大学生工程训练综合能力竞赛指导初探*——以智能物流搬运赛项桥梁结构设计竞赛为例

韩艳 王振伟 符川

北方工业大学 北京 100144

0 引言

大学生工程训练综合能力竞赛围绕工程实际和社会需求，突出多学科交叉协同实现创新创造，注重职业素养、实践创新能力和综合素质的全面考查，已成为培养大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神的有效载体[1]。已有不少高校成立了工程训练中心，并开设了专门的工程训练课程，以工程训练综合能力竞赛为契机，全面提高大学生的工程实践能力。未来合格的工程师除了应具备扎实的工程技术知识和专业技能，还应具备正确的人生观和价值观、良好的协调能力、强烈的社会责任感和奉献意识[1]，因此，充分挖掘工程训练综合能力竞赛本身在培养学生的家国情怀、工程伦理、工匠精神及责任意识等方面的优势，并在竞赛活动指导过程中将思政元素与专业知识巧妙融合，通过“润物细无声”的方式，鼓励学生将专业的结构理论知识应用于实践创新，对于提高工程应用型人才的综合素质具有重要的意义。

本文以第九届北京市大学生工程训练综合能力竞赛智能物流搬运赛项桥梁结构设计竞赛为例，探索基于工程训练竞赛的土木类人才综合素质的培养和在竞赛指导的过程中有机融入思政元素的方式方法，在注重基础理论与专业知识及实践应用，提高学生分析、解决工程实际问题能力的同时，使其坚定文化信仰，增强工程伦理意识和职业素养，培育其严谨求实的科学精神、不拘一格的创新精神以及精益求精的工匠精神。

1 智能物流搬运赛项桥梁结构设计竞赛简介

智能搬运赛项包括智能机器人和桥梁结构设计两个项目（意在模拟智能机器人满载过桥的实际工况），两个项目分别单独进行初赛，在决赛中再将两个项目竞赛内容集成在一个智能场景中合作完成，即对应初赛名次的两个队在决赛中编为一个队，联合参赛队按总成绩计算排名。初赛要求学生预先按照赛题要求，自主选择桥梁模型的结构形式和荷载作用等级，提交完整的理论计算书和详细的方案说明，并可以利用给定的本色侧压双层复压竹皮材料制作好结构模型，进行加载测试，以确定最终的参赛作品。在初赛的当天，各参赛队在规定时间内制作出符合要求的结构模型构件并组装成整体，自主选择加载等级进行加载测试。初赛总成绩由提交的计算书文档和现场加载表现加权确定。决赛要求机器人能顺利过桥且桥梁模型主要构件不出现失稳、结构变形过大等破坏现象，桥梁结构设计决赛的成绩由现场实践与考评成绩（根据在竞赛社区制作模型使用的材料数量、参赛队的技术能力、工程知识、诚信意识、协作意识等方面进行评价）和现场加载测试成绩（根据桥梁的重量、加载的重量以及加载产生的变形进行评分）两部分组成，最终机器人队的决赛成绩加上桥梁队的决赛成绩为联合参赛队的总分数。

2 竞赛项目开展及指导中的思政元素挖掘

工程训练综合能力竞赛是学生利用课余时间，在专业教师的指导下展开的旨在提高综合实践能力的实践教育形式。练就过硬本领与锤炼品德修养之间应当是相辅相成、相得益彰的，既要能力强、善创新，又要品格正、有情操[2]。在工程训练指导中融入中华优秀传统文化、精益求精的大国工匠精神等思政元素，有利于促进培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者。智能物流搬运赛项桥梁结构设计竞赛由理论方案设计、桥梁结构模型制作与组装、模型加载试验等环节组成，参赛学生要经历桥梁模型方案确定与计算、模型制作与加载、模型优化设计、优化模型制作与加载测试验证、参加最终决赛等阶段的磨炼。在此过程中，学生要完成相关专业知识点的系统梳理和整合，构建更为完整系统的专业知识体系[3]，学生的实践创新能力、团队协作能力和表达能力等专业综合素质均会得到大幅提升，探索精神、竞争意识也会得到极大的增强。

2.1 方案设计阶段

在进行桥梁方案设计前，指导教师和参赛学生均需认真研读分析赛题，对赛题内容、比赛要求、成绩评定方法及相关注意事项了然于胸。在此过程中，指导教师应引导学生融入中国独有的桥梁文化与桥梁建筑美学，潜移默化地提升学生对中华优秀传统文化的认同感，使其增强文化自信。安全轻质是一对矛盾，考虑安全就需要多用材料，考虑轻质（实质上是考虑经济性），则要求少用材料。协调这一矛盾对立的两个方面，就要用到材料力学、结构力学、桥梁工程、结构设计原理等课程中关于结构内力、强度、刚度、稳定性等基础理论知识和专业知识。这需要学生对相关理论知识有较为清晰的认识，对各类桥梁结构体系的构造和受力特点有较深的理解，充分认识制作模型构件材料的力学性能，合理利用材料，并且还能熟练运用常用桥梁结构分析软件，如MIDAS/Civil，以便能对拟定的结构按赛题要求、荷载作用方式和杆件形式进行理论计算，作进一步的优化[4]。最终形成的理论方案成果内容应包括设计说明书、方案图和计算书。

2.2 模型制作阶段

该阶段模拟的是桥梁的施工过程，是把理想的桥梁设计变为现实的桥梁模型的过程。要求学生在规定的时间内，利用给定的材料制作出桥梁模型，并在预留的测量面上粘贴反光片以进行变形的测量。在模型的制作过程中，学生能够直观认识从设计图纸到结构实物的转变过程[3]，深刻体会施工精细程度以及细节处理对最终结构性能的影响。为顺利完成模型的制作，每位参赛队员需全力投入，分工明确，各司其职，相互密切配合，这无形中促进了学生之间的团结协作。尤其要注意节点细部构造的制作。理想的力学计算模型是从实际结构中抽象出来的，模型制作时，应当使节点构造尽可能地接近理想的力学计算模型，但要达到百分之百的一致是不可能的，学生在了解了力学计算模型和实际结构之间的区别的基础上，应注意控制制作质量和对细节的处理，对构件本身及节点进行仔细的、不厌其烦的打磨，敬业专注、耐心细致、精益求精的工匠精神的适时引入显得尤为重要。

2.3 模型加载测试阶段

有限元计算分析得到的是结构在理想状态下的内力，实际的桥梁模型不可避免地会存在一定的尺寸制作误差，与理论上的力学计算模型相比，实际模型的构件和节点受力情况会产生一定的差异，需要通过桥梁模型加载试验来准确确定模型的实际承载能力和变形情况，以验证桥梁结构方案。加载时需要认真观察模型的加载反应和节点的受力状态，检查与有限元模拟及理论计算的预测结果是否一致，总结模型制作、加载的经验，并进一步分析原因，以便进一步改进桥梁设计方案。在此阶段，可以以模型加载破坏为切入点，强调科学合理的力学设计以及保质保量的工程施工对后期桥梁安全使用的决定性作用，让学生认识到细致认真的工作作风以及对细节的重视都是极其重要的职业素养，粗心和失误在今天导致的是竞赛加载的终止，在将来有可能导致一起严重的工程事故[3]。在此基础上，厚植学生工程伦理意识，培养其职业道德，强化其责任心。

2.4 优化阶段

赛题规定桥梁模型在加载车辆通过时不能发生承载破坏，同时桥梁跨中位移不能超过规定的限值，即所设计制作的桥梁模型还需要满足一定的刚度要求，在此基础上，轻质高强者获胜。为达到这个目标，需要通过有限元模拟计算并进行反复加载试验，以找到最优的桥梁构件截面形式和构造尺寸。为取得好的竞赛成绩，参赛队员需积极发扬精益求精的工匠精神和锲而不舍的探索创新精神。在认真观察分析模型破坏形式和特征的基础上，不断优化主要受力构件，减少不必要的支撑，以达到结构质量最轻的目标。针对节点破坏的情况，要在模型加载试验中仔细观察模型的受力反应，分析节点的实际传力状态[5]，判断节点是否接近理论计算和有限元模拟计算时的力学计算模型，并进行加固处理（可将节点处各杆件外部用同样规格的细长竹片粘连）以保证各构件能可靠地连接成整体，共同承受外荷载。为减轻结构自重，众多的构件被设计成空心封闭截面，还需要对承受弯矩荷载的构件进行加强处理，可以采用外壁增厚、增加纵向加劲肋形成箱式空间、内部填充十字加劲肋等构造形式，以在较低杆件自重条件下提供更高的承载力和刚度[3]。

2.5 正式比赛阶段

正式比赛时，各参赛队集中在共同的竞赛社区，需在规定时间内，借助竞赛社区提供的各类资源，根据决赛题目的要求，完成桥梁设计、建桥材料采购、桥梁模型加工制造、技术交易、公益服务、宣传报道以及加载测试等活动。这不仅是对学生专业知识与专业技能等专业素质的检验，也是对参赛队员的心理承受能力、临场应变能力等综合素质的考验。因为模型的加载存在着不可预知的偶然因素，在其他的学科竞赛中发生过之前加载成功的模型在比赛现场加载失败的案例，所以，参赛队员在平时应多练，互相默契配合，多做模型进行加载测试，赛前做好充足的准备。在比赛现场，参赛队员应调整好心态，相互密切配合、分工协作，自信地发挥出自己的最好水平。

3 竞赛指导方式与方法

与讲授一门具体课程教师处于主导地位不同，在工程训练综合竞赛的开展过程中，学生始终是处于主导和主体地位的，教师则处于辅导和辅助地位。教师在指导过程中要注意方式方法，除了每周固定的辅导时间外，要充分利用微信等现代化通信技术，以语音、视频、图片等方式对学生所遇到的技术问题进行及时答疑解惑，使学生能继续积极探索创新。

从学生长远发展角度出发，指导教师应鼓励学生自我探究式习得。在方案设计阶段，即使结构受力明显不合理，也不要直接指责学生力学概念不清、基础知识不牢，而要间接委婉地和学生讨论简单的各种基本力学结构形式的受力特点，启发学生自己去发现不足，自我否决，再自己创新，使学生获得顿悟和自我发现、自我习得的成就感和愉悦感。这样不仅可以激发学生积极参加竞赛活动的热情，有利于拉近师生的距离，建立良好的师生关系，而且能切实提高学生分析问题、发现问题、将理论知识灵活应用于解决实际问题的专业能力和科学素养。在该阶段应注意加强学生结构体系的概念设计意识的培养。指导教师可以从引导学生分析拟设计桥梁需承受的荷载出发，分析比较各种桥梁结构形式的优缺点，帮助学生从总体上熟悉桥梁结构概念设计、理解结构设计原理，并比较传统建筑材料与竞赛所用材料的异同点，以加强学生运用所学知识解决实际问题的能力[4]。引导学生根据给定的造桥材料特点及模型制作难易程度，确定桥梁的结构型式，分析荷载传力路径，定性分析判断主要承重构件的受力特征（即主要构件是以受弯、受剪、受拉还是受压为主），受压构件一般可选用竹皮粘贴成的箱形或圆形截面，受弯或受剪构件一般选择经过加强处理的箱形截面，受拉构件则选择竹皮拉带[5]。根据经验初步确定构件尺寸，并经计算优化得到一个受力合理、传力简洁的结构形式。

精巧新颖的理论模型设计方案，还需要精细的施工配合才能变为桥梁模型实体。这需要学生在模型的制作过程中发扬严谨细致、精益求精的工匠精神。桥梁模型加载试验也体现了专业理论知识和专业技能的综合应用，在理论上需要注意避免加载时的偏心、避免人为引起的冲击，实际操作时则需要团队成员之间的密切配合，一人负责加载砝码，其他人观察提示放置位置，小车负载前行时需要牵引小车的队员尽可能地做到匀速直线运行。在桥梁模型加载试验阶段，通过学生的亲自加载与观察，可以培养学生对桥梁结构受力规律与变形趋势的判断能力，培养学生的工程意识和直觉[5]，锻炼学生综合运用专业知识的能力。结构设计是一个不断优化的过程。要得到轻质高强的桥梁结构模型，需要综合运用材料、力学、结构等相关学科的专业知识，不断优化模型，并强化模型制作加载等专业技能，细致打磨、反复演练，不断完善参赛作品。正式比赛时调整好心态，不畏强手、努力拼搏，严谨设计、精心制作与加载，自信地完成比赛。

4 结束语

对于工程训练综合能力竞赛桥梁结构设计竞赛，在进行桥梁方案选择、结构设计计算、模型制作与加载试验、结构优化、最终比赛的各阶段指导中，不仅应注重培养学生综合运用所学知识分析解决问题的实践动手能力和创新意识，并且应适当融入思政元素，促进学生对中华优秀传统文化的认同，培养学生严谨细致、精益求精的工匠精神和团队协作能力，使其树立工程伦理意识，提高职业素养，从而润物无声地实现立德树人的目标，切实提高应用型人才的专业综合素质和培养质量。