竞赛模型范文

竞赛模型范文（精选6篇）

竞赛模型 第1篇

1 构造函数模型, 巧解超越式

在解一些超越方程的问题中, 抓住题目条件的结构特征, 抽象出外在形式, 构造恰当的函数模型, 再利用函数性质解答, 常常能达到简化运算过程, 起到化难为易, 使问题得到巧妙解决.

例1 (1994全国高中数学联赛试题) 设x, , a∈R, 且满足则cos (x+2y) 的值为____.

解析将原方程组变形为

x3+sin x=2a, (2y) 3+sin 2y=-2a, 题目是关于x, y的超越方程, 要分别求出x, y比较困难甚至不可能, 考察两个方程等号左边的结构却完全一致, 而右边的常数恰好是一对相反数, 根据结构特征, 构造函数模型:

将方程组看成是:

由f (t) 是奇函数, 有

由f (t) 是单调递增函数, 有

因此可得

例2 (第9届希望杯高二数学竞赛试题) 设α, β分别是方程log2x+x-3=0和2x+x-3=0的根, 则α+β____=, log2α+2β=____.

解析题目涉及的方程为对数和指数方程, 都是超越方程, 要直接求出α, β的值相当困难.将两个方程“同名化”:

根据方程结构的相同性, 构造函数模型f (t) =log2t+t, 于是有f (α) =f (3-β) .

由f (t) 是单调递增函数, 有α=3-β, 则

评注当一个问题按常规方法不易解答时, 可先通过变换、转化, 然后根据相应的结构特征, 构造出一个新的数学形式或命题, 使问题在新的形式下简明快捷, 思路自然, 从而另辟蹊径, 巧妙解题.

2 构造函数模型, 妙解不等式

在求不等式解集时, 往往条件的结构特点不明显, 需要通过变换、转化将隐含的特征外显, 再根据外显特征构造恰当的函数模型, 使问题化繁为简.

例3 (第18届希望杯数学邀请赛试题) 不等式 (x2-1) 2007+x4014+2x2-1≤0的解集为____.

解析题目涉及一元高次不等式的求解, 按常规很难求出方程的解.将原不等式变形为:

根据不等式两边相同的结构特征, 构造函数模型:f (t) =t2007+t, 原不等式化为

由f (t) 是奇函数且为单调递增函数, 有x2-1≤-x2,

因此原不等式的解集为

例4 (2008年全国高中数学联赛试题) 解不等式log2 (x12+3x10+5x8+3x6+1) <1+log2 (x4+1) .

解析将题目中的对数不等式转化为

所求表达式为一元高次不等式, 直接求解相当困难, 将其变形为

即, 根据不等式两边相同的结构特征, 构造函数模型:f (t) =t3+2t, 原不等式化为

由f (t) 是奇函数且为单调递增函数, 有

因此原不等式的解集为

评注在解一些高次不等式时, 通过变换、转化, 将内在的信息特征外显化, 发现可用于构造的因素, 引入新的形式, 借助新形式的性质, 使复杂的运算和推证变得容易处理, 使问题变得清晰可解.

3 构造函数模型, 证明不等式

对于条件为, 结论形如的不等式证明时, 经过变换或缩放, 构造函数模型, 揭示出问题的本质, 再利用函数的性质, 使问题获证.

例5 (第2届中国北方数学邀请赛试题) 设a, b, c为正实数, 且满足a+b+c=3, 证明:

解析将所证不等式变形为

该不等式的左边的三项结构相同, 构造函数模型:

原不等式等价于

将x分别换成a, b, c, 三式相加, 有

不等式获证.

例6 (2007年中国西部数学奥林匹克试题) 设实数a, b, c满足a+b+c=3, 求证:

解析所证不等式的左边的三项结构相同, 构造函数模型:

只需证明

由f′ (x) =-10x-4 (5x2-4x+11) 2,

的大小关系, 事实上:

分类讨论:

(ⅰ) 若a, b, c均不超过, 则

此时不等式获证.

(ⅱ) 若a, b, c中有一个大于, 不防设a>59, 则

综上有

当且仅当a=b=c=1时, 等号成立.

评注对于结论结构特征明确的不等式证明, 通过构造函数模型, 利用函数的性质, 简化了复杂的结构讨论, 降低问题的难度, 使得解答自然, 探索过程更加简洁, 运算更加轻松, 巧妙解决问题.

4 构造函数模型, 求解最值问题

在多元函数 (尤其是分式函数) 的最值求解时, 若条件或结论的结构明显, 往往可以通过构造函数模型, 从局部出发, 化整为零, 各个击破, 达到解决整体的目的.

例7 (2003年湖南省高中数学竞赛试题) 设x, y, z为正实数, 且x+y+z=1, 求三元函数的最小值.

解析题目所求函数中出现明确的结构式, 构造函数模型:

则三元函数

由函数g (t) 在 (0, 1) 上是凸函数, 有

因此三元函数f (x, y, z) 的最小值为0.

例8 (第3届中国北方数学奥林匹克邀请赛试题) 设△ABC的三边长分别为a, b, c, 且满足a+b+c=3, 求三元函数的最小值.

解析题目条件和结论中出现明确的结构式:a+b+c=3, a2+b2+c2, abc, 联想到一元三次方程的根与系数的结构关系, 构造函数模型:

展开得

从而可得

当且仅当a=b=c=1时, 等号成立.

因此三元函数f (a, b, c) 的最小值为.

评注对于特点明显, 结构具有导向性的问题, 应着眼于局部, 转化问题, 使问题获解.

科技模型竞赛工作总结 第2篇

一、积极参加活动中心组织的各级各类培训竞赛活动。

20xx年中，我校组织师生积极参加县活动中心组织的各类培训。上半年参加了“橡筋动力飞机”、 “国际数棋”、“直线竞速赛车”、“四旋翼直升机”以及“能力风暴”机器人普及大赛培训。下半年参加了盐城市“能力风暴”机器人普及大赛培训，以及在南通市组织的省级机器人教练员培训。我校姜永利老师在历次培训中都积极认真、准时参加。在每次科技辅导员培训考核中，该同志均取得优异成绩。

二、积极承办县级科技模型竞赛活动。

20xx年五月份，我校通过积极争取，申请了县科技模型大赛(橡筋动力飞机、直线竞速赛车)南小赛区。在本次比赛中，共有三所学校参加分别是南小代表队、六套中心小学代表队以及新荡中心小学代表队。活动中南河中心小学两项竞赛共报名600余名学生。两项竞赛活动分为低、中、高三组进行。比赛共有80多名学生在比赛中获奖。对于科技模型竞赛活动我校师生兴致很浓，热情很高，为我校进一步开展科技模型竞赛活动添砖加瓦。

三、领导重视，教师参与保证科技模型活动的正常开展。

竞赛模型 第3篇

在现代生活中,竞赛是一种普遍现象。比如,企业为获得技术上的优势,在研发上投入大量资源;参赛选手为了获胜,聘请高水平教练指导训练等。黄河和付文杰(2009)将诸如此类的竞赛具备的共同特征描述为:参赛者为了获得奖励,耗费各种有成本的资源彼此竞争[1]。同样,在学术领域,学者之间也存在各种竞赛,比如职称晋升、在权威期刊发表论文、基金申请等等。学术领域内的很多竞赛,如职称晋升、发表论文等,是比较公平的。一般来说,科研成果越多,职称评审时更容易通过;论文写得越好,越容易得到发表。但其它一些竞赛,却很难说是公平的。最典型的与涉及科研资源分配的基金申请,无论是国家自科、社科或教育部基金项目,在评审时都会向西部省份或地区倾斜,一些水平相对较差的西部地区高校的项目申请因而会获得立项,这对其它地区的高校或研究机构来讲是不公平的。但是,研究者普遍支持项目评审向西部地区倾斜或者设定专门的基金项目。例如,吴善超等(2009)认为,科学基金的竞争机制容易造成“马太效应”,使研究资源过于向科研实力强的地区、机构和个人集中。为此,设立专项基金支持弱势地区的科学研究很有必要[2]。

然而,上述论点隐含地假设了基金项目分配政策的制定者(例如各基金委)希望地区间科研资源分散一些,科研水平差距小一些,即以“患不均”作为基金分配偏向政策的依据。更符合现实的情况是,各基金委的最终目的是希望获得科研资源的研究者能够创造出更多的总成果,而不论科研资源的分配情况如何。如果科研资源分配政策的制定者更“患寡”而不是“患不均”,或者说将“患寡”看得比“患不均”更加重要,科研资源的分配政策是否仍应向科研实力较弱的地区或个人倾斜呢?乍看之下,科研资源的分配政策应当更具效率,使得科研实力强的地区、机构和个人更有机会获得科研资源,以此创造出更大的总价值。也就是说,如果科研资源分配的目的是为了追求效率,分配政策就应当公平,甚至应当向科研实力强的地区倾斜。

不过,上述观点同样隐含地假定科研工作者一心一意地利用其所得的科研资源,为创造更多的科研成果而努力。如果是这样,科研资源就应当分配到能产生更大价值的地方。这种假定也是存在问题的。在现实之中,科研工作者并不完全将获得的科研资源用于科学研究,许多科研资金都被用在了其它地方,而并没有产生其预期的价值。主要原因在于,科研资源的分配者在分配科研资源之后,很难掌控资源获得者的行为,使得科研资源的获得者有偏离科研资源分配前所承诺行为的动机,这也是经济学中常说的“道德风险”。如果道德风险存在,也就是说,科研工作者有时候将获得的科研资源当作一种收益而不是一种创造价值的工具看待,此时若依然采取按科研能力高低进行分配的政策,科研能力弱的地区觉得难以与科研能力强的地区竞争,就会觉得搞科研的预期收益太低,丧失搞科研的动力。而科研能力强的地区则发现,不用太认真地作科研也能获得科研资源,从而降低了科研成果的总水平。

纵观现有文献,研究者主要从学科地理均衡发展的角度出来,论述科研资源分配倾斜政策的合理性。在此基础上,许多研究者对科学基金倾斜政策对地区科技发展的效果进行了实证分析[3,4]。例如,唐先明等(2010)运用空间统计方法考察了地区科学基金的资助成效,发现地区科学基金增强了边远地区基础研究的发展实力,有效缓解了基础研究资源过分集中形成空间集群的趋势[5]。然而,这些文献却没有对科研资源分配政策的制定者以及获得科研资源的科研人员的主观意愿进行探讨。科研资源分配政策的制定者更可能患寡而不是不均,科研人员更非完全为科学献身,科研资源分配政策是否还应当向弱势地区倾斜呢?这也是本文所要研究的问题。

2 科研资源分配竞赛模型

2.1 模型设定

为表述方便,本文以科研人员作为分析对象。为推导简便,假设有两位科研人员,i=1,2。 上级部门决定在二人之中分配一定数量的科研资源 ,如资金或设备等。为简单起见,科研资源分配总量设为V单位,分配按照科研人员的科研水平为基本依据,科研水平高低主要依靠科研成果进行评估。令yi代表科研人员i的科研成果,包括发表论文的质量与数量、主持及参与课题的项目数量及完成质量等。为着重分析科研资源的分配政策,假设上级部门能够从论文及项目等方面的信息准确评估科研人员的水平高低,不存在评估误差。

假设上级部门按照如下原则分配科研资源:

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其中λ≥0衡量科研资源分配的倾斜程度。根据式(1),λ=1代表的是完全依照科研能力的分配制度,此时科研人员分配到的资源与其科研成果成比例。如果科研资源是不可分的,例如设备,可以将分配政策理解为科研个体获得科研资源的可能性与科研成果成比例。易知,当0≤λ<1时,分配制度向科研人员1倾斜;当λ>1时,分配制度向科研人员2倾斜。随着λ的增大,分配政策越来越照顾科研人员2。

科研人员i的科研成果yi与耗费的时间、精力以及金钱等因素相关,用ci代表所有相关的成本。yi与ci的关系可以简单地表示为:

yi=Aici (2)

其中Ai代表科研人员的能力高低。Ai越大表示其天赋或学术功底更强,创造相同的科研成果耗费的成本相对较低。这一假设是符合现实情况的,例如具有博士学位的科研人员,写出一篇同等质量的文章,通常要比只有硕士学位的人要容易得多。为简单起见,假设不存在任何不确定性,即科研人员确切知晓耗费多少成本可以获得多少科研成果。

科研资源竞赛过程如下:首先,上级部门决定λ的大小,即分配制度应向谁倾斜,倾斜的程度多大;其次,科研人员同时选择科研支出成本ci,进而决定科研成果yi的大小。最后,上级部门依据科研人员的成果确定科研资源的分配,这一分配遵照初始制定的分配制度。

2.2 模型分析

采取逆推法进行分析。

2.2.1 科研人员的选择。

在给定科研资源分配制度的前提下,科研人员i=1,2同时决定应创造多少科研成果(或耗费多少科研成本)。

对于科研人员i,其目标为:

maxπi=siV-ci=siV-yi/Ai (3)

一阶必要条件为:

∂πi/∂yi=(∂si/∂yi)V-1/Ai=0 (4)

根据式(1),可得:

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解之得:

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根据式(6),科研成员创造的科研成果与其科研能力成正比,科研能力越强,其科研成果越多。另外,要分配的科研资源越多,科研成员创造的科研成果越多。

将式(6)的结果代入式(1),可得科研人员1和2分配科研资源的比例(或获得科研资源的可能性)为:

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由式(7)可知,科研人员分配资源的比例与其相对能力正相关。不妨设A1>A2,即科研人员1科研能力相对较强。如果科研成员1相对于科研成员2能力越强,其获得的科研资源比例也越大。但是,也可以看出,上级部门制定的科研资源分配制度同样影响科研资源最终的分配结果,甚至改变依照科研能力进行分配的结果。例如,如果科研资源分配制度向科研能力弱的科研人员倾斜,当倾斜程度λ>A1/A2时,科研能力较弱的科研人员反而获得了相对较多的科研资源。

2.2.2 上级部门的分配政策选择。

上级部门决定科研资源分配制度应当向哪位科研人员倾斜,且倾斜的程度应该是多大。分两种情况进行讨论。

(1)目标是科研成果差距最小

即科研资源分配政策制定者的首要目标是“患不均”。其目标函数可以表述为:

minU1=|y1-y2| (8)

将式(6)代入式(8)得:

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根据式(9),要使得科研成果差距最小,λ应取0或∞。根据式(7),λ=0对应的分配政策是将科研资源完全分配给科研人员1,λ=∞对应的分配政策是将科研资源完全分配给科研人员2。因此,若假定分配政策制定者“患不均”,得到的分配政策却是一种极端的分配结果。无论哪种情况发生,均与实际的分配政策不符,因为科研发达和落后的地区都分得了一定比例的科研资源。因此,可以判定科研资源分配政策制定者并不是完全以“患不均”作为目标。

另外,这种将所有科研资源分配给某一方的后果是非常严重的。根据式(6),科研双方的科研成果都等于零,即科研人员均不会花费任何时间或精力去创造科研成果,这种科研资源分配政策将导致科学发展水平的停滞。因此,若科研资源分配政策制定者“患不均”,造成的却是“寡”的结果。

(2)目标是科研成果总量越大

即科研资源分配政策制定者的首要目标是“患寡”而不是“患不均”。其目标函数可以表述为:

maxU2=y1+y2 (10)

将式(6)代入式(10)得:

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一阶必要条件为:

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解之得:

λ=A1/A2 (13)

根据式(13)可知,当科研人员1科研能力相对较强时,A1>A2,科研资源分配政策就应当向科研能力较弱的科研人员2倾斜。而且,当科研能力差别越大时,这种倾斜政策的力度就应当越大。也就是说,若上级部门希望科研成果总量最大,制定的科研资源分配政策应向科研能力较弱的人员倾斜,看起来好像是不希望科研资源过度向科研能力较强的个人集中。换句话说,政策制定者本质上虽然是“患寡”,其制定的科研资源分配政策看起来却像是“患不均”。

实际上,科研资源分配政策制定者是通过这种方式来增强科研人员之间的竞争强度,使得双方都会选择花费更多的时间和精力,来创造更多的科研成果。相对于“患不均”的科研资源分配政策,这种“患寡”的分配政策通过增强科研人员的竞争,反而能够在一定程度上推动科学技术水平的发展。

3 简要结论

本文通过建立一个简单的科研资源分配竞赛模型,比较了科研资源分配政策制定者希望科研成果差距最小和总量最大两种情况下的分配政策及结果,论证了科研资源分配倾斜政策的合理性。结论表明,如果存在道德风险,若采取向科研能力较弱个体倾斜的科研资源分配政策,会从分配制度上弥补科研人员在科研能力上的差异,科研人员之间的竞争强度有所增大。而竞争强度的增大,使得双方都会选择花费更多的时间和精力,来创造更多的科研成果,而这正是科研资源分配政策的制定者所期望看到的。

科研资源分配政策的制定者本质上虽然是“患寡”,其制定的科研资源分配政策看起来却像是“患不均”,实际上也是不得已而为之,主要是因为科研人员并不是将获得的科研资源完全用于科学研究,只有采取这种看似不公平的倾斜分配政策,才能促使科研人员投入更多时间、精力和资源到科学研究中去。为推动我国科学研究的发展,除了加强科研基金项目的管理之外,如何激励科研人员将更多科研资源用于科学研究,也是需要进一步研究的问题。

摘要：通过建立简单的科研资源分配竞争模型,论证科研资源分配政策倾斜的合理性。由于科研人员并不是将获得的科研资源完全用于科学研究,只有采取倾斜的分配政策,才能增强科研人员之间的竞争,创造更多的科研成果。科研资源分配政策的制定者本质上虽然是“患寡”,其制定的分配政策看起来却像是“患不均”。

关键词：科研资源,分配政策,竞赛模型

参考文献

[1]黄河,付文杰.竞赛机制设计研究回顾与展望[J].科学决策,2009(1):75-86

[2]吴善超,陈敬全,韩宇,等.地区科学基金资助政策研究[J].科研管理,2009,30(3):166-171

[3]蒋颖,阳宁晖,刘筱敏,等.我国国家自然科学基金的地区分布研究[J].科学学与科学技术管理,2003(3):5-10

[4]马艳艳,孙玉涛.中国基础研究的时空分布演变——基于Nature和Science论文的统计分析[J].科技管理研究,2009(7):89-91

2016年科技模型竞赛工作总结 第4篇

响水县南河中心小学

2016年我校在县青少年活动中心正确指导下，积极践行科学精神，开展了丰富多彩的科技模型竞赛活动。主要做了以下几点。

一、积极参加活动中心组织的各级各类培训竞赛活动。2016年中，我校组织师生积极参加县活动中心组织的各类培训。上半年参加了“橡筋动力飞机”、“国际数棋”、“直线竞速赛车”、“四旋翼直升机”以及“能力风暴”机器人普及大赛培训。下半年参加了盐城市“能力风暴”机器人普及大赛培训，以及在南通市组织的省级机器人教练员培训。我校姜永利老师在历次培训中都积极认真、准时参加。在每次科技辅导员培训考核中，该同志均取得优异成绩。

二、积极承办县级科技模型竞赛活动。

2016年五月份，我校通过积极争取，申请了县科技模型大赛（橡筋动力飞机、直线竞速赛车）南小赛区。在本次比赛中，共有三所学校参加分别是南小代表队、六套中心小学代表队以及新荡中心小学代表队。活动中南河中心小学两项竞赛共报名600余名学生。两项竞赛活动分为低、中、高三组进行。比赛共有80多名学生在比赛中获奖。对于科技模型竞赛活动我校师生兴致很浓，热情很高，为我校进一步开展科技模型竞赛活动添砖加瓦。

三、领导重视，教师参与保证科技模型活动的正常开展。在科技教育层面，我校杨如东校长非常重视，积极支持。他鼓励全体教师参与到科技教育工作中去，把科技教育工作当作日常工作来抓。在这种氛围中，南小的全体师生参与科技教育的热情很高。做好科技教育的信心很足，为我校做好科技教育工作奠定了坚实的基础。

竞赛模型 第5篇

1 模型设计制作流程

结构模型的设计制作流程包括3个主要环节:构件设计、结构选型及设计、节点设计及组装.这3个环节相辅相成,需要综合运用多门主干课的知识.其中,对构件设计和材料性能的认识是前提,这需要对材料力学及实验环节熟悉和掌握;在此基础上进行结构的选型和设计计算,一个设计成功的关键,是基于学生对结构的认识和理解,这几乎贯穿了结构力学、结构试验等方面的主干课;一个好的设计最终能否成型,还需要较强的工艺水准作支撑.

1.1 构件设计

1.1.1 构件选型

模型设计首先是构件设计,构件的合理设计是建立在对材料的力学性能充分认识基础上的,竞赛多采用白卡纸等为主体材料,白乳胶等为粘结材料,以替代建筑材料.

纸质杆件多设计成薄壁空心杆,可根据内力条件不同,选择合适的截面形式,在历次比赛中有很多有创意的截面形式,图1所示的梯形空心截面就是一例,该截面有效地利用了受弯构件截面距中性轴越远处正应力越大这一规律,合理地进行了材料分配[2].这要求学生在理解材料力学基本原理的基础上发挥想象力.

1.1.2 构件力学性能测试

由于模型材料的多样性,竞赛组委会通常只提供材料的基本力学指标(如纸张的弹模等),或仅提供材料样品.这要求学生对设计的杆件进行必要的测试,测试的内容很多,包括不同长度、层数、截面形式的杆件强度、弹性模量等参数,并通常要结合万能材料试验机、应变仪进行材料综合测试试验.在试验条件不完备时,也可采用文献[3]提供的实验方法,直接获取EI等设计参数.这些试验需要学生根据构件特点设计试验,这类试验的子项目都是材料力学常规实验,只有正确认识材料力学基本原理、熟练掌握力学试验基本原理,在此基础上合理设计试验和分析结果,才会使模型设计事半功倍.例如,笔者在指导学生参加模型竞赛过程中,通过对比试验发现:胶水粘结三层以上对纸质空心圆杆的强度提高不大,制作杆件时利用了这一规律,在一定程度上减少了纸张和胶水用量,既减轻了自重,也缓解了由于胶水不均匀导致凝结后的杆件翘曲.

1.2 结构选型及设计

1.2.1 结构选型

不同结构模型竞赛要求各异,有的限定了结构的类型;更多的则是只给出较为宽泛的载荷和位移边界条件,结构体系的选择需视具体情况进行分析.结构体系的选择也是结构模型竞赛中最能体现知识运用和创新能力之处,可以考察学生对不同结构体系的力学特性的认识,以及结构设计的想象力和创新能力,而后者是建立在前者基础上的.例如,一次模型竞赛的设计要求是简支约束条件下的大跨度结构,有的同学只考虑了拱是较好的大跨度受压结构体系,忽视了支座的形式,最后,千辛万苦制作出来的超静定拱架由于缺少侧向约束的有力支撑,瞬间垮掉.当然,这样的错误如果引起学生的重视和思考对其未来的学习和工作是大有裨益的,这也是此类竞赛的意义之一.

结构选型实际上就是个初步设计和优化的过程,需要根据功能需求,对比各种结构体系,选择合适的结构并进行必要的修正.结构选型虽然只是定性分析,但在结构设计中尤为关键,是结构设计中的方向性环节,好的结构选型就成功了一半.

1.2.2 优化计算

结构的优化过程需要明确初选结构体系的受力特点、传力途径等要素,通过不断比较得出最合适的结构形式,优化计算需要借助计算软件的帮助,计算参数可由上文所述的材料试验获取.这类计算软件很多,如一些商用有限元软件SAP,ANSYS等.

结构优化的最理想结果是使各构件和结构同步达到极限状态,通过详细的计算,可以得到理想状态下的优化杆件截面及结构内力.计算过程中既要熟练分析软件,更要对结构力学、材料力学基本原理很熟悉.

1.3 节点设计和组装

从历次竞赛的加载试验结果可以看出:大多数结构的失效多是节点破坏引起的.这是因为节点处往往应力集中明显,受力复杂.制作工艺决定了实际结构的节点传力方式是否符合理想状态,否则节点因装配误差产生显著的附加应力,导致“失之毫厘,谬以千里”.由于纸质构件间的连接主要依靠胶水,如何利用胶水的粘滞阻力是传力的关键.例如受拉的节点,节点力会削弱这种摩阻力,因此,在节点制作时应反向缠绕并粘结纸带,变拉为压,将有利于发挥胶水的阻力,如图2所示.

此外,制作者的工艺精度不够往往会导致装配误差,使实际模型的受力状态并不完全吻合理想状态.例如:胶水不均匀导致杆件产生一定的初曲率,会使轴心受力杆件因附加弯矩变成偏心受力状态.在一次模型制作时,由于制作工艺不够精细,导致一组腹杆产生不同程度翘曲,在组装时强行与上弦杆件绑扎,导致装配误差.这与理想状态相去甚远,事实证明,尽管加载到最后一级荷载,还是在节点处产生过大附加推力导致节点破坏进而结构失效.

因此,除了要求学生提高工艺的精细程度之外,尤为重要的是需要进行必要的模型试验,通过观察模型的受力反应,分析节点的实际传力状态,依此判断节点是否接近设计要求,并根据试验结果进行调整.

2 对应用型人才培养模式的意义

结构模型竞赛题目多源自工程实践,比较全面地考察了学生对土木工程从力学到结构、从掌握基本理论到自主设计试验的综合应用能力.因此,模型的设计和制作的过程锻炼了学生运用学科知识和工具分析解决问题的能力,这是应用型人才需要培养的基本素质之一.

同时,竞赛过程是极其艰苦和复杂的,学生在反复多次的失败和改进的过程中,得到专业的锻炼,同时也锻造了其克服困难的决心和能力,这种坚毅品格也是土木工程专业人才必需的素质.

此外,完成一个好的作品往往需要组员各负其责,分工协作,这也对锻造学生沟通能力和团队意识大有帮助.“大土木、宽口径”培养模式下的应用型人才绝不是只会机械照搬的工匠,而是有创新思维能力的技术人员,而创新意识培养和创造力的锻炼这是此类竞赛的主旨.

整个参赛的环节既是优秀人才不断锤炼的过程,也有助于增强指导教师从事科研的经验和工程意识,特别有利于青年教师在专业上的成长和进步.青年教师可以在模型制作和调整过程中探讨力学理论的传授方式,在指导学生实践的同时,教学相长.竞赛调动了教师自主科研的积极性,培养了他们不畏困难的探索精神、严谨的科研作风以及扎实的教风.青年教师的成长,不仅是搞好教学和科研工作的必要条件,也为应用型人才培养体系创造了良好的师资条件.

3 应用型人才培养模式下力学教学改革初探

3.1 打通相关学科,建立力学-结构课程群

早在20世纪50年代茅以升先生就指出:“各种异名之课程应重新整理,性质类似者,即合并为一.”[4]这种课程综合化的思想实际上指明了课程群建设的意义和方向,我们对力学基础课及后续的结构设计课程进行了深入的体系化建设,形成了力学-结构课程群.进一步明确了各门课程的教学重点及相互衔接,删去部分教学内容,留作学生自学,节余的课时用于加大实践环节教学量.力学-结构课程群的课程以专业基础课为主,也涵盖了如结构工程、地基基础等主干专业课.例如,考虑到在应用型本科生中突出有限元等选修课程有一定难度.但是,在复杂结构设计时又要应用到有限元的基本知识及相关计算软件,于是在《结构力学》教学大纲中,明确了将矩阵位移法向有限元基本原理部分作了必要拓展,一来保持了教学内容的完整性,二来通过课程体系的融合,消除了学生学习和应用知识的一些衔接障碍.

3.2 加强实践教学环节

在竞赛中,不少学生表现出明显的“学”和“用”脱节,动手能力和应用能力偏弱的现象.基于应用型人才培养的基本要求,本着“以赛促学,以赛促改”的方针,学院前后组织了两次教学计划研讨会,对实践课程体系的改革作了较为深入细致的讨论,明确了“实验教学环节的不可替代性,并应在实践教学中突出培养学生自主学习的意识和独立创新的能力”.例如:增设了《结构力学》的课程设计,并将时间设定为两周.

3.3 增加非验证性实验教学

以前力学实验多为验证性实验,该实验模式是依据教学大纲要求预先设计好的,只要求学生按照已知的方法和步骤进行操作即可[5],并不利于学生创新能力的培养.因此,在强调以“以赛促改”的同时,也对力学、结构设计及相关课程的实践教学大纲作了认真的修订,明确了课程群中实践环节的内在逻辑性.特别突出了综合及设计性试验环节,基本上做到主干课都有自主设计性实验环节,要求设计性试验需在一定程度上体现课程间或课程内的关联度,并在教学环节中加大自主设计的比重.例如:在《材料力学》中增设了材料性能综合测定设计性试验;将《材料力学》中钢筋拉伸试验结合工程抽检标准与《建筑材料》相关实验融合成综合性应用型试验;在《结构实验》课中,增加了楼宇质量鉴定综合实验项目等等.有些实验虽然不完全是与结构模型竞赛直接相关,但是,这些实验已经由教师传授为主转换为学生是实验的主体.基本上打破过去实验完全依附于理论教学的旧框架,变成了“以练促学”,通过这些自主性实验的锻炼,极大地调动了学生动手及动脑积极性,锻炼了学生的创新能力.

3.4 构建开放性实践基地

我院在首次参加中南地区建模竞赛,即取得了不俗的成绩.以此为契机,以参赛获奖学生为班底,吸纳了部分低年级的爱好者,成立了结构建模协会.学院为之配备专门的模型设计室,并开放了相关实验室,如拉压实验室、电测实验室、结构大厅、工程结构模型室等,为学生自主设计试验提供必要的软硬件支持.同时,抽调业务过硬的教师负责日常指导工作,并不定期邀请力学和结构方面的专家开展讲座.一方面提高了协会的影响力和学生的参与热情,另一方面,加深了学生对专业的认识深度.通过协会的建设,为学生确立了一个开放性的实践基地,成为校内建模实习和专业探讨的场所.

在学院领导的大力支持下,结构建模协会已经成功地组织了两次全校性的模型创作竞赛,并创造性地设立了专业组和非专业组,其中专业组更侧重于结构设计和制作,非专业组则侧重于建筑选型.这一赛事不仅吸引了土木工程及相关专业的学生参与,很多其他院系的学生也积极参与,虽然专业知识有限,但一些打破框架约束的创意给了本专业学生一定的启发.活动的开展既加强了交流,也促进了学科之间的融合与碰撞,对本专业的学生开拓视野起到了良性的推动作用.由于赛事的成功举办,该竞赛已经纳入到我校一年一度的科技节活动中,逐渐成为一个全校性的品牌科技活动.

通过协会的一系列活动,学生自主学习和探索的意识加强,协会已经逐渐成为打通专业知识的另一扇门,和学生的课堂学习相互补充,学生课堂上更加积极学习和勤于思考,每当有所得又能及时地到另一片天地去实践,再认识,逐渐促进了两个课堂的良性互动和融合.通过开放实践活动锻炼,不少学生在各类专业学科竞赛中脱颖而出,近3年,已有18人次取得了省级以上竞赛奖励.

4 结语

介绍了结构模型竞赛的基本过程和步骤,进一步阐述了该类竞赛与创新性人才培养模式之间的关系.结合我院力学-结构课程群建设及开放性实践环节等方面改革实例,可以看出:培养“土木工程专业应用型人才”,在教学中突出“实践性、创新性”是根本;加强相关课程间及课程内有机融合是关键;创新型、设计性实践环节的设立是主要途径;创新基地活动是重要辅助手段.

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.北京:中国建筑工业出版社,2005

[2]程涛.结构模型竞赛与土木工程应用型人才培养模式的关系.实验技术与管理,2010,27(5):133-137

[3]于洋,姜峰,司炳君等.关于结构设计竞赛中模型的设计与制作方法.科技资讯,2007,18:201-202

[4]刘浔江.高等工程教育中力学课程改革的理论和实践.力学与实践,2009,31(5):77-80,20

竞赛模型 第6篇

关键词：结构设计竞赛,承载能力,概念设计,构件

结构设计竞赛作为旨在提高大学生的创新实践能力的科技活动, 受到了广大高校和学生的关注。全国赛, 地区赛, 省级比赛以及众多的校际比赛吸引了大量的学生参与。结构设计竞赛的获胜规则一般是在位移不超限的情况下, 模型的承载能力与自身重量之比即荷重比最大。虽然也有最佳创意、最佳制作等奖项, 但大家最重视的还是模型的承载能力———结构的定义即为能够承受荷载传递荷载并起骨架结构的部分。所以提高模型承载能力和变形能力是设计制定方案的出发点和着力点。

1 结构体系设计

不论什么级别的比赛, 一般都会给出具体的题目和要求, 是桥梁结构还是高层建筑, 是单跨梁桥还是多跨梁桥。一定要从题目出发, 进行结构体系的整体概念构思和设计。只有当整个体系都考虑清楚之后, 才会进一步到分体系或是构件的具体构思。如果整个体系没有把握清楚就开始, 结果是可想而知的。以框架结构为例, 整体的概念设计可以参照结构抗震设计规范里的一些原则。结构应具有明确的计算简图和合理的传递途径;对可能出现的薄弱部位应采取措施比如梁柱连接部位;连接处的承载力应大于相连构件的承载力。具体而言, 结构应该有一定的刚度, 怎么样能尽可能减小变形, 结构会有一定的质量, 能更小吗, 结构必须承受一定的竖向荷载和水平荷载, 主要靠谁实现。在考虑这些问题的时候, 同时牢牢把握框架结构的特点即要做到强柱弱梁。整体上不出错, 才能保证结构能够实现一定的功能。竞赛中有的模型框架柱不是整体而是采用分段连接, 一加载马上就破坏。再比如为提高框架结构的抗侧移能力, 增加了斜撑, 可是在放置模型的时候却将框架的方向放反了而导致加载失败。这都是整体概念不清晰。总之, 结构整体的概念设计合理, 会对提高模型的承载能力起到事半功倍的作用。

2 结构模型构件设计

结构设计竞赛的材料一般为白卡纸和白乳胶, 结构模型就是若干纸质构件利用乳胶或铅发丝线连接而成。这其中包括构件的选型、构件间的连接、构件薄弱位置的加固等。为了使制作成型的构件满足承载力的要求, 必须了解各类形式构件的优劣点、卡纸层数对其性能的影响以及卡纸本身的力学性能指标等。下面分别通过实验研究了受压构件和受弯构件不同截面尺寸、不同卡纸层数的构件承载能力。

2.1 轴心受压构件的承载能力

2.1.1 不同截面形式的比较

为了选择适合承受轴向拉压的纸质杆件的截面类型, 找出最为合理的纸质杆件形式来承担轴向力。选择了5类截面形式进行了相关试验, 结果详见表1。

分析试验所得数据可知, 抗压极限承载力最小的为C类构件, 最大的为E类构件;荷重比较为突出的为A类、E类构件, 较差的有C类、D类构件。可见, 柱子一类的受压构件以原截面为宜。E类截面虽然荷重比较大, 但是制作麻烦, 柱子连接之间容易成为新的薄弱点, 所以建议优先选用圆柱截面。

2.1.2 不同截面面积大小纸质构件的轴向抗压能力研究

该实验采用同等长度不同截面面积的空心圆 (3层白卡纸) 纸质模型, 长度为40 cm, 直径分别为1 cm, 2 cm, 4 cm, 6 cm的空心圆构件进行抗压实验, 结果见表2。

对比试验数据, 开始时随着构件直径的增加, 其荷重比增大;当构件直径达到4 cm附近时, 构件荷重比达到极大值;随着构件直径的继续增大, 构件的荷重比开始减小。总结试验数据可得:纸质结构构件的抗压承载能力随构件直径的增大呈抛物线变化。当纸质空心构件的长径比处于10附近时, 该构件的抗压能力较为理想。

2.2 受弯构件承载力研究

1) 不同截面形式的比较。为了找出适合作为纸质结构抗弯构件的截面形式, 选择4类结构模型制作中常采用的截面类型对其的抗弯能力进行了相关试验, 详见表3。

分析试验数据可知:A类构件的构件荷重比最高, 但构件自重也较高;B类构件荷重比最高, 结构自重适中;C类构件荷重比较差, 结构自重最小;D类构件荷重比最差, 构件自重适中。

2) 不同卡纸层数构件的抗弯能力对比。在纸质结构模型的制作中, 选择适当的卡纸层数进行构件的粘贴也尤为重要, 卡纸较少时, 会导致构件的承载力太小;卡纸太多时, 又会增加构件的重量。所以, 针对不同卡纸层数的纸质结构构件的抗弯能力进行了相关研究, 详见表4。

由表4可知, 构件的抗弯能力随卡纸层数的增加而增加, 且增幅逐渐增大。所以理论上卡纸层数越多, 构件的抗弯能力越为突出。但考虑到构件运用的合理性, 试验数据以及比赛经验, 一般情况下粘贴构件的卡纸选取2层~3层最为合理。

3 节点设计

虽然“强节点弱构件”的思想一直贯穿于整体设计中, 但实践中模型的破坏大都是节点破坏而不是构件破坏。也就是说保证模型结实耐用变形小的重要环节就是节点的牢固。纸质模型的节点处理实际上比较困难, 常用的方法有以下几种。

3.1 节点贴片法

通过在节点处粘贴卡纸从而使节点部位处局部加厚增加结构的刚度。大多数节点都可以采取这样的处理方式, 并且还在节点位置处截面内增加一些填充物来增强其刚度。

3.2 节点绑扎法

通过在节点处绑扎铅发丝线使构件连接在一起。但要注意绑扎的力度, 尤其构件截面为矩形时很容易绑扎时碰到棱角而使截面出现缺陷。

3.3 节点卯榫法

圆柱与矩形截面梁相连接时还可以采用在柱上预留切口, 梁进入柱截面的卯榫法。要特别注意预留洞口的精确, 不能削弱柱子太多。

3.4 端点处的处理

在模型加载过程中, 模型的一些承重端部常发生破坏, 如模型与地面接触的构件端部和模型与荷载接触的构件端部。为了防止这些薄弱点的破坏导致模型整体承载能力的降低, 通常情况下采用杆件内部填充和局部增加卡纸层数的方法解决这类问题。

实际在处理节点的过程中, 更多的是几种方法同时使用。有些模型构件上增加重量, 却不舍得给节点处多加一些, 这其实是得不偿失的。

4 制作工艺

模型中绝大部分构件是由白卡纸制作而成的, 因此模型承载能力与纸质构件的制作工艺直接相关。

首先根据定好的构件尺寸画线。测量时应注意多层卡纸构件的宽度的递增, 根据卡纸厚度选择适当的尺寸进行多层构件外层的包裹粘贴, 保证构件的外观符合预期要求。在画线的时候, 可选择用光墨水的签字笔, 不仅可以画出折痕, 方便折叠, 而且不会弄脏卡纸。画线时要求力度适中, 力度过大会降低白卡纸的强度, 力度过小会导致划痕不明显, 在折叠时容易使白卡纸发生偏折, 同样降低杆件强度。在画线之前选择好纸张的铺放方向。

裁剪过程中, 长直线采用切纸刀、直尺在木板上裁剪, 对于小尺度位置, 采用木刻刀裁剪。裁剪过程中应注意安全。在折叠过程中一定要特别注意, 防止发生偏折, 尤其是长直构件和截面较小的构件要特别注意偏折问题。

白乳胶必须有一定的流动性, 但不能太稀。胶合的时候最好用工具对粘贴面施加一定的压力。胶水干后会收缩变形从而导致构件的变形。可以采取以下两种方法来减小收缩:一是构件胶合面尽量设计为对称抹面;二是采用单面涂抹时对其另一对称面进行加热处理, 这样可以抵消部分收缩变形。最好使用模具进行构件的粘贴比图例如塑料模具和金属模具。

最后干燥处理。电吹风初步加热风干后将构件置于通风处自由晾干。在加热风干过程中, 应对构件粘贴面施加一定外力, 防止出现胶结面粘贴不牢的现象;将构件与其模板同时加热风干直至构件完全成型再拆除模板。

5 结语

提高结构设计模型的承载能力, 要综合考虑各方面因素。整体概念设计是关键, 柱子宜选用圆柱, 梁截面可采用箱形截面, 卡纸层数不宜太多, 以2层~3层为好。节点处理要给以特别重视, 用精湛的工艺制作出合格的构件。只有这样, 才能全方位提高参与者的创新能力、协作能力、动手能力和发现问题解决问题的能力, 使自己的作品脱颖而出。

参考文献

[1]林同炎.结构概念和体系[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社, 1999.

[2]张海生, 刘凯.浅谈结构设计竞赛的材料性能和模型细节处理[J].科协论坛, 2011 (1) :72-73.