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重大基础建设对美国土木工程高等教育的推动作用

时间:2022-03-06 08:14:39 浏览次数:

报告;同时,以保证震后路网的基本通行能力,促进交通尽快恢复为目标,提出了交通系统网络的最优加固方案。如今MAE已经成为包括NEES(Network for Earthquake Engineering Simulation)在内的美国多个重大研究项目的合作成员[2]。

除了上述介绍,UIUC土木系还承担着相当一部分美国军方的长期研究项目,如在抗冲击和减震技术方面与陆军工程兵团,在重载铁路运输技术方面与海军的固定合作等[1]。

(三)交通工程

UIUC的交通工程办学随着美国公路系统发展也经历了三个主要阶段[1], [7]。

1.主干公路建设阶段

1916~1939年,依据政府公路建设法案,联邦政府总投资约5亿美金,建设连接首都及各大重要城市的主干公路。基于对公路路面工程和桥梁工程技术发展的需要,1910年代在伊利诺伊交通署资助下,成立了“水泥及混凝土实验室”,后发展为著名的“Talbot材料工程实验室”,它是美国公路工程早期重要的研究基地。这一时期Harald Westergaard教授提出了第一个混凝土路面的力学模型,奠定了美国混凝土路面设计的理论基础。由于UIUC土木系在公路工程上卓有成效和特色的工作,1941年,伊利诺伊交通署与UIUC正式签订了在交通工程方面的合作协议,土木系开始长期、系统地与州政府合作办学。

2.地区公路建设阶段

1939~1956年,美国城市化进程发展迅猛,地区性公路建设成为重点,一些著名城市的公路桥建造技术成为关注焦点,此时Wilbur M Wilson教授在桥梁研究方面进展卓著,他系统分析了钢筋混凝土拱桥、连续刚构桥、圆柱及薄壁壳体构件的行为特征,其成果在加州旧金山-奥克兰海湾大桥、金门大桥等一系列重要的桥梁工程上应用。这一阶段土木系在交通土建工程上的成就,不仅体现在实际工程项目的科技服务中,而且还使得工程理论积累有了很大进步,例如Hardy Cross教授在这一时期发明的用于高次超静定体系分析的“弯矩分配法”,至今仍是结构力学的经典教学内容。

3.州际国防公路体系建设阶段

1956~1989年,出于冷战产生的国防需求,美国政府依据《联邦政府资助公路法案》,兴建了规模庞大的“州际国防公路体系”。虽然州际国防公路占美国公路总里程4%,但承担了美国运输量的70%,建设标准必然高于普通的地区性公路。基于这项庞大、高标准的工程所需要的科学研究支撑,UIUC土木系积极投身其中。从1950年代中期起,通过伊利诺伊交通署设立的长期资助项目“伊利诺伊公路及交通联合研究计划”( ICHTR)的资助,Newmark联合了力学系的Richart教授,对公路桥面板力学性能进行了长达十年的系统研究,全面掌握了各类型板结构的特点,对美国公路协会(ASSHTO)的相关结构规范产生了深远影响。

20世纪上半页,为了解决重载卡车运输的问题,在ASSHTO资助的渥太华道路测试项目中,UIUC土木系在全美最早展开了软路面试验研究,该研究有针对性地考虑了不同车载重量和轴距的卡车作用对路面的影响,极大地促进了弹性路面的研究(如图4)。在此基础上,Barenberg教授完善了路面的半力学半经验设计框架,所提出的微观力学演变模型能够较好地预测路面的长期工作状态。此外,他还与Thompson教授一起在石灰粘土路基稳定性方面进行了开创性研究。

从1993年起,为致力于发展环保和可持续性强的新型道路,由伊利诺伊州交通署(IDOT)和联邦公路管理处(FHWA)投入1 800万美金,在含室外实验场地在内的47英亩占地上,建立了全美最大的道路工程实验室(Advanced Transportation and Research Engineering Laboratory,简称“ATREL”),该实验室自成立至2012年,已承担了130余项科研项目,年度科研经费在600万美金以上,协作研究单位多达16家,成为美国交通部最重要的科技合作对象之一[7]。

二、基础理论研究和教学水平的提高

在参与国家重大工程项目,实践性工程研究能力提高的同时,如何兼顾专业基础理论研究提升,保证教学水平的提高,是促进高水平工程教育可持续发展必须考虑的问题。

UIUC土木系在百余年的办学历史上高度重视土木工程的基础——力学,UIUC土木系长期保留了专门从事力学研究的固定岗位,并高度重视力学研究的传承,没有落入“土木办学工程技术化”的不利循环。

1930年代Hardy Cross建立了“弯矩分配法”超静定结构力学经典求解方法。

1960年代Hardy Cross的学生Newmark创立了第一个动力学时程分析解法“Newmarke-β法”。

70年代 Alfredo H-S. Ang奠定了现代结构可靠度计算理论的基础。

80年代 W K Wen在非线性动力响应的等效线性化的研究过程中提出了今天得到广泛应用的Bouc-Wen模型。

上述里程碑式的原创性力学成就奠定了UIUC土木系深厚的发展基础,大量的应用性研究成果依托其得以产生,也使得学校

在USnews土木排名长期稳居全美前三。无独有偶,分析加州大学伯克利分校土木系历史可以发现,有从40年代起Clough 到Wilson, Kiureghian到Chopra这样的有限元和结构动力学研究承袭,而土木工程排名不及这两所学校的其他美国院校就无法溯源出如此悠久的工程力学研究历史。

在科学研究取得巨大进展的同时,教授们将最新的研究成果及时写入教材,教学内容体现了当时土木工程科学发展的前沿水平,教学质量得到了根本性提高,毕业生广受欢迎。据UIUC土木系档案记载,到1970年代末,全美60%的知名土木设计公司结构首席工程师都毕业于UIUC土木系。至1945年,土木系自编教材已超过50种,几乎都成为经典,名扬中外。如Bauer撰写的《公路工程》、Pickel的《线路勘测》,Huntington的《建筑施工》、Shed的《钢结构设计》,等等,随着这些教材被美国乃至世界其它高校所采用,为UIUC土木系赢得了良好的声誉。“教研并重”也成为UIUC土木系的优良传统, UIUC土木系档案记载,从1950年代后期Newmark执掌土木系之后,原有的“教学型”和“科研型”两种教师类型逐渐融合成“教研合一”的教师队伍,这种转型引领了二战以后美国公立大学高等工程教育的发展模式[1]。

三、对中国高校工科办学的启示

(一)对专业院校学科发展的启示

基于1952年的院校调整,中国有一批专业性非常突出的工科院校,往往全校都围绕某个固定行业进行学科建设,相比综合型大学,这些高校进行学科调整和大学科交叉的难度更大[5], [8],因此,在市场经济时代,要根据建设需求,适时调整与土木相关的“小专业”的发展,而不定格于某个固定的专业方向。要凭借敏锐的建设发展意识,抱着积极服务社会的态度,面向工程需求开展教学和研究。要通过多方合作,在不同时期借助不同的建设机遇发展不同的专业方向,逐步提高学科发展整体水平。

同时,强化基本工程理论的积累与发展,拓展基本工程理论的应用面,在大专业背景下通过教学、科研及社会服务多方参与国家的建设发展,寻求自身发展动力。

(二)对高校专业教学建设的启示

UIUC土木系不断将前沿科研成果转化为教学内容。通过对经典课程教学的长期更新完善,补充最前沿的研究进展,间接地实现了“教研并重”的目的。这对于改善中国当前教研分离现象,在及时更新教学内容的同时,系统整理提升科研成果有重要的启示。事实上,由完成项目的具体带头人负责专业课程教学建设,是国外大学普遍采用的方式,这不仅有利于将最新的科研成果纳入教材,还保持了一线教学教师的科研素质。中国高校学科带头人和专业课程建设负责人存在分离现象,其不足之处显而易见[5],[8-9]。

综上所述,在UIUC土木系百年发展史中,敏锐地洞察国家建设需求,积极调整学科发展的重点,保持良好的社会服务意识,多方合作,拓宽学科发展路径;同时注重工程理论深化和积累,将最新的科研成果融入教学内容,上述举措使这一传统专业总在不同时期能够捕捉到发展机遇,获取充分的社会资源,促进学科发展和自我提升,提高办学影响力。其经验和办学理念对于中国当前的土木工程专业,乃至工科高等教育的发展有很好的借鉴意义。

参考文献:

[1]Haltiwanger J D. CEE history and Heritage [R].Urbana IL: CEE department of UIUC. 2008.

[2]USnews: Best Graduate Schools -Civil Engineering[DB/OL]http://grad-schools.usnews.rankingsandreviews.com/best-graduate-schools/top-engineering-schools/civil-engineering-rankings. 2013-6-14.

[3]Fazlur R Khan. International Association for Bridge and structural Enigineering[J]. 蒋大骅,王庆扬,等译.结构工程师, 1987(2):70-75.

[4]朱寿清.美国19世纪铁路建设的特点及影响[J].昆明学院学报 2010(2):75-79.

[5]陈艾华,吴伟大,陈勇.美国工科院校创新型工程科技人才培养[J].现代管理教育 2012 (9):124-128.

[6]陈东丰.美国高速公路建设和发展的启示[J].吉林交通科技, 2006(S0): 57-60.

[7]Myrick L. Illinois Highway Research [R].Urbana IL: CEE department of UIUC. 2011.

[8]林健.形成具备竞争优势的卓越工程师培养特色[J].高等工程教育研究. 2012(6):7-21,30.

[9]杨成.布里斯托大学工学院Masterclass课程点评[J]高等工程教育研究. 2012(4):142-145,152.

(编辑 梁远华)

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