依托结构设计竞赛对土木工程专业大学生创新能力培养实践研究

曾永庆，王光辉，李斌，彭楚才，喻聪，郭永文，吴周

（1.湖南理工学院 土木建筑工程学院，湖南岳阳 414000；2.湖南理工学院 南湖学院，湖南岳阳 414000）

自2005年起，全国大学生结构设计竞赛被教育部指定为九大大学生学科竞赛之一，至今已成功举办15届。作为一项学科性竞赛，该比赛致力于培养大学生的创新意识、工程实践能力和团队合作精神，有效提高了大学生的创新能力和实践动手能力[1-2]。该竞赛为土木工程专业大学生提供了锻炼创新思维能力、实践动手能力、团队合作意识的重要平台。

土木工程专业的结构设计竞赛作为一种新兴的实践教学环节，已成为培养学生创新能力、实践能力的重要途径[3-4]。在这一创新活动中，学生需要熟练应用理论基础知识和工程专业知识，更深入地理解工程材料力学性能和掌握结构设计原理[5-6]。这种实践性的活动能够提高学生专业学习的积极性和主动性，并且为学生今后从事结构设计、施工管理及技术研究开发等实践性工作奠定坚实的基础。此外，教师通过结构设计竞赛活动，也能认识到实践教学的重要性，意识到实践教学对于应用型人才培养的关键作用。

通过结构设计竞赛，学生可以从专业基础知识入手，通过理论分析、结构计算和动手制作等多个环节，参与结构设计，有效提高大学生的创新设计能力、实践动手能力和团队协作意识。

1 结构设计竞赛概况

全国大学生结构设计竞赛是培养大学生创新意识、合作精神和工程实践能力的学科性竞赛[7-8]。在参加结构设计竞赛过程中，首先，参赛人员应对赛题进行结构概念选型，熟悉运用理论力学、结构力学、混凝土结构设计原理等课程专业知识分析结构的主要受力特点，选择合适的荷载传递路径结构形式，完成结构的整体设计。其次，在模型制作环节，参赛人员应进行材料的性能实验，并运用材料力学、土木工程材料和施工技术等专业课程知识，使用有限元分析软件进行分析，依据对结构进行强度、刚度、稳定性受力分析，得到结构的优化模型参数，运用小刀、竹条、竹片、纸片、胶水等工具，加工制作各种截面的杆件，使用胶水进行拼接，制作出结构模型。最后，在结构模型加载装置上进行荷载加载检验，在加载的过程中，应实时观察杆件的受力状态，与有限元计算模拟结果进行对比分析，进行多次加载试验，验算各种可能的破坏状态，如杆件受拉破坏、受压失稳破坏、截面刚度过小引起的变形过大失效破坏等；若加载成功，可采用改变截面形式、减小截面尺寸等方式减轻结构模型自重，增加比赛的名次；若加载失败，应分析其破坏原因，有针对性地采取增加杆件数量、增大截面尺寸等增强措施，并再次进行加载试验，直到满足强度、变形和稳定性要求。

2 结构设计竞赛对大学生创新实践能力的培养

2.1 学习能力的培养

大学生结构设计竞赛是一项系统性、专业性极强的科技竞赛，要求参赛人员具有深厚的力学知识和工程专业知识，达到熟练完成结构模型选型、方案设计、参数计算、手工制作、结构优化等步骤，对学生学习和运用知识能力的要求较高[9-10]。熟练掌握与运用专业知识，对学生参加结构设计竞赛起着决定性作用，在结构模型选型、方案设计、参数计算、手工制作、结构优化等步骤中，相关专业知识的支撑都是不可或缺的。结构设计竞赛可以有效培养学生的学习主动性，在模型设计与制作过程中，学生遇到问题，可以查找相关资料，运用专业知识解决问题，达到了更好地掌握相关专业理论知识的目的。在结构设计竞赛过程中，由于有提交计算书的要求，学生需熟练掌握一门专业的有限元分析软件，进行建模分析，并完成计算书的书写工作。学生可以通过视频网站Bilibili查找相应的软件视频教程，快速完成对一门分析软件的熟练运用，达到有效培养学生自主学习能力的目的。

2.2 工程实践能力的培养

土木工程作为一门实践性和应用性极强的专业，需要大学生掌握丰富的理论知识并能用其解决实际问题。现代社会对人才工程实践应用能力的要求越来越高，单一的理论教学显然无法满足要求。在课堂教学中，学生重视期末考试成绩，不够重视实践教学。通过结构设计竞赛，可以有效培养学生的工程实践能力。结构设计竞赛题目均源自重点工程问题，学生参与结构模型设计，可了解工程背景，提出解决方案。竞赛的目的在于结合实际生活中的工程问题，让参赛者在竞赛过程中能够将所学理论知识与工程实践紧密结合[11]，这一过程对于培养大学生工程实践能力有着重要意义。

2.3 创新精神的培养

培养创新精神是教育工作的重要任务，其包括激发学生的主动学习精神、培养学生独立获取知识以及开展创造性学习的能力、促进学生形成创新意识等内容，最终使学生成为富有创新精神的人才[12]。结构设计竞赛是一项富有创造性的活动，可有效培养学生的创新精神。学生在结构概念选型、模型设计、模型制作、结构优化等过程中，运用竹条、竹片、纸片、小刀、胶水，不断运用创造性思维来完成竞赛项目。在历届结构设计竞赛过程中，都会呈现出构思精巧、结构新颖的作品。结构设计竞赛可以使大学生积累实践经验，培养大学生创新精神。

2.4 团队协作精神的培养

应用型人才不仅需要具有实践能力，还应具备团队协作能力。学生在参与结构设计竞赛的过程中，需要完成结构选型、模型制作、加载试验、理论计算书编写等一系列任务。团队成员能否合理分工、发挥专长、紧密协作等，都直接影响整个团队的成绩[13]。团队协作不仅可以提升学生的沟通能力，还有助于培养学生良好的心理素质。由于参赛队员可能来自不同专业、不同年级，沟通交流必不可少。竞赛过程中的诸多方面都需要团队成员经过反复的讨论确定，结构设计竞赛可为学生提供提升沟通能力的良好机会。

3 湖南理工学院开展结构设计竞赛取得的成果

湖南理工学院土木建筑工程学院历经30多年的建设，现有土木工程、建筑学、历史建筑保护工程、水利水电工程四个本科专业，其中土木工程专业为湖南省一流本科专业建设点，入选湖南省首批新工科研究与实践项目。学院拥有土木水利专业硕士学位点，下设结构工程、岩土工程、道路与桥梁工程三个方向。

大学生结构设计竞赛是土木工程领域级别最高、规模最大的大学生创新竞赛活动，赛事致力于激发大学生的创新设计意识，检验大学生的动手实践能力，助推省内建设类高校主动满足国家和地方经济建设发展对未来人才的需求[14]。为切实提高大学生对结构的设计和分析计算能力，提高大学生对土木工程结构知识的运用能力，培养大学生创新精神和创新能力，湖南理工学院土木建筑工程学院积极举办多次校赛，并多次参加了湖南省大学生结构设计竞赛，获得了省二等奖、三等奖的好成绩。

4 结语

本文介绍了大学生结构设计竞赛的概况，从学习能力、工程实践能力、创新精神、团队协作精神四个方面，强调了结构模型竞赛对大学生创新实践能力培养的作用。结合湖南理工学院土木建筑工程学院大学生参加结构设计竞赛的实践经验，总结了结构设计竞赛对大学生创新设计能力和工程实践能力培养的重要作用，有助于为高校应用型创新人才培养提供参考意见。