以结构设计竞赛为引导的实践教学及高水平人才培养

陈穗茵， 李文雄

(华南农业大学水利与土木工程学院， 广东广州 510642)

以结构设计竞赛为引导的实践教学及高水平人才培养

陈穗茵， 李文雄

(华南农业大学水利与土木工程学院， 广东广州 510642)

将结构设计竞赛与实践教学有机结合是培养土木工程专业高水平人才的有效途径。文章通过分析土木工程专业学生设计水平不高的原因，指出了培养结构优化设计思想是提高设计水平的关键。针对这一问题，提出在实践教学中加强优化设计能力的培养，增加与结构设计竞赛相关的教学环节和教学活动，以激发学生的学习兴趣，最终提高学生的设计水平，实现土木工程专业高水平人才的培养。

实践教学； 结构设计竞赛； 人才培养

大学生结构设计竞赛是一项富有创新性和挑战性的活动[1]。近年来，各类结构设计竞赛活动的开展为土木工程专业学生设计能力的培养提供了很好的平台。这类活动对学生的综合能力和实践教学的质量都提出了很高的要求。将结构设计竞赛与实践教学相结合，以改进教学质量、提高土木工程专业学生的创新能力和设计水平，是培养高水平专业人才的有效途径[2-3]。结构优化设计能力是大学生在结构设计竞赛中的致胜关键，也是高水平设计人才必须具备的条件。然而，目前土木工程专业学生对结构优化设计这一概念缺乏深入认识，未能很好地掌握结构优化设计的具体方法。

1 结构竞赛与结构优化设计

目前，针对大学生结构设计竞赛，不少院校已构建了相关的学习交流平台。这些平台有助于学生相互交流、一定程度上提高了竞赛水平。然而，由于知识水平的限制，学生难以系统地掌握竞赛中所必须具备的全部技能，其中最突出的问题是未能确定最优的结构方案。据笔者了解，大多数学生并不理解结构优化设计的概念，也不掌握相应的优化技术。学生的设计方案通常根据经验或对比多个方案来确定，往往需要大量试验帮助分析，造成时间和材料的浪费，而且不一定能得到理想结果。主要原因包括三方面：

(1) 学生缺乏对整体结构方案决定性作用的认识。从制作工艺上提高参赛作品的性能是相对容易实现的工作。通过比较材料的特性、选用好的连接方法和构造措施等，也能提高结构的局部性能。然而，结构内力分布与整体结构密切相关，如果忽略结构方案的优劣，盲目提高构件的承载能力，很可能造成材料的浪费。这一关键问题未能被学生所理解，阻碍了设计水平的提高。

(2) 土木工程专业本科阶段未开设结构优化设计课程，学生难以掌握优化设计的概念和相关技术。结构优化设计课程以讲授优化设计概念和具体算法为主，由于难度较大，通常仅在研究生阶段开设。本科阶段主要学习既定结构的计算分析和局部设计，对结构整体优化的概念未有深刻认识，这是目前本科生在结构设计竞赛中未能很好地运用结构优化设计方法的客观原因。

(3) 计算机软件条件阻碍了结构优化设计技术的推广。目前，能实现结构优化计算的计算机程序很少，在研究生课程中通常也需要自主开发相应的计算程序。本科阶段以学习基本理论为主，课程也较多，难以集中精力开发相应的程序，即使掌握了结构优化设计的概念，也难以将其应用于实际。

2 结构设计教学方法

上述问题反映了土木工程专业教学中的不足——缺乏结构优化设计概念，设计水平不高。为了进一步培养高水平的设计人才，提升竞赛水平，提高设计质量，增强队伍竞争力，在大学课程中补充相关的实践教学环节是关键一步[4-5]。当前已有可供使用的优化设计程序，为优化设计的教学和应用提供了条件，欠缺的是适当的理论教学和技术指导，通过对现有课程的适当调整和补充即可很好地解决以上问题，让学生的设计水平提升一个台阶。

以结构设计竞赛为引导，以培养“高水平人才”为目标，增加相关的实践教学环节，探索在现代教育技术环境下开展创新教育的目标、内容、方法、手段，可从以下四方面开展。

2.1 结构优化设计思想的培养

结构优化设计应着眼于整体结构的优化，通过合理的结构布置达到优化的目的，而不仅限于构件层面的优化。在实际工程中，结构布置方案直接关系到结构承载力、建造成本、施工速度等方面。让学生理解优化设计的概念并掌握相关的优化技术是关键问题。

2.2 实践教学与竞赛活动相结合

随着土木工程专业课程设置的调整，各课程的课堂讲授课时有所减少，这意味着教学中需要更好地利用实践教学课时。目前实践教学中缺乏具有吸引力的专业活动，导致学生的积极性不高。将实践教学与各项竞赛活动相结合，通过竞赛活动激发学生对专业知识的兴趣，提高学生的积极性，增加学习和交流的机会，有利于解决上述问题，最终提高教学水平。

2.3 教学内容的创新

结构设计竞赛是一种具有竞争性的比赛，比的是各竞赛队伍在结构设计、模型制作、力学概念等方面的综合水平。通过竞赛活动，学生之间能相互学习，掌握更先进的设计方法。同时，竞赛成绩检验了教学质量，有助于进一步改进教学方法。为了提高参赛队伍的竞争力，必须有针对性地开展实践教学：(1)在工程力学、混凝土结构、工程荷载等课程的基础上，进一步开展与结构优化设计有关的实践教学。将优化设计作为主要的教学内容开展实践教学，能有效提升设计水平和创新理念。对于具有良好基础和较强学习能力的学生，应加倍重视和培养，帮助他们尽快掌握优化设计的相关技术。(2)在开展以结构设计竞赛为引导的实践教学过程中，不仅仅在应用软件方面进行扫盲，还必须注重培养学生分析问题的能力。例如让学生掌握分析结构破坏原因的方法，懂得如何对结构进行调整，学会如何利用优化计算的成果指导结构方案设计，同时培养学生在结构设计过程中相互沟通的能力。

3 结论

本文分析了目前土木工程专业学生设计水平不高的主要原因，提出了以结构竞赛为引导开展实践教学的思路，给出了培养高水平设计人才的实践教学方法。文中指出，将结构竞赛和实践教学相结合，加强结构优化设计相关知识的教学是培养土木工程专业高水平设计人才的关键。

[1] 陈庆军, 罗嘉濠, 陈思煌, 等. 国内外大学生结构设计竞赛总结及研究[J]. 东南大学学报：哲学社会科学版, 2012, 14(S1): 173-177.

[2] 梁靖波, 朱江, 吴炎海, 等. 中南地区第三届大学生结构设计竞赛的实践与探讨[J]. 广东工业大学学报：社会科学版, 2010, 10(z1): 284-286.

[3] 吴樟荣, 章明卓, 章旭健. 以结构设计竞赛为载体培养大学生创新能力[J]. 实验室科学, 2010, 13(2): 6-8.

[4] 贾传果, 张川, 李英民, 等. 结构设计竞赛对土木工程专业本科教育重要性的探讨[J]. 高等建筑教育, 2014, 23(1): 133-135.

[5] 许昊, 徐龙军, 李洋, 等. 大学生结构设计竞赛中创新能力的培养与发挥[J]. 高等建筑教育, 2011, 20(5): 121-124.

G642.2

A

[定稿日期]2017-05-22

华南农业大学教育教学改革与研究项目，华南农业大学校级精品资源共享课项目(编号：K16271)

陈穗茵(1980～)，女，硕士，高级工程师，主要从事造价工程、实验室的研究与教学工作；李文雄(1979～)，男，博士，副教授，主要从事结构设计的研究和教学工作。