模型競賽與土木工程專業(yè)應(yīng)用型人才體系的關(guān)系

1、模型競賽與土木工程專業(yè)應(yīng)用型人才體系的關(guān)系 1模型設(shè)計制作流程 結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計制作流程包括3個主要環(huán)節(jié):構(gòu)件設(shè) 1.1構(gòu)件設(shè)計 1.1.1構(gòu)件選型 模型設(shè)計首先是構(gòu)件設(shè)計，構(gòu)件的合理設(shè)計是建立在對材料的力學(xué)性能充分認(rèn)識基礎(chǔ)上的.競賽多采用白卡紙等為主體材料，白乳膠等為粘結(jié)材料，以替代建筑材料. 紙質(zhì)桿件多設(shè)計成薄壁空心桿，可根據(jù)內(nèi)力條件不同，選擇合適的截面形式，在歷次比賽中有很多有創(chuàng)意的截面形式，圖1所示的梯形空心截面就是一例，該截面有效地利用了受彎構(gòu)件截面距中性軸越遠(yuǎn)處正應(yīng)力越大這一規(guī)律，合理地進(jìn)行了材料分配2.這要求學(xué)生在理解材料力學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上發(fā)揮想象力. 1.1.2構(gòu)件力學(xué)性能測試

2、 由于模型材料的多樣性，競賽組委會通常只提供材料的基本力學(xué)指標(biāo)(如紙張的彈模等)，或僅提供材料樣品.這要求學(xué)生對設(shè)計的桿件進(jìn)行必要的測試，測試的內(nèi)容很多，包 本文于2009-11-16收到. 1) E-mail: chthust 力學(xué)與實踐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最理想結(jié)果是使各構(gòu)件和結(jié)構(gòu)同步達(dá)到極限狀態(tài)，通過詳細(xì)的計算，可以得到理想狀態(tài)下的優(yōu)化桿件截面及結(jié)構(gòu)內(nèi)力.計算過程中既要熟練分析軟件，更要對結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)基本原理很熟悉. 10一24 圖1梯形空心桿件截面括不同長度、層數(shù)、截面形式的桿件強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)，并通常要結(jié)合萬能材料試驗機(jī)、應(yīng)變儀進(jìn)行材料綜合測試試驗.在試驗條件不完備時，也可采用文獻(xiàn)3

3、提供的實驗方法，直接獲取EI等設(shè)計參數(shù).這些試驗需要學(xué)生根據(jù)構(gòu)件特點設(shè)計試驗，這類試驗的子項目都是材料力學(xué)常規(guī)實驗，只有正確認(rèn)識材料力學(xué)基本原理、熟練掌握力學(xué)試驗基本原理，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)計試驗和分析結(jié)果，才會使模型設(shè)計事半功倍.例如，筆者在指導(dǎo)學(xué)生參加模型競賽過程中，通過對比試驗發(fā)現(xiàn):膠水粘結(jié)三層以上對紙質(zhì)空心圓桿的強(qiáng)度提高不大，制作桿件時利用了這一規(guī)律，在一定程度上減少了紙張和膠水用量，既減輕了自重，也緩解了由于膠水不均勻?qū)е履Y(jié)后的桿件翹曲. 1.2節(jié)點設(shè)計和組裝 從歷次競賽的加載試驗結(jié)果可以看出:大多數(shù)結(jié)構(gòu)的失效多是節(jié)點破壞引起的.這是因為節(jié)點處往往應(yīng)力集中明顯，受力復(fù)雜.制作工藝決定

4、了實際結(jié)構(gòu)的節(jié)點傳力方式是否符合理想狀態(tài)，否則節(jié)點因裝配誤差產(chǎn)生顯著的附加應(yīng)力，導(dǎo)致“失之毫厘，謬以千里”.由于紙質(zhì)構(gòu)件間的連接主要依靠膠水，如何利用膠水的粘滯阻力是傳力的關(guān)鍵.例如受拉的節(jié)點，節(jié)點力會削弱這種摩阻力，因此，在節(jié)點制作時應(yīng)反向纏繞并粘結(jié)紙帶，變拉為壓，將有利于發(fā)揮膠水的阻力，如圖2所示. 1.2結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計 1.2.1結(jié)構(gòu)選型 不同結(jié)構(gòu)模型競賽要求各異，有的限定了結(jié)構(gòu)的類型; 更多的則是只給出較為寬泛的載荷和位移邊界條件，結(jié)構(gòu)體系的選擇需視具體情況進(jìn)行分析.結(jié)構(gòu)體系的選擇也是結(jié)構(gòu)模型競賽中最能體現(xiàn)知識運(yùn)用和創(chuàng)新能力之處，可以考察學(xué)生對不同結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)特性的認(rèn)識，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計

5、的想象力和創(chuàng)新能力，而后者是建立在前者基礎(chǔ)上的.例如，一次模型競賽的設(shè)計要求是簡支約束條件下的大跨度結(jié)構(gòu)，有的同學(xué)只考慮了拱是較好的大跨度受壓結(jié)構(gòu)體系，忽視了支座的形式，最后，千辛萬苦制作出來的超靜定拱架由于缺少側(cè)向約束的有力支撐，瞬間垮掉.當(dāng)然，這樣的錯誤如果引起學(xué)生的重視和思考對其未來的學(xué)習(xí)和工作是大有裨益的，這也是此類競賽的意義之一 結(jié)構(gòu)選型實際上就是個初步設(shè)計和優(yōu)化的過程，需要根據(jù)功能需求，對比各種結(jié)構(gòu)體系，選擇合適的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行必要的修正.結(jié)構(gòu)選型雖然只是定性分析，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計中尤為關(guān)鍵，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的方向性環(huán)節(jié)，好的結(jié)構(gòu)選型就成功了一半. 1.2.2優(yōu)化計算 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程需要明確初

6、選結(jié)構(gòu)體系的受力特點、傳力途徑等要素，通過不斷比較得出最合適的結(jié)構(gòu)形式.優(yōu)化計算需要借助計算軟件的幫助了計算參數(shù)可由上文所述的材料試驗獲取.這類計算軟件很多，如一些商用有限元軟件SAP, ANSYS等. 圖2受拉節(jié)點制作工藝 此外，制作者的工藝精度不夠往往會導(dǎo)致裝配誤差，使實際模型的受力狀態(tài)并不完全吻合理想狀態(tài).例如:膠水不均勻?qū)е聴U件產(chǎn)生一定的初曲率，會使軸心受力桿件因附加彎矩變成偏心受力狀態(tài).在一次模型制作時，由于制作工藝不夠精細(xì)，導(dǎo)致一組腹桿產(chǎn)生不同程度翹曲，在組裝時強(qiáng)行與上弦桿件綁扎，導(dǎo)致裝配誤差.這與理想狀態(tài)相去甚遠(yuǎn)，事實證明，盡管加載到最后一級荷載，還是在節(jié)點處產(chǎn)生過大附加推力導(dǎo)致

7、節(jié)點破壞進(jìn)而結(jié)構(gòu)失效 因此除了要求學(xué)生提高工藝的精細(xì)程度之外，尤為重要的是需要進(jìn)行必要的模型試驗，通過觀察模型的受力反應(yīng)，分析節(jié)點的實際傳力狀態(tài)，依此判斷節(jié)點是否接近設(shè)計要求，并根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行調(diào)整. 2對應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的意義 結(jié)構(gòu)模型競賽題目多源自工程實踐，比較全面地考察了學(xué)生對土木工程從力學(xué)到結(jié)構(gòu)、從掌握基本理論到自主設(shè)計試驗的綜合應(yīng)用能力.因此，模型的設(shè)計和制作的過程鍛煉了學(xué)生運(yùn)用學(xué)科知識和工具分析解決問題的能力，這是應(yīng)用型人才需要培養(yǎng)的基本素質(zhì)之一 同時，競賽過程是極其艱苦和復(fù)雜的，學(xué)生在反復(fù)多次的失敗和改進(jìn)的過程中，得到專業(yè)的鍛煉，同時也鍛造了其克服困難的決心和能力，這種堅毅品格

8、也是土木工程專業(yè)人才必需的素質(zhì). 第6期程濤:結(jié)構(gòu)模型設(shè)計競賽與土木工程專業(yè)教學(xué)改革 此外，完成一個好的作品往往需要組員各負(fù)其責(zé)，分工協(xié)作，這也對鍛造學(xué)生溝通能力和團(tuán)隊意識大有幫助.“大土木、寬口徑”培養(yǎng)模式下的應(yīng)用型人才絕不是只會機(jī)械照搬的工匠，而是有創(chuàng)新思維能力的技術(shù)人員，而創(chuàng)新意識培養(yǎng)和創(chuàng)造力的鍛煉這是此類競賽的主旨. 整個參賽的環(huán)節(jié)既是優(yōu)秀人才不斷錘煉的過程，也有助于增強(qiáng)指導(dǎo)教師從事科研的經(jīng)驗和工程意識，特別有利于青年教師在專業(yè)上的成長和進(jìn)步.青年教師可以在模型制作和調(diào)整過程中探討力學(xué)理論的傳授方式，在指導(dǎo)學(xué)生實踐的同時，教學(xué)相長.競賽調(diào)動了教師自主科研的積極性，培養(yǎng)了他們不畏困難的探

9、索精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)以及扎實的教風(fēng). 青年教師的成長，不僅是搞好教學(xué)和科研工作的必要條件，也為應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系創(chuàng)造了良好的師資條件. 一定程度上體現(xiàn)課程間或課程內(nèi)的關(guān)聯(lián)度，并在教學(xué)環(huán)節(jié)中加大自主設(shè)計的比重.例如:在材料力學(xué)中增設(shè)了材料性能綜合測定設(shè)計性試驗;將材料力學(xué)中鋼筋拉伸試驗結(jié)合工程抽檢標(biāo)準(zhǔn)與建筑材料相關(guān)實驗融合成綜合性應(yīng)用型試驗;在結(jié)構(gòu)實驗課中，增加了樓宇質(zhì)量鑒定綜合實驗項目等等. 有些實驗雖然不完全是與結(jié)構(gòu)模型競賽直接相關(guān)，但是，這些實驗已經(jīng)由教師傳授為主轉(zhuǎn)換為學(xué)生是實驗的主體.基本上打破過去實驗完全依附于理論教學(xué)的舊框架，變成了“以練促學(xué)”，通過這些自主性實驗的鍛煉，極大地調(diào)動

10、了學(xué)生動手及動腦積極性，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力. 3應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下力學(xué)教學(xué)改革初探 3.1打通相關(guān)學(xué)科，建立力學(xué)一結(jié)構(gòu)課程群 早在20世紀(jì)50年代茅以升先生就指出:“各種異名之課程應(yīng)重新整理，性質(zhì)類似者，即合并為一”f41這種課程綜合化的思想實際上指明了課程群建設(shè)的意義和方向，我們對力學(xué)基礎(chǔ)課及后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計課程進(jìn)行了深入的體系化建設(shè)，形成了力學(xué)一結(jié)構(gòu)課程群.進(jìn)一步明確了各門課程的教學(xué)重點及相互銜接，刪去部分教學(xué)內(nèi)容，留作學(xué)生自學(xué)，節(jié)余的課時用于加大實踐環(huán)節(jié)教學(xué)量.力學(xué)一結(jié)構(gòu)課程群的課程以專業(yè)基礎(chǔ)課為主，也涵蓋了如結(jié)構(gòu)工程、地基基礎(chǔ)等主干專業(yè)課.例如，考慮到在應(yīng)用型本科生中突出有限元等選修

11、課程有一定難度.但是，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計時又要應(yīng)用到有限元的基本知識及相關(guān)計算軟件，于是在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)大綱中，明確了將矩陣位移法向有限元基本原理部分作了必要拓展，一來保持了教學(xué)內(nèi)容的完整性，二來通過課程體系的融合，消除了學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用知識的一些銜接障礙. 3.2加強(qiáng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié) 在競賽中，不少學(xué)生表現(xiàn)出明顯的“學(xué)，和“用”脫節(jié)，動手能力和應(yīng)用能力偏弱的現(xiàn)象.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的基本要求，本著“以賽促學(xué)，以賽促改”的方針，學(xué)院前后組織了兩次教學(xué)計劃研討會，對實踐課程體系的改革作了較為深入細(xì)致的討論，明確了“實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的不可替代性，并應(yīng)在實踐教學(xué)中突出培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識和獨立創(chuàng)新的能力”例如:增

12、設(shè)了結(jié)構(gòu)力學(xué)的課程設(shè)計，并將時間設(shè)定為兩周. 3.3增加非驗證性實驗教學(xué) 以前力學(xué)實驗多為驗證性實驗，該實驗?zāi)Ｊ绞且罁?jù)教學(xué)大綱要求預(yù)先設(shè)計好的，只要求學(xué)生按照已知的方法和步驟進(jìn)行操作即可(51，并不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).因此，在強(qiáng)調(diào)以“以賽促改”的同時，也對力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)課程的實踐教學(xué)大綱作了認(rèn)真的修訂，明確了課程群中實踐環(huán)節(jié)的內(nèi)在邏輯性.特別突出了綜合及設(shè)計性試驗環(huán)節(jié)，基本上做到主干課都有自主設(shè)計性實驗環(huán)節(jié)，要求設(shè)計性試驗需在 3.4構(gòu)建開放性實踐基地 我院在首次參加中南地區(qū)建模競賽，即取得了不俗的成績.以此為契機(jī)，以參賽獲獎學(xué)生為班底，吸納了部分低年級的愛好者，成立了結(jié)構(gòu)建模協(xié)會.

13、學(xué)院為之配備專門的模型設(shè)計室，并開放了相關(guān)實驗室，如拉壓實驗室、電測實驗室、結(jié)構(gòu)大廳、工程結(jié)構(gòu)模型室等，為學(xué)生自主設(shè)計試驗提供必要的軟硬件支持.同時，抽調(diào)業(yè)務(wù)過硬的教師負(fù)責(zé)日常指導(dǎo)工作，并不定期邀請力學(xué)和結(jié)構(gòu)方面的專家開展講座. 一方面提高了協(xié)會的影響力和學(xué)生的參與熱情，另一方面，加深了學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)識深度.通過協(xié)會的建設(shè)，為學(xué)生確立了一個開放性的實踐基地，成為校內(nèi)建模實習(xí)和專業(yè)探討的場所. 在學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，結(jié)構(gòu)建模協(xié)會已經(jīng)成功地組織了兩次全校性的模型創(chuàng)作競賽，并創(chuàng)造性地設(shè)立了專業(yè)組和非專業(yè)組，其中專業(yè)組更側(cè)重于結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作，非專業(yè)組則側(cè)重于建筑選型.這一賽事不僅吸引了土木工程及相關(guān)

14、專業(yè)的學(xué)生參與，很多其他院系的學(xué)生也積極參與，雖然專業(yè)知識有限，但一些打破框架約束的創(chuàng)意給了本專業(yè)學(xué)生一定的啟發(fā).活動的開展既加強(qiáng)了交流，也促進(jìn)了學(xué)科之間的融合與碰撞，對本專業(yè)的學(xué)生開拓視野起到了良性的推動作用.由于賽事的成功舉辦，該競賽已經(jīng)納入到我校一年一度的科技節(jié)活動中，逐漸成為一個全校性的品牌科技活動. 通過協(xié)會的一系列活動，學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索的意識加強(qiáng)，協(xié)會已經(jīng)逐漸成為打通專業(yè)知識的另一扇門，和學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)相互補(bǔ)充，學(xué)生課堂上更加積極學(xué)習(xí)和勤于思考，每當(dāng)有所得又能及時地到另一片天地去實踐，再認(rèn)識，逐漸促進(jìn)了兩個課堂的良性互動和融合.通過開放實踐活動鍛煉，不少學(xué)生在各類專業(yè)學(xué)科競賽中脫穎而出，近3年，已有18 人次取得了省級以上