木工程教學改革

南波 趙榮飛 白義奎

［摘 要］ 土木工程是理論與實踐并重的一門學科。教授書本知識的同時，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與動手能力亦成為高校教育教學的主要目標。針對原有教學方式的弊端，以大學生結構設計大賽為切入點，打造新工科背景下的工程學科創(chuàng)新訓練新模式，運用5W2H分析法探索出一條切實可行的競賽促進土木工程專業(yè)教學的改革之路。實踐表明，“結構大賽”新教學模式可以顯著提升學生的學習興趣和主動性。通過競賽使學生的實際技能和創(chuàng)新能力、競賽意識、心理素質都得到提高和鍛煉。

［關鍵詞］ 教學改革；結構大賽；創(chuàng)新訓練新模式；5W2H分析法

［基金項目］ 2022年度沈陽農業(yè)大學教學研究項目“思政教育融入高層建筑結構設計的教學設計理念與方法”（2022-81）；2022年度教育部產學合作協(xié)同育人項目“沈陽農大-廣州建研數力SAUSAGE實訓基地建設”（220905019091928）；2022年度教育部產學合作協(xié)同育人項目“沈陽農大-北京盈建科建筑結構設計師團隊”（220704699124734）；2021年度沈陽農業(yè)大學教育教學研究項目“土木工程專業(yè)畢業(yè)要求達成評價機制構建”（2021-17）

［作者簡介］ 南 波（1984—），男，遼寧沈陽人，博士，沈陽農業(yè)大學水利學院副教授，主要從事新工科建設方向的教育教學研究和輕鋼結構研究；白義奎（1968—），男（蒙古族），遼寧喀左人，博士，沈陽農業(yè)大學水利學院教授（通信作者），主要從事新工科建設方向的教育教學研究和農業(yè)建筑研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）01-0049-04 ［收稿日期］ 2023-02-17

引言

2019年，時任總理李克強在十三屆全國人大二次會議上作政府工作報告時提出：“發(fā)展更加公平更有質量的教育。推進一流大學和一流學科建設。”［1］“高等教育是第一生產力和人才第一資源重要結合點，是提升區(qū)域創(chuàng)新能力和核心競爭力的必要手段?！保?］為了積極響應組織的號召，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質大學生，加快學科建設，爭創(chuàng)一流學科，沈陽農業(yè)大學土木工程專業(yè)將基礎課程教育與全國大學生結構設計競賽相結合，進行試點改革，以達到更有質量的高等工科教育。

全國大學生結構設計競賽是我國教育部確定的全國九大大學生學科競賽之一，是土木工程專業(yè)最具影響力的大學生科技創(chuàng)新活動賽事，目的是構建高校工程教育實踐平臺，進一步培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識、團隊協(xié)同和工程實踐能力，切實提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)質量［3］。結構設計競賽的結構選型與實際結構相結合，如高層建筑結構、兩車道橋梁、風力發(fā)電塔、懸挑屋蓋結構等，對提高大學生創(chuàng)新能力、動手能力、結構分析能力、團隊合作能力等都有促進作用。

一、土木工程專業(yè)教學問題與對策

作為土木工程專業(yè)的青年教師，筆者發(fā)現在土木工程專業(yè)學生的培養(yǎng)教育中存在以下幾點問題。

（一）主動學習積極性不足

因課程理論性較強，如各門應用理論類的基礎力學課，且授課方式多為傳統(tǒng)的課堂授課，教師與學生互動較少，一般采取大課堂形式，一個教師要教兩個班甚至四個班的學生，無法因材施教，學生進度不一，導致學生學習積極性不高。

（二）知識應用靈活度不夠

學生過于依賴教師課上所講內容，單一地記憶，只為應對考試，并沒有仔細研究及理解，長此以往學生學到的知識只會用公式解決考試問題，無法在實際中靈活運用所學知識解決結構的問題。如鋼結構設計時，學生只是單純模仿書中例題，沒有創(chuàng)新［4-5］。

（三）自主創(chuàng)新性學習時間較少

課上的時間是有限的，課時安排也較為緊湊，部分課程教師只能挑選重點講授，或針對較為常見的問題進行分析講解，而在現實生活中結構或者建筑的問題并不全是具有代表性的，這時就存在學習不全面、不完整、沒有系統(tǒng)性的問題。課程的考核方式為單一的試卷筆試形式，并不能檢驗學生的實際應用水平。實踐課時少，學生動手能力得不到鍛煉，無法直觀地體會建筑結構設計特點，理論知識也不能靈活應用。

本文以沈陽農業(yè)大學土木工程專業(yè)為例，所施行的改革也只針對專業(yè)知識體系中的力學方面?；诖耍覀冎匦聦ν聊竟こ虒I(yè)進行了專業(yè)定位，提出“厚基礎、重實踐、求創(chuàng)新”的專業(yè)新理念，強化工程類教育與理論相結合、與實踐相結合的方法，尤其注重土木學科特有的結構大賽對教學的促進作用。

二、5W2H方法原理及介紹

本文引入5W2H分析方法對土木工程教育教學進行改革。5W2H分析法又叫“七何分析法”即用五個以W開頭的英語疑問詞（What，Why，When，Where，Who）和兩個以H開頭的英語疑問詞（How，How much）對需要解決的問題進行設問，在先提問后思考的過程中清晰有序地尋找解決思路，進行設計構思，繼而得出合理的解決方案。本文通過5W2H分析法全面地分析了如何通過教學改革實現教學與全國大學生結構設計競賽相結合的創(chuàng)新訓練模式，以及該模式對土木工程專業(yè)有何種作用。

三、5W2H法分析的可行性

（一）Why（為什么改革）

在土木工程專業(yè)課中，“結構力學”“材料力學”為其中最重要的專業(yè)基礎課程［6］。相較于其他課程，力學課程是土木工程專業(yè)學生所必須掌握的基礎課程，也是學生未來從事土木類行業(yè)所必須熟練應用的基礎技能。力學類課程相較于其他課程更為復雜難懂，只通過教師教學難以理解透徹融會貫通［7］。

全國大學生結構設計競賽是由教育部及財政部共同支持，由各高校輪流承辦的為培養(yǎng)大學生的實踐動手能力、創(chuàng)新意識、合作意識的專業(yè)性競賽。大賽所應用的理論知識與學生所學的力學原理類課程內容緊密貼合。將教學與結構設計競賽相結合不僅可以促進學生對課程知識的應用與理解，還可以提高學生的創(chuàng)新實踐能力?；诖?，選擇將各個力學課程與結構競賽相結合，對課程進行進一步的改進，實施教學改革。

（二）What（改革什么）

1.實施教學改革的條件是什么。國家層面：當前國家正飛速發(fā)展，對大學專業(yè)人才培養(yǎng)的重視度與要求逐漸提高，出臺了一系列與教學方式改革相關的政策，為大學教學方式的改革提供了大力支持。

專業(yè)層面：本專業(yè)的領導致力于培育更高素質、對祖國有更大貢獻的專業(yè)人才，積極帶頭學習國家政策，并全力鼓勵教師自主尋找改革方法，為實施教學改革的教師提供便利。

2.前期準備工作是什么。要實現全國結構設計競賽與土木工程專業(yè)教學的完美結合，需要對大賽與教學改革均有充分的了解。對于結構設計競賽，既要了解大賽應用了哪些專業(yè)知識，又要整理匯總全國結構設計競賽的有關數據，例如，獲獎情況、獲獎學生所在學校分布情況、獲獎學生成績狀況等。

3.教學改革的目的是什么。實現土木工程專業(yè)教學與全國結構設計競賽相結合的教學改革的目的有以下兩點：第一是為了解決目前土木工程專業(yè)教學及考核方面存在的學生學習積極性不高、思維僵化不能靈活應用、缺少自主創(chuàng)新性學習時間、課程的考核方式為單一卷面考試等問題。促進學生開發(fā)思維，積極創(chuàng)新。第二也是為了促進工程教育的改革，提高學校服務地方的能力，形成獨特的辦學特色，培養(yǎng)國家所需的高素質人才。

（三）How（怎樣改革）

1.教學內容怎樣改革。在教材教學的基礎上融入對結構設計大賽題目的研究與分析。在之前的教學方式下，由于課程枯燥，知識點抽象，只重講解而缺乏應用的授課模式往往使學生對結構、建筑、力學分析等基礎知識只有片面了解。給學生提供與課程知識緊密相關的結構大賽的題目不僅能讓學生充分地應用基礎知識，還能讓學生在研究與分析的過程中提高對知識的理解。學生可以分組選擇自己感興趣的題目，鼓勵學生自主查閱資料，小組內討論并就本小組的題目提出自己的設想和方案，有初步方案后與其他小組相互交流，最后在班級范圍內評比講解優(yōu)缺點。

2.實驗課程怎樣改革。教師在專業(yè)實驗課程上選擇理論課上較為優(yōu)秀的結構模型設計方案，鼓勵學生用競賽材料動手制作自己設計的模型。合理利用實驗室資源對制作的結構模型進行受力實驗模擬，全程讓學生自己動手，獨立思考，觀察所設計結構的受力變形乃至破壞過程。這樣的實驗可以讓學生從實踐中親身感受教師所講的材料力學、理論力學、結構力學的相關知識。課程內容不再是書本上的籠統(tǒng)概念及圖片說明，而是全程參與全程思考，化抽象為具體，以小見大，從一個小模型拓展至實際生活中真實的建筑結構。在觀察實踐所學內容的同時，讓學生找出自己所設計結構的優(yōu)缺點，查閱資料，請教老師，最終改正不足，設計出在受力范圍內穩(wěn)定堅固的結構。這不僅使學生的專業(yè)知識得到提升，還為其以后獨立設計結構或在施工現場分析處理事件提供經驗。

3.考核方式怎樣改革。參考結構設計競賽的評分方式，對學生所做出的設計方案進行評分并按20%計入平時成績。在期末試題中加入一道與結構設計競賽題目類似的精簡受力分析題型或結構設計題型（可作為附加題），考驗學生的創(chuàng)新能力及做改編題的正確率。將模型制作及承載力實驗的評分按30%計入工程基礎課實驗。有能力有時間參加省級或更高層次結構設計競賽的學生，根據其得獎名次情況予以加分（5～15分不等）。

（四）When（何時）

在學生入學教育課上向其介紹本專業(yè)及建筑方面的各種時事新聞、國內外知名的建筑及結構工程，向學生介紹各種與專業(yè)相關的競賽，提高其對專業(yè)知識學習的積極性［8］。在課堂教學中，結束基礎課程的講解后融入結構設計競賽題目的討論課，讓學生可以開闊思維，互相交流，相互促進。在實驗課堂上，鼓勵學生用競賽材料動手制作自己設計的模型。合理利用計算機資源對制作的結構模型進行受力實驗模擬，全程讓學生自己動手，獨立思考。在期末考核中，加入一道與結構設計競賽題目類似的精簡受力分析題型或結構設計題型（可作為附加題），考驗學生的創(chuàng)新能力及做改編題的正確率。

（五）Where（何地）

土木工程學科創(chuàng)新訓練地點為沈陽農業(yè)大學土木工程專業(yè)入學教育課堂、基礎力學課堂、工程基礎實驗課課堂、畢業(yè)設計指導教室。

（六）Who（誰）

教學與結構設計大賽相結合的教學方式是針對沈陽農業(yè)大學土木工程專業(yè)全體師生的一種教學相長的新型教學方式。土木工程專業(yè)作為遼寧省一流重點建設學科得到學校的大力支持。今后教師將在關注結構大賽內容的同時，在課程的必要階段按改革方案加入有關結構設計競賽題目的內容，將結構設計競賽作為與學生進行知識交流的紐帶，與學生共同討論、共同進步，得到提高。

（七）How much（多少）

在實施教學與結構設計大賽相結合的教學方式后，對教學內容、實踐課程、考核方式等進行了改革，取得了顯著的教學效果。學生在理論知識、實踐動手能力、創(chuàng)新思維三大方面有所提升［9］。

1.理論知識方面的提升。新穎并與實際結構有關的競賽題使學生耳目一新，學習興趣倍增。在學習過程中，學生逐漸意識到良好的結構設計必須有扎實的理論基礎支撐，使學生自主學習的積極性大大提高，對課堂理論知識的獲取由被動灌輸變?yōu)橹鲃游?，理論知識的掌握得到很大提升。結構設計競賽是一項綜合性測試，從大賽的各個環(huán)節(jié)來看，大賽拓展了學生的知識面，增進了學生對專業(yè)知識的了解，為學生應用與提升理論知識提供了一個優(yōu)質的平臺［10］。

2.實踐動手能力的增強。由于模型制作程中，需要學生對儀器和工具的使用十分熟練，使得學生動手能力也得到了極大增強，而制作過程中出現的各種問題又激發(fā)了學生的求知欲，加強了學生與指導教師的交流，讓教師的指導作用發(fā)揮出獨特的育才價值和力量［11］。

3.創(chuàng)新思維方面的提高。結構設計大賽題目與課后習題的最大不同是具有創(chuàng)新性，答案不止一種，有利于學生開動腦筋。學生在此過程中既交流了思想，也培養(yǎng)了合作精神。在優(yōu)化結構設計過程中，學生將平時學習到的知識創(chuàng)新并運用到自己的設計中。

結構設計大賽的要求是用更輕質量的材料，制作出承載能力最好的結構。以2022年全國大學生結構設計大賽為例，該賽題為以三重木塔結構為基本單元，要求參賽者針對豎向荷載、扭轉荷載及水平荷載等多種荷載工況下的空間結構進行受力分析、模型制作及加載試驗，學生用規(guī)定的竹條竹片、膠水等材料設計一個三層塔結構模型。該題目不僅可以考查學生的計算機建模能力、多荷載工況組合下的結構優(yōu)化分析計算能力、復雜空間節(jié)點設計安裝能力，還可以檢驗大學生對土木工程結構知識的綜合應用能力。制作模型的過程使理論內容從抽象變成具體，加深學生對理論知識的認識與理解，提高學生的學習興趣和對知識的運用能力。

結語

隨著將競賽內容加入教學改革以來，學生對參加比賽的熱情和積極性也越來越高。由于競賽的目的明確，緊密結合課堂教學，學生能力提高非常明顯，競賽過程使學生的實際技能和創(chuàng)新能力、競賽意識、心理素質都得到提高和鍛煉。參加結構設計競賽的學生考試成績及實驗課成績都有了較為明顯的進步。

參考文獻

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New Training Mode “Structure Competition” to Promote the Teaching Reform of Civil Engineering Major： Taking Civil Engineering Major of Shenyang Agricultural University as an Example

NAN Bo， ZHAO Rong-fei， BAI Yi-kui

（College of Water Conservancy， Shenyang Agricultural University， Shenyang， Liaoning 110866， China）

Abstract： Civil engineering is a subject that pays equal attention to both theory and practice. In addition to teaching students book knowledge， training students innovative ability and practical ability has become the main goal of college education and teaching. In view of the disadvantages of the original teaching methods， this paper takes the structural design competition for college students as the breakthrough point to create a new training mode for new engineering discipline under the emerging engineering background and uses the 5W2H analysis method to explore a feasible way to promote the teaching reform of civil engineering specialty through competition. The result shows that the new teaching mode of “structure competition” can significantly enhance students interest and initiative in learning. Through competition， students practical skills， innovative ability， competition consciousness and psychological quality are all improved.

Key words： educational reform; structural competition; new training mode; 5W2H analysis method