陳穗茵， 李文雄

(華南農業(yè)大學水利與土木工程學院， 廣東廣州 510642)

以結構設計競賽為引導的實踐教學及高水平人才培養(yǎng)

陳穗茵， 李文雄

(華南農業(yè)大學水利與土木工程學院， 廣東廣州 510642)

將結構設計競賽與實踐教學有機結合是培養(yǎng)土木工程專業(yè)高水平人才的有效途徑。文章通過分析土木工程專業(yè)學生設計水平不高的原因，指出了培養(yǎng)結構優(yōu)化設計思想是提高設計水平的關鍵。針對這一問題，提出在實踐教學中加強優(yōu)化設計能力的培養(yǎng)，增加與結構設計競賽相關的教學環(huán)節(jié)和教學活動，以激發(fā)學生的學習興趣，最終提高學生的設計水平，實現土木工程專業(yè)高水平人才的培養(yǎng)。

實踐教學； 結構設計競賽； 人才培養(yǎng)

大學生結構設計競賽是一項富有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的活動[1]。近年來，各類結構設計競賽活動的開展為土木工程專業(yè)學生設計能力的培養(yǎng)提供了很好的平臺。這類活動對學生的綜合能力和實踐教學的質量都提出了很高的要求。將結構設計競賽與實踐教學相結合，以改進教學質量、提高土木工程專業(yè)學生的創(chuàng)新能力和設計水平，是培養(yǎng)高水平專業(yè)人才的有效途徑[2-3]。結構優(yōu)化設計能力是大學生在結構設計競賽中的致勝關鍵，也是高水平設計人才必須具備的條件。然而，目前土木工程專業(yè)學生對結構優(yōu)化設計這一概念缺乏深入認識，未能很好地掌握結構優(yōu)化設計的具體方法。

1 結構競賽與結構優(yōu)化設計

目前，針對大學生結構設計競賽，不少院校已構建了相關的學習交流平臺。這些平臺有助于學生相互交流、一定程度上提高了競賽水平。然而，由于知識水平的限制，學生難以系統地掌握競賽中所必須具備的全部技能，其中最突出的問題是未能確定最優(yōu)的結構方案。據筆者了解，大多數學生并不理解結構優(yōu)化設計的概念，也不掌握相應的優(yōu)化技術。學生的設計方案通常根據經驗或對比多個方案來確定，往往需要大量試驗幫助分析，造成時間和材料的浪費，而且不一定能得到理想結果。主要原因包括三方面：

(1) 學生缺乏對整體結構方案決定性作用的認識。從制作工藝上提高參賽作品的性能是相對容易實現的工作。通過比較材料的特性、選用好的連接方法和構造措施等，也能提高結構的局部性能。然而，結構內力分布與整體結構密切相關，如果忽略結構方案的優(yōu)劣，盲目提高構件的承載能力，很可能造成材料的浪費。這一關鍵問題未能被學生所理解，阻礙了設計水平的提高。

(2) 土木工程專業(yè)本科階段未開設結構優(yōu)化設計課程，學生難以掌握優(yōu)化設計的概念和相關技術。結構優(yōu)化設計課程以講授優(yōu)化設計概念和具體算法為主，由于難度較大，通常僅在研究生階段開設。本科階段主要學習既定結構的計算分析和局部設計，對結構整體優(yōu)化的概念未有深刻認識，這是目前本科生在結構設計競賽中未能很好地運用結構優(yōu)化設計方法的客觀原因。

(3) 計算機軟件條件阻礙了結構優(yōu)化設計技術的推廣。目前，能實現結構優(yōu)化計算的計算機程序很少，在研究生課程中通常也需要自主開發(fā)相應的計算程序。本科階段以學習基本理論為主，課程也較多，難以集中精力開發(fā)相應的程序，即使掌握了結構優(yōu)化設計的概念，也難以將其應用于實際。

2 結構設計教學方法

上述問題反映了土木工程專業(yè)教學中的不足——缺乏結構優(yōu)化設計概念，設計水平不高。為了進一步培養(yǎng)高水平的設計人才，提升競賽水平，提高設計質量，增強隊伍競爭力，在大學課程中補充相關的實踐教學環(huán)節(jié)是關鍵一步[4-5]。當前已有可供使用的優(yōu)化設計程序，為優(yōu)化設計的教學和應用提供了條件，欠缺的是適當的理論教學和技術指導，通過對現有課程的適當調整和補充即可很好地解決以上問題，讓學生的設計水平提升一個臺階。

以結構設計競賽為引導，以培養(yǎng)“高水平人才”為目標，增加相關的實踐教學環(huán)節(jié)，探索在現代教育技術環(huán)境下開展創(chuàng)新教育的目標、內容、方法、手段，可從以下四方面開展。

2.1 結構優(yōu)化設計思想的培養(yǎng)

結構優(yōu)化設計應著眼于整體結構的優(yōu)化，通過合理的結構布置達到優(yōu)化的目的，而不僅限于構件層面的優(yōu)化。在實際工程中，結構布置方案直接關系到結構承載力、建造成本、施工速度等方面。讓學生理解優(yōu)化設計的概念并掌握相關的優(yōu)化技術是關鍵問題。

2.2 實踐教學與競賽活動相結合

隨著土木工程專業(yè)課程設置的調整，各課程的課堂講授課時有所減少，這意味著教學中需要更好地利用實踐教學課時。目前實踐教學中缺乏具有吸引力的專業(yè)活動，導致學生的積極性不高。將實踐教學與各項競賽活動相結合，通過競賽活動激發(fā)學生對專業(yè)知識的興趣，提高學生的積極性，增加學習和交流的機會，有利于解決上述問題，最終提高教學水平。

2.3 教學內容的創(chuàng)新

結構設計競賽是一種具有競爭性的比賽，比的是各競賽隊伍在結構設計、模型制作、力學概念等方面的綜合水平。通過競賽活動，學生之間能相互學習，掌握更先進的設計方法。同時，競賽成績檢驗了教學質量，有助于進一步改進教學方法。為了提高參賽隊伍的競爭力，必須有針對性地開展實踐教學：(1)在工程力學、混凝土結構、工程荷載等課程的基礎上，進一步開展與結構優(yōu)化設計有關的實踐教學。將優(yōu)化設計作為主要的教學內容開展實踐教學，能有效提升設計水平和創(chuàng)新理念。對于具有良好基礎和較強學習能力的學生，應加倍重視和培養(yǎng)，幫助他們盡快掌握優(yōu)化設計的相關技術。(2)在開展以結構設計競賽為引導的實踐教學過程中，不僅僅在應用軟件方面進行掃盲，還必須注重培養(yǎng)學生分析問題的能力。例如讓學生掌握分析結構破壞原因的方法，懂得如何對結構進行調整，學會如何利用優(yōu)化計算的成果指導結構方案設計，同時培養(yǎng)學生在結構設計過程中相互溝通的能力。

3 結論

本文分析了目前土木工程專業(yè)學生設計水平不高的主要原因，提出了以結構競賽為引導開展實踐教學的思路，給出了培養(yǎng)高水平設計人才的實踐教學方法。文中指出，將結構競賽和實踐教學相結合，加強結構優(yōu)化設計相關知識的教學是培養(yǎng)土木工程專業(yè)高水平設計人才的關鍵。

[1] 陳慶軍, 羅嘉濠, 陳思煌, 等. 國內外大學生結構設計競賽總結及研究[J]. 東南大學學報：哲學社會科學版, 2012, 14(S1): 173-177.

[2] 梁靖波, 朱江, 吳炎海, 等. 中南地區(qū)第三屆大學生結構設計競賽的實踐與探討[J]. 廣東工業(yè)大學學報：社會科學版, 2010, 10(z1): 284-286.

[3] 吳樟榮, 章明卓, 章旭健. 以結構設計競賽為載體培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力[J]. 實驗室科學, 2010, 13(2): 6-8.

[4] 賈傳果, 張川, 李英民, 等. 結構設計競賽對土木工程專業(yè)本科教育重要性的探討[J]. 高等建筑教育, 2014, 23(1): 133-135.

[5] 許昊, 徐龍軍, 李洋, 等. 大學生結構設計競賽中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與發(fā)揮[J]. 高等建筑教育, 2011, 20(5): 121-124.

G642.2

A

[定稿日期]2017-05-22

華南農業(yè)大學教育教學改革與研究項目，華南農業(yè)大學校級精品資源共享課項目(編號：K16271)

陳穗茵(1980～)，女，碩士，高級工程師，主要從事造價工程、實驗室的研究與教學工作；李文雄(1979～)，男，博士，副教授，主要從事結構設計的研究和教學工作。