李濤 鄭七振 彭斌 陳剛 尹強

基金項目：2019年上海市教育科學研究項目——創(chuàng)造有意義的學習經(jīng)歷：“創(chuàng)新認識與實踐”課程的理工科大一學生創(chuàng)新意識培養(yǎng)（項目編號：C19122）。

通信作者：李濤（1974—），女，博士，講師，研究方向為混凝土結(jié)構(gòu)多場耦合損傷，E-mail：litao@usst.edu.cn。

摘要：該文通過對土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的詳細介紹和深入分析，論述了結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽對土木工程本科生創(chuàng)新思維培養(yǎng)和創(chuàng)新能力訓(xùn)練的促進作用。針對結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的特點以及當前“新工科”背景下對土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，提出了基于結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽開展學生創(chuàng)新思維培養(yǎng)和創(chuàng)新能力訓(xùn)練的基本思路。分析表明，該文的建議與國家培養(yǎng)新時代卓越工程師的理念相契合。結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽在幫助學生建立創(chuàng)新思維模式的同時，可以有效提升學生對學習的興趣和熱情，達到提升大學生創(chuàng)新能力的目的。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽 ?土木工程專業(yè) ?大學生 ?創(chuàng)新思維 ?創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642 ??文獻標識碼：A???文章編號：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： The promotion effects of structural design competitions （SDC） on the innovation thinking training and ability cultivation of college students in civil engineering are discussed in the paper by comprehensively introducing and analyzing the SDC of the civil engineering specialty. According to the characteristics of the SDC and the need of the talent cultivation of the civil engineering specialty under the “new engineering ” background at present， the basic ideas of carrying out the innovation think training and ability cultivation are presented based on the SDC. The results show that the proposal is consistent with the idea of cultivating excellent engineers of the new era in China. The SDC can help the students achieve the purpose of promoting their innovation ability by establishing the innovation thinking model and enhancing their study interests and enthusiasm.

Key Words： Structural design competition; Civil engineering specialty; College students; Innovation thinking; Innovation abilities

國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的實施，對我國高等學校提出了培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的要求，把創(chuàng)新人才的培養(yǎng)放在了前所未有的重要位置[1，2]。隨著社會的發(fā)展和進步，根據(jù)國家和社會對土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，高等學校土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)經(jīng)過長期的實踐和探索，已過渡到以培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型創(chuàng)新人才為目標的階段[3]。復(fù)合應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，不僅需要扎實的理論基礎(chǔ)、優(yōu)秀的專業(yè)素養(yǎng)、學以致用的應(yīng)用轉(zhuǎn)化能力，還要具有能夠在已有學科理論、專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)突破的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[5， 6]。常規(guī)的課程設(shè)置體系已基本上可以保證學生在學科理論和專業(yè)技術(shù)上的學習，但如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和訓(xùn)練學生的創(chuàng)新能力，仍是當前高等教育學校培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合應(yīng)用型人才所面臨的挑戰(zhàn)和課題[4]。

復(fù)合應(yīng)用型創(chuàng)新人才應(yīng)具備合理的知識結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的綜合素質(zhì)。合理的知識結(jié)構(gòu)由堅實的專業(yè)理論知識和前沿的新技術(shù)知識構(gòu)成，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的前提條件，二者的融會貫通則是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的實現(xiàn)渠道。優(yōu)秀的綜合素質(zhì)包括對報效國家的責任感，服務(wù)于社會的道德意識，融入集體的團隊精神以及能夠堅守崗位、承擔壓力的健康體魄，是學生具備創(chuàng)新能力的必要基礎(chǔ)。因此高校應(yīng)將優(yōu)化大學生知識結(jié)構(gòu)和提升大學生綜合素質(zhì)作為培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型創(chuàng)新人才主要途徑。新的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和施工技術(shù)層出不窮，但如何將土木工程領(lǐng)域內(nèi)的科技進步與本科生專業(yè)基礎(chǔ)理論相結(jié)合，卻成為了限制土木工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的瓶頸問題[7， 8]。

該文提出結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽提升學生創(chuàng)新能力的方法。結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽使學生們在完成設(shè)計任務(wù)的同時，實現(xiàn)多學科基礎(chǔ)理論知識和學科新技術(shù)的交叉運用，有效提升了他們的動手能力、實踐能力，鍛煉了他們團隊合作和吃苦耐勞的精神。而這一特點與新時代培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型創(chuàng)新人才的需求非常契合。該文將基于結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽對培養(yǎng)土木工程專業(yè)本科生的創(chuàng)思思維和創(chuàng)新能力的可行新和方法進行探討和論述。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽提升學生創(chuàng)新能力的必要性及其發(fā)展現(xiàn)狀

在新的時代背景下，土木工程等老工科專業(yè)在對應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方面也與時俱進地融入新的教育理念和模式。新的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和施工技術(shù)層出不窮，但如何將土木工程領(lǐng)域內(nèi)的科技進步與本科生專業(yè)基礎(chǔ)理論相結(jié)合卻成為了限制土木工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的瓶頸問題[7，8]。這些年來，各級教育部門為提升土木工程專業(yè)大學生的實踐能力，舉行了不同程度和范圍的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽。而各類結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽均要求大學生利用本科階段學習的專業(yè)理論知識，在指定時間內(nèi)通過對結(jié)構(gòu)力學原理的分析和思考，完成組委會給定建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計和構(gòu)建，使所設(shè)計結(jié)構(gòu)達到最優(yōu)的使用功能和最低的建造成本。

最早的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽由同濟大學于2000年6月在上海舉行，稱為“第一屆同濟大學創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”。要求結(jié)構(gòu)模型設(shè)計在一周內(nèi)完成，結(jié)構(gòu)思想新穎，結(jié)構(gòu)分析全面并具有技術(shù)上的可行性和合理性。基于第一屆結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的成功舉辦，國內(nèi)很多高校也意識到結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽對大學生實踐能力和創(chuàng)新能力的促進作用，都紛紛開始舉辦種類型的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，省級、地區(qū)級別的比賽也如雨后春筍般在湖南省、河南省、浙江省以及華東地區(qū)、中南地區(qū)等如火如荼地開展起來。2005年，由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、中國土木工程學會主辦，教育部、財政部首次聯(lián)合批準發(fā)文在全國范圍內(nèi)開展第一屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽。第一屆全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽由浙江大學承辦，倡導(dǎo)國內(nèi)11所高校共同發(fā)起，29所高校參加比賽。全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽至2020年已成功舉辦14屆，第2至14屆分別在國內(nèi)各大著名高校舉辦，如第2屆在大連理工大學舉辦、第3至13屆在同濟大學、哈爾濱工業(yè)大學、東南大學、重慶大學、湖南大學、長安大學、昆明理工大學、天津大學、武漢大學、華南理工大學、西安建筑科技大學舉辦，第14屆則由上海交通大學承辦。大學生們通過參加不同級別的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽活動，不僅提升了扎實了專業(yè)基礎(chǔ)知識，在競賽過程中也培養(yǎng)鍛煉了自身的科技創(chuàng)新能力。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽促進學生創(chuàng)新思維訓(xùn)練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的可行性

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽可以作為課堂教學環(huán)節(jié)的補充和延展，起到促進教學效果的目的，是提升學生解決、分析問題能力的有效途徑。高校可以通過設(shè)立設(shè)計目標，以專業(yè)興趣為驅(qū)動力，以課堂講授專業(yè)知識為支撐，對學生進行技能培訓(xùn)，以結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為抓手來培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新思維、訓(xùn)練大學生的創(chuàng)新能力。基于結(jié)果設(shè)計競賽提升學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)體系包含學習專業(yè)基礎(chǔ)知識、多學科知識交叉融合、綜合能力培訓(xùn)三部分內(nèi)容。

2.1 多學科交叉專業(yè)知識的學習

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽涉及土木工程專業(yè)大學生在材料力學、結(jié)構(gòu)力學、結(jié)構(gòu)設(shè)計理論以及工程結(jié)構(gòu)抗震等多門課程的專業(yè)基礎(chǔ)知識。扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識可以使學生具有正確結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，是順利完成結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的前提和保障。結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中往往會給定擬設(shè)計結(jié)構(gòu)的材料組成及相關(guān)力學性能，需要學生利用材料力學方法計算構(gòu)件截面的應(yīng)力并復(fù)核材料的強度。而結(jié)構(gòu)計算部分則要求學生必須掌握結(jié)構(gòu)力學的基本原則和方法，能進行不同結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力計算和分析，確定最佳結(jié)構(gòu)體系。而結(jié)構(gòu)計算過程中對傳力路徑、荷載分布和結(jié)構(gòu)特性的判斷則需要建立在夯實的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論基礎(chǔ)之上。由于大多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的設(shè)計目標均是在尋求滿足承載力的質(zhì)量最輕的結(jié)構(gòu)，質(zhì)量的考量在設(shè)計過程中就成為極為關(guān)鍵的設(shè)計因素。因此多方案的對比是必不可少的重要環(huán)節(jié)，而這一環(huán)節(jié)通過手算完成是非常耗時的，需要計算機軟件來輔助，如ABAQUS、ANSYS、MIDAS等軟件。掌握必要的設(shè)計軟件也成為完成高質(zhì)量結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽任務(wù)的條件之一。在有了各門理論和技術(shù)課程知識的前提下，通過對知識的靈活運用方可獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中設(shè)計目標的最優(yōu)解。

2.2 創(chuàng)新思維訓(xùn)練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)

大學生在掌握了課程知識之后，應(yīng)能夠?qū)W以致用，達到“新工科”人才的培養(yǎng)目標。在結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽過程中，學生在課堂以外的環(huán)境中進行實操訓(xùn)練，通過在實踐中運用課堂知識達到對各門知識的融會貫通，可有效增強學生的創(chuàng)新意識。創(chuàng)新能力訓(xùn)練是在結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的過程中開展的增強創(chuàng)新意識和培養(yǎng)創(chuàng)新思維的能力訓(xùn)練，可以提升學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新熱情，鼓勵學生發(fā)揮主觀能動性，成為新時代所需要的具有創(chuàng)新能力的復(fù)合應(yīng)用型創(chuàng)新人才。創(chuàng)新能力訓(xùn)練過程中，應(yīng)當為學生引入現(xiàn)階段國內(nèi)外前沿的科技動態(tài)以及最新科研成果，在學生進行以設(shè)計目標為驅(qū)動的實踐操作中不是簡單地機械學習，而是在實踐中尋找創(chuàng)新的靈感，在前沿的科技需求環(huán)境中發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新的出口，鍛煉學生的創(chuàng)新思維能力，保持聚焦科技前沿的熱情。通過創(chuàng)新能力訓(xùn)練，通過對前沿科技知識和動態(tài)的學習，提升了學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽過程中保持敏捷的思維，找到科學的設(shè)計方法，達到最佳的設(shè)計結(jié)果。創(chuàng)新能力的訓(xùn)練不僅有效促進了學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，同時也不同程度地激發(fā)了學生們的創(chuàng)新熱情和創(chuàng)新觀念，提升了學生們在設(shè)計實踐過程中解決問題和分析問題的能力，為使學生成為新時代的復(fù)合應(yīng)用型人才奠定了基礎(chǔ)。

2.3 綜合能力培訓(xùn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽不僅為學生們提供了運用學科知識的機會，還可以鍛煉學生們的綜合能力，以參賽為契機使學生們系統(tǒng)地學習專業(yè)理論知識與項目實踐如何有機地進行結(jié)合，通過全過程參與提供領(lǐng)導(dǎo)與協(xié)調(diào)能力訓(xùn)練，并通過將設(shè)計成果以最優(yōu)化形式展現(xiàn)給評委的過程鍛煉學生們的表達能力和計算機操作能力。結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽過程是復(fù)雜且極其艱苦的，需要學生承受一次次挫折后仍具有繼續(xù)奮斗的決心和信心，不能半途而廢。學生在無數(shù)的失敗過程中磨煉了意志，鍛造了不怕困難的勇氣和迎難而上的決心。這是新一代土木工程專業(yè)人才應(yīng)具備的堅毅品格。同時，完成設(shè)計作品過程中團隊成員密切合作、各司其職，培養(yǎng)了學生們的團隊意識，極大地提升了學生們的溝通能力。此外在進行競賽技能培訓(xùn)時，應(yīng)基于創(chuàng)新人才的發(fā)展規(guī)律根據(jù)學生不同的個體特征采取不同指導(dǎo)方法，遵循因材施教的培養(yǎng)原則構(gòu)建創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系。根據(jù)每個學生的學習興趣及知識基礎(chǔ)，結(jié)合土木工程專業(yè)特征，在競賽技能培訓(xùn)中心讓學生養(yǎng)成自我思考的習慣，由設(shè)計目標的實現(xiàn)為興趣驅(qū)動，使學生在學習過程中能夠享受到自我價值的體現(xiàn)，感受到主觀能動性在結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中的意義，在競賽技能培訓(xùn)過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新熱情、激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能，實現(xiàn)大學生創(chuàng)新能力的提升，為新時代復(fù)合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供必要的條件和有力的支持。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽不同階段對學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的促進作用

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽主要包括接收組委會發(fā)布的競賽題目，完成結(jié)構(gòu)模型設(shè)計和現(xiàn)場答辯三個環(huán)節(jié)。一般情況下組委會發(fā)布競賽章程則意味著結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的正式開始，各學校參賽隊伍針對競賽題目準備設(shè)計材料、討論設(shè)計思路，開始前期準備。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計階段學生將進行結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計、材料的性能試驗、模型設(shè)計及結(jié)構(gòu)試驗，以初步判斷所構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型是否滿足組委會競賽要求和目標。在現(xiàn)場答辯階段，學生們要將結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計理念、設(shè)計思路和結(jié)構(gòu)特點表達給現(xiàn)場評委和觀眾，以獲得最佳的競賽成績。以結(jié)構(gòu)模型設(shè)計階段為例，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽對學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的促進作用。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計階段包括對針對材料性能選擇結(jié)構(gòu)構(gòu)成材料，通過材料試驗確定材料力學參數(shù)，進行結(jié)構(gòu)選型并根據(jù)不同材料特性選擇節(jié)點形式和構(gòu)件粘結(jié)方式，進行理論計算確定截面形式和尺寸，利用軟件進行承載力分析和變形計算等等。而學生創(chuàng)新能力的訓(xùn)練主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)選型和模型制作兩個階段。

3.1 結(jié)構(gòu)選型階段的創(chuàng)新思維訓(xùn)練

每年的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽要求都會有所不同，但總體上可分為兩類，一類是直接給出結(jié)構(gòu)的類型，另一類是不限定結(jié)構(gòu)類型，但需滿足承載能力和位移邊界條件。兩種類型的競賽要求都需要學生對不同結(jié)構(gòu)體系的力學特性比較熟悉，掌握結(jié)構(gòu)體系在各種荷載效應(yīng)作用下的優(yōu)缺點。在此基礎(chǔ)上，學生則具有了選擇合理結(jié)構(gòu)體系的基本能力。而在結(jié)構(gòu)體系的選擇階段也是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽過程中最能夠體現(xiàn)學生靈活運用所學基礎(chǔ)理論知識，發(fā)揮創(chuàng)新能力的環(huán)節(jié)。在這個過程中，學生們可以將對不同結(jié)構(gòu)體系的理解融入結(jié)構(gòu)選型的設(shè)計理念之中，發(fā)揮對結(jié)構(gòu)體系的想象力，正是學生創(chuàng)新能力的充分體現(xiàn)。但是需要指出的是，結(jié)構(gòu)選型時學生創(chuàng)造力的表現(xiàn)需要建立在對結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和力學基本原理的正確認知基礎(chǔ)之上，沒有正確的理論知識，所有對結(jié)構(gòu)體系的想象力都是空中樓閣。在2017年第一屆上海市大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽上，一個參賽隊伍的作品以結(jié)構(gòu)外形新穎、寓意深刻而受到現(xiàn)場評委和觀眾的好評，但由于對結(jié)構(gòu)體系中某構(gòu)件的受力分析判斷失誤，將受壓桿件設(shè)計成了由薄板構(gòu)成的受拉桿件，使得在現(xiàn)場試驗初期還未加載到預(yù)定荷載時結(jié)構(gòu)就出現(xiàn)了主梁斷裂、節(jié)點破壞整體倒塌，最終由于不能正常加載、結(jié)構(gòu)破壞的情況無法獲得競賽成績。該參賽隊伍在結(jié)構(gòu)體系的選型時，充分發(fā)揮了隊員的創(chuàng)造力和想象力，但由于缺少結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本力學分析能力而使創(chuàng)造力失去了應(yīng)有的價值，值得所有同學們引以為戒。

3.2 結(jié)構(gòu)模型制作階段的創(chuàng)新能力培養(yǎng)

結(jié)構(gòu)設(shè)計在完成理論計算之后，就進入到將圖紙上的設(shè)計方案實現(xiàn)的階段。這時需要按照競賽組委會的要求利用選定的材料搭建出真實的結(jié)構(gòu)模型。在這樣從圖紙到真實結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)過程中，具體的模型處理方法會對結(jié)構(gòu)的整體性能產(chǎn)生很大的影響。仍以上海市首屆大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽為例，設(shè)計題目為大空間鋼架平臺，以最低自重滿足指定承載力要求。對鋼架結(jié)構(gòu)來說，桿件的截面尺寸可以通過計算軟件的分析得到，但每一個節(jié)點在實際制作過程中怎樣滿足剛性節(jié)點的要求卻是一個關(guān)鍵的問題。剛性節(jié)點的制作需要學生們開動腦力，展開想象，可以利用各種粘結(jié)材料或連接材料。上海理工大學的參賽隊通過對節(jié)點特性的分析，采用了利用針管注射方法將膠水注入節(jié)點接縫處粘接桿件的方式處理剛性節(jié)點，在節(jié)點外側(cè)還利用粘貼小板帶起到加強節(jié)點的作用。然而這一方法在一定程度上卻加大了結(jié)構(gòu)的自重，在最終結(jié)構(gòu)評分時沒有優(yōu)勢。同濟大學參賽隊采用紙質(zhì)膠帶纏繞方法制作節(jié)點，不僅保證了節(jié)點的強度和剛度，而且由于紙的質(zhì)量較輕，紙質(zhì)膠帶纏繞法的剛節(jié)點方案極大程度地減小了結(jié)構(gòu)的自重，最終以最小的結(jié)構(gòu)重量保證承載力的結(jié)構(gòu)設(shè)計取得了第一名的好成績。可見，在結(jié)構(gòu)模型制作過程中，要求學生在鍛煉動手能力的同時，展開想象，創(chuàng)造性地設(shè)計結(jié)構(gòu)模型的制作方法，有效地激發(fā)了學生們的創(chuàng)新熱情，是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新意識，提升大學生創(chuàng)新能力的最佳階段。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽涉及多學科知識的交叉和前沿科技知識的積累，創(chuàng)新思維訓(xùn)練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)是新時代復(fù)合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的核心。學生通過參加結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，不僅鍛煉了自身的競爭意識和綜合實踐能力，也訓(xùn)練了創(chuàng)新能力和團隊合作精神。通過在教學中貫通實踐與創(chuàng)新環(huán)節(jié)，加強課程間與課程內(nèi)創(chuàng)新意識的有機融合，結(jié)合靈活多變的學科授課方式和創(chuàng)新能力訓(xùn)練機制，使結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽作為高校第二課堂創(chuàng)新實踐培養(yǎng)體系的核心載體，在培養(yǎng)具有國際視野和優(yōu)秀創(chuàng)新能力的復(fù)合創(chuàng)新型人才的過程中發(fā)揮非常重要的作用。

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