基于課堂教學(xué)活動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)制度

王永寶 靳瑾 張晉杰 秦鵬舉 裴一鳴

[摘 要] 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為土木工程專(zhuān)業(yè)大學(xué)生提高實(shí)踐能力提供了很好的平臺(tái)，但由于設(shè)計(jì)競(jìng)賽時(shí)間緊、任務(wù)重，參賽學(xué)生得不到較為系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)化訓(xùn)練，阻礙了競(jìng)技水平的提高。如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽模型設(shè)計(jì)理論和制作技巧的傳承和發(fā)展成為各大高校面臨的難題。通過(guò)分析目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)制度存在的問(wèn)題，提出了從課堂教學(xué)角度開(kāi)展大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)的具體措施和方法，并指出了上述制度的優(yōu)點(diǎn)，為后續(xù)開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)提供參考。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);競(jìng)賽;課堂教學(xué);培訓(xùn)

[基金項(xiàng)目] 2019年山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目“赤泥地聚物混凝土徐變機(jī)制及預(yù)測(cè)模型研究”（2019L0295）;2020年山西省教學(xué)改革? ? ? 創(chuàng)新項(xiàng)目“基于大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的學(xué)科競(jìng)賽管理體系研究”（2020JG012）

[作者簡(jiǎn)介] 王永寶（1989—），男，山東濰坊人，工學(xué)博士，太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院講師，主要從事土木工程理論與教學(xué)研究;靳 瑾 （1989—），女，山西臨汾人，工學(xué)博士，太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院講師，主要從事土木工程理論與教學(xué)研究;張晉杰（1995—），男，山西太原人，同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院2019級(jí)橋梁與隧道工程專(zhuān)業(yè)碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛄嚎癸L(fēng)。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）34-0071-03 ? ?[收稿日期] 2019-11-07

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽可提高學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，因而得到高校土木學(xué)子的廣泛參與[1]。該項(xiàng)賽事每年舉行一次，受大學(xué)課程及學(xué)制年限影響，每年的參賽隊(duì)員不盡相同，競(jìng)技水平很難有效傳承。如何培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)技水平，提高大學(xué)生的實(shí)踐能力是目前各大高校面臨的難題。

大一學(xué)生（以3月份賽題公布算）雖有時(shí)間參加競(jìng)賽，但由于知識(shí)儲(chǔ)備量較少（校賽為大一，國(guó)賽為大二），不敢報(bào)名參賽;大三學(xué)生雖具有扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，但忙于考研、就業(yè)，無(wú)暇顧及各種競(jìng)賽;大二學(xué)生無(wú)疑成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的主力。雖然學(xué)生有一定的知識(shí)儲(chǔ)備，但結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元等內(nèi)容仍了解甚少，比賽開(kāi)始時(shí)，理論基礎(chǔ)仍然較差，且?guī)缀跷磪⑴c實(shí)際模型的制作，實(shí)踐能力也較差。雖有部分高校在競(jìng)賽前對(duì)學(xué)生進(jìn)行了短期培訓(xùn)[2]，這對(duì)提高學(xué)生競(jìng)技水平有一定幫助，但由于時(shí)間短、任務(wù)重，培訓(xùn)效果較差。且受場(chǎng)地和指導(dǎo)老師精力影響，僅有少數(shù)學(xué)生能參加培訓(xùn)，多數(shù)學(xué)生被拒之門(mén)外，違背了新工科要求中廣泛培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的目的[3]。也有高校成立了社團(tuán)，發(fā)揮其傳幫帶作用[4]，對(duì)促進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的發(fā)展有較大幫助[5]，但社團(tuán)學(xué)長(zhǎng)的指導(dǎo)不系統(tǒng)，且參與社團(tuán)群體學(xué)生較少。

為克服現(xiàn)有參賽學(xué)生競(jìng)賽水平參差不齊，學(xué)生實(shí)踐能力差的不足，本文對(duì)目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)制度存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了基于課堂教學(xué)活動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)模式，通過(guò)改革提高大學(xué)生在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的競(jìng)技水平，為高校進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。

一、傳統(tǒng)培訓(xùn)制度的缺陷

（一）培訓(xùn)任務(wù)重、受益學(xué)生群體少

參賽學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)較為薄弱，突擊培訓(xùn)使得學(xué)生在進(jìn)行繁忙學(xué)業(yè)的同時(shí)還需花大量時(shí)間學(xué)習(xí)競(jìng)賽知識(shí)和模型制作經(jīng)驗(yàn)等[4]，且目前市面上無(wú)系統(tǒng)的教材參考學(xué)習(xí)，需要課堂系統(tǒng)的培訓(xùn)。另外，突擊培訓(xùn)針對(duì)的學(xué)生面較少，僅有部分學(xué)生受益[6]。而該培訓(xùn)體制很難達(dá)到新工科指南中要求工科專(zhuān)業(yè)實(shí)現(xiàn)50%以上的學(xué)生參與“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”中的目標(biāo)[7]。

（二）培訓(xùn)指導(dǎo)老師激勵(lì)不足

現(xiàn)有的短期培訓(xùn)制度要求指導(dǎo)老師義務(wù)為學(xué)生進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，且授課老師需根據(jù)歷年最新賽題內(nèi)容收集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的相關(guān)資料。制作授課PPT和培訓(xùn)手冊(cè)，均需要花大量的時(shí)間和精力，但現(xiàn)有績(jī)效獎(jiǎng)勵(lì)制度既無(wú)工作量，也無(wú)任何報(bào)酬，且相關(guān)培訓(xùn)與評(píng)職稱(chēng)無(wú)關(guān)，導(dǎo)致指導(dǎo)老師的參與積極性較低。

（三）宣傳力度和受益面不足

若參賽高校本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽競(jìng)技水平較低，過(guò)去幾年未獲得較好的比賽成績(jī)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽在學(xué)生間的影響力較小，基礎(chǔ)理論知識(shí)扎實(shí)的學(xué)生認(rèn)為即使進(jìn)行了突擊培訓(xùn)，也很難獲得較好的比賽成績(jī)，參與積極性較低。

除此以外，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽宣傳力度不夠，且培訓(xùn)時(shí)間短，專(zhuān)門(mén)的實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)少，多數(shù)學(xué)生不知道競(jìng)賽的益處而對(duì)培訓(xùn)采取觀望態(tài)度，起不到全面培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的目的。

二、課堂培訓(xùn)大綱

將土木工程學(xué)科競(jìng)賽培訓(xùn)過(guò)程納入本科生培養(yǎng)方案，開(kāi)設(shè)“土木設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐”這門(mén)選修課，時(shí)間設(shè)置為第三學(xué)期，授課內(nèi)容主要以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)為例開(kāi)展。該課程可在全校范圍內(nèi)選課，鼓勵(lì)不同年級(jí)、不同專(zhuān)業(yè)的本科生選課，并將該選修課納入本科培養(yǎng)計(jì)劃。

該課程主要分為課堂教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)分1.5，總學(xué)時(shí)24，其中理論環(huán)節(jié)12學(xué)時(shí)，實(shí)踐環(huán)節(jié)12學(xué)時(shí)。設(shè)置該課程的目的在于以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為例提高土木工程學(xué)生的實(shí)踐能力。通過(guò)該課程普及土木設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為后續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽奠定基礎(chǔ)。課堂環(huán)節(jié)，講授結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的理論知識(shí)和競(jìng)賽技巧等;實(shí)踐環(huán)節(jié)，以賽題導(dǎo)向?yàn)榛鶞?zhǔn)，讓學(xué)生訓(xùn)練實(shí)踐能力，熟練掌握構(gòu)件和模型的制作。

課程的難點(diǎn)在于：學(xué)院要為本門(mén)課程配備足夠的經(jīng)費(fèi)，經(jīng)費(fèi)主要用于授課教師購(gòu)買(mǎi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽實(shí)踐環(huán)節(jié)的竹材、膠水等耗材，以及加載裝置。同時(shí)還需要配備專(zhuān)門(mén)的材料管理人員管理相關(guān)材料。

三、課堂教學(xué)內(nèi)容

本課程開(kāi)設(shè)12學(xué)時(shí)的理論授課環(huán)節(jié)，課堂授課主要包括以下內(nèi)容。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本流程及本科專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用：梳理本科課程框架（工程荷載組合、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、有限元等）及其在設(shè)計(jì)流程中的地位。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽與實(shí)際課程的差異性對(duì)比：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型為抽象化的結(jié)構(gòu)，功能性要求不高、可重復(fù)試驗(yàn)追求極致、傳力直接高效，需考慮考慮施工要求。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的基本概況介紹：常用材料性質(zhì)、截面及其特性、結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

4.結(jié)構(gòu)模型的理論構(gòu)思及力學(xué)計(jì)算：桁架、空心桿、拱、梁、柱、張弦梁等基本元素的特點(diǎn)和構(gòu)思。

5.模型制作技巧：常見(jiàn)構(gòu)件制作方法、節(jié)點(diǎn)處理、連接長(zhǎng)度及安裝要點(diǎn)、試驗(yàn)過(guò)程及分析。

6.軟件學(xué)習(xí)及計(jì)算書(shū)書(shū)寫(xiě)：常用有限元及辦公軟件的學(xué)習(xí)資料獲取方法，建模流程、技巧;制圖軟件介紹;計(jì)算書(shū)的基本組成，撰寫(xiě)內(nèi)容、技巧等。

四、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

開(kāi)設(shè)12學(xué)時(shí)的實(shí)踐授課環(huán)節(jié)，主要包括以下內(nèi)容。

1.受壓、彎桿件或構(gòu)件：空心桿、魚(yú)鰒式桿、張弦梁、小格構(gòu)柱等基本受壓彎構(gòu)件的制作;受壓構(gòu)件的承載能力試驗(yàn)。

2.受拉桿件或構(gòu)件：長(zhǎng)竹條的拼接、劈開(kāi)，竹皮拉條的加工制作，超長(zhǎng)受拉構(gòu)件預(yù)應(yīng)力張拉技巧等;受拉構(gòu)件的承載能力試驗(yàn)。

3.連接構(gòu)造：梁柱之間的連接，拉條與柱的連接，柱與基礎(chǔ)的連接，多根受壓柱或梁之間的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)連接;考慮復(fù)雜節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)件的承載能力試驗(yàn)。

4.工具及整體模型制作：練習(xí)拋光工具、劈條工具、施工圖、施工支架等簡(jiǎn)單工具的制作技巧;基于上述制作的受拉、受壓桿件和節(jié)點(diǎn)拼接技術(shù)，按照既有的理論分析模型，練習(xí)整體模型的拼裝。

5.模型加載及反思：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加載，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖芰侠硇院椭谱魉剑虞d過(guò)程錄像并回放，根據(jù)加載結(jié)果分析模型出現(xiàn)問(wèn)題的原因，為改進(jìn)提供依據(jù)。

6.模型方案改進(jìn)：基于加載結(jié)果和分析的原因，考慮模型改進(jìn)措施，如改變結(jié)構(gòu)形式，減小或增加桿件，加固主要受力構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)等措施。

五、考核方式及優(yōu)點(diǎn)

（一）考核方式

1.原則。本課程以實(shí)踐考核為主，理論考核為輔的方式結(jié)課。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽要求參賽學(xué)生具備的知識(shí)面較廣，實(shí)際比賽為三人組成的團(tuán)隊(duì)，每名隊(duì)員專(zhuān)業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備和能力均存在較大差異，而競(jìng)賽要求考察團(tuán)隊(duì)的合作能力。因此，本課程的考核形式也呈多樣性，僅要求參賽隊(duì)員有某一方面專(zhuān)長(zhǎng)即可，學(xué)生可根據(jù)自身特點(diǎn)選擇一種主要理論考核方式，但每名同學(xué)必須參加動(dòng)手實(shí)踐能力考核，實(shí)踐考核分不少于50%。理論考核以PPT展示設(shè)計(jì)思路為主，主要從模型創(chuàng)新思維，有限元建模，計(jì)算書(shū)書(shū)寫(xiě)等角度考慮;實(shí)踐考核以“小構(gòu)件或小結(jié)構(gòu)”制作加載為主。

2.理論考核環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)為模型構(gòu)思開(kāi)放性考核，主要對(duì)以往國(guó)賽或省賽賽題進(jìn)行改編，根據(jù)12學(xué)時(shí)的理論學(xué)習(xí)設(shè)置理論考核方式，重點(diǎn)考察學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力?？己藦奈鍌€(gè)方面開(kāi)展：（1）獨(dú)特的模型思維能力;（2）軟件建模分析能力;（3）計(jì)算書(shū)書(shū)寫(xiě)能力;（4）構(gòu)件、結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)處理或模型工具制作能力;（5）事故分析和綜合答辯能力。

3.實(shí)踐考核環(huán)節(jié)。根據(jù)課堂講述的模型制作流程和技巧，以往屆國(guó)賽賽題為依據(jù)設(shè)計(jì)理論方案，制作小結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的模型并加載，根據(jù)加載結(jié)果提出改進(jìn)措施和優(yōu)化方案。通過(guò)給定學(xué)生理論模型，讓學(xué)生在限定時(shí)間內(nèi)完成小構(gòu)件制作并加載，根據(jù)加載分?jǐn)?shù)確定考核結(jié)果。除加載外，還考慮模型制作過(guò)程中的桿件、節(jié)點(diǎn)和拼裝制作技巧等過(guò)程分。

（二）優(yōu)點(diǎn)

1.該課程的開(kāi)設(shè)可讓更多學(xué)生參與到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的相關(guān)專(zhuān)業(yè)技能，體會(huì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽帶來(lái)的創(chuàng)新性思維，以更大的信心參與到競(jìng)賽活動(dòng)中?？杀苊饷磕晷Ｙ愡x拔時(shí)間緊張，學(xué)生理論和實(shí)踐動(dòng)手能力差的問(wèn)題。

2.可促進(jìn)不同層次的學(xué)生交流，為跨年級(jí)和專(zhuān)業(yè)組隊(duì)創(chuàng)造條件[4]。不同年級(jí)和專(zhuān)業(yè)的學(xué)生會(huì)在整個(gè)組隊(duì)過(guò)程中發(fā)揮不同優(yōu)勢(shì)，高年級(jí)學(xué)生理論知識(shí)扎實(shí)，適合理論模型創(chuàng)新，低年級(jí)學(xué)生時(shí)間充裕，適合實(shí)踐制作。

3.將培訓(xùn)設(shè)置為選修課，能充分調(diào)動(dòng)老師的參與積極性，為更好地服務(wù)學(xué)生奠定制度基礎(chǔ)，克服只有競(jìng)賽獲獎(jiǎng)才有獎(jiǎng)勵(lì)的弊端。

4.課堂培訓(xùn)增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的學(xué)習(xí)時(shí)間，上課過(guò)程中，老師可了解每名學(xué)生在學(xué)科競(jìng)賽方面的特點(diǎn)，課堂成績(jī)還可為選拔合適的競(jìng)賽人選提供依據(jù)。

5.通過(guò)個(gè)性化的培訓(xùn)，能充分發(fā)揮每個(gè)參賽隊(duì)員的優(yōu)勢(shì)。專(zhuān)業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備高、思維敏捷、能夠提出創(chuàng)新性模型的理論型隊(duì)員和具備扎實(shí)動(dòng)手實(shí)踐能力、對(duì)待細(xì)節(jié)一絲不茍、能夠準(zhǔn)確完成結(jié)構(gòu)模型的實(shí)踐型隊(duì)員的完美組合是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽取得優(yōu)異成績(jī)的法寶。

六、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)制度存在的缺陷，本文提出了以課堂教學(xué)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)制度，通過(guò)課堂教學(xué)的方式讓廣大學(xué)生參與到學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)中去，達(dá)到了廣泛培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維及動(dòng)手實(shí)踐能力的目的，避免學(xué)科競(jìng)賽時(shí)間緊與學(xué)生的學(xué)科競(jìng)賽基礎(chǔ)知識(shí)薄弱之間矛盾問(wèn)題的出現(xiàn)。另外，本文提出的培訓(xùn)制度也可為土木工程的其他學(xué)科競(jìng)賽（茅以升公益橋比賽，世界橋梁設(shè)計(jì)大賽等）培訓(xùn)提供參考。

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