韓艷 王振偉 符川

北方工業(yè)大學(xué) 北京 100144

0 引言

大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽圍繞工程實際和社會需求，突出多學(xué)科交叉協(xié)同實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)造，注重職業(yè)素養(yǎng)、實踐創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的全面考查，已成為培養(yǎng)大學(xué)生工程創(chuàng)新意識、實踐能力和團隊合作精神的有效載體[1]。已有不少高校成立了工程訓(xùn)練中心，并開設(shè)了專門的工程訓(xùn)練課程，以工程訓(xùn)練綜合能力競賽為契機，全面提高大學(xué)生的工程實踐能力。未來合格的工程師除了應(yīng)具備扎實的工程技術(shù)知識和專業(yè)技能，還應(yīng)具備正確的人生觀和價值觀、良好的協(xié)調(diào)能力、強烈的社會責(zé)任感和奉獻意識[1]，因此，充分挖掘工程訓(xùn)練綜合能力競賽本身在培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷、工程倫理、工匠精神及責(zé)任意識等方面的優(yōu)勢，并在競賽活動指導(dǎo)過程中將思政元素與專業(yè)知識巧妙融合，通過“潤物細無聲”的方式，鼓勵學(xué)生將專業(yè)的結(jié)構(gòu)理論知識應(yīng)用于實踐創(chuàng)新，對于提高工程應(yīng)用型人才的綜合素質(zhì)具有重要的意義。

本文以第九屆北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽智能物流搬運賽項橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為例，探索基于工程訓(xùn)練競賽的土木類人才綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和在競賽指導(dǎo)的過程中有機融入思政元素的方式方法，在注重基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識及實踐應(yīng)用，提高學(xué)生分析、解決工程實際問題能力的同時，使其堅定文化信仰，增強工程倫理意識和職業(yè)素養(yǎng)，培育其嚴謹求實的科學(xué)精神、不拘一格的創(chuàng)新精神以及精益求精的工匠精神。

1 智能物流搬運賽項橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽簡介

智能搬運賽項包括智能機器人和橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個項目（意在模擬智能機器人滿載過橋的實際工況），兩個項目分別單獨進行初賽，在決賽中再將兩個項目競賽內(nèi)容集成在一個智能場景中合作完成，即對應(yīng)初賽名次的兩個隊在決賽中編為一個隊，聯(lián)合參賽隊按總成績計算排名。初賽要求學(xué)生預(yù)先按照賽題要求，自主選擇橋梁模型的結(jié)構(gòu)形式和荷載作用等級，提交完整的理論計算書和詳細的方案說明，并可以利用給定的本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮材料制作好結(jié)構(gòu)模型，進行加載測試，以確定最終的參賽作品。在初賽的當天，各參賽隊在規(guī)定時間內(nèi)制作出符合要求的結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件并組裝成整體，自主選擇加載等級進行加載測試。初賽總成績由提交的計算書文檔和現(xiàn)場加載表現(xiàn)加權(quán)確定。決賽要求機器人能順利過橋且橋梁模型主要構(gòu)件不出現(xiàn)失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)變形過大等破壞現(xiàn)象，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計決賽的成績由現(xiàn)場實踐與考評成績（根據(jù)在競賽社區(qū)制作模型使用的材料數(shù)量、參賽隊的技術(shù)能力、工程知識、誠信意識、協(xié)作意識等方面進行評價）和現(xiàn)場加載測試成績（根據(jù)橋梁的重量、加載的重量以及加載產(chǎn)生的變形進行評分）兩部分組成，最終機器人隊的決賽成績加上橋梁隊的決賽成績?yōu)槁?lián)合參賽隊的總分數(shù)。

2 競賽項目開展及指導(dǎo)中的思政元素挖掘

工程訓(xùn)練綜合能力競賽是學(xué)生利用課余時間，在專業(yè)教師的指導(dǎo)下展開的旨在提高綜合實踐能力的實踐教育形式。練就過硬本領(lǐng)與錘煉品德修養(yǎng)之間應(yīng)當是相輔相成、相得益彰的，既要能力強、善創(chuàng)新，又要品格正、有情操[2]。在工程訓(xùn)練指導(dǎo)中融入中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、精益求精的大國工匠精神等思政元素，有利于促進培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者。智能物流搬運賽項橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽由理論方案設(shè)計、橋梁結(jié)構(gòu)模型制作與組裝、模型加載試驗等環(huán)節(jié)組成，參賽學(xué)生要經(jīng)歷橋梁模型方案確定與計算、模型制作與加載、模型優(yōu)化設(shè)計、優(yōu)化模型制作與加載測試驗證、參加最終決賽等階段的磨煉。在此過程中，學(xué)生要完成相關(guān)專業(yè)知識點的系統(tǒng)梳理和整合，構(gòu)建更為完整系統(tǒng)的專業(yè)知識體系[3]，學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力和表達能力等專業(yè)綜合素質(zhì)均會得到大幅提升，探索精神、競爭意識也會得到極大的增強。

2.1 方案設(shè)計階段

在進行橋梁方案設(shè)計前，指導(dǎo)教師和參賽學(xué)生均需認真研讀分析賽題，對賽題內(nèi)容、比賽要求、成績評定方法及相關(guān)注意事項了然于胸。在此過程中，指導(dǎo)教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生融入中國獨有的橋梁文化與橋梁建筑美學(xué)，潛移默化地提升學(xué)生對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的認同感，使其增強文化自信。安全輕質(zhì)是一對矛盾，考慮安全就需要多用材料，考慮輕質(zhì)（實質(zhì)上是考慮經(jīng)濟性），則要求少用材料。協(xié)調(diào)這一矛盾對立的兩個方面，就要用到材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、橋梁工程、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理等課程中關(guān)于結(jié)構(gòu)內(nèi)力、強度、剛度、穩(wěn)定性等基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)知識。這需要學(xué)生對相關(guān)理論知識有較為清晰的認識，對各類橋梁結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)造和受力特點有較深的理解，充分認識制作模型構(gòu)件材料的力學(xué)性能，合理利用材料，并且還能熟練運用常用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件，如MIDAS/Civil，以便能對擬定的結(jié)構(gòu)按賽題要求、荷載作用方式和桿件形式進行理論計算，作進一步的優(yōu)化[4]。最終形成的理論方案成果內(nèi)容應(yīng)包括設(shè)計說明書、方案圖和計算書。

2.2 模型制作階段

該階段模擬的是橋梁的施工過程，是把理想的橋梁設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實的橋梁模型的過程。要求學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)，利用給定的材料制作出橋梁模型，并在預(yù)留的測量面上粘貼反光片以進行變形的測量。在模型的制作過程中，學(xué)生能夠直觀認識從設(shè)計圖紙到結(jié)構(gòu)實物的轉(zhuǎn)變過程[3]，深刻體會施工精細程度以及細節(jié)處理對最終結(jié)構(gòu)性能的影響。為順利完成模型的制作，每位參賽隊員需全力投入，分工明確，各司其職，相互密切配合，這無形中促進了學(xué)生之間的團結(jié)協(xié)作。尤其要注意節(jié)點細部構(gòu)造的制作。理想的力學(xué)計算模型是從實際結(jié)構(gòu)中抽象出來的，模型制作時，應(yīng)當使節(jié)點構(gòu)造盡可能地接近理想的力學(xué)計算模型，但要達到百分之百的一致是不可能的，學(xué)生在了解了力學(xué)計算模型和實際結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別的基礎(chǔ)上，應(yīng)注意控制制作質(zhì)量和對細節(jié)的處理，對構(gòu)件本身及節(jié)點進行仔細的、不厭其煩的打磨，敬業(yè)專注、耐心細致、精益求精的工匠精神的適時引入顯得尤為重要。

2.3 模型加載測試階段

有限元計算分析得到的是結(jié)構(gòu)在理想狀態(tài)下的內(nèi)力，實際的橋梁模型不可避免地會存在一定的尺寸制作誤差，與理論上的力學(xué)計算模型相比，實際模型的構(gòu)件和節(jié)點受力情況會產(chǎn)生一定的差異，需要通過橋梁模型加載試驗來準確確定模型的實際承載能力和變形情況，以驗證橋梁結(jié)構(gòu)方案。加載時需要認真觀察模型的加載反應(yīng)和節(jié)點的受力狀態(tài)，檢查與有限元模擬及理論計算的預(yù)測結(jié)果是否一致，總結(jié)模型制作、加載的經(jīng)驗，并進一步分析原因，以便進一步改進橋梁設(shè)計方案。在此階段，可以以模型加載破壞為切入點，強調(diào)科學(xué)合理的力學(xué)設(shè)計以及保質(zhì)保量的工程施工對后期橋梁安全使用的決定性作用，讓學(xué)生認識到細致認真的工作作風(fēng)以及對細節(jié)的重視都是極其重要的職業(yè)素養(yǎng)，粗心和失誤在今天導(dǎo)致的是競賽加載的終止，在將來有可能導(dǎo)致一起嚴重的工程事故[3]。在此基礎(chǔ)上，厚植學(xué)生工程倫理意識，培養(yǎng)其職業(yè)道德，強化其責(zé)任心。

2.4 優(yōu)化階段

賽題規(guī)定橋梁模型在加載車輛通過時不能發(fā)生承載破壞，同時橋梁跨中位移不能超過規(guī)定的限值，即所設(shè)計制作的橋梁模型還需要滿足一定的剛度要求，在此基礎(chǔ)上，輕質(zhì)高強者獲勝。為達到這個目標，需要通過有限元模擬計算并進行反復(fù)加載試驗，以找到最優(yōu)的橋梁構(gòu)件截面形式和構(gòu)造尺寸。為取得好的競賽成績，參賽隊員需積極發(fā)揚精益求精的工匠精神和鍥而不舍的探索創(chuàng)新精神。在認真觀察分析模型破壞形式和特征的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化主要受力構(gòu)件，減少不必要的支撐，以達到結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕的目標。針對節(jié)點破壞的情況，要在模型加載試驗中仔細觀察模型的受力反應(yīng)，分析節(jié)點的實際傳力狀態(tài)[5]，判斷節(jié)點是否接近理論計算和有限元模擬計算時的力學(xué)計算模型，并進行加固處理（可將節(jié)點處各桿件外部用同樣規(guī)格的細長竹片粘連）以保證各構(gòu)件能可靠地連接成整體，共同承受外荷載。為減輕結(jié)構(gòu)自重，眾多的構(gòu)件被設(shè)計成空心封閉截面，還需要對承受彎矩荷載的構(gòu)件進行加強處理，可以采用外壁增厚、增加縱向加勁肋形成箱式空間、內(nèi)部填充十字加勁肋等構(gòu)造形式，以在較低桿件自重條件下提供更高的承載力和剛度[3]。

2.5 正式比賽階段

正式比賽時，各參賽隊集中在共同的競賽社區(qū)，需在規(guī)定時間內(nèi)，借助競賽社區(qū)提供的各類資源，根據(jù)決賽題目的要求，完成橋梁設(shè)計、建橋材料采購、橋梁模型加工制造、技術(shù)交易、公益服務(wù)、宣傳報道以及加載測試等活動。這不僅是對學(xué)生專業(yè)知識與專業(yè)技能等專業(yè)素質(zhì)的檢驗，也是對參賽隊員的心理承受能力、臨場應(yīng)變能力等綜合素質(zhì)的考驗。因為模型的加載存在著不可預(yù)知的偶然因素，在其他的學(xué)科競賽中發(fā)生過之前加載成功的模型在比賽現(xiàn)場加載失敗的案例，所以，參賽隊員在平時應(yīng)多練，互相默契配合，多做模型進行加載測試，賽前做好充足的準備。在比賽現(xiàn)場，參賽隊員應(yīng)調(diào)整好心態(tài)，相互密切配合、分工協(xié)作，自信地發(fā)揮出自己的最好水平。

3 競賽指導(dǎo)方式與方法

與講授一門具體課程教師處于主導(dǎo)地位不同，在工程訓(xùn)練綜合競賽的開展過程中，學(xué)生始終是處于主導(dǎo)和主體地位的，教師則處于輔導(dǎo)和輔助地位。教師在指導(dǎo)過程中要注意方式方法，除了每周固定的輔導(dǎo)時間外，要充分利用微信等現(xiàn)代化通信技術(shù)，以語音、視頻、圖片等方式對學(xué)生所遇到的技術(shù)問題進行及時答疑解惑，使學(xué)生能繼續(xù)積極探索創(chuàng)新。

從學(xué)生長遠發(fā)展角度出發(fā)，指導(dǎo)教師應(yīng)鼓勵學(xué)生自我探究式習(xí)得。在方案設(shè)計階段，即使結(jié)構(gòu)受力明顯不合理，也不要直接指責(zé)學(xué)生力學(xué)概念不清、基礎(chǔ)知識不牢，而要間接委婉地和學(xué)生討論簡單的各種基本力學(xué)結(jié)構(gòu)形式的受力特點，啟發(fā)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)不足，自我否決，再自己創(chuàng)新，使學(xué)生獲得頓悟和自我發(fā)現(xiàn)、自我習(xí)得的成就感和愉悅感。這樣不僅可以激發(fā)學(xué)生積極參加競賽活動的熱情，有利于拉近師生的距離，建立良好的師生關(guān)系，而且能切實提高學(xué)生分析問題、發(fā)現(xiàn)問題、將理論知識靈活應(yīng)用于解決實際問題的專業(yè)能力和科學(xué)素養(yǎng)。在該階段應(yīng)注意加強學(xué)生結(jié)構(gòu)體系的概念設(shè)計意識的培養(yǎng)。指導(dǎo)教師可以從引導(dǎo)學(xué)生分析擬設(shè)計橋梁需承受的荷載出發(fā)，分析比較各種橋梁結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點，幫助學(xué)生從總體上熟悉橋梁結(jié)構(gòu)概念設(shè)計、理解結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，并比較傳統(tǒng)建筑材料與競賽所用材料的異同點，以加強學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題的能力[4]。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)給定的造橋材料特點及模型制作難易程度，確定橋梁的結(jié)構(gòu)型式，分析荷載傳力路徑，定性分析判斷主要承重構(gòu)件的受力特征（即主要構(gòu)件是以受彎、受剪、受拉還是受壓為主），受壓構(gòu)件一般可選用竹皮粘貼成的箱形或圓形截面，受彎或受剪構(gòu)件一般選擇經(jīng)過加強處理的箱形截面，受拉構(gòu)件則選擇竹皮拉帶[5]。根據(jù)經(jīng)驗初步確定構(gòu)件尺寸，并經(jīng)計算優(yōu)化得到一個受力合理、傳力簡潔的結(jié)構(gòu)形式。

精巧新穎的理論模型設(shè)計方案，還需要精細的施工配合才能變?yōu)闃蛄耗Ｐ蛯嶓w。這需要學(xué)生在模型的制作過程中發(fā)揚嚴謹細致、精益求精的工匠精神。橋梁模型加載試驗也體現(xiàn)了專業(yè)理論知識和專業(yè)技能的綜合應(yīng)用，在理論上需要注意避免加載時的偏心、避免人為引起的沖擊，實際操作時則需要團隊成員之間的密切配合，一人負責(zé)加載砝碼，其他人觀察提示放置位置，小車負載前行時需要牽引小車的隊員盡可能地做到勻速直線運行。在橋梁模型加載試驗階段，通過學(xué)生的親自加載與觀察，可以培養(yǎng)學(xué)生對橋梁結(jié)構(gòu)受力規(guī)律與變形趨勢的判斷能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和直覺[5]，鍛煉學(xué)生綜合運用專業(yè)知識的能力。結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個不斷優(yōu)化的過程。要得到輕質(zhì)高強的橋梁結(jié)構(gòu)模型，需要綜合運用材料、力學(xué)、結(jié)構(gòu)等相關(guān)學(xué)科的專業(yè)知識，不斷優(yōu)化模型，并強化模型制作加載等專業(yè)技能，細致打磨、反復(fù)演練，不斷完善參賽作品。正式比賽時調(diào)整好心態(tài)，不畏強手、努力拼搏，嚴謹設(shè)計、精心制作與加載，自信地完成比賽。

4 結(jié)束語

對于工程訓(xùn)練綜合能力競賽橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，在進行橋梁方案選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計計算、模型制作與加載試驗、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、最終比賽的各階段指導(dǎo)中，不僅應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析解決問題的實踐動手能力和創(chuàng)新意識，并且應(yīng)適當融入思政元素，促進學(xué)生對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的認同，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹細致、精益求精的工匠精神和團隊協(xié)作能力，使其樹立工程倫理意識，提高職業(yè)素養(yǎng)，從而潤物無聲地實現(xiàn)立德樹人的目標，切實提高應(yīng)用型人才的專業(yè)綜合素質(zhì)和培養(yǎng)質(zhì)量。