以工程力學為主線的土木工程專業(yè)學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實踐

張樹光　余文成　張研　唐麗華

摘? 要：土木工程專業(yè)是涉及從業(yè)領域較多和工程實踐性很強的工科專業(yè)，工程力學是土木工程專業(yè)最重要的專業(yè)基礎課。通過推行課堂教學-實驗教學-數(shù)值實驗一體化教學體系，搭建力學教研室、專業(yè)教研室、土木工程實驗室和土木仿真實訓中心協(xié)同運行的工程力學教學平臺，將工程力學融入土木工程專業(yè)學生的主題活動、創(chuàng)新思維、能力訓練和學科競賽的全過程，在培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力和增強創(chuàng)新意識方面取得了良好效果。

關鍵詞：創(chuàng)新能力;工程力學;土木工程;教學平臺;能力培養(yǎng)

中圖分類號：C961? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）05-0049-04

Abstract： Civil engineering is an engineering major that involves many fields and has strong engineering practice. Engineering Mechanics is the most important basic course for civil engineering major. The integrated teaching system of classroom teaching-experiment teaching-numerical experiment is reformed， and an Engineering Mechanics teaching platform is set up for the collaborative operation of mechanics teaching and research office， specialized teaching and research office， civil engineering laboratory and civil simulation and training center. By integrating Engineering Mechanics into the whole process of subject activities， innovative thinking， ability training and discipline competition of students majoring in civil engineering， good results have been achieved in cultivating students' innovative ability and enhancing their consciousness of innovation.

Keywords： innovation ability; Engineering Mechanics; civil engineering; teaching platform; ability training

高等院校作為國家創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和儲備的主要場所，肩負著國家未來興衰榮辱的重要使命，深化高等教育創(chuàng)新創(chuàng)意改革，已經(jīng)被提升到人才培養(yǎng)的戰(zhàn)略層面[1]。近年來，教育部相繼實施了“雙一流”和“雙萬計劃”建設方案，旨在推動我國由高等教育大國向高等教育強國轉變，全面提升高等教育綜合實力和人才培養(yǎng)質量。就人才培養(yǎng)質量而言，構建科學合理的課程體系與專業(yè)結構、適應新時代的教學理念與教學方法、注重實效的創(chuàng)新實踐與實踐能力等已成為高等院校人才培養(yǎng)的核心任務。針對我國高校大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)普遍存在的“大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的意識與動力不足、社會與家庭的支持力度不夠、國家高等教育的應試化特征明顯”等問題[2]，全面培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力和增強學生的創(chuàng)新意識，是我國高等教育面臨的重大任務，也是新時代高等教育綜合改革的必然要求。

一、大學生創(chuàng)新能力要素

創(chuàng)新能力宏觀上來說是產(chǎn)生新思想、創(chuàng)造新事物的能力，一般意義上的大學生創(chuàng)新能力具備知識結構、能力結構和素質結構三要素[3]。通過學習和應用知識、發(fā)現(xiàn)和分析問題、提出和論證假設、掌握和創(chuàng)新知識等環(huán)節(jié)的往復循環(huán)訓練，培養(yǎng)學生積極向上的學習心態(tài)及獲取和創(chuàng)造知識的能力。侯錫林等[4-5]結合我國高等教育的實際，圍繞創(chuàng)新意識、知識基礎、創(chuàng)新技能和創(chuàng)新成果四個方面，構建了學術型研究生創(chuàng)新能力評價指標體系，這四個評價維度對大學生也具有很強的指導意義。

在大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，廣大高校教師和教育工作者開展了廣泛的探索與實踐，提出了采用“三全育人”實踐平臺[6]、項目教學法[7]、實驗教學改革[8]、依托學科競賽[9]等多種模式的教學改革，從課堂教學、實踐教學和課外競賽活動等方面為大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)搭建平臺，激發(fā)學生由內而外自發(fā)的積極主動去思考和創(chuàng)意的活力。在這些改革與實踐中，培養(yǎng)學生的認知探求能力、發(fā)散思辨能力、實踐創(chuàng)新技能和塑造成才意識等尤為必要，這些能力素養(yǎng)應貫穿于人才培養(yǎng)的全過程。

二、土木工程專業(yè)特點

土木工程專業(yè)培養(yǎng)掌握土木工程學科的基本理論和基本知識，能在房屋建筑、地下建筑、道路、隧道、橋梁建筑、水電站、港口及近海結構與設施、地基處理等領域從事規(guī)劃、設計、施工、管理和研究工作的高級工程技術人才。土木工程專業(yè)的課程體系通常由通識教育模塊、專業(yè)基礎模塊、專業(yè)課群組和實踐模塊組成。通識教育模塊主要是思政、數(shù)學、物理、外語和計算機等方面的知識;專業(yè)基礎模塊主要是工程力學、巖土工程和結構工程學科的基本理論和知識;專業(yè)課群組主要分為房屋建筑、道路橋梁、地下建筑和巖土工程等專業(yè)方向;實踐模塊主要包括課程實驗、專業(yè)實習、課程設計和畢業(yè)設計等實踐教學環(huán)節(jié)。由此可見，土木工程專業(yè)是涉及從業(yè)領域較多和工程實踐性很強的工科專業(yè)。

土木工程專業(yè)是一個富有空間想象力，強調嚴謹性、綜合性和實踐性的專業(yè)，我國的珠港澳大橋、中國天眼、上海中心大廈、中央電視臺新樓等諸多璀璨建筑都是人類智慧的結晶，無不彰顯著土木工程的創(chuàng)造力和想象力，印證著工程力學是土木工程建造靈魂的美譽。工程力學課程作為土木工程專業(yè)的重要基礎，為學生學習后續(xù)專業(yè)課程起承上啟下的紐帶作用[10]。土木工程專業(yè)的工程力學課程一般安排在大學二年級和三年級，包括理論力學、材料力學、彈性力學、結構力學、巖土力學、流體力學和計算力學等，這些力學課程是土木工程專業(yè)基礎課的骨架和專業(yè)課的支撐，是結構設計類課程的核心內容和學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要基礎。

三、工程力學教學平臺

桂林理工大學土木工程專業(yè)為國家一流專業(yè)和國家工程教育認證專業(yè)，設有建筑工程、道路橋梁工程、巖土工程和地下建筑工程四個專業(yè)方向，始終堅持“厚基礎，寬口徑，重實踐”的人才培養(yǎng)理念，在廣西一流學科建設項目的支持下不斷充實內涵建設，形成了力學教研室、專業(yè)教研室、土木工程實驗室和土木仿真實訓中心協(xié)同運行的工程力學教學平臺。

工程力學教學平臺分為課程教學和實驗實訓兩個單元。課程教學單元由力學教研室和專業(yè)教研室負責，其中，力學教研室負責理論力學、彈性力學和材料力學的教學任務，專業(yè)教研室負責結構力學、巖土力學和計算力學的教學任務。實驗實訓單元由土木工程實驗室和土木仿真實訓中心組成，其中，土木工程實驗室包括力學實驗室、建材實驗室、結構實驗室和巖土實驗室，分別承擔了材料力學、土木工程材料、結構力學和巖土力學的課程實驗，土木仿真實訓中心由數(shù)值實驗室和BIM中心組成，安裝了ANSYS、ABAQUS、COMSOL、FLAC、RFPA和BIM等軟件，承擔組合結構計算、工程穩(wěn)定性分析、巖體破壞過程模擬和建筑信息化設計等創(chuàng)新實驗項目，在學生畢業(yè)設計、創(chuàng)新訓練和學科競賽等方面提供了有力支撐。

四、創(chuàng)新能力培養(yǎng)改革與實踐

（一）工程力學與主題活動

土木工程專業(yè)低年級學生主要學習通識類課程，專業(yè)基礎課僅學習了土木工程概論和土木工程材料兩門課程，尚未接觸真正的專業(yè)課，對專業(yè)的認知還處于培養(yǎng)興趣階段。通過學習理論力學和材料力學等工程力學方面的課程，初步掌握經(jīng)典力學的基礎知識、理論體系和處理力學問題的一般方法，掌握了材料的拉、壓、扭、剪等力學性能，對工程力學對土木工程專業(yè)的重要性認識尚缺乏。為了激發(fā)他們的創(chuàng)造力和想象力，深化對力學課程內容和實驗教學的理解，增強土木類專業(yè)和建筑類專業(yè)學生的交流，學院策劃了“土建砼話”和“建造節(jié)”等低年級學生可參加的比賽，通過搭建建筑感受工程材料性能和基本的力學計算，在感受建筑魅力的同時，也在建造失敗中感受工程力學的重要性，增強學生對專業(yè)的認知能力，激發(fā)學生創(chuàng)新的內動力（圖1）。

（二）工程力學與創(chuàng)新思維

土木工程專業(yè)學生進入大學三年級后，彈性力學、巖土力學和結構力學等專業(yè)基礎課給學生帶來較大的學習壓力，調動學生的學習興趣和主動性尤為關鍵，否則容易挫傷基礎差的學生的學習積極性。在工程力學課程的教學實踐中，我們推行了課堂教學-實驗教學-數(shù)值實驗一體化教學體系，即：課堂教學講授知識點、課程實驗驗證理論知識、數(shù)值實驗啟發(fā)思維，在激發(fā)學生主動獲取知識和培養(yǎng)發(fā)散思維能力等方面起到良好效果。比如：在巖體力學課程中，對“巖體的抗壓強度是隨著加載速度和圍壓的增加而增大”這一知識點，通過巖石力學實驗是很容易驗證的，若用應力-應變曲線直接解釋這一現(xiàn)象，學生會覺得不好理解和知識枯燥，通過引入巖石破裂過程分析系統(tǒng)（RFPA軟件、PFC軟件等），模擬巖石試件內部裂紋的產(chǎn)生、擴展、演化、貫通、破壞的全過程（圖2），讓學生感受實體模型實驗中無法看到的力學現(xiàn)象，再將能量耗散的基本觀點加以滲透，學生的理解和接受能力會大大提升;同時，將通過實驗獲取的力學參數(shù)置入數(shù)值模型，克服了巖石這類多孔介質材料初始性能的差異性，通過更改加載路徑演示變形破壞過程和分析結果，讓學生進一步思考增大加載速度和增加圍壓導致抗壓強度增大的內在作用機制，都將有助于深化學生對巖石強度理論的認識。

（a）花崗巖內部裂紋擴展RFPA數(shù)值試驗[11]

（b）節(jié)理巖石卸載破壞RFPA數(shù)值實驗[12]

（c）砂巖加載破壞過程PFC數(shù)值實驗

（三）工程力學與能力訓練

工程力學課程的精髓在于使學生掌握運用力學知識分析問題的思想方法， 將工程力學知識點轉化為工程力學模型[13]。土木工程專業(yè)是強調技能應用的工科專業(yè)，“授人以魚，不如授之以漁，授人以魚只救一時之急，授人以漁則可解一生之需”，這句話非常適合土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)。我們常說“土木工程是工程力學的外在表現(xiàn)，工程力學是土木工程的靈魂”，是因為工程力學的知識始終貫穿于專業(yè)基礎課程、專業(yè)課程和施工課程。比如：在建筑和橋梁方向最基本的墩柱截面確定問題，看似簡單的問題卻蘊含著剪跨比、軸壓比、縱筋率與體積配箍率等因素對構件力學性能的影響，以及水流荷載、流冰壓力和風荷載等橫向外力的作用等力學問題;在地下工程方向的新奧法施工中要求及時封閉圍巖，目的是限制支護前的變形發(fā)展，阻止圍巖進入松動狀態(tài)，防止圍巖因風化作用造成破壞和剝落，制止膨脹巖體的潮解和膨脹，把巖石荷載轉化為巖石承載結構，從而使得支護與圍巖形成了一個共同工作的力學系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了保護原有巖體強度和發(fā)揮自身承載能力的思想。因此，引導學生從用工程力學分析問題根源為出發(fā)點，才能保證在今后的工作中正確理解設計意圖，依據(jù)工程實際制定出合理的施工方案、安全措施和質量保障措施，確保建筑結構安全和避免工程事故。

（四）工程力學與學科競賽

土木工程本科專業(yè)所需的工程力學課程在第七學期全部完成，學生對工程力學的基礎理論、知識體系和計算方法有了系統(tǒng)的學習，使得第六學期和第七學期成為學生參加學科競賽的黃金時期，通過參加競賽達到“以賽促學、以賽促練、以賽促用”的目的。在這個時期，可根據(jù)學生的自身特長和專業(yè)特點，指導他們參加各類全國普通高校學科競賽。近年來，我校土木工程專業(yè)學生先后獲得了全國大學生結構設計競賽二等獎、美國大學生數(shù)學建模比賽一等獎、全國數(shù)學建模競賽一等獎、全國徐芝綸力學優(yōu)秀學生獎、全國周培源大學力學競賽獎、廣西“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎等獎項。2019年，獲得省部級以上學科競賽獎勵107項，其中，“建筑中會喊痛的骨骼——自感知的承力筋材”和“風暢——基于多級設防理論的建筑抗風設計”等作品充分展示了土木工程專業(yè)的特色，體現(xiàn)了學生利用工程力學知識分析問題和解決問題的能力。

五、結束語

土木工程專業(yè)是具有濃厚工程背景的工科專業(yè)，工程力學是土木工程專業(yè)最重要的專業(yè)基礎課，不僅承擔著夯實專業(yè)基礎的重任，還對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、分析問題和解決問題的能力具有重要作用。通過開展以工程力學為主線的學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實踐，引導學生把工程力學融入主題活動、實踐教學、創(chuàng)新思維、能力訓練和學科競賽，很好地激發(fā)了學生對枯燥力學課程的學習興趣，提升了學生運用知識分析問題的能力。因此，深化以工程力學為主線的教學改革與實踐，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和提升人才培養(yǎng)質量都具有重要意義。

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