1.1竞赛概况

全国周培源大学生力学竞赛由教育部高教司委托力学教学指导委员会力学基础课程教学指导分委员会、中国力学学会和周培源基金会共同举主办。本届竞赛具体由《力学与实践》编委会和中国力学学会教育工作委员会承办，中国力学学会科普工作委员会、西南交通大学、哈尔滨工业大学协办。其中个人赛题目、“理论设计与操作”团体赛题目由西南交通大学负责。“理论设计与操作”团体赛于2023年8月15日至17日在西南交通大学举行。

本次“理论设计与操作”团体赛是该团体赛历届举行以来规模最大的一次，有46个代表队参赛，涉及48所高校（1个代表队为两校联合组队；1个代表队非联合组队，1名参赛成员来自该省其他高校）（图1），共计205名参赛学生、88名带队教师。另外8名专家、30余名教师、120名志愿者参加了赛事组织与服务活动。国防科技大学获得本次团体赛特等奖，一等奖分别由长沙理工大学、广西大学获得。

竞赛期间，西南交通大学组织带队教师和未入赛场的参赛学生参观了轨道交通运载系统全国重点实验室，邀请带队教师前往力学国家级实验教学示范中心开展了实验条件建设和实验教学交流。

图1 本次团体赛参赛高校代表队组成

1.2 赛事组织与出题原则

团体赛特等奖单位将成为下一届赛事的协办方和承担者，该“赛制特色”一直受到参赛高校认可并产生广泛影响和重视。为此我们一方面关注历届团体赛的经验和不足，另一方面与时俱进地寻求团体赛在新时代的契合性发展，对大家较为关注的赛事组织和出题环节进行全面规划和设计。

1）仍采用近几届大家熟悉的“赛场内外师生分离、赛队之间空间隔离、4道独立控秘赛题、实物制作及功能操作结果计分、非淘汰积分制”竞赛组织模式。该模式经历历届团体赛举行的不断完善和检验，逐渐形成为全国各高校和参赛师生广为接受和公认的竞赛风格，参赛队和学生不需要花费额外的精力去研判和解读竞赛模式。

2）以“新时代、高质量、高水平”的要求谋划赛事组织，设立指挥、赛题、服务、场地、宣传、交通、条件保障等责任工作小组，定期召集赛务会议和小组分会议，对赛前、赛中、赛后每个阶段和各个环节进行精细化、精准化安排。由传统的“赛题竞拼”组织为主要，转变为赛场内外、赛事全过程和全时段的“场景功能”同等重要，在“比赛第一”基础上，追求参赛队全员、全过程“竞赛育人”效益。

3）营造和体现现代高校学科竞赛活动组织氛围：分类考虑会场、场内参赛队员、场外队员和带队教师的不同需求，提供先进-优越-人性化的活动场地、服务条件和交流环境；提供竞赛相关的足够冗余度的工具、器件、材料、耗材与辅材；提供多种现代电子信息技术条件，实时公开和展示竞赛信息；遴选学校轨道交通国家级科研平台和力学实验国家级教学平台开展观览与交流特色活动；贯彻大安全观，对竞赛全过程落实安全研判和安全监控。

4）赛题是团体赛的“核心内容”。本届团体赛对应赛程4个时段，设置4个独立题目，出题设计原则如下：

1.3 赛事组织的启示与思考

本次团体赛获得圆满成功的赛事组织成效。这里提及一些较为触动的事例：考虑本次团体赛规模较大，笔者作为赛事负责人赛前坚持给每位带队负责教师进行通话联系，再次核实参赛队的会务安排和个性化需求，加强了兄弟高校之间的相互交流，得到教师同仁的认可和致谢；参赛师生对赛题设计表现浓厚兴趣，诸多学生赛后热烈解读赛题体现出的我校优势学科背景，某校学生回校后仍很激动，发来对赛题的解题思路与感想，部分教师主动交流，希望获取方案用于课程教学；一些教师在赛场外的科研、教学实验室观览活动中，希望获取相关实验指导材料和实验室建设材料。整个竞赛过程，参赛师生一直处于排名跌宕竟拼、已竞赛题回味反思、未竞赛题猜测期待的积极情势，我们认为这正是竞赛育人的独特效果。这些竞赛反响表明应以参赛学生和教师为本，落实赛事的全过程精细化组织与服务安排，这是本次竞赛中我们获得的最大启示。同时这里也提出一些思考。

1）全国周培源大学生力学竞赛经历40年演变，逐步发展为各具特色和风格的3个竞赛部分，即个人笔试赛、理论设计与操作团体赛、基础力学实验团体赛，整个赛事把握了力学基础研究与工程应用的二元属性，形成了一个完整的从理论到实验/实践的竞赛内容体系。实践证明3个竞赛部分各具侧重点，基本得到师生广泛认可。在新时代高校教育教学和人才培养大变局期，如何继续提升竞赛的影响力和更广泛的关注度，值得总结、交流和研讨。

2）基础力学具有学科严谨性，相对于个人笔试赛和基础力学实验团体赛，理论设计与操作团体赛不需要专业的仪器设备和繁杂的理论推导，具有较多的自由、开放、兴趣、活泼、创新、协作等现场竞赛活动的元素特征，是最类似于其他规模性现场学科竞赛的团体赛，深得参赛师生喜爱。近年来，该团体赛有赛事规模和参赛意愿壮大的趋势，笔者认为本团体赛应继续发扬既有风格，更应通过赛事组织不断激发、真切保护师生的参赛热情。

3）我们认为学科竞赛本质上是一种特殊的综合性强的教学活动，且具有较强的学科领域人才培养导向性。理论设计与操作团体赛作为群体性场地赛，参赛学生除了赛题比拼，还有游学教育功效，参赛教师也有相互学习交流需求，为此应通过赛事组织打造赛场内外、竞赛全过程的本学科领域内的执育促教氛围；另一个值得重视的方面，提供和展现与场地赛匹配的舒适、先进的赛事场景和条件能够起到额外的环境育人效益。笔者2013年曾负责组织第九届基础力学实验团体赛（该团体赛首次成为全国周培源大学生力学竞赛组成部分），通过在开、闭幕式大型会议厅进行衔接切换使用，就地安置隔断式竞赛场地单元，不仅解决当时教室场地无空调，参赛学生炎热不舒适问题，而且赛场单元集中，便于专家评测现场操作分。该赛场环境营造模式受到参赛师生喜欢和传颂，该团体赛后面历届赛事纷纷效仿。

4）理论设计与操作团体赛涉及诸多加工工具，包括电钻、裁纸刀、改锥、锯子、充电电池等，存在携带、使用、充放电安全风险；同时高校师生也是最为活跃的自由行动、言论群体。我们在本次团体赛中提供足够冗余的工具与材料条件，笔者在赛前与每个参赛队交流联系，也有基于参赛队准备和携带相关物品、以及言论评价方面的安全考虑。事实上，大安全观是现代高校学科竞赛规范性开展的重要组成部分，为此，本团体赛的赛事组织需要逐步完善和落实大安全观理念，赛事组织应充分建立安全措施和预案，参赛师生也应主动进行安全注意和防范。

2.1 赛题设计

基于前述出题原则，通过多次研讨，遴选出本次团体赛的4个出题方向（见图2）。赛题设计如下：

1）考虑学生大众熟知、常规简单、协同操作、娱乐与趣味性等元素，设计第1项赛题：看谁投射好——乒乓球弹射装置设计与制作。

2）体现力学之于桥梁工程应用背景，设计第2项目赛题：看谁做的好——转体桥梁模型结构设计与制作。

3）突出力学之于轨道交通特色，设计第3项赛题：看谁停得好——指定条件的列车溜放停车。

4）试图注入现代测量技术元素和气息，设计第4项赛题：看谁测得准——手机拍照测量未知质量。

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图2 本次团体赛4个出题方向（注：图中图片来源于公开网络，此处仅作参考学习用）

2.2 赛题简介与评析

1）第1项赛题：乒乓球弹射装置设计与制作

利用赛场提供的工具和材料，设计制作1个发球装置发射乒乓球，使乒乓球在至少2块亚克力板上反射后击打靶标。共进行两回合发射，每个回合发射10只乒乓球，以两回合发射击打靶标的平均准确率计分，另外考虑装置制作基础分。如图3示意。

图3 乒乓球弹射装置设计、制作与操作示意图

赛题评析：

（1）本赛题内容广为熟知，由“弹射装置制作、反射板设置调节、击打靶标”3个环节组成，应该属于学生常规的设计制作训练、知识运用、以及协同操作技能发挥范畴。

（2）赛题强调弹射装置的稳定性、可靠性，以及击打靶标的准确率，这与乒乓球弹射、反射和摩擦的力学状态密切相关，但学生无需进行过多的理论解读，可通过装置试做达到良好效果，例如在保障装置稳定下，乒乓球运动速度较低时，击靶准确度较高。

（3）本赛题较为常规，预期各大部分参赛队可得较高分数，但竞赛出乎意料普遍存在所制作的弹射装置稳定性不好的问题，绝大多数参赛队得分不高。往届团体赛多有类似赛题，但主要考核制作装置的少数次（1-3次）操作下的偶遇极值能力，掩盖了装置的重复性检验。竞赛表明学生的动手制作、协同操作、试错找规律、及时调整的反应力等方面仍值得加强。

2）第2项赛题：转体桥梁模型结构设计与制作

利用赛场提供的转体工作台、工具和材料，设计制作2个可转体桥梁模型结构，并实现2个转体结构的合拢。分别考核2个转体桥梁模型结构、合拢整体桥梁模型结构在挂重作用下的挠度（刚度考核），合拢整体模型结构还计入总质量考核。以各参赛队现场测量结果采用专用公式计分，另外设置模型结构挂重性能基础分。如图4示意。

图4 转体桥梁模型结构设计、制作与考核示意图 

赛题评析：

（1）本赛题与学生基础力学知识和设计制作技能密切联系，涉及模型结构的截面型式与构造、转体结构与合拢结构考核截面的强度和刚度、结构优化设计、结构减重设计、结构合拢前后拉压非对称等综合考虑。

（2）承力结构的设计与制作，以及相关的静力学性能考核，是学生普遍关注和常规训练的内容，竞赛中只有1个参赛队加载环节出现结构失效，绝大多数参赛队普遍表现较好，各队得分呈现较好的正态分布。表明参赛队对此类型赛题均具有很好的应对能力。

（3）从综合分析和试做经验看，结构选择刚（桁）架构造型式，效果会明显提高，另外模型的制作细节也很重要。

3）第3项赛题：指定条件的列车模型溜放停车

赛场提供列车模型、拼接式轨道、工具和材料，在轨道指定区设计并制作轨道减速（消能、制阻）装置，要求溜车溜放后列车可停靠到指定位置，以列车停靠位置的准确度计分。分两个工况考核：

（1）如图5示意，参赛队通过试验和研究后，现场抽取2个指定列车溜放高度，分别根据所抽取的溜放高度布设减速装置，并溜放空载列车，要求列车可停靠到停车段的点D（或接近点D）。

（2）如图6示意，参赛队通过试验和研究后，布设减速装置，在斜坡段最高处分别溜放空载列车、满载列车，要求空载列车和满载列车在停车段停靠的相对位置越靠近越好。

图5 空载列车溜放停靠指定点（点D）示意图

图6 空载列车和满载列车在指定高度溜放停靠相对位置示意图

赛题评析：

（1）本赛题联系力学知识和我校轨道交通特色，具有较强的研究探索性，同时减速设计与列车溜放过程具有诸多不确定因素的影响，存在多种解决问题的可能途径，有利于学生自由发挥。

（2）从理论上分析，第1个工况需要学生通过试验与研究，摸清列车溜放高度、减速装置、指定停车位置之间的关系；第2个工况需要学生通过试验与研究，掌握列车载重与减速装置的关系，例如存在着一种摩阻减速方案，对空车减速多、而对重车减速小。

（3）本赛题仅1个参赛队在某1个工况出现失误，绝大多数参赛队普遍表现良好，各队得分基本呈现正态分布。

（4）从赛场情况来看，学生基本上选择在试错中不断寻找更好的方案，这也是应对现场竞赛的有效方法。

4）第4项赛题：手机拍照测定未知质量

赛场提供台架、100砝码1只、多种橡皮筋、重物2件（一轻一重）、其他辅助工具和材料，参赛队携带手机1个，要求只能采用手机拍照功能，测定重物质量，以测定结果的误差度计分。如图7示意。

图7 重物质量测定装置搭建示意图

赛题评析：

（1）本赛题一方面通过手机作为测量工具，给学生传递赛题设计的新颖性；另一方面希望学生综合考虑橡皮筋非线性、照片参照物与分辨尺度、重物变形过大、轻物变形过小、缩小或放大等等因素，搭建效果良好的量测装置。

（2）如何提高手机拍照图像的识别精度，具有多种有效的可能方案，有利于学生自由发挥。竞赛中参赛队均能很好理解题意，设计与操作普遍表现很好，1个参赛队获满分，各队得分基本呈现正态分布。

（3）本赛题参赛队普遍通过试验试做，确定橡皮筋组配方案，通过照片直接比对方法得到推测重物质量，未见放大装置的设计。

本次团体赛设立了赛事图片即时展示网络链接，但总体上在竞赛的社会宣传、新闻报道、学生竞赛表现花絮等方面信息传播的丰富性、手段的多样性值得提升，这应该是今后赛事组织须进一步加强之处。另外建议，在赛题分时段解密后，可组织适当形式的赛题公布会，促进参赛教师相互交流。

本次团体赛期间，没有收到安排不周、不合理或需要专家仲裁的诉求，说明赛事的整体组织、赛题设计与定量考核得到参赛师生认可。参赛队应对赛题出现一些出乎预测的表现（例如第1项赛题），竞赛积分你追我赶、扣人心弦，这正是本团体赛显示魅力、吸引学生的地方。仲裁专家和获奖队师生代表在发言中也提到一些经验与细节事项，例如学生应多关注力学基础对于工程问题的研究，学校重视和培训是获得好成绩的保障，学生仍然值得加强对加工工具和粘结材料的使用能力，这些经验和建议应该对参赛师生有实际参考作用。本文在总结赛事组织工作中，提出了一些思考和建议，愿与兄弟院校和同仁交流研讨。希望包括本团体赛在内的力学竞赛继续创新发展，为人才的新时代适应性教育和培养发挥作用。

特别感谢李俊峰教授、王琪教授、庄茁教授、周宏伟教授、殷雅俊教授、水小平教授、王建祥教授、张自兵主任、郭丽雅副主任、胡漫老师的大力支持和帮助；感谢负责实验室观览和交流活动的刘娟、范晨光老师；也感谢担任志愿者的120名博士生和硕士生。