科研項目參與背景下研究生科研創新能力的培養
——以“抗洪護橋措施‘重車壓橋’下簡支箱梁橋穩定機理研究”項目為例

竇國濤，薛 茹，趙雯桐

（鄭州航空工業管理學院土木建筑學院，河南 鄭州 450046）

0 引言

2020年9月，教育部與國家發展改革委、財政部共同發布《關于加快新時代研究生教育改革發展的意見》，明確了進一步深化科教融合，加強學術學位研究生知識創新能力培養。鼓勵研究生積極參與科研項目的立項申報、內容研發及結題驗收等。定期進行項目進展匯報及交流，不僅能使研究生了解科研項目的實施體系，更能促使研究生掌握本學科最新的科研動態、學習最新的技術手段、激發出更多新的想法[1]。本文結合抗洪護橋措施“重車壓橋”下簡支箱梁橋穩定機理研究項目（以下簡稱“重車壓橋”項目），從研究生“做項目”這一視角出發，描述研究生通過項目參與其科研能力提升的過程，探討如何通過項目牽引，激發學生科研興趣和創新思維。

1 科研項目參與對研究生培養的重要性

1.1 科研項目是培養研究生創新能力的重要支撐

研究生培養的核心是創新思維和能力的培養，科研項目是研究生創新能力培養的重要支撐，參與本研究領域的科研項目有利于激發研究生的好奇心和求知欲，鍛煉其創新思維能力，找出解決問題的簡單、有效的方法，并在其相應的研究方向上創造有新意的研究成果[2]?？蒲许椖恳话愣冀涍^前期研究工作，科研經費能夠為項目調研和試驗的進行提供資助，而沒有科研項目支持的研究生選題往往是針對性不強的選題，是不能進行深入研究的選題，是不具備可持續發展研究的選題，所以研究生階段一定要以“科研項目”為中心，在全面了解和掌握現有技術和研究水平的基礎上，通過在科研項目中反復的科學研究訓練發現新知識和形成新的科學技術，并在此過程中實現對研究生創新能力培養[3]。中國科學院原院長路甬祥曾經說過：研究生教育是培養一流創新人才的基礎，到目前為止，已很難找到一項沒有研究生參與的重要科研活動，也很難找到一項不包含研究生貢獻的重要科研成果[4]。所以，科研項目是培養研究生創新能力的重要支撐，沒有科學研究的訓練，研究生的創新能力培養的目標是難以實現的。

以土木類研究生為例，科研項目中大多涉及基本理論和專業知識等的運用、實驗方案設計、實驗數據的采集和處理分析、實驗結果的分析與總結、工況模擬和對比總結等方面的要求。學生在科研項目訓練中不僅要經歷過程性學習來建立個人系統性的知識體系，且必須能夠自主學習和掌握新的知識和技能。綜上，不難看出科研項目能夠激發研究生深度學習，運用所學知識解決問題，達到對專業知識和技能的創新應用。

1.2 科研項目是提升研究生科研能力的有效方式

研究生正處于知識結構的強化和擴展關鍵階段，科研項目充當著研究生學習和科研的切入點，參與具有創新性、前沿性的科研項目，可以拓寬研究生的知識面，建立系統的個人知識體系，并將學習內容和研究方向有機地聯系在一起，使其擺脫了低效無序的自習狀態?？蒲许椖康捻樌瓿梢笱芯咳藛T能夠就項目中的復雜問題與同行業的人進行交流（會議交流、各階段的項目進展報告），還需要能夠與團隊或項目中的人員進行協作（項目中不同研究內容之間的對接）[5]。研究生在參與科研項目的步步進階又往復循環的過程中，其專業知識與專業技能在具體的科研環境中得到更深層的習得，為其從事科研活動打下了堅實的基礎。楊靜[6]在教研結合培養研究生的創新能力中提出科研項目完成過程中，研究生的科研成果經過系統、周密的檢驗培養了其嚴謹、細致、周密的科研習慣，并逐漸建立了從全局出發、系統思考問題的思維方法。已有文獻[7-9]提出項目學習有助于研究生實現“在研究中學習，在學習中研究”，實現拓展學習建立個人知識體系，使其發現問題、解決問題的能力、資料收集處理能力、論文撰寫水平、科研實踐等科研能力的提升上均有益處?？蒲许椖康膮⑴c和完成過程中，研究生的專業知識必須與實際工程問題有機結合起來，這就要求研究生通過不斷的學習掌握復雜工程問題的科學研究方法，發現項目中研究創新點和實際解決辦法。因此，科研項目的參與極大地提高了研究生的思維深度和敏捷性，為研究生在后續研究過程中能做出創造性的研究成果打好基礎。

2 科研項目中研究生科研創新能力的提升

在研究生教育中，創新是靈魂，科學研究為主導是核心[10]。從科研項目入手，研究其立項背景和意義、主要研究內容和方法，將專業知識與實際工程問題有機結合起來，能夠引導研究生快速領會到科研的重要性，激發其對科學研究創新內在動力。新入學研究生由于首次接觸科研，在科研創新方面需逐步引導，逐步培養研究生理論創新的能力，試驗設計方案及手段創新能力，有限元計算創新的能力。為實現以上三種能力的提升，可引導研究生參與科研項目，通過創新意識的培養，創新基本能力的培養，創新能力的養成，最終使研究生理論創新的能力，實驗手段及方案的創新能力，有限元計算創新的能力達到一個質的飛躍。

2.1 創新意識的培養

2.1.1 查找文獻的意識

參與科研項目能夠很好地培養研究生如何在浩如煙海的文獻資料中準確、高效找到適合自己學術研究必備文獻資料，在大量閱讀國內外文獻的基礎上，全面了解領域內的學術動態，從大量的科技資料和文獻中尋找適用于自己研究的思路和方法是開展科學研究的重要步驟[11]。在研究生課堂教學中，首先指導研究生要清楚查找文獻的途徑，（1）到學校圖書館，檢索相關書籍目錄；（2）通過中國知網，萬方數據庫，維普數據庫以及外文數據庫進行收集資料；（3）通過百度、360搜索，收集相關方面的最新資料。其次，確定查找文獻的主題，該主題圍繞科技攻關題目，精簡關鍵詞，進行相關搜索。再次，收集完資料，由于相關資料眾多，要掌握資料的閱讀方式，不能每篇文獻都深入分析，要分為泛讀和精讀，泛讀，從大題上了解與主題相關文獻的基本概況，普遍的實驗和理論方法、結論等。精讀則是在大量泛讀之后，經過不斷篩選，認真閱讀與當前問題最為相關的那部分文獻，從而汲取文獻中最有營養價值的內容[13]。通過查找和收集國內外研究現狀，讓學生了解相關領域理論研究前沿，使學生對自己課題目前研究范圍和深度有了充分的理解與把握。從而拓展思路，思索研究項目目前的技術水平和存在的問題。

2.1.2 研究生發現問題的意識

在科研項目中培養研究生去發現問題、思索問題、分析問題進而解決問題是培養其創新思維和創新能力的關鍵。問題是矛盾體呈現的重要方式，也是事物發展的動力源泉，問題是思維的開端和學習的起點[12]。對于研究者而言，問題的發現和定位是研究的首要前提，研究中的問題并不是空穴來風，也不是拍腦袋就能夠尋找到的，它更多的是基于現實觀察、調查中的理論闡釋?，F實中，由于絕大部分研究生缺乏一定的生活閱歷和理論準備，在嘗試發現問題的過程中常會處于四處碰壁，最終無法找到理想目標的困境[14]。

創新意識培養階段是研究生對知識的收集、篩選、分析的過程，在這一階段，研究生需要通過各種渠道從外界獲取知識，持續積累和擴充知識，不斷挖掘和思考問題，促進創新意識的形成[15]。

2.2 創新基本能力的培養

2.2.1 力學理論分析工程問題及創新的能力

力學是工科大類專業的基礎學科，是工科學生提升專業素質的重要學科，了解和掌握力學理論是工科專業學習生涯的重中之重[16]。力學思維是從具體生動的工程實際到抽象的數學思維，再用抽象的數學思維來指導工程實際的思維過程[17-18]。用力學理論去分析工程問題是土木工程類研究生必備的基本技能，在培育其工程實力和科研創新方面起著關鍵作用。

土木工程相關的科研項目，力學理論是解決其科研問題的最基本的手段，大多數高校土木工程專業都會開設理論力學，材料力學，結構力學，等一系列力學課程，碩士期間，可進一步自學彈性力學，彈塑性力學及塑性力學等相關力學知識，土木工程的研究生已具備一定的力學功底，但不具備用力學的方法解決科研項目中科研問題的能力。通過參與科研項目，培養研究生在科研項目中提煉力學問題，并用力學知識去解決相關力學問題，在解決問題過程中，培養其理論推導創新方面的能力。

2.2.2 有限元分析及創新能力

隨著工程結構的不斷復雜化及工程實踐對計算分析的要求越來越高，利用有限元分析解決工程實際問題已經是很多工科類研究生進行科學研究創新的一項重要技能。有限元分析是土木類研究生需要培養的重要能力，是學生開展科學研究和未來從事專業工作的理論基石[19]。有限元分析是土木工程研究生創新必備的一種手段，研究生在參與科研項目時，可以用有限元分析對科研問題進行佐證，將項目中的模型用有限元軟件建立并計算，同時需要考慮到網格如何劃分，邊界條件如何處理，物理模型如何簡化，力學加載如何實現，計算如何收斂等相關問題，當用常規方法不能解決時，需要用有限元軟件進行二次開發以實現科研項目中一些特殊問題的驗證，在此過程中，有限元分析能力及相關創新能力即可得到提升。

2.2.3 試驗設計方案及手段創新能力

觀察和實驗是科學研究的基礎，科研成果的層出不窮，都是建立在實驗的基礎之上，在研究生階段，不僅需要對學生實施專業知識的教育，要求學生掌握堅實的基礎理論和系統的專業知識，還要基于專業知識的科研試驗能力進行培養，有條件的鼓勵學生獨立開展大型試驗，并對他們科研實驗提供指導和建議，實現學生的科研素養和試驗動手能力的全方位發展[20]。要認真研究科研試驗的思路、目的和意義，綜合靠考慮理論和技術方法的可行性，分析試驗的可信性和不確定性，預判試驗可能產生的失誤或錯誤，以及在試驗出現問題無法進行時的補救措施和糾偏措施。在此期間研究生還要注意培養自己的工程意識和試驗技能，在參加試驗和生產時間活動中，要踏踏實實不怕臟不怕累，最重要的對待科研試驗一定要有敬畏之心，要尊重原始試驗數據的真實性。

2.2.4 三維制圖的能力

研究生作為科研儲備人才，將來面臨著發表論文，申報專利，申報課題等一系列科研活動。三維圖具備立體感，具有比較具體的印象，有助于作者清晰地表達自己的想法，更利于他人理解自己的思路。對于土木工程的研究生，三維制圖可以通過BIM軟件，或者CAD三維制圖軟件進行繪圖，在參與科研項目過程中，要鍛煉三維作圖能力，總結材料，匯報項目進展，整理成果都要習慣用三維圖形表達自己的觀點，長期訓練即可提升三維制圖的能力。

2.3 創新能力的養成

創新能力養成階段是經過創新意識培養、創新基本能力培養后形成的最終階段，通過前兩個階段的培養，促使研究生形成創新能力。研究生能夠提出、求解和突破問題，并對成果進行證明和驗證[15]。

3 案例

本節將以“抗洪護橋措施‘重車壓橋’下簡支箱梁橋穩定機理研究”項目為例，說明如何在科研項目中提升科研創新能力。

3.1 科研項目中創新意識的培養

例如，在“重車壓橋”項目中，通過對洪水期橋梁作用和安全問題的介紹，引導研究生對橋梁工程設計理論、建造技術、材料特性等方面不斷思考和研究。依托河南省科技攻關項目—抗洪護橋措施“重車壓橋”下簡支箱梁橋穩定機理研究項目為例，將研究生科研能力培養的各環節與項目具體過程相結合，以實際工程問題為導向，在對科研項目的立題背景及研究目的、意義進行充分解讀的基礎上，充分發揮研究生的主體作用，為土木工程專業橋梁方向的研究生開展研究提供了廣闊的舞臺。

3.1.1 結合時事討論

在河道上修建跨河橋梁目前是人類解決陸路交通跨河連接問題采用的最普遍、最經濟有效的方法之一，跨河橋梁的修建為經濟的發展發揮著重要作用，洪水水毀災害是世界各國道路橋梁共同面臨的災害。洪災中，抗險救災時橋梁往往通過河流的一種重要通道，保護好橋梁，也為抗險救災提供了重要通道。鄭州“7.20”特大暴雨，強度大、持續時間長，導致市政道路、干線公路塌陷，67座橋梁受損，造成了巨大的經濟財產損失。洪災發生時往往具有突發性，不具備臨時加固橋梁的條件，多采用“重車壓橋”緊急護橋措施，如圖1所示，以抵抗橋梁受到的浮力和洪水作用。在抵御洪水的同時，負荷若是太輕，起不到壓制效果導致救援工作功虧一簣；車輛若是過重反而會對橋梁本身造成沖擊，甚至壓垮大橋。2021年8月，河南省人民政府發布《河南省突發事件總體應急預案》要求全力防范化解重大災害風險，科學應對各類突發事件，提高應對突發事件的科技水平和指揮能力，避免發生次生、衍生災害事件。

圖1 重車壓橋緊急護橋措施

3.1.2 引導研究生查閱文獻

首先要指導研究生到學校圖書館、中國知網，萬方數據庫，維普數據庫以及外文數據庫、百度、360搜索等收集簡支箱梁橋相關書籍及資料。其次，精簡關鍵詞，如：洪災、重車壓橋、簡支箱梁橋穩定等進行相關搜索。最后，分為泛讀和精讀。通過以上措施，學生對自己課題目前研究范圍和深度有了充分的理解與把握，如：

（1）針對橋墩沖刷方面，目前采用的措施是墩身和橋墩共同加固的方法，由于橋梁眾多，為了防洪，每座橋梁都去加固，造成巨大的經濟浪費。

（2）針對洪水水流模擬方面，研究較多，本項目可采用其既有研究成果，轉換成洪水作用力來分析橋梁的穩定性。

（3）針對洪水作用下橋梁穩定及力學性能方面，目前研究針對箱梁失穩，支座破壞已有相關研究，但針對洪水作用下橋墩失穩，箱梁強度破壞研究較少，同時，未見有針對“重車壓橋”耦合洪水作用下橋梁破壞機理相關研究，本項目將針對此進行一系列研究。

3.1.3 引導研究生發現問題

從上述現實背景中發現問題，2021年7月20日，鄭州發生特大暴雨，強度大、持續時間長，在交通設施方面，特大暴雨導致數十座橋梁受損，造成了巨大的經濟損失，以此為背景，引導學生思考以下問題：（1）暴雨造成洪水流速、水位的變化；（2）橋墩的受力的改變；（3）支座浸水條件和干燥狀態摩擦系數是否改變；（4）橋梁上部結構受力的改變；同時進一步思考應急狀態下如何保護橋梁，積極鼓勵學生在積極主動開展思維探索，從發現問題、提出問題、討論問題、分析問題直到解決問題。

3.2 科研項目中創新基本能力的培養

3.2.1 力學理論分析工程問題及創新的能力培養

（1）重車荷載耦合洪水作用下簡支箱形梁穩定機理研究。引導學生思考洪水來臨時，簡支箱梁橋受力和正常工況下的區別，進一步思考水流的沖擊力和水流的浮力將會產生什么樣的影響，橋梁上部結構箱梁設計時并未考慮到洪水作用力的影響，然而洪災發生時，洪水常常局部淹沒甚至漫過箱梁，對于處在洪水中的橋梁來說，洪水浮力使得上部結構的有效重量減小，進而抗傾覆力矩減小。橋梁阻水面積增大，導致其橫向傾覆力矩增大，因而在洪水水平沖力作用下，橋梁易發生傾覆破壞。采用“重車壓橋”，等于在橋面上增加豎向荷載，用來抵消浮力，同時增加與支座的摩擦力，來抵抗洪水的水平作用力，提出自己的創新點則是，推導出重車荷載耦合洪水作用下簡支箱形梁穩定驗算理論公式，并研究箱梁跨徑、洪水水位高度及流速對箱梁穩定的影響。在保證箱梁不被洪水沖壞的同時，也不被重車壓壞，此時，箱梁為空間受力狀態，需對此展開一系列推導。

（2）重車荷載耦合洪水作用下板式橡膠支座穩定機理研究。引導學生思考簡支箱梁通常采用板式橡膠支座，板式橡膠支座正常工作狀態通常是在大氣中，但洪災發生時，支座浸泡在水中，其與箱梁和橋墩的接觸摩擦系數將降低?；诎迨较鹉z支座的破壞特征與受力機制，洪水作用下，支座除了發生滑動破壞之外，較大的剪切作用力也會使支座在水平方向的剪切變形量超過一定的限制，從而使支座發生剪切破壞。洪水作用下，若支座摩阻力不足，則箱梁則滑移；若支座剪切變形過大，支座則剪切破壞，同時，由于重車荷載，支座強度是否滿足均需驗算。

（3）重車荷載耦合洪水作用下橋墩穩定機理研究。引導學生思考洪水作用下，箱梁受力模式發生改變，進一步傳遞給橋墩的力也將產生改變，箱梁受到浮力，則傳遞給橋墩的豎向力減小，箱梁受到洪水水平作用力，則通過支座傳遞給橋墩，對橋墩穩定性極為不利，除此之外，橋墩自身也受受到洪水浮力以及洪水水平推力，橋墩抗傾覆以及抗滑移理論公式尚需加入洪水作用的影響，當“重車壓橋”后，豎向力增加，能否抵抗住洪水作用力，也需驗算。在此過程中，有效地培養了研究生解決實際問題的綜合能力和持續的科研創新能力。

3.2.2 有限元分析及創新能力的培養

以科技攻關項目“抗洪護橋措施重車壓橋下簡支箱梁橋穩定機理研究”采用ANSYS分析為例，通過實際工程問題的模擬分析培養研究生有限元分析的能力。

（1）力學模型簡化。由于橋梁構造復雜，模擬時不能照顧到所有細節，對于一些環節需要簡化，例如本項目中，引導學生思考“重車壓橋”、水浮力、水流沖擊力在有限元軟件中怎樣實現，橋梁支座在建模時如何簡化，預應力鋼筋以及普通鋼筋在建模時如何簡化，都需要引導學生思考。

（2）單元選取。引導研究生自學有限元軟件中常用的單元，如本項目中橋墩和箱梁所需要用到的實體單元，支座所要用到的彈簧單元，讓研究生去歸納總結各個實體、彈簧單元的定義，屬性以及區別，選取最適合的單元。

（3）網格劃分。對于任何實際結構，要獲得高質量的單元網格，通常都要控制網格劃分，引導學生學會單元形狀控制及網格類型選擇，單元尺寸控制，內部網格劃分控制等一系列網格劃分操作。通過橋墩和箱梁的網格劃分，掌握網格劃分流程，進一步舉一反三。

（4）邊界條件確定。有限元模型，邊界條件至關重要，邊界條件確定錯誤，將導致模擬分析不準確，計算錯誤，甚至計算不收斂，正確的根據實際工況選擇邊界條件尤為重要，引導學生思考洪水作用下橋墩底部約束形式，來理解邊界條件的概念。

3.2.3 試驗設計方案及手段創新能力培養

在“重車壓橋”項目的實施過程中，引導學生根據“抗洪護橋措施重車壓橋下簡支箱梁橋穩定機理研究”如洪水作用耦合重車荷載作用下橋墩穩定性試驗，試驗方案要合理簡化，如對于橋墩來說，上部結構的重力可通過千斤頂來模擬加載，當研究水壓力時，可通過理論計算簡化成集中力，通過千斤頂進行加載模擬試驗，如圖2所示。引導學生思考支座的試驗，研究支座浸水狀態滑動破壞模式及剪切破壞模式，強度破壞模式，以期推導出重車荷載耦合洪水作用下支座穩定及強度驗算公式。因此，觀察和試驗方法仍然是獲取科學事實的基本方法和有效手段，也是科研創新研究活動的基礎。

圖2 重車荷載耦合洪水作用下橋墩穩定性試驗方案

3.2.4 三維制圖的能力

在“重車壓橋”項目中，將要求研究生用CAD三維模型展示出橋梁整體模型，如圖3所示，CAD中的三維圖可以借助工具完成不同側面、部位的觀察和設計、修改等，為項目設計和更改提供了極大的便利。以此培養研究生三維制圖能力及空間思維能力，提升研究生的科研表達能力。

圖3 橋梁模型示意圖

4 結語

科研項目是研究生創新能力培養的重要支撐和有效途徑，參與本研究領域的科研項目有利于研究生掌握科學研究的基本要求，并在其相應的研究方向上創造有新意的研究成果。且科研項目都緊跟時代步伐，擬解決實際工程問題，具有很強的前瞻性，將科研項目融入土木類研究生培養，既可以推動推動科研項目的順利進行，項目中涉及的基礎知識和專業知識又可激發學生的學習勁頭，彌補欠缺知識，培養研究生正確判斷和解決各種復雜的實際問題的能力。在“重車壓橋”項目中的研究過程土木專業的研究生發現問題的能力、查找文獻的能力、力學理論分析工程問題的能力、有限元分析能力以及試驗能力等都得到了有效的培養和極大地提高，為今后的科研工作的開展打下良好的基礎。因此，在研究生中廣泛地開展科研實踐，讓更多的研究生積極地參與到科學研究活動當中，不僅直接關系到高校的科研質量和創新水平，更是培養研究生科研素質和創新能力的重要途徑。