一流专业背景下依托结构设计竞赛提升土木工程专业学生的综合能力

张 瑶，马卫华

（1.唐山学院土木工程学院 河北 唐山 063000；2.河北省建筑工程与尾矿综合利用重点实验室 河北 唐山 063000）

伴随国家高等学校“双一流”建设和综合改革的引领，中国高等教育迎来高质量发展的新时代。一流专业的建设是形成一流大学的有力支撑，也是提升人才培养质量的关键所在[1]。土木工程专业是唐山学院首批省级一流专业，是学校成立最早并重点建设的专业，经过多年努力，逐渐形成了自己的特色与优势。培养了大批“能施工、会设计、懂管理”的毕业生服务于地方工程建设一线，得到用人单位的广泛认可，为唐山及周边地区的经济建设做出了贡献。

土木工程专业具备很强的工程应用特点，因此，对学生来说，除了要掌握扎实的理论知识，创新思维、实践能力和工匠精神也是必备的基本素养。结构设计竞赛是教育部确定的全国九大大学生学科竞赛之一，从对赛题的解读，到模型的设计、制作、加载的全过程，都能有效提升学生的创新思维与动手能力，吸引了众多高校师生的广泛关注[2]。对复杂环境下实际工程问题的简化是竞赛的命题趋势，如：冲击和爆炸作用下的超高层建筑结构；多种工况作用下的大跨度空间结构；基于我国水资源分布不均背景的渡槽结构；承受风荷载、冰荷载、导地线荷载等的山地输电塔结构。赛题既有创新性，又与工程密切相关，大学生通过参加大学生结构设计大赛来提升综合能力是一条行之有效的路径[3]。

文章基于唐山学院学生参加近几届河北省大学生结构设计竞赛的经历，浅谈竞赛对土木工程专业学生能力培养的意义。

1 近五届全国大学生结构设计竞赛

自第十一届全国大学生结构设计竞赛（2017年）起，由各省（市）分区赛选拔出优胜队，获取全国赛的参赛资格。这种分区赛与全国赛相结合的模式让结构竞赛成为众多师生切磋技艺的精彩舞台，竞赛的影响力得到了进一步提升[4]。唐山学院参加了第一届到第五届的河北省分区赛（比赛情况详见表1），第一届分区赛以加载失败告终，第二、第三、第四、第五届分区赛多次取得二等奖，三等奖的成绩。

表1 近四届全国大学生结构设计竞赛河北省分区赛情况表

2 结构设计竞赛对大学生综合能力的培养

作为土木工程专业大学生课堂理论学习的延伸，结构设计竞赛打破了以往重理论、轻能力的学习氛围，对锻炼自学能力、实践能力，激发创新思维、培养合作意识与工匠精神，提升专业能力有着十分重要的意义。

2.1 自学能力的锻炼

大学生结构设计竞赛是一项系统性、专业性的科技竞赛。模型的设计既要运用工程结构设计原理、桥梁工程等专业知识，还要结合结构力学、材料力学等力学知识，同时也离不开有限元软件的辅助分析与优化，这就要求学生具备很高的学习能力。

从构件截面属性、荷载统计到内力分析、承载力和刚度验算，都需要以相关专业知识为基础，有针对性地探究学习、查阅资料，并学以致用。采用计算软件对结构进行计算分析是确保结构承载力与刚度的重要依据，也是对结构进行优化的必备条件[5]。较常用的包括ANSYS、SAP2000、MIDAS等，这些都是本科生一般不会接触到的有限元软件，学生要从零基础入门到实现模型的建立、分析与优化，充分锻炼了学生的自学能力。

2.2 创新能力的激发

结构设计竞赛是一项创造性的劳动，能激发学生运用专业理论知识，提供新方法、新理论和新思维。所谓“创新”既是指提出新颖的结构体系，具备适应赛题要求的、有效合理的传力路径，也是指在结构细部如截面形式、节点连接、支座形式方面的新尝试。在学生别具匠心的设计下，历届竞赛涌现出的优秀作品构思精巧、形式新颖。经过反复的验证与优化，未来的实际工程必定会吸收利用这些优秀的设计理念[6]。

笔者通过集体访谈的方式，调查了学生在整个比赛过程中面临的难点问题。要求每位学生均选择两项难点，并根据访谈结果做出了难点条形图，如图1所示，参加比赛必然要注入大量的时间与精力，每年比赛时间也在学期末，备赛与备考不免产生冲突，纵然学生十分重视考试成绩，但在选择难点时，只有21%的学生选择了这一项，而有62%的学生选择了“方案创新”，创新既要基于扎实的理论基础，又要打破常规思路的束缚。

图1 大赛难点统计

2.3 实践能力的提高

土木工程是一门实践性与应用性很强的专业，传统的理论教学难以满足当代社会对应用型人才的需求。大学生结构设计竞赛题目是对复杂环境下工程所面临的实际问题的简化，源于实际，服务于实际，整个参赛过程体现着对理论知识的实践与运用。例如依据结构力学、概念设计、桥梁工程的基本原理进行结构选型、构件布置，运用材料力学、钢结构设计原理完成截面初选，以及后期的优化过程中，解释模拟与试验现象都离不开专业知识的指导，对培养学生的工程实践能力有着重要作用。与此同时，理论方案的实现离不开细致的动手操作。无论是杆件间的连接，还是组合截面的形成，工艺对最后的试验结果影响重大，很多巧妙的设计理念因为制作的失误无法实现其功能。经过不断的练习与打磨，制作模型的过程使学生们的动手能力得到了有效的提高，也使他们深刻体会到“施工过程”对整个结构性能的重大影响。

2.4 合作意识与工匠精神的塑造

团队项目的根基在于合作，个人能力要与团队协作深度融合。在竞赛中，由三位学生组成一个团队，通过充分挖掘和利用各自的兴趣与专长，实现默契分工与合作。比如动手能力强的主导制作技术，自学能力强的主导软件模拟，理论知识扎实的负责计算书的撰写，分工中不乏合作，集众人之长，形成最优组合，发挥团队的最强竞争力，树立良好的合作意识。

为了制作出最优模型，参赛团队往往要反复制作几十个模型，而一个模型的制作时间少则十几二十个小时，每次加载完要分析试验结果，提出优化方案，制作前还要利用有限元软件建模测试优化方案的可行性与效果，队员同时还要兼顾各课程与环节的学习任务，备赛过程培养了队员持之以恒，百折不挠，精益求精的工匠精神。

2.5 专业能力的培养

土木工程专业学生的核心能力包括勘察设计能力、施工综合能力、组织与管理能力等。对赛题的解读训练了学生应用数学与土木工程科学的基本原理去识别实际工程问题的复杂程度与功能要求；在模型的方案设计阶段，学生需要熟悉备选结构体系与构件的受力特点，充分考虑赛题要求，提出具有创新性的解决方案，通过有限元软件对模型进行分析与预测，理解结构的优势与局限；在模型制作阶段，对每次试验数据进行收集、处理与解释，采用科学的方法优化模型与制作工艺，有效加深了学生对专业知识的理解深度，提升了核心能力中的勘察设计能力。有些学生在制作过程中借鉴了装配式、榫卯、预应力等理念，对于训练施工综合能力有很大帮助。作品需要在规定时间内完成则培养了学生沟通、合作以及组织和管理的能力。

通过采取问卷调查的方式，调查了学生们在完成比赛过程中各种能力的提高情况，要求每位同学选择三项提高较明显的能力，结果如图2所示，选择有创新性的设计/开发解决方案能力的学生占55%，选择使用现代工程工具和信息技术工具能力的学生占54%，用专业知识和科学原理分析、解决问题能力的同学占47%，选择将有效结论用于工程实践能力的学生占41%，总体而言，勘察设计类能力的提高得到更广泛的认可。

图2 比赛对多种能力的提高情况

3 结语

参加结构设计竞赛，学生将力学、结构，施工的知识贯穿起来，打通了专业知识间的相互关系，提升了分析问题、解决问题的能力，训练了运用专业知识和工具进行结构设计和计算的能力，极大地丰富了学生的在校经历。大学生结构设计竞赛作为一项课外科技活动，既对培养土木工程专业学生的综合能力具有深远的意义，也有效地促进了“应用型土木工程专业人才”培养目标的达成，是建设一流专业的一股新动能。