土木工程实践教学与学科竞赛融合模式创新研究——以大学生结构设计竞赛为例

赵云峰，曾 磊

（长江大学城市建设学院，湖北荆州 434023）

在“一带一路”倡议，“长江经济带”“乡村振兴”等国家战略引领下，新型基础设施建设、新型城镇化建设、交通和水利等重大工程建设快速推进，国家建设投资持续增长。建设生态宜居、绿色智慧的城镇基础设施急需更多掌握坚实理论基础和具有创新能力的土木工程专业人才。同时，我国大力实施的工程教育专业认证对学生的培养目标中指出，学生参加工作后具有从实践中发现、分析和解决问题的能力，具有科学的思维方法与较强的创新意识[1]。新工科背景下，要将学生培养成为实践能力强、创新能力强且具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才，实践和创新的重要性进一步凸显[2-3]。因此，围绕新时代高等教育人才培养目标，探索实践教学新方法，完善土木工程专业人才培养模式、提升人才培养质量具有重要的理论及现实意义。

全国大学生结构设计竞赛是教育部和财政部批准发文的全国性A 类学科竞赛，其宗旨为培养大学生的创新意识、合作精神，提高大学生的创新设计能力、动手实践能力和综合素质，加强高校间的交流。该竞赛为高等学校开展创新教育和实践教学改革、加强高校与企业之间联系和推动学科创新活动起到积极示范作用。竞赛宗旨与新时代土木工程专业人才的培养目标相契合，为土木工程专业实践教学改革提供了新的思路[4-6]，得到了部分高校的认可和关注[4，7]。本文对于实践教学与学科竞赛融合模式的推广，结合长江大学土木工程专业的实践教学改革，进行积极的分析和思考。

一 全国大学生结构设计竞赛剖析

全国大学生结构设计竞赛（简称“国赛”）于2005 年由浙江大学倡导，联合国内11 所高校共同发起，截至2021 年已举办了14 届。竞赛原则上每年举办一次，竞赛时间一般安排在下半年9—10 月份。2018 年起要求须通过省（市）分区赛方式选拔参加全国总决赛，参赛学校推荐1 个参赛队（当年承办全国总决赛的高校可推荐2 个参赛队），由3 名学生组成，可指定1～2 名指导教师。参赛学校原则上以通过全国高等学校土木工程专业教育评估的学校为主。竞赛基本流程包括开幕式、抽签、模型制作、分组比赛、得分计算、颁奖及闭幕式，其中分组比赛包括称重、固定模型、作品介绍与专家提问及加载环节。

历届大学生结构设计竞赛题目涉及的结构类型包括高层建筑、桥梁、风力发电塔、悬挑屋盖、吊脚楼、三重檐攒尖顶仿古楼阁及渡槽支承系统等，丰富多样，考验学生的专业知识综合运用能力、创新能力、手工制作能力、逻辑思维能力和团队协作能力。其中，专业知识的综合运用具体涉及了三大力学（理论力学、材料力学和结构力学）、钢结构设计和混凝土与砌体结构设计等专业课程，创新源于扎实的专业知识和对生活的观察，手工制作离不开学生的细心和耐心，良好的逻辑思维能合理优化模型和简洁明了地介绍制作的模型，团队协作，发挥各自的优势。大赛内容兼具趣味性和专业性，竞赛模式具有很好的激励性和交流性。在兴趣和求胜心的驱动下，能激发大学生的自主学习热情和创造性思维。

二 以结构设计竞赛为导向的实践教学

（一）课程设置与简介

为更好地培养竞赛人才，同时达到以赛助学的目的，长江大学城市建设学院开设了专业选修课程——结构建模。该课程开课时间设置在上半学期，课程学分为2.0 学分，对应的课时为32 学时。课程授课对象为大二学生，前置课程包括材料力学、理论力学，与结构力学同步。在课程时间设置方面，与校赛和省赛无缝对接，拟参赛学生有充足的时间准备比赛。在授课对象方面，大二学生对学科竞赛的兴趣浓厚，且已完成相关力学课程的学习。大三学生专业课程紧凑、课余时间较少，毕业年级学生准备考研、找工作等，报名参加竞赛的学生较少。

通过该课程的学习和实践，使学生能够把所学的专业理论知识综合应用于实践。学生能够熟练应用数值模拟软件，会用其对各类建筑结构进行计算分析；在动手制作模型的过程中，培养学生的创新意识、创新能力、实践能力及团结协作精神。

（二）课程教学内容与考核要求

课程教学包括4 个专题的理论教学和3 个实践教学内容。课内理论教学16 学时、实践教学16 学时。理论教学专题包括大学生结构设计竞赛及赛事流程解读、大学生结构设计竞赛赛题介绍与典型赛题解读及结构设计与模型制作中的发散型思维与基本功解读、结构建模分析软件的应用。实践教学内容包括大跨度桥梁结构模型设计与制作、高层建筑结构模型设计与制作和本年度全国大学生结构设计竞赛赛题为背景的模型设计与制作。实践教学分组与竞赛保持一致，采用3 人小组的形式。

课程考核采用实验报告和对制作的模型评分相结合的形式。每名学生对设计与制作的3 个模型分别撰写实验报告，记录完整的模型制作过程，并总结技巧和经验教训。以大跨度桥梁结构和高层建筑结构模型设计与制作作为训练，对模型重量、承载能力和美观程度进行评分。以竞赛赛题为背景的模型评分标准和过程与结构设计竞赛一致，包括计算书、模型介绍和模型加载。

（三）课程毕业要求

按照工程教育认证毕业要求，结构建模课程应能支撑如下毕业要求。

能够针对一个复杂系统或者过程选择一种数学模型，并达到适当的精度要求。与之对应的课程内容为大学生结构设计竞赛赛题介绍与典型赛题解读。

具有创新思维，能够解决土木工程专业复杂工程实施过程中遇到的问题。与之对应的课程内容为结构设计与模型制作中的发散型思维、制作要点及基本功训练解读。

掌握计算机在土木工程中的应用，能够利用计算机技术进行复杂工程问题的预测与模拟计算，并理解其局限性。与之对应的课程内容为软件操作界面认识、模型建立操作过程和模型加载、求解及结果分析。

三 实践教学与学科竞赛融合效果

（一）融会贯通，理论结合实践

土木工程专业课程之间存在相互衔接和融合不足、实践课程偏少和理论与实践脱节的问题[6]。部分专业课程如三大力学，具有理论知识多、抽象难懂、枯燥且逻辑性强等特点。进而使得部分专业课程的教学效果不甚理想，如基本概念理解不清、跟不上教学进度和考一门忘一门等。同时，专业课程体系中的实践教学也存在较多问题，如走马观花、实践内容与课程理论教学不一致及以抄袭严重的实验报告或心得为考核依据等。作为工科专业，许多专业知识来源于实际和服务于实际，理论与实际的结合才能达到理解掌握与融会贯通。

结构设计竞赛赛题多来源于生活实际，竞赛对所制作的模型的核心评价指标为质轻承载重，即以最轻的质量承受最大的荷载，同时考虑精细、美观等指标。最终的模型作品呈现需经历方案对比、结构选型、计算分析、结构优化、手工制作和加载测试等阶段。其中会涉及材料特性辨识、构件截面形式选择、核心构件判断、结构受力分析、节点设置与细部构造及优化等问题，需结合材料力学、理论力学、结构力学、桥梁工程和钢结构设计等课程的专业知识。因此，以结构设计竞赛为向导的结构建模课程教学为学生理解、领悟和串联专业课程理论知识提供帮助，同时为理论知识应用于工程实践提供支撑，达到理论指导实践、实践反哺理论的目的。

（二）自主学习，变被动为主动

本科人才培养方案中，土木工程专业课程数量较多，普遍存在课程内容多而学时少的矛盾。为了课程进度，授课教师将部分课程内容寄希望于学生课后的自主学习和课后辅导。同时，在疫情常态化的影响下线上教学得到推广，使得课程的主体更多地偏向学生，对学生的自主学习要求进一步增强。对于部分普通院校的学生来说，自身基础偏弱、自我约束能力低和课程内容枯燥等原因使得学生缺乏自主学习的兴趣和动力，学习效果大打折扣。

结构建模课程理论教学中对结构设计竞赛赛事介绍和赛题解读，大大提高了学生参加竞赛的积极性；课程实践教学中对手工模型制作的趣味，激发了学生的热情。模型制作经历的结构选型、结构受力分析和结构建模优化等环节，涉及的专业知识广泛，需综合应用相关专业知识才能达到模型质轻，承载重的目标。因此，学生需对已学和遗忘的知识点进行回顾和补充，以及新知识的自主学习。从最初的模型构思到最终的模型呈现，学生们不仅实践了当前所学知识，还对将来需要学习的知识有了最直观的体验和尝试，从而变被动学习为主动学习，变被动认知为主动认知，有效促进对第一课堂知识的理解。结构建模课程教学和结构设计竞赛的融合，充分激发了学生的自主学习兴趣，求胜心理也让学生持续拥有自主学习动力。

（三）创新思维，综合能力提升

创新是一个民族的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。学生的创新创造能力是民族和国家发展的推动力。优秀独特的土木工程结构通常兼具经济、节能、美观、安全稳定与耐用等特点，与自然和谐共生，其设计本身是创新实践的综合体现。对于结构设计竞赛赛题模型，如何用轻薄的竹皮纸制作出质轻高强的模型，需要学生具有扎实的专业基础和创造性思维。在竹皮纸组成的构件截面、结构体系安全稳定、节点的连接加固、细部构造及优雅美观等方面为学生的创新提供了广阔的空间。每届竞赛中出现的精致优美、新颖独特的模型正是创新思维的体现。以结构建模课程教学中的结构设计与模型制作中的发散型思维与基本功解读，以及实践教学中模型的动手制作，培养和激发学生的创新潜力。

课程教学和竞赛中3 名学生组成团队，而在有限的时间内完成模型的制作离不开团队的合作。团队成员需在数值软件的模拟优化、计算书的标准化撰写和模型的手工制作方面按优势互补原则进行合理分工，对遇到的问题进行讨论交流，一起享受成功的喜悦或分担失败的难过，培养和提升学生的团队协作能力。最优模型的呈现通常需要经历多个模型的制作与测试，如第十四届国赛赛题中桥梁加载参数的不确定性使得学生需要准备多个备选模型方案，极大地培养了学生的动手实践能力。同时，也是对学生的耐心、细心和恒心的考验。

（四）以学促赛，合作带来共赢

1 提高了竞赛知名度

以长江大学为例，每年选修结构建模课程的学生约120 人，基本涵盖了整个土木工程专业的大二学生。通过该课程的教学，学生更清晰地了解了竞赛的流程与规则，以及参加竞赛的意义。同时，通过学生间的交流，极大地提高了竞赛在学生中的知名度和认可度，宣传效果显著。对比2013 年和2021 年学院报名参加竞赛的队伍数量，由三支增加至二十余支。

2 提升了竞赛人才选拔与培养质量

传统的竞赛人才选拔与培养方式为发布通知、自由报名、校赛选拔和集中培训，选拔出的学生知识储备量较少、动手能力不足、竞技水平偏低，且集中培训占用学生的学习时间较多。长江大学参加结构设计竞赛至今积累了较为丰富的经验和技巧，通过结构建模课程的教学，使得学生在创新思维、模型优化和手工制作等方面得到了初步指导和培训。在此基础上，进行多轮校赛选拔，最终的参赛学生在模型设计与制作方面已有一定基础；进而开展针对性的培训，大大地提升了竞赛人才选拔与培养质量。同时，课程教学计入工作量，以课程为依托进行创新实践与教学改革，大大激发了指导教师的热情。

3 体现了竞赛宗旨

结构建模课程时间设置与校赛（各学校组织的大学生结构设计竞赛，简称“校赛”）和省赛（各省举办的大学生结构设计竞赛，简称“省赛”）无缝对接，避免了以指导教师为主体的集中培训方式，转变为学生主导。同时，与竞赛融合的实践教学模式和集中培训相比，让更多的学生在创新意识、合作精神、创新设计能力、动手实践能力和综合素质等方面得到了培养，体现了竞赛的宗旨，也与《新工科建设指南》中要求的工科专业实现50%以上的学生参与“大学生创新创业训练计划”的目标相符[8]。

4 提升了竞赛成绩

长江大学于2013 年首次参加第一届湖北省大学生结构设计竞赛，参赛体会为准备仓促、毫无经验、参赛程序与竞赛规则不清，思路狭隘、结构普通及手工制作粗糙。学校十分重视大学生结构设计竞赛，截至2021 年已参加3 届国赛和8 届省赛，并成功举办了第七届湖北省省赛。竞赛与实践教学的融合，使得参赛学生基本功更加扎实、自信心更加充足，使得指导更加合理规范，使得参赛前的准备更加充分。学院的竞赛成绩从最初的优秀奖到近年来的省赛一等奖，提升显著。

四 实践教学与学科竞赛融合模式的拓展延伸

（一）力学课程教学与竞赛的融合

土木工程专业的力学课程包括材料力学、理论力学和结构力学，在专业课程体系中占据十分重要的地位，是学生开展后续专业课程学习的基础。力学课程理论性强、抽象，传统“满堂灌”式教学让课堂教学枯燥无味。大学生结构设计竞赛中模型的设计与制作过程涵盖了力学课程中的大部分重要知识点，这为课程中的理论知识提供了良好的理解与应用的平台。将结构设计竞赛融入力学课程的教学内容中，以赛题为载体，提高理论知识教学的趣味性和有效性，也可实现力学课程教学之间的联动。目前，大学生结构设计竞赛促进力学课程教学改革的思考也得到力学课程教师的关注[9]。

（二）毕业设计与竞赛的融合

毕业设计是学生完成教学计划规定的全部课程学习之后，所必须进行的最后一个重要的实践性教学环节，是实现本科培养目标的重要阶段，是学生从学习走向工作岗位必要的过渡阶段。通过毕业设计，培养学生所学基础理论和专业知识的综合应用的能力，以及独立分析与解决一般工程技术问题的能力，为学生将来走上工作岗位、顺利完成所承担的建设任务奠定基础。传统的毕业设计模式常依托某一工程背景，进行方案比选、设计计算分析、绘制设计施工图，存在换标题不换内容、模板套用和知其然而不知其所以然的问题，同时创新性体现不足。

结构设计竞赛的赛题来源于生活实际，模型的设计与制作过程与毕业设计过程较为相似。赛题涉及的专业知识广泛，模型优化环节中数值模拟软件的学习与应用，进一步提高了学生综合应用专业知识能力的要求。第十四届国赛赛题为《变参数桥梁结构模型设计与制作》，以承受竖向静力和移动荷载的桥梁结构为对象，通过在赛题中加入部分待定参数，赋予赛题更多的灵活性。将毕业设计与竞赛融合，赛题的创新性、综合性和灵活性让毕业设计更好地培养学生的综合能力。同时，毕业设计的答辩环节也可考虑参考竞赛的比赛评分环节。

（三）新增专业选修课程与竞赛的融合

专业选修课程的开设基于学生兴趣和专业知识拓展的需求，随着教学改革和知识更替而改变。大学生对学科竞赛兴趣的提高及高校重视程度的加强，可以基于学科竞赛而开设专业选修课程。如开设数值模拟软件课，向学生推广ANSYS、MIDAS 等专业分析软件，为应用型人才培养打下基础；开设手工模型制作课，通过截面选择、构件制作和节点处理等方面的培训，针对性地提高学生的动手能力。此类课程的开设不仅能满足学生的兴趣和专业知识的拓展需求，也能进一步培养学科竞赛人才。

五 结束语

新时代高等教育人才培养更加注重实践与创新，与大学生学科竞赛的宗旨十分契合。本文以土木工程专业的大学生结构设计竞赛为例，结合长江大学多年的实践教学改革，分析总结了实践教学与学科竞赛融合的模式和效果，思考了该模式的拓展延伸。该模式可以构建理论与实践结合的桥梁，培养学生自主学习的意识，提升学生的创新能力、动手实践能力和团队协作能力，以及持之以恒的毅力，提高竞赛人才的选拔和培养质量及竞赛成绩，实现“以赛助学、以学促赛”共赢的目标，达到创新实践人才培养和竞赛成绩提升的目的，具有良好的推广前景。