結構設計大賽對本科教學改革和學生綜合能力提升的影響研究

譚文輝 陳昕 劉彩平 施建俊

摘? 要：針對結構設計競賽的特點，通過調查研究，分析了結構設計大賽對專業(yè)課程教學、課程設計和實習的要求，研究了結構設計大賽對學生綜合能力提升的影響，為建立一套有助于學生綜合能力提升的課程教學、課程設計、實習的教學體系，培養(yǎng)“實踐能力和創(chuàng)新精神強的應用研究型工程技術人才”提供了參考，有助于土木工程專業(yè)培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。

關鍵詞：結構設計大賽;教學改革;綜合能力;創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）10-0055-04

Abstract： According to the features of structural design competition， the demand of structural design competition from undergraduate professional course teaching， course design and work off-campus was analyzed by investigation. This provides reference for teaching system reform on course teaching， course design and work off-campus to improve students' comprehensive ability and train applied research engineering and technical personnel with practical ability and innovative spirit. It is helpful to realize the goal of specialized training of civil engineering students.

Keywords： structure design competition; teaching reform; comprehensive ability; innovation ability

全國大學生結構設計競賽已被教育部列為大學生 9 項科技競賽之一，迄今為止已成功舉行了十二屆。北京市從2002年起到今年為止已經(jīng)舉行了18屆結構設計大賽，我校土木工程專業(yè)本科生每年都參加北京市的結構設計大賽，每次都取得了不錯的成績。但是，這么多年來，從未做過結構設計大賽與土木工程專業(yè)教學改革、學生綜合能力提升之間關系的研究，現(xiàn)有文獻中，大部分也只是關于結構設計大賽某一方面的研究[1-5]，因此，為了土木工程專業(yè)的發(fā)展及土木工程人才的培養(yǎng)，有必要相應的研究。

結構設計大賽是一項極富創(chuàng)造性，挑戰(zhàn)性的科技競賽，旨在通過對所學知識的綜合運用和團隊精神的考驗，提高學生的動手能力與思維能力，突出創(chuàng)新精神，加強同學之間的合作與交流，培養(yǎng)團隊精神，增強學生們的專業(yè)能力。通過參與競賽，學生們不僅實踐了當前所學知識，還對將來需要學習的知識有了最直觀的體驗和嘗試，從而變被動學習為主動學習，變被動認知為主動認知，有效促進對第一課堂知識的理解。

結構設計競賽也促使專業(yè)教師從理論知識講授者到創(chuàng)新實踐指導者的角色轉變，從形式單一的課堂教學走到形式豐富多樣、內(nèi)容生動具體的課余實踐活動中，有利于教師教學和教育方法的革新。由于歷屆大賽的主要題目為大跨屋蓋結構、橋梁、高層建筑等，因此，擬對目前結構類幾門主要專業(yè)課程的課程體系、課程內(nèi)容、教學方式等進行問卷調查分析，研究課堂教學的改革問題;對土木工程專業(yè)的課程設計和生產(chǎn)實習進行調查，研究實踐類課程的改進方向;對參與結構設計大賽的學生進行調研，分析結構設計大賽對學生能力的培養(yǎng)情況，研究學生能力提升的培養(yǎng)模式，探求培養(yǎng)“實踐能力和創(chuàng)新精神強的應用研究型工程技術人才”的途徑。

一、結構設計大賽對結構類課程教學的要求研究

筆者分別于2017年和2018年，在每年的北京市結構設計大賽結束后，對參與本校結構設計大賽和代表學校參加市賽的同學進行了問卷調查，分別收到47份和50份問卷的反饋。2017年問卷反饋中男生為76.6%，女生為23.4%，大二學生占38.3%，大三學生占55.32%;2018年問卷反饋中男生為64%，女生為36%，大二學生占64%，大三學生占34%。由于大一學生什么專業(yè)課都沒學，大四學生又忙于畢設和找工作，因此大二和大三學生是結構設計大賽的主力。2018年大二學生參與結構設計大賽的比例明顯升高是因為北京市市賽改革，A組比賽直接用的國賽題，做得好可以沖擊國賽，而且A組比賽對專業(yè)要求稍低點，只需要良好的力學基礎。

對與結構設計大賽密切相關的課程（房屋建筑學、土木工程制圖、結構力學、結構抗震設計、鋼結構、高層建筑結構設計）進行了調查，這些課程在同學們心中的重要性如圖1所示。

可見，在結構設計中，結構力學當之無愧是最重要的。調查結果顯示，53.7%（2017）和55.6%（2018）的同學認為應該進行該課程的改革。如何改？同學們的建議很多，譬如，課堂上結合某個簡單的實際例子，具體講述該例子涉及的原理;采用制作力學小模型的方法，寓教于學;將結構設計大賽中所要求設計的結構與課堂教學相結合;課程中可以添加一些軟件的教學，并進行實際操作。

對于大二學的《房屋建筑學》，50%（2017）和58.1%（2018）的學生也認為應該改變，由于課程內(nèi)容比較多，學生們希望有重點，有針對性地講授;他們覺得純理論講解比較多，比較枯燥，希望講解更多的實例以輔助教學，將理論與實踐結合起來;將各種結構設計規(guī)范穿插到作業(yè)中去;將課設這個環(huán)節(jié)與結構設計大賽結合起來;增加一些建筑學以及外觀設計內(nèi)容;增加平立面布局設計作業(yè);在建筑美學與造型設計、建筑設計與繪圖方面可適當增加內(nèi)容到教學中。課堂內(nèi)容加入一些實際工程案例，結合生活中的例子來說明每個構造的原理和作用，在講解結構時能夠引入一些動畫效果或者用模型來體現(xiàn)結構的優(yōu)缺點;可以借鑒往年結構比賽的作品來介紹具體工程的設計，如樓梯設計，洗手間設計，房屋平面布置等。多增加一些實踐方面的課程內(nèi)容;可以增加一些動手操作的環(huán)節(jié)，提高大家的興趣和理解力。

可以看出，通過結構設計大賽，同學們希望學到真正能用于實際的知識，甚至希望擴展相關知識。增加課程的實踐性成為了呼聲最高的要求。同時，結構設計競賽也促使專業(yè)教師要改革教學內(nèi)容和教學方式，將理論與實踐結合起來，變形式單一的課堂教學為形式豐富多樣、內(nèi)容生動具體的課內(nèi)外指導。

因此，必須優(yōu)化課程體系，創(chuàng)新課程管理模式，根據(jù)實際工程需要，建立理論教學與實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結合的課程體系，實現(xiàn)理論的“實用性”，實踐教學的現(xiàn)場“親歷性”，通識課程的“立體性”，創(chuàng)新課程的“靈活性”，創(chuàng)業(yè)課程的“融入性”與選修課程的“特色性”。

二、結構設計大賽對結構類課程設計和實習的要求研究

課程設計和實習屬于實踐教學。土木工程專業(yè)結構類的課程設計有房屋建筑學課程設計、混凝土結構課程設計、基礎工程課程設計、施工組織設計、鋼結構課程設計。實習主要有認識實習和生產(chǎn)實習。實踐教學是學生能力培養(yǎng)的重要方式。目前的課程設計和實習能否滿足結構設計大賽的需要呢？

以大三必做的《混凝土結構課程設計》為例，36%（2017）和39%（2018）的同學認為應該有所改進，如：可以遴選實際中的一些簡單結構，每年改變課設題目，盡量不重復;盡量與課程內(nèi)容結合，課設為其具體的應用;混凝土課程的原理和設計放在同一個學期比較好;希望對于課設有專門的糾錯指導。希望能夠用結構設計大賽的設計來抵消相應課程設計的學分。

對于大二必做的《房屋建筑學課程設計》，28.2%（2017）和28.6%（2018）的同學認為可以作些改進，如：設計課題可以以結構設計大賽歷年題目為參考，每年題目可以加以變化，盡量不重復;課程設計課堂做，增加指導。給學生的作業(yè)提出問題所在，并留有時間修改。

調查結果表明，對于課程設計，學生們希望做一些與實際緊密結合的設計，并且能得到老師的及時糾錯，還希望與結構設計大賽結合起來，確認學分。

對于認識實習，39%（2017）和36.8%（2018）的同學認為：應該更加貼近我們所學習的內(nèi)容以及我們可以應用到的東西;實踐時間可以多一點，多培養(yǎng)思考和動手能力，而不只是聽技術人員的介紹;多一些不同的結構形式，應該接觸土木工程領域盡量多的工程，特別是重大工程項目的建設，比如大跨，橋梁、高層建筑等的建設，讓他們從感性上了解認識這些結構和組成;增加一些地鐵項目、大型公共建筑，規(guī)劃館，設計院或者市政等參觀項目，增加與項目總工的交流，形成整體性工程思維;了解特殊建筑的承受荷載能力以及施工過程;在參觀講解方面希望更加深入，對一些經(jīng)典的、著名的物建筑結合學習內(nèi)容，著重講解，達到更好的效果;不應局限于書本，要開拓視野，著重應用與實踐。

對于生產(chǎn)實習，18.9%（2017）和33.3%（2018）的同學認為：可以延長生產(chǎn)實習時間;以實習生的身份加入到工程設計與施工過程一線中，特別是大跨，房建，橋梁，隧道等的建設項目中;增加一些設計計算方面的知識;增加和現(xiàn)場施工的工程師學習交流的機會。

對課設與實習的調查表明，與實踐相結合，增強動手能力的培養(yǎng)，讓學生將所學的理論運用到實踐中，在實踐中提升是土木工程課設和實習改革的不二之選。廈大“一體四翼”實踐教學體系[6]與其他地方高校對實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[7]也許可以給我們提供參考。我校土木工程本科生必修學分187，其中實踐類學分是46.5，實踐學分占總學分的24.9%。從實踐性強的土木工程學科來說，實踐教學比例應大幅提升，占總學時至少應該30%以上，進入企業(yè)等現(xiàn)場的學習和實習總學時應增加50%。

三、結構設計大賽對學生綜合能力提升的影響研究

結構設計大賽需要進行建筑造型設計、做實物模型、用計算機軟件進行結構受力分析與驗算、畫設計圖紙等一系列工作，學生們通過完成這些工作有什么收獲或體會呢？調查結果顯示，對于工程系統(tǒng)能力（構思、設計、實現(xiàn)），38.3%（2017）和44%（2018）的同學認為提升很快，61.7%（2017）和54%（2018）的同學認為有提升。在動手能力、思維能力、創(chuàng)新能力和協(xié)作能力方面，93%以上的同學的動手能力得到了提升，86%以上的同學協(xié)作能力得到了加強。學生們認為完成結構設計大賽最需要的品質排名見圖2。堅持不懈和團隊意識是最重要的品質。

完成結構設計大賽的過程中，面臨的困難是什么呢？由于參加結構設計大賽的時候很多專業(yè)課還沒上。如何構思？如何將自己的想法變成實物？如何進行規(guī)范的查找，進行結構強度和變形分析？圖3是比賽過程中遇到的困難直方圖，可見，建模設計和計算分析成為比賽中遇到的最大困難。因此，在參賽過程中，64%（2017）和48%（2018）學生認為最需要的是專業(yè)知識，其他還有軟件培訓、有經(jīng)驗的學長指導、材料;場地提供等。

結構設計大賽實際是一個全面調動學生知識和技能，解決問題的過程，對學生是一個極大的鍛煉和提升，需要學生做到自信、自主、自強、自勵，養(yǎng)成喜愛鉆研，不滿足于已有知識及解答的心理素質以及思考問題時力求深入、全面、縝密的習慣能力。這也是我們老師在教學中需要加強的，授人以魚不如授人以漁，因此，進行創(chuàng)新型、研究型教學勢在必行。

四、結束語

2016年，我國正式成為國際本科工程學位互認協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會員，土木工程專業(yè)的國際化被提上日程，這要求我們的課程教學及相關的教學實踐必須改革，以滿足培養(yǎng)具有良好創(chuàng)新能力和綜合能力的適應國際化需要的土木工程專業(yè)畢業(yè)生的需要。

連續(xù)三年被《美國新聞與世界報道》評為美國最具創(chuàng)新力大學的亞利桑那州立大學（簡稱ASU）校長Michael M.Crow在GES 2017未來教育大會上發(fā)表《高等教育改革美國案例》的主題演講時，介紹了ASU由于實施了“加速器”項目取得的成就[8]。通過引入新技術，學校實現(xiàn)了個性化教學，取得了豐碩的教育成果。

對于土木工程這類實踐性要求強的學科，傳統(tǒng)的教室互動教學體驗進展相對緩慢，無法為學生提供更加個性化的教學，不能在更大范圍以更多途徑幫助學生獲得學習上的成功和能力的提升。結構設計大賽形成了以學生為主， 教師提供支持的運作機制，學生的學習積極性大大調動起來了，因此可以考慮采用以實踐的方式去學習知識，取代傳統(tǒng)的課堂學習;將人工智能、BIM技術等引入教學，融合不同學科的角度和知識架構，實現(xiàn)傳統(tǒng)教學與新技術的融合;采取靈活的學科學習方式，根據(jù)學生的不同類型、不同需求進行學科和課程設置，如開設建筑模型制作課、軟件培訓課等，從而為國家培養(yǎng)出實踐能力強，具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和國際視野的高素質工程技術人才。

參考文獻：

[1]陳俊嶺，黃皇.結構模型競賽在土木工程專業(yè)大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的作用[J].高等建筑教育，2014，23（2）：103-107.

[2]程強科，梁國儒，張宏，等.結構設計大賽命題理論設計[J].科技傳播，2011（9）：37-38.

[3]刁澤民，陳富廉，李宏濤，等.結構設計大賽中的計算機仿真分析[J].計算機工程應用技術，2017，13（8）：207-209.

[4]沈璐，高潮，王志云.第七屆全國大學生結構設計競賽模型結構設計與分析[J].高等建筑教育，2014，23（4）：159-163.

[5]劉承斌，王步宇，孫鳳鋼，等.結構設計大賽材料性能試驗[J].實驗室研究與探索，2007，26（10）：178-180.

[6]謝火木，劉李春，鐘杰，等.構建“一體四翼”實踐教學體系加強本科生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].中國大學教學，2017（8）：40-44.

[7]李斌，楊恒山，陳積光.地方院校土建類大學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系構建[J].中國冶金教育，2018，184（1）：62-64.

[8]孟蕾.創(chuàng)新科技下的教育改革：專訪美國亞利桑那州立大學校長MichaelM.Crow[J].留學，2017（23）：50-56.