结构设计竞赛促进土木工程专业大学生创新思维训练和创新能力培养

李涛 郑七振 彭斌 陈刚 尹强

基金项目：2019年上海市教育科学研究项目——创造有意义的学习经历：“创新认识与实践”课程的理工科大一学生创新意识培养（项目编号：C19122）。

通信作者：李涛（1974—），女，博士，讲师，研究方向为混凝土结构多场耦合损伤，E-mail：litao@usst.edu.cn。

摘要：该文通过对土木工程结构设计大赛的详细介绍和深入分析，论述了结构设计大赛对土木工程本科生创新思维培养和创新能力训练的促进作用。针对结构设计大赛的特点以及当前“新工科”背景下对土木工程专业人才培养的需求，提出了基于结构设计大赛开展学生创新思维培养和创新能力训练的基本思路。分析表明，该文的建议与国家培养新时代卓越工程师的理念相契合。结构设计竞赛在帮助学生建立创新思维模式的同时，可以有效提升学生对学习的兴趣和热情，达到提升大学生创新能力的目的。

关键词：结构设计大赛  土木工程专业  大学生  创新思维  创新能力

中图分类号：G642   文献标识码：A   文章编号：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

国家创新驱动发展战略的实施，对我国高等学校提出了培养应用型创新人才的要求，把创新人才的培养放在了前所未有的重要位置[1，2]。随着社会的发展和进步，根据国家和社会对土木工程专业人才培养的需求，高等学校土木工程专业的人才培养经过长期的实践和探索，已过渡到以培养复合应用型创新人才为目标的阶段[3]。复合应用型创新人才的培养，不仅需要扎实的理论基础、优秀的专业素养、学以致用的应用转化能力，还要具有能够在已有学科理论、专业技术的基础上，实现突破的创新思维和创新能力[5， 6]。常规的课程设置体系已基本上可以保证学生在学科理论和专业技术上的学习，但如何培养学生的创新思维和训练学生的创新能力，仍是当前高等教育学校培养高素质复合应用型人才所面临的挑战和课题[4]。

复合应用型创新人才应具备合理的知识结构和优秀的综合素质。合理的知识结构由坚实的专业理论知识和前沿的新技术知识构成，是培养学生创新思维的前提条件，二者的融会贯通则是培养学生创新思维的实现渠道。优秀的综合素质包括对报效国家的责任感，服务于社会的道德意识，融入集体的团隊精神以及能够坚守岗位、承担压力的健康体魄，是学生具备创新能力的必要基础。因此高校应将优化大学生知识结构和提升大学生综合素质作为培养复合应用型创新人才主要途径。新的结构设计理论和施工技术层出不穷，但如何将土木工程领域内的科技进步与本科生专业基础理论相结合，却成为了限制土木工程创新人才培养的瓶颈问题[7， 8]。

该文提出结构设计竞赛提升学生创新能力的方法。结构设计竞赛使学生们在完成设计任务的同时，实现多学科基础理论知识和学科新技术的交叉运用，有效提升了他们的动手能力、实践能力，锻炼了他们团队合作和吃苦耐劳的精神。而这一特点与新时代培养复合应用型创新人才的需求非常契合。该文将基于结构设计竞赛对培养土木工程专业本科生的创思思维和创新能力的可行新和方法进行探讨和论述。

1 结构设计竞赛提升学生创新能力的必要性及其发展现状

在新的时代背景下，土木工程等老工科专业在对应用型创新人才的培养方面也与时俱进地融入新的教育理念和模式。新的结构设计理论和施工技术层出不穷，但如何将土木工程领域内的科技进步与本科生专业基础理论相结合却成为了限制土木工程创新人才培养的瓶颈问题[7，8]。这些年来，各级教育部门为提升土木工程专业大学生的实践能力，举行了不同程度和范围的结构设计竞赛。而各类结构设计竞赛均要求大学生利用本科阶段学习的专业理论知识，在指定时间内通过对结构力学原理的分析和思考，完成组委会给定建筑结构的设计和构建，使所设计结构达到最优的使用功能和最低的建造成本。

最早的结构设计竞赛由同济大学于2000年6月在上海举行，称为“第一届同济大学创新结构设计竞赛”。要求结构模型设计在一周内完成，结构思想新颖，结构分析全面并具有技术上的可行性和合理性。基于第一届结构设计大赛的成功举办，国内很多高校也意识到结构设计竞赛对大学生实践能力和创新能力的促进作用，都纷纷开始举办种类型的结构设计竞赛，省级、地区级别的比赛也如雨后春笋般在湖南省、河南省、浙江省以及华东地区、中南地区等如火如荼地开展起来。2005年，由住房和城乡建设部、中国土木工程学会主办，教育部、财政部首次联合批准发文在全国范围内开展第一届全国大学生结构设计竞赛。第一届全国大学生结构设计竞赛由浙江大学承办，倡导国内11所高校共同发起，29所高校参加比赛。全国大学生结构设计竞赛至2020年已成功举办14届，第2至14届分别在国内各大著名高校举办，如第2届在大连理工大学举办、第3至13届在同济大学、哈尔滨工业大学、东南大学、重庆大学、湖南大学、长安大学、昆明理工大学、天津大学、武汉大学、华南理工大学、西安建筑科技大学举办，第14届则由上海交通大学承办。大学生们通过参加不同级别的结构设计竞赛活动，不仅提升了扎实了专业基础知识，在竞赛过程中也培养锻炼了自身的科技创新能力。

2 结构设计竞赛促进学生创新思维训练和创新能力培养的可行性

结构设计竞赛可以作为课堂教学环节的补充和延展，起到促进教学效果的目的，是提升学生解决、分析问题能力的有效途径。高校可以通过设立设计目标，以专业兴趣为驱动力，以课堂讲授专业知识为支撑，对学生进行技能培训，以结构设计竞赛为抓手来培养大学生的创新思维、训练大学生的创新能力。基于结果设计竞赛提升学生创新能力的培养体系包含学习专业基础知识、多学科知识交叉融合、综合能力培训三部分内容。

2.1 多学科交叉专业知识的学习

结构设计竞赛涉及土木工程专业大学生在材料力学、结构力学、结构设计理论以及工程结构抗震等多门课程的专业基础知识。扎实的专业基础知识可以使学生具有正确结构设计理念，是顺利完成结构设计竞赛的前提和保障。结构设计竞赛中往往会给定拟设计结构的材料组成及相关力学性能，需要学生利用材料力学方法计算构件截面的应力并复核材料的强度。而结构计算部分则要求学生必须掌握结构力学的基本原则和方法，能进行不同结构体系的内力计算和分析，确定最佳结构体系。而结构计算过程中对传力路径、荷载分布和结构特性的判断则需要建立在夯实的结构设计理论基础之上。由于大多数结构设计竞赛的设计目标均是在寻求满足承载力的质量最轻的结构，质量的考量在设计过程中就成为极为关键的设计因素。因此多方案的對比是必不可少的重要环节，而这一环节通过手算完成是非常耗时的，需要计算机软件来辅助，如ABAQUS、ANSYS、MIDAS等软件。掌握必要的设计软件也成为完成高质量结构设计竞赛任务的条件之一。在有了各门理论和技术课程知识的前提下，通过对知识的灵活运用方可获得结构设计竞赛中设计目标的最优解。

2.2 创新思维训练和创新能力培养

大学生在掌握了课程知识之后，应能够学以致用，达到“新工科”人才的培养目标。在结构设计竞赛过程中，学生在课堂以外的环境中进行实操训练，通过在实践中运用课堂知识达到对各门知识的融会贯通，可有效增强学生的创新意识。创新能力训练是在结构设计竞赛的过程中开展的增强创新意识和培养创新思维的能力训练，可以提升学生的科学素养和创新热情，鼓励学生发挥主观能动性，成为新时代所需要的具有创新能力的复合应用型创新人才。创新能力训练过程中，应当为学生引入现阶段国内外前沿的科技动态以及最新科研成果，在学生进行以设计目标为驱动的实践操作中不是简单地机械学习，而是在实践中寻找创新的灵感，在前沿的科技需求环境中发现创新的出口，锻炼学生的创新思维能力，保持聚焦科技前沿的热情。通过创新能力训练，通过对前沿科技知识和动态的学习，提升了学生发现问题和解决问题的能力，可以在结构设计竞赛过程中保持敏捷的思维，找到科学的设计方法，达到最佳的设计结果。创新能力的训练不仅有效促进了学生创新意识的培养，同时也不同程度地激发了学生们的创新热情和创新观念，提升了学生们在设计实践过程中解决问题和分析问题的能力，为使学生成为新时代的复合应用型人才奠定了基础。

2.3 综合能力培训

结构设计竞赛不仅为学生们提供了运用学科知识的机会，还可以锻炼学生们的综合能力，以参赛为契机使学生们系统地学习专业理论知识与项目实践如何有机地进行结合，通过全过程参与提供领导与协调能力训练，并通过将设计成果以最优化形式展现给评委的过程锻炼学生们的表达能力和计算机操作能力。结构设计竞赛过程是复杂且极其艰苦的，需要学生承受一次次挫折后仍具有继续奋斗的决心和信心，不能半途而废。学生在无数的失败过程中磨炼了意志，锻造了不怕困难的勇气和迎难而上的决心。这是新一代土木工程专业人才应具备的坚毅品格。同时，完成设计作品过程中团队成员密切合作、各司其职，培养了学生们的团队意识，极大地提升了学生们的沟通能力。此外在进行竞赛技能培训时，应基于创新人才的发展规律根据学生不同的个体特征采取不同指导方法，遵循因材施教的培养原则构建创新人才培养体系。根据每个学生的学习兴趣及知识基础，结合土木工程专业特征，在竞赛技能培训中心让学生养成自我思考的习惯，由设计目标的实现为兴趣驱动，使学生在学习过程中能够享受到自我价值的体现，感受到主观能动性在结构设计竞赛中的意义，在竞赛技能培训过程中培养学生的创新热情、激发学生的创新潜能，实现大学生创新能力的提升，为新时代复合应用型人才的培养提供必要的条件和有力的支持。

3 结构设计竞赛不同阶段对学生创新能力培养的促进作用

结构设计竞赛主要包括接收组委会发布的竞赛题目，完成结构模型设计和现场答辩三个环节。一般情况下组委会发布竞赛章程则意味着结构设计竞赛的正式开始，各学校参赛队伍针对竞赛题目准备设计材料、讨论设计思路，开始前期准备。结构模型设计阶段学生将进行结构选型及设计、材料的性能试验、模型设计及结构试验，以初步判断所构建结构模型是否满足组委会竞赛要求和目标。在现场答辩阶段，学生们要将结构模型的设计理念、设计思路和结构特点表达给现场评委和观众，以获得最佳的竞赛成绩。以结构模型设计阶段为例，说明结构设计竞赛对学生创新能力培养的促进作用。结构模型设计阶段包括对针对材料性能选择结构构成材料，通过材料试验确定材料力学参数，进行结构选型并根据不同材料特性选择节点形式和构件粘结方式，进行理论计算确定截面形式和尺寸，利用软件进行承载力分析和变形计算等等。而学生创新能力的训练主要体现在结构选型和模型制作两个阶段。

3.1 结构选型阶段的创新思维训练

每年的结构设计竞赛要求都会有所不同，但总体上可分为两类，一类是直接给出结构的类型，另一类是不限定结构类型，但需满足承载能力和位移边界条件。两种类型的竞赛要求都需要学生对不同结构体系的力学特性比较熟悉，掌握结构体系在各种荷载效应作用下的优缺点。在此基础上，学生则具有了选择合理结构体系的基本能力。而在结构体系的选择阶段也是整个结构设计竞赛过程中最能够体现学生灵活运用所学基础理论知识，发挥创新能力的环节。在这个过程中，学生们可以将对不同结构体系的理解融入结构选型的设计理念之中，发挥对结构体系的想象力，正是学生创新能力的充分体现。但是需要指出的是，结构选型时学生创造力的表现需要建立在对结构设计理论和力学基本原理的正确认知基础之上，没有正确的理论知识，所有对结构体系的想象力都是空中楼阁。在2017年第一届上海市大学生结构设计大赛上，一个参赛队伍的作品以结构外形新颖、寓意深刻而受到现场评委和观众的好评，但由于对结构体系中某构件的受力分析判断失误，将受压杆件设计成了由薄板构成的受拉杆件，使得在现场试验初期还未加载到预定荷载时结构就出现了主梁断裂、节点破坏整体倒塌，最终由于不能正常加载、结构破坏的情况无法获得竞赛成绩。该参赛队伍在结构体系的选型时，充分发挥了队员的创造力和想象力，但由于缺少结构设计的基本力学分析能力而使创造力失去了应有的价值，值得所有同学们引以为戒。

3.2 结构模型制作阶段的创新能力培养

结构设计在完成理论计算之后，就进入到将图纸上的设计方案实现的阶段。这时需要按照竞赛组委会的要求利用选定的材料搭建出真实的结构模型。在这样从图纸到真实结构的实现过程中，具体的模型处理方法会对结构的整体性能产生很大的影响。仍以上海市首届大学生结构设计大赛为例，设计题目为大空间钢架平台，以最低自重满足指定承载力要求。对钢架结构来说，杆件的截面尺寸可以通過计算软件的分析得到，但每一个节点在实际制作过程中怎样满足刚性节点的要求却是一个关键的问题。刚性节点的制作需要学生们开动脑力，展开想象，可以利用各种粘结材料或连接材料。上海理工大学的参赛队通过对节点特性的分析，采用了利用针管注射方法将胶水注入节点接缝处粘接杆件的方式处理刚性节点，在节点外侧还利用粘贴小板带起到加强节点的作用。然而这一方法在一定程度上却加大了结构的自重，在最终结构评分时没有优势。同济大学参赛队采用纸质胶带缠绕方法制作节点，不仅保证了节点的强度和刚度，而且由于纸的质量较轻，纸质胶带缠绕法的刚节点方案极大程度地减小了结构的自重，最终以最小的结构重量保证承载力的结构设计取得了第一名的好成绩。可见，在结构模型制作过程中，要求学生在锻炼动手能力的同时，展开想象，创造性地设计结构模型的制作方法，有效地激发了学生们的创新热情，是培养大学生创新意识，提升大学生创新能力的最佳阶段。

4 结语

结构设计竞赛涉及多学科知识的交叉和前沿科技知识的积累，创新思维训练和创新能力培养是新时代复合创新型人才培养的核心。学生通过参加结构设计竞赛，不仅锻炼了自身的竞争意识和综合实践能力，也训练了创新能力和团队合作精神。通过在教学中贯通实践与创新环节，加强课程间与课程内创新意识的有机融合，结合灵活多变的学科授课方式和创新能力训练机制，使结构设计竞赛作为高校第二课堂创新实践培养体系的核心载体，在培养具有国际视野和优秀创新能力的复合创新型人才的过程中发挥非常重要的作用。

参考文献

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