謝明志 楊永清 賈宏宇 李蘭平 張明 黃勝前

摘要：實踐教學(xué)是新工科背景下土木工程人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)之一，具有新的內(nèi)容和目標(biāo)要求。積極探索大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽與實踐教學(xué)耦合，從實踐教學(xué)目標(biāo)、知識深化、創(chuàng)新創(chuàng)造、團隊合作、綜合素質(zhì)及能力培養(yǎng)等方面進行探析，提高學(xué)生分析問題、運用所學(xué)專業(yè)知識解決問題的綜合能力。該賽事作為實踐教學(xué)的重要平臺和有效載體，將二者有機融合，進一步強化“以本為本”教育方針，同時為實踐教學(xué)改革提供思路和啟示，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：新工科;土木工程;實踐教學(xué);教學(xué)改革;大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽

中圖分類號：G642;TU-4?? 文獻標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2020）05-0137-06

土木工程專業(yè)不僅要求學(xué)生具備扎實的理論基礎(chǔ)，而且非常重視學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，此乃“新工科”教育特點，凸顯實踐創(chuàng)新能力在本科教育的關(guān)鍵地位[1-2]。在國家“雙一流”建設(shè)目標(biāo)、“以本為本”的教育方針指導(dǎo)下[3]，“新工科”土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)需加強實踐教學(xué)建設(shè)，基于工程背景拓展實踐及實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新思維。隨著我國“一帶一路”及國家鐵路中長期網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的實施，對土木工程人才的要求不僅體現(xiàn)在能運用基本理論、專業(yè)知識解決復(fù)雜工程問題，更需具備團隊合作、溝通協(xié)調(diào)能力，以及處理復(fù)雜工程問題的綜合能力 [4]，這也給傳統(tǒng)實踐及實驗教學(xué)帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，圍繞新時代高等教育“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)，探索實踐教學(xué)新方法，完善土木工程人才培養(yǎng)模式，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的理論及現(xiàn)實意義。

作為全國性9大學(xué)科競賽之一的大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽自2005年首次舉辦以來，逐漸形成地區(qū)、省級、校級等多級制賽事，為實踐教學(xué)提供了新的方法和新的思路[5-6]，國內(nèi)眾多高校也對該模式下的教學(xué)及教改進行討論[7-8]。西南交通大學(xué)作為較早參加該賽事的工科高校，依托學(xué)科平臺，在該類比賽中成績斐然。多年的參賽經(jīng)歷、實踐教學(xué)表明，大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽不僅能融合基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識及實踐應(yīng)用，更能增強學(xué)生分析問題、解決工程實際問題的能力。該賽事在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情的同時，能提升其創(chuàng)新創(chuàng)造能力，激發(fā)對未知事物探索的欲望。文章結(jié)合第十一屆全國結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽及第四屆四川省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，探索土木工程專業(yè)創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。

一、實踐教學(xué)在新工科土木工程教育中面臨的挑戰(zhàn)

我國人才培養(yǎng)曾沿用蘇聯(lián)和西方發(fā)達(dá)國家模式[9-10]，在經(jīng)濟發(fā)展及社會建設(shè)中取得了一定成效。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和時代進步，在“雙一流”建設(shè)及高等教育綜合改革引領(lǐng)下，傳統(tǒng)實踐教育在當(dāng)前土木工程人才培養(yǎng)中面臨的挑戰(zhàn)愈發(fā)凸顯，尤其是新工科大背景下，對土木工程專業(yè)學(xué)生的要求不再局限于專業(yè)知識的掌握和運用，更需具備未來進入工程領(lǐng)域處理復(fù)雜問題的能力，可勝任技術(shù)、科研及管理等工作的多維復(fù)合型人才。因此，探明實踐教學(xué)在新工科土木工程專業(yè)教學(xué)中面臨的挑戰(zhàn)，厘清二者在人才培養(yǎng)、綜合素質(zhì)提升以及創(chuàng)新創(chuàng)造能力提高等方面的關(guān)聯(lián)，有效發(fā)揮大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽這一平臺作用，進一步推進實踐教學(xué)改革具有重要意義。

（一）實踐教學(xué)體系與人才培養(yǎng)目標(biāo)的耦聯(lián)

土木工程專業(yè)實踐教學(xué)主要涉及短期實訓(xùn)實習(xí)，如：認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、專業(yè)教學(xué)相關(guān)的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、材料及結(jié)構(gòu)試驗、各項學(xué)科競賽及SRTP創(chuàng)新實驗項目。傳統(tǒng)實踐教學(xué)由于受學(xué)時限制，教師在大綱制定、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)步驟、教學(xué)方法等諸多方面受到相應(yīng)制約，基本沿襲傳統(tǒng)授課模式，強調(diào)教師主導(dǎo)作用。學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)中，雖能掌握、強化及驗證課堂教學(xué)的基本理論、基本原理，但在主觀能動性發(fā)揮、團隊溝通協(xié)調(diào)及合作等方面較難達(dá)到教師理想目標(biāo)，尚需系統(tǒng)提升學(xué)生知識融會貫通、分析解決問題及創(chuàng)新等方面的能力。隨著我國“一帶一路”及鐵路“八縱八橫”的實施，土木工程在投資、勘察設(shè)計、研發(fā)、施工、運營管理等方面與傳統(tǒng)工程建設(shè)已呈現(xiàn)較大差異，因此，對學(xué)生的培養(yǎng)也應(yīng)順應(yīng)時代變化，在培養(yǎng)扎實理論、較強專業(yè)背景的同時，

還需要學(xué)生對工程建造的全過程、各環(huán)節(jié)有更清楚的認(rèn)識。培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的潛質(zhì)，使其成為未來土木工程領(lǐng)域的高端復(fù)合型人才，這也是新工科教育與傳統(tǒng)培養(yǎng)的差異。

（二）實踐教學(xué)對于學(xué)生工程素養(yǎng)提升的作用

土木工程專業(yè)課程設(shè)置上，大一公共基礎(chǔ)課，到大二專業(yè)基礎(chǔ)課，再到大三和大四的專業(yè)課，實踐教學(xué)作為重要紐帶將基本理論、基本原理以及專業(yè)認(rèn)知有效連接在一起。多年的教學(xué)經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生進入大學(xué)后，對專業(yè)逐步形成認(rèn)知，而對專業(yè)基本概念、基本理論雖能掌握和理解，但在實際運用、解決具體問題時難以融會貫通。比如：剛度、強度、穩(wěn)定是土木工程專業(yè)

重要的概念，在三大力學(xué)及結(jié)構(gòu)設(shè)計原理中都反復(fù)提及，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計、體系優(yōu)化、受力計算等具體問題時，難以理解其內(nèi)涵;再比如“簡支變連續(xù)”是常見的橋梁建造方法，該方法在設(shè)計和施工中對結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)造的影響，學(xué)生較難融會貫通。類似情況較多，這也從側(cè)面反映出學(xué)生對概念理解的深度、廣度和應(yīng)用能力較弱，而這些正是基本的工程素養(yǎng)。因此，實踐教學(xué)作為理論教學(xué)的延伸，對深化學(xué)生專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)具有重要作用。

（三）實踐教學(xué)對于學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力提升的作用創(chuàng)新是永恒的主題，創(chuàng)新引領(lǐng)未來、引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力是民族和國家發(fā)展的推動力。信息科技的發(fā)展，學(xué)生的信息量、視野得到前所未有的提高。保持自主學(xué)習(xí)的熱情和對未知世界的探索應(yīng)貫穿人才培養(yǎng)始終。實踐是土木工程學(xué)科人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，這一過程不僅增強了學(xué)生的工程素養(yǎng)，而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，是對工程問題進行科學(xué)提煉的重要過程。因此，在實踐教學(xué)的設(shè)計及實施過程中，要注意進一步釋放學(xué)生的創(chuàng)造力。

二、大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽提升學(xué)生綜合能力

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽作為理論教學(xué)的拓展和延伸，從工程角度來講，其本身就是一個實體項目的高度濃縮，涉及方案比選、結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計計算、制造加工、施工建造、運營評估等多個方面;從科學(xué)角度來講，涉及安全性、經(jīng)濟性、適用性和創(chuàng)新性，這些都是新工科人才培養(yǎng)所要求達(dá)到的目標(biāo)。該比賽內(nèi)涵豐富，對學(xué)生專業(yè)知識要求較高，更能提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力、溝通協(xié)調(diào)及團隊合作等綜合素質(zhì)。從2017年開始，全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽事變化較大，首先舉行各省、自治區(qū)、直轄市的分區(qū)選拔賽，再進入最終全國比賽。相對以往，參賽人數(shù)、高校數(shù)量、深度及廣度呈現(xiàn)全新特點。2017年全國分區(qū)賽和全國總決賽賽題均為渡槽支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作，如圖1所示。賽題要求設(shè)置凈跨徑不小于1 m的結(jié)構(gòu)，在滿足承載安全性的同時，需考慮輸水效率的影響，即對結(jié)構(gòu)剛度提出較高要求。2018年四川省賽題為無風(fēng)撐桁架結(jié)構(gòu)橋梁，如圖2所示，在靜力和移動荷載作用下，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定較突出。為此，以這兩年賽事為例，淺談學(xué)生在比賽中的收獲與思考。

（一）理論與實踐的有機結(jié)合

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽具有較強的專業(yè)性、實踐性、創(chuàng)新性和系統(tǒng)性。該賽事在西南交通大學(xué)參與度高、覆蓋面廣，是以土木工程專業(yè)為主，多學(xué)科學(xué)生參與的重要賽事。學(xué)生一般從大二或大三開始接觸

，從前期選拔到參加國賽，持續(xù)近一年時間，這一時期正是學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)知識儲備期。該賽事不僅為學(xué)生提供了理論聯(lián)系實踐的機會，而且

增強了學(xué)生的工程素養(yǎng)。以2017年和2018年為例，一個完美的手工作品如同實際結(jié)構(gòu)，將經(jīng)歷方案比選、選型、設(shè)計計算、制造加工、施工組織及運營評估等多個階段，涉及材料特性辨識、構(gòu)件截面形式選擇、細(xì)部構(gòu)造優(yōu)化、結(jié)構(gòu)剛度提高、結(jié)構(gòu)受力分析和安裝施工等問題。在解決這一系列問題的過程中，學(xué)生有效地將材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、橋梁工程、橋梁建造技術(shù)等課程知識串聯(lián)。渡漕賽題要求設(shè)置凈跨徑不小于1 m的結(jié)構(gòu)，在保障輸水效率的前提下，設(shè)計出受力合理、經(jīng)濟適用的結(jié)構(gòu)。四川省賽無風(fēng)撐桁架橋梁對構(gòu)造、桿件設(shè)置、選型設(shè)計等有較高要求。在解決這些問題的過程中，學(xué)生不僅對剛度、穩(wěn)定、強度、結(jié)構(gòu)體系這些基本概念在工程中的應(yīng)用理解更加透徹，而且拓展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計思路。學(xué)生通過系統(tǒng)訓(xùn)練能加深其對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解與應(yīng)用，真正達(dá)到理論指導(dǎo)實踐，實踐反哺理論的目的。

（二）自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽內(nèi)涵豐富，蘊含信息量大，對剛接觸此賽事的中、低年級學(xué)生具有較大挑戰(zhàn)。從賽題分析，到最后全程參與比賽，指導(dǎo)教師宏觀把控，對這一個過程中涉及的科學(xué)問題、專業(yè)知識、實踐應(yīng)用及社會效應(yīng)等進行全面、全方位指導(dǎo)。相對于“灌入式”的課堂教學(xué)，學(xué)生的主動學(xué)習(xí)尤為重要。學(xué)生在查閱文獻、建模計算分析、師生定期與不定期開會探討的過程中完全釋放出了主觀能動性，因此，學(xué)生的精妙構(gòu)思首先可通過理論分析予以評估，再進入試驗環(huán)節(jié)。一個完美的模型將涉及多次計算優(yōu)化和試驗驗證，這一過程中開展有限元計算分析是提高模型試驗效率行之有效的方法，如圖3建立的有限元分析模型。通過計算分析和模型試驗，學(xué)生不僅掌握專業(yè)軟件在土木工程中的應(yīng)用，能對計算結(jié)果進行分析、論證，更能深刻領(lǐng)悟理論與實踐的關(guān)系，真正做到知其然而知其所以然。自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)終身受益，對學(xué)生今后繼續(xù)深造和工作將產(chǎn)生積極正面影響。

（三）創(chuàng)新能力培養(yǎng)

創(chuàng)新源自對理論的熟練掌握和融會貫通，深扎于主動學(xué)習(xí)和獨立思考，又呈現(xiàn)出別具一格的特點。土木工程設(shè)計本身乃創(chuàng)新實踐的綜合應(yīng)用，經(jīng)濟、美觀、受力合理、經(jīng)久耐用是一個優(yōu)秀作品內(nèi)外兼修、物與自然和諧共生的結(jié)合。輕薄竹片組成的構(gòu)件、搭設(shè)的結(jié)構(gòu)體系要確保結(jié)構(gòu)受力安全;體系設(shè)計、細(xì)節(jié)構(gòu)造、模型質(zhì)量與結(jié)構(gòu)承載、經(jīng)濟美觀及拼裝施工等方面的綜合考慮均為學(xué)生設(shè)計提供了廣闊的思考和創(chuàng)新空間。每年賽事均能出現(xiàn)精巧構(gòu)思、巧奪天工之作。此外，挖掘賽題，利用賽題規(guī)則設(shè)計創(chuàng)造出獨特風(fēng)格的模型更能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。對于渡漕結(jié)構(gòu)，西南交通大學(xué)從理論和實踐上嘗試全程環(huán)向、折返式等多種輸水模式，最后從經(jīng)濟、受力、質(zhì)量、造型及拼裝等全方位論證分析后，選擇如圖3（a）所示結(jié)構(gòu)形式。由于模型結(jié)構(gòu)尺寸小，較小的誤差可能會產(chǎn)生不良后果，構(gòu)件制作、局部設(shè)置及安裝等環(huán)節(jié)的處理至關(guān)重要。模型制作中，為實現(xiàn)“輕質(zhì)高強”“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的目標(biāo)，考慮制造及安裝可能出現(xiàn)的誤差造成節(jié)點安全隱患，對桿件接縫采用

添加竹粉混合膠水的方式，對應(yīng)力較大節(jié)點處進行貼片加固處理，從而保障結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。類似的，從局部到整體，從設(shè)計到安裝施工，再到加載評估，每一環(huán)節(jié)對拓展學(xué)生的創(chuàng)造性思維均起到了很好的作用。

（四）團隊合作

作為理論與實踐的綜合載體，結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是集創(chuàng)造、科學(xué)分析、實踐創(chuàng)新于一體的比賽，教師和學(xué)生是有機的整體。賽制規(guī)則一般為2名指導(dǎo)教師和3名學(xué)生，全程共涉及計算分析、模型制作安裝、試驗加載、計算報告撰寫、現(xiàn)場答辯等多個環(huán)節(jié)。因此，精誠團結(jié)、合理分工、優(yōu)勢互補在比賽中至關(guān)重要，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽在團隊合作、溝通協(xié)調(diào)、思想表達(dá)等方面的重要體現(xiàn)，也是新工科背景下人才培養(yǎng)所要達(dá)到的目標(biāo)。

三、啟示

根據(jù)近年來的比賽及教學(xué)經(jīng)歷，將該賽事有效融入到土木工程專業(yè)教育體系，對于提升人才培養(yǎng)效果具有重要意義。

（一）過程參與，釋放學(xué)習(xí)熱情

該比賽作為展示學(xué)生綜合能力的重要平臺，學(xué)生參與度和重視度非常高。學(xué)生大二開始接觸比賽，雖然此時專業(yè)基礎(chǔ)課程較多，學(xué)業(yè)任務(wù)重，但學(xué)生參賽熱情高漲、主動性強，愿意課后花大量的時間學(xué)習(xí)新知識。學(xué)生通過參加比賽增強了時間規(guī)劃，提高了時間的利用率。實踐教學(xué)不能簡單地作為課堂理論學(xué)習(xí)的延伸，其深層的意義更在于培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，形成優(yōu)良的品質(zhì)，伴隨其未來的學(xué)習(xí)和工作。

（二）課程融匯，綜合能力提升

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是一項系統(tǒng)性的綜合比賽，從方案比選、結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計計算、制造加工、施工建造到運營評估涉及多門課程知識，對應(yīng)有橋梁總體規(guī)劃設(shè)計、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、橋梁工程、橋梁建造技術(shù)等眾多專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課。學(xué)生從大二開始，逐漸學(xué)習(xí)這些課程，但理解的深度和廣度均有限。該比賽作為一個實際載體，在指導(dǎo)教師的引領(lǐng)和幫助下，學(xué)生不僅能加深對專業(yè)知識的理解，有效地將各科知識串聯(lián)、融會貫通，而且能快速增強學(xué)生的工程意識，提高專業(yè)素養(yǎng)和綜合應(yīng)用能力。

（三）熱點探索，創(chuàng)新思維培養(yǎng)

近年來，行業(yè)熱點及特色進一步融入比賽。一個設(shè)計優(yōu)秀的作品，如果沒有精妙的制作和安裝施工，也難以達(dá)到理想效果。如何在有效的時間內(nèi)完成拼裝施工，保障設(shè)計出的模型在加載階段安全可靠，這正是當(dāng)前裝配式施工的熱點問題。2017年在武漢大學(xué)舉辦的全國比賽，模型構(gòu)件多、制作安裝相對復(fù)雜，不少模型在加載環(huán)節(jié)坍塌。諸如此類的行業(yè)問題，對激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維是一個較好的催化劑。該比賽既能鞏固傳統(tǒng)，又能激發(fā)學(xué)生的探索熱情，提升其創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

（四）師資建設(shè)，實踐能力提升

高校教師目前仍是很多博士畢業(yè)首選工作崗位之一。青年教師學(xué)歷高、學(xué)科知識系統(tǒng)性強，但畢業(yè)留校相對缺乏工程實踐經(jīng)驗?！靶鹿た啤北尘跋碌娜瞬排囵B(yǎng)，對師資建設(shè)也提出了更高要求，教師除具備豐富的理論知識外，還需掌握工程實踐技能。結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽一般兩位指導(dǎo)教師，可很好地實現(xiàn)“傳幫帶”，快速提升青年教師的工程實踐能力，提升理論及實踐教學(xué)效果。

四、結(jié)語

實踐教學(xué)作為工科教育的重要環(huán)節(jié)，在人才培養(yǎng)中不可或缺，起著重要的紐帶作用。大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽作為土木工程學(xué)科的一項綜合賽事，學(xué)生參與度高，教師能在課外投入較多時間和精力與學(xué)生溝通交流，師生均具有較高的熱情。西南交通大學(xué)結(jié)合多年來的參賽和實踐教學(xué)經(jīng)歷，以該賽事作為實踐教學(xué)的重要平臺，將二者有效融合開展土木工程實踐教學(xué)，以期為教學(xué)改革、學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)提供一種方法和思路，為“新工科”人才培養(yǎng)及專業(yè)建設(shè)提供借鑒。

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Exploration of the coupling model between the innovation of civil engineering

practice teaching and College Students Structural Design Competition

XIE Mingzhi， YANG Yongqing， JIA Hongyu， LI Lanping， ZHANG Ming， HUANG Shengqian

（Department of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， P. R. China）

Abstract：

Practical teaching is one of the important links in the training of civil engineering talents under the background of emerging engineering education， and it is given new content and target requirements. This paper actively explores the coupling of College Students Structural Design Competition with practical teaching and explores from the aspects of practical teaching goals， deepening of knowledge， innovation and creation， teamwork， comprehensive quality and ability training， etc.， so as to improve students problem analysis and solving ability. As an important platform and effective carrier of practical teaching， the coupling of the competition with practical teaching will further strengthen the education policy of undergraduate education-oriented and provide ideas and inspiration for practical teaching reform， thereby improving the quality of talent training.

Key words： emerging engineering education; civil engineering; practice teaching; teaching reform; College Students Structural Design Competition

（責(zé)任編輯 梁遠(yuǎn)華）

修回日期：2019-12-10

基金項目：

西南交通大學(xué)本科教育教學(xué)研究與改革項目（20201002-10）;教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（201902042018，201902102054）;四川省科技計劃資助（2020YJ0081）

作者簡介：

謝明志（1985—），男，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院教研室副主任，高級工程師，主要從事橋梁工程研究，（E-mail）mzxie@swjtu.edu.cn。