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摘要：本文通过对参加结构模型竞赛的模型制作过程的介绍，分析了结构模型竞赛在大学生创新能力、学习计算能力、团队协作能力等综合能力的培养中的作用。探讨了结构模型竞赛在对学生教学过程中的实践教学的意义。分析了结构模型竞赛在培养学生综合能力过程中对学校教学资源的充分利用以及对教师队伍培养的积极作用。
关键词：结构模型竞赛；创新能力；综合能力；实践教学
本文引用格式：李晓虎等.基于模型制作探讨结构模型竞赛对大学生综合能力的培养[J].教育现代化，2019，6（63）：140-142+161.
前言
结构模型设计竞赛是土木工程学科为了培养大学生的实践能力、创新能力和团队协作能力等的一项重要的、高水平的学科竞赛[1～3]。大学生从模型方案设计到竞赛现场参加比赛的整个过程，是对所学课程材料力学、理论力学、结构力学等专业课知识体系理论运用到实践的过程[4～6]，能够从理论知识的掌握到动手能力的培养全方位的考察学生的综合应用能力。而且能充分的调动学生的积极性和主动性，反过来又能促进学生对理论知识的学习和研究，为今后从事与结构设计计算相关的工作打下坚实的基础。对于教师来说，通过于学生一起参与结构竞赛，能够意识到实践教学的重要作用，从而确定积极有效的培养土木工程专业应用型人才的教学方法。
本项竞赛是第八届全国大学生结构设计竞赛，同时也是教育部重点支持的竞赛。国内很多高校都积极地参与此类学科的竞赛，并给予高度的重视。此次赛题着眼于本世纪初快速发展起来的新型脚手架技术—附着式升降脚手架设备，要求参赛队在规定的时间内，使用限定的材料，按照赛题的要求,完成脚手架支撑结构模型的设计、制作,并进行加载测试。
一 结构模型设计制作过程
结构模型的设计制作过程主要包括3个环节：结构的方案设计、构件和节点的制作及组装[7]。在完成结构模型制作的整个过程中，学生首先要对结构模型设计制作流程的每个细节熟悉掌握，统筹管理构件的制作、杆件内部结构的制作和组装等过程。
此次结构竞赛模型的主体由两个独立塔身和四个外挑的加载点组成；单个塔身的总高度为1200mm，其外围尺寸必须控制在300mm×300mm正方形轮廓范围内，如图1所示。
（一）充分熟悉材料的力学性能
要想做好模型首先必须让学生能够正确地认识材料的力学性能，只有对材料的力学性能有了充分的认识才能对结构模型进行合理的设计。此次竞赛的模型制作材料主要是竹皮纸（0.5mm厚2张、0.35mm厚2张、0.2mm厚2张）、粘接材料（502胶7瓶）。学生在制作过程中不仅要利用竹皮纸这种材料的各向异性特点还得考虑材料的有限性，如果只追求高强的承载力和稳定性的问题，肯定会造成材料不够用的后果。对于粘结材料存在同样的问题。
因此，对于材料需要兼顾强度和数量，需要合理规划结构设计和材料应用。竹皮是一种集高韧性、高强度、高弹性于一体的节能环保材料，竹皮材料有其特定的力学性能[8]：
（1）竹皮纸顺纹的抗拉强度要大，从表1中可以看出，单层0.5mm厚度的竹皮纸抗拉强度最大，0.2mm厚度的次之，0.35mm厚度的最小。因此，在制作受拉杆件时应尽量避免使用0.35mm厚度的竹皮纸（2）0.5mm厚竹皮纸比0.35mm厚的抗压强度有所提高，可以用来制作抗压柱。
（二）结构方案设计
结构模型的设计要充分考虑竹皮纸材料的综合力学性能、制作工艺、材料数量等诸多因素[9]。但结构设计的原则要体现结构受力的合理性，同时要考虑尽可能地减轻模型的重量。因此，对于增加强度和减轻重量也是学生进行方案设计的重要内容。
考虑竹皮纸材料的力学性能特点，采用双层0.5mm厚度的竹皮纸制作4根柱子，采用双层0.2mm厚度竹皮纸制作横梁，双层0.35mm厚度竹皮纸制作斜撑。可以充分利用竹皮纸顺纹抗拉强度高的特点，在结构骨架设置拉条，增强整体骨架的协调性和稳定性。
通过往年参加竞赛的模型加载试验结果可以看出，节点破坏是引起整个模型失效的重要原因。这主要是由于节点处的受力复杂而且容易产生应力集中现象，而节点的制作工艺和制作方式决定了节点的承载力是否能够满足要求以及传力方式是否合理。为了能够增强节点的受力，可以采取一些措施：（1）在杆件端部设置横隔，可以增加节点处的接触面积，从而增强杆件的整体性，如图2所示；（2）在杆件连接节点处设置加劲肋，提高节点的强度，如图3所示。
（三）理论分析计算
结构模型需要满足竞赛规定的基本尺寸和结构布置，还应该具备足够的强度和刚度以满足静力和动力的加载。一个优秀的作品需要通过尝试不同的结构设计方案进行对比研究，不断地进行优化才能产生。但如果都采用制作模型的方法会非常耗费时间和精力，通过一些结构设计软件或有限元分析软件，如SAP2000、ANSYS和ABAQUS等对结构进行分析，不仅可以让学生掌握这些软件的操作又能够通过这些软件的计算分析准确掌握结构体系的传力途径、受力特点以及破坏模式。对于容易破坏的节点和杆件部位进行加强，不断完善结构模型。
（四）模型制作
采用软件对结构模型进行的优化设计是比较理想化的结构布置，在结构分析中未考虑材料的初始缺陷、制作的工艺水平以及杆件的不均匀性等问题。因此，学生在制作结构模型的时候要充分地利用优化结构设计，通过在制作过程中采取相应的措施削弱这种不确定因素的影响。这就要求学生要有精致的手工制作，灵活多变的想法。同时，能够从其他方面汲取有利的制作工艺，比如将竹皮纸屑和胶水的混合物注入到杆件的接缝处，不仅能够提高节点的强度还能减小制作工艺的误差，在一定程度上提高制作效率和制作工艺。这其实就是借鉴了建筑施工的灌浆技术。
二 结构模型竞赛对学生综合能力的培养
结构模型竞赛鼓励学生以专业的理论知识为基础结合实际工程进行创新。不仅要求学生对专业知识灵活运用，而且要求同组成员共同努力，统筹组织结构模型的方案设计、结构分析以及模型制作的整个过程，是对学生组织能力、学习计算能力、创新能力等综合能力的培养。只有小组内每个学生都具有团队合作精神，成员之间分工明确、配合默契才能在结构竞赛中取得好的成绩。
（一）组织能力的培养
建立参赛小组的第一件事就是教师要根据学生的情况确定小组组长。可以说，小组组长才是参赛小组的灵魂人物。组长需要统筹整个模型从开始到完成的过程，需要考虑到各方面的情况，然后做出相对应的应对措施：（1）充分发挥小组成员的创造力，挖掘每个人的想法，筛选出优化的结构方案；（2）合理安排小组成员每个学生负责的具体工作；（3）统筹计划所有材料的具体用途，根据制作模型的情况确定材料的用量，因为竞赛现场的材料供应量是有限制的，不能出现材料不够用的情况。其他小组成员要能够完全掌握自己负责的工作内容，并及时反馈给组长和其他成员。
（二）学习能力和计算分析能力的培养
对结构模型计算分析的过程是学生对理论知识和有限元软件综合运用的掌握。历届结构模型竞赛的结果表明，参数学生只有对结构体系的受力特性有充分的了解，对结构选型、荷载计算、内力分析和承载能力估算都有比较熟悉的掌握才能在之后的竞赛中取得优异的成绩。而在此过程中学生的学习和计算分析能力也会得到不断的提升。
（三）创新能力的培养
对于土木工程专业的大学生来说，创新能力是在牢固掌握专利理论知识，联系实际工程的基础上在土木工程领域创造出具有一定经济价值和社会价值的新思想、新理论、新方法等的能力。
结构模型竞赛给土木工程专业大学生提供了一个能够施展自己结构设计创新能力的平台。在这个平台上，学生可以把自己在学习专业理论知识和实践中的一些新的感悟和想法大胆地应用到结构模型当中。而且在和其他小组成员讨论过程中，经过不同思想的碰撞，还会产生新的想法和设计思路，从而形成一个在创新能力提高方面的良性循环。
（四）团队协作能力的培养
一个优秀的结构模型竞赛作品是由小组的3个成员经过结构选型、结构分析计算、模型制作等过程，通力协作共同完成的。
在进行结构选型时，组长需要协调每个组员的创新思维，集思广益，排除一些次要因素，抓住对结构竞赛有利的想法，最终形成一个最优的结构方案。但在此过程中，每个组员需要相互配合，当自己的想法被排除掉以后不能产生其他情绪，要把小组的集体利益放在第一位。不能因为选型的分歧问题而争论不休，有可能会导致团队在后期的工作中不能积极配合，降低工作效率。
三 教学实践探索
（一）实践教学
结构模型竞赛和结构力学的联系是非常密切的，结构模型中结构的受力方式、变形特点等都是结构力学的主要内容，包括方案设计时采用结构力学求解器的应用。基于这样的认识，在结构力学课程的实践环节可以增加此类结构竞赛的课程设计，让学生有目的的学习。达到“以赛促学，以赛促改”的效果。
结构模型竞赛作为教学活动的一部分，指导教师在其中的作用也是很重要的。对于整个系统的教学体系来说，指导教师是实践教学能否取得成功的标杆，这种成功应该取决于是否能够培养学生的能力以及能否达到提高学生知识水平。实践教学其实就是理论教学的升华，它不仅仅是向学生灌输理论知识，而是鼓励和培养学生在掌握理论知识的基础上进行思考、进行创新，更是在实践中让学生动手去做。这种实践教学的模式和效果对学生的教育和培养是具有重大意义的。
学校在不断地参与结构模型竞赛过程中，会在结构模型实践教学方面积累丰富的教学经验，从而培养出一支具有专业素养的教师指导团队，这对于培养双师型教师和结构选型教师都是具有深远意义的。
（二）充分利用学校的教学资源
学校所具备的教学资源是具有多样化的。教师在对学生进行理论教学的同时也需要学校为实践教学提供各种便利条件。结构模型在制作完以后需要对模型进行加载，相关实验室的开放可以让学生提前对一些实验，如抗压试验、抗拉试验等有更深入的了解，熟悉实验设备的操作过程，为以后学生能够深入地进行相关试验研究打下基础。也能够充分地利用学校的实验室等教学资源。
以参赛学生和指导老师为基础，吸纳对结构模型设计有兴趣的同学，成立兴趣小组，定期举行结构模型的活动，不仅能够增强学生和教师之间的交流，更能提高学生对专业知识的认识。
四 总结
结构模型竞赛是土木工程专业培养学生实践创新能力、团队协作能力以及软件应用能力的重要的平台。通过结构模型竞赛的开展不仅能够提高学生的专业知识水平还能锻炼学生的毅力和解决问题的能力。学校要把结构模型竞赛作为重要的实践教学内容，融入到以后的教学工作中，合理发挥学生和指导教师的作用，让其成为为国家培养具有高水平、高能力的学生的一个重要途径。不断的改进和完善教学方法，促进土木工程专业的蓬勃发展。
参考文献
[1]金伟良，2005第一届全国大学生结构设计竞赛作品选编［M］，北京:中国建筑工业出版社，2005.
[2]戴洁.结构设计大赛之桥梁模型设计［J］.广东交通职业。技术学院学报，2008（01）:42-43.
[3]顾凌赞，殷怡，徐燕，刘宝兵.全国大学生结构设计大赛研究与竞赛指导初探［J］.中国电力教育，2011(23):131-132.
[4]钱海峰,王振伟,雷卫宁.高校第二课堂建设对大学生综合素养提升的影响[J].教育现代化,2017,4(47):30-31.
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