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摘要:

中國已經經歷了近20年的大規模基礎建設期，土木工程學科如何抓住國家大建設的機遇，全面提升自己的辦學水平，是當前面臨的主要問題。而美國歷史上也經歷了多次基礎建設高潮，也隨之誕生了一批蜚聲世界的土木工程高等教育辦學典范。文章以伊利諾伊大學香檳分校土木系為例，介紹了其主要學科方向在不同歷史時期介入大型工程項目，積極創新，將基礎理論研究和教學水平提升到世界領先地位的經驗;分析了中國高校土木工程辦學中存在的問題，以及如何依托當前大規模基礎建設的機遇全面提升辦學水平的策略，以期為中國土木工程高等教育的發展獻計獻策。

關鍵詞:

土木工程;基礎建設;科技服務;學科發展

近20年來，中國的基礎建設規模逐步擴大，一系列大型基礎建設項目得以實施，特別是以高速鐵路網、高速公路網及大型公共建筑為代表的重點項目，特別是以“一帶一路”高鐵建設為代表，其中相當一部分建設難度或建設水平都處于世界前列，中國部分高等院校的土木工程學科負責了其中部分項目的關鍵科學和技術問題研究，并通過承擔這些使自身的研究能力和辦學水平得到了一定發展，但也隨之凸顯了一些矛盾和問題，如:土木工程高等教育辦學重科研、輕教學，基礎理論研究的積極性和水平有待提高等問題。無獨有偶，美國現代歷史上也經歷了數次基礎建設高潮期，一批美國高校的土木工程院系充分把握了歷史機遇，無論在基礎理論還是工程實踐性研究，乃至專業教學水平上都得到了全面的發展，一躍成為美國和世界土木工程高等教育的翹楚，而且將其優勢保存至今。為了探究如何利用國家大規模基礎建設機遇促進土木工程專業高等教育辦學發展的經驗，筆者通過在美國為期一年的考察，系統研究了長期位于USnews土木工程專業排名前列的著名大學的學科發展史，分析其借力于國家重大基礎設施項目，以實現學科提升的過程;同時介紹美國高等院校土木工程系當今學科戰略布局的特點，以及其為長期可持續發展所秉持的一些重要辦學理念，以期為中國土木工程高等教育辦學提供參考。

一、UIUC土木系在美國重大建設項目中的參與及學科發展

伊利諾伊大學香檳分校(UniversityofIllinoisatUrbana－Champaign，簡稱“UIUC”)土木工程及環境工程系(后簡稱“土木系”)自1867年建系以來，一直在美國工程教育界享有至高聲譽［1］，據USnews＆Re-port美國高校土木工程專業排名顯示，UIUC土木系2012年位列第二，2013－2014年排名第一，2015年排名第二［2］。在近150年辦學歷史上，培養了許多知名學者和工程師。如設計了Hancock和Brunswick大廈，并開創了新型結構形式“筒中筒”的著名工程師FazlurR．Khan［3］;動力積分方法Newmark－β法的創始人NathanM．Newmark;中國著名水利工程專家黃萬里等。目前共有教職工約100人，其中正式教師(Faculty)50余人，涵蓋了環境工程和土木工程兩個主要方向，并通過學科交叉探索基于“可持續發展”和“社會風險分析”等前沿問題的學科建立模式。如今，上述學科分布雖然較為完備，但歷史上，UI-UC土木系是在不同時期，借助于不同類型的大規模基礎建設，著力提升了不同的學科分支而發展成為今天所看到的如此完備的專業體系。從19世紀初的大北方鐵路，到50年代州際國防高速公路體系建設，再到60年代冷戰戰備建設高潮，UIUC抓住機遇分別提升了鐵道工程、道路工程、結構工程、結構動力學等學科的辦學水平和研究條件，并不斷調整得以持續發展。

(一)鐵道工程1870～1900年，美國鐵路運營里程從85000公里，擴張到305775公里，鐵路網全面形成［4－6］。恰逢UI-UC土木系建系伊始，就迎來了鐵路建設的突飛猛進，所以最初設立的培養方向與此緊密相關。根據1870～1871年的學校董事會記錄，該校主要進行鐵道線路設計、地形地質勘測、橋梁建造等專業培養，工程實踐部分著重強調了線路測量能力;又如IraOsbornBaker在1878～1915年任系主任期間，先后親自講工程制圖、測量、鐵道工程、隧道工程等課程。可見這一時期辦學是以鐵道為重點，所培養的畢業生也陸續在圣菲鐵路和大北方鐵路中擔任技術骨干。作為合作的一部分，各鐵路公司也為UIUC測量實驗室的籌建從實習基地和設備兩個方面提供了相應的幫助，成為UIUC土木系早期辦學的重要基礎。基于19世紀末和20世紀初土木系深度參與鐵道建設的成果，一些經典的軌道和車輛分析模型得以發展，并被UIUC土木系的教授們寫入課本成為經典教材。即便在二戰后的美國鐵路發展低潮期，這些經典鐵路技術理論也保持了一定程度的發展。1983年起，美國鐵路協會(AAR)將三個附屬實驗室中的一個設置在UIUC土木系，自此該系開始系統承接或協同研究AAR研究項目［1］。進入21世紀后，受全世界高速鐵路建設高潮以及美國既有鐵路設施老化且事故頻發的影響，鐵路建設技術重獲重視。1998年起，在首席教授ChristopherBarkan帶領下，重組并快速擴大了UIUC鐵道技術的研究隊伍，成立了鐵道研究中心(RailTech)(圖2)，現已成為全美高校最大的鐵道科學研究中心，是美國客運鐵道公司(Amtrack)，美國交通技術中心(TTCI)和美國鐵路協會主要的科研合作機構［7］。

(二)軍事及防災減災工程在二戰以前，UIUC土木系對軍事工程介入甚少，主要以民用建設工程教育為主。二戰結束后，情況得以改變。二戰接近尾聲時，美軍各兵種都選送了相當數量的技術軍官到知名工科院校進修深造(包括完成因戰爭中斷的本科課程或讀研究生)，UIUC因為過去卓著的工科辦學成績，成為戰后美軍官兵進修的首選。基于與軍方良好的合作關系，土木系不僅從國防部得到了大量的項目和經費支持，且美國軍方還罕見地將位于內華達州和太平洋上的核試驗基地向UIUC土木系的項目開放，用于進行大比例結構模型的抗爆炸沖擊試驗。20世紀五十年代末，隨著冷戰局勢和核戰爭危險的加劇，為了準確計算結構物在動力沖擊下的反應，美國軍方不再滿足頻域分析和功率譜形式的動力學概率分析，需要較為準確的時程響應表達，因此在軍方項目資助下，NathanM．Newmark于1959年提出了Newmark－β法，可以較為精確地進行動力時程響應分析。該方法強有力地奠定了UIUC土木系在計算力學、結構控制工程研究領域的領先地位，至今仍然是計算結構動力響應的主要方法之一。今天，以New-mark命名的UIUC土木系結構實驗室(圖3)是全球知名的大型結構試驗研究中心［1］。1994年北嶺地震后，美國軍方和政府開始關注交通網絡震后最大通行能力及修復成本，以保證震后交通順暢。美國陸軍工程兵團(USACE)和緊急狀態委員會(FEMA)決定對以孟菲斯和圣路易斯為中心的美國中部公路鐵路交通網進行抗震災害評估。以UIUC土木系為依托的美國中部地震工程研究中心(MAE)承擔了這一項目，進行了長達數年的調研，給出了震后災害預測報告;同時，以保證震后路網的基本通行能力，促進交通盡快恢復為目標，提出了交通系統網絡的最優加固方案。如今MAE已經成為包括NEES(NetworkforEarthquakeEngineeringSimulation)在內的美國多個重大研究項目的合作成員［2］。除了上述介紹，UIUC土木系還承擔著相當一部分美國軍方的長期研究項目，如在抗沖擊和減震技術方面與陸軍工程兵團，在重載鐵路運輸技術方面與海軍的固定合作等［1］。

(三)交通工程UIUC的交通工程辦學隨著美國公路系統發展也經歷了三個主要階段［1］，［7］。1．主干公路建設階段1916～1939年，依據政府公路建設法案，聯邦政府總投資約5億美金，建設連接首都及各大重要城市的主干公路。基于對公路路面工程和橋梁工程技術發展的需要，1910年代在伊利諾伊交通署資助下，成立了“水泥及混凝土實驗室”，后發展為著名的“Talbot材料工程實驗室”，它是美國公路工程早期重要的研究基地。這一時期HaraldWestergaard教授提出了第一個混凝土路面的力學模型，奠定了美國混凝土路面設計的理論基礎。由于UIUC土木系在公路工程上卓有成效和特色的工作，1941年，伊利諾伊交通署與UI-UC正式簽訂了在交通工程方面的合作協議，土木系開始長期、系統地與州政府合作辦學。2．地區公路建設階段1939～1956年，美國城市化進程發展迅猛，地區性公路建設成為重點，一些著名城市的公路橋建造技術成為關注焦點，此時WilburMWilson教授在橋梁研究方面進展卓著，他系統分析了鋼筋混凝土拱橋、連續剛構橋、圓柱及薄壁殼體構件的行為特征，其成果在加州舊金山－奧克蘭海灣大橋、金門大橋等一系列重要的橋梁工程上應用。這一階段土木系在交通土建工程上的成就，不僅體現在實際工程項目的科技服務中，而且還使得工程理論積累有了很大進步，例如HardyCross教授在這一時期發明的用于高次超靜定體系分析的“彎矩分配法”，至今仍是結構力學的經典教學內容。3．州際國防公路體系建設階段1956～1989年，出于冷戰產生的國防需求，美國政府依據《聯邦政府資助公路法案》，興建了規模龐大的“州際國防公路體系”。雖然州際國防公路占美國公路總里程4%，但承擔了美國運輸量的70%，建設標準必然高于普通的地區性公路。基于這項龐大、高標準的工程所需要的科學研究支撐，UIUC土木系積極投身其中。從1950年代中期起，通過伊利諾伊交通署設立的長期資助項目“伊利諾伊公路及交通聯合研究計劃”(ICHTR)的資助，Newmark聯合了力學系的Ri-chart教授，對公路橋面板力學性能進行了長達十年的系統研究，全面掌握了各類型板結構的特點，對美國公路協會(SHTO)的相關結構規范產生了深遠影響。20世紀上半頁，為了解決重載卡車運輸的問題，在SHTO資助的渥太華道路測試項目中，UIUC土木系在全美最早展開了軟路面試驗研究，該研究有針對性地考慮了不同車載重量和軸距的卡車作用對路面的影響，極大地促進了彈性路面的研究(如圖4)。在此基礎上，Barenberg教授完善了路面的半力學半經驗設計框架，所提出的微觀力學演變模型能夠較好地預測路面的長期工作狀態。此外，他還與Thompson教授一起在石灰粘土路基穩定性方面進行了開創性研究。從1993年起，為致力于發展環保和可持續性強的新型道路，由伊利諾伊州交通署(IDOT)和聯邦公路管理處(FHWA)投入1800萬美金，在含室外實驗場地在內的47英畝占地上，建立了全美最大的道路工程實驗室(AdvancedTransportationandResearchEngi-neeringLaboratory，簡稱“ATREL”)，該實驗室自成立至2012年，已承擔了130余項科研項目，年度科研經費在600萬美金以上，協作研究單位多達16家，成為美國交通部最重要的科技合作對象之一［7］。

二、基礎理論研究和教學水平的提高

在參與國家重大工程項目，實踐性工程研究能力提高的同時，如何兼顧專業基礎理論研究提升，保證教學水平的提高，是促進高水平工程教育可持續發展必須考慮的問題。UIUC土木系在百余年的辦學歷史上高度重視土木工程的基礎———力學，UIUC土木系長期保留了專門從事力學研究的固定崗位，并高度重視力學研究的傳承，沒有落入“土木辦學工程技術化”的不利循環。1930年代HardyCross建立了“彎矩分配法”超靜定結構力學經典求解方法。1960年代HardyCross的學生Newmark創立了第一個動力學時程分析解法“Newmarke－β法”。70年代AlfredoH－S．Ang奠定了現代結構可靠度計算理論的基礎。80年代WKWen在非線性動力響應的等效線性化的研究過程中提出了今天得到廣泛應用的Bouc－Wen模型。上述里程碑式的原創性力學成就奠定了UIUC土木系深厚的發展基礎，大量的應用性研究成果依托其得以產生，也使得學校在USnews土木排名長期穩居全美前三。無獨有偶，分析加州大學伯克利分校土木系歷史可以發現，有從40年代起Clough到Wilson，Kiureghian到Chopra這樣的有限元和結構動力學研究承襲，而土木工程排名不及這兩所學校的其他美國院校就無法溯源出如此悠久的工程力學研究歷史。在科學研究取得巨大進展的同時，教授們將最新的研究成果及時寫入教材，教學內容體現了當時土木工程科學發展的前沿水平，教學質量得到了根本性提高，畢業生廣受歡迎。據UIUC土木系檔案記載，到1970年代末，全美60%的知名土木設計公司結構首席工程師都畢業于UIUC土木系。至1945年，土木系自編教材已超過50種，幾乎都成為經典，名揚中外。如Bauer撰寫的《公路工程》、Pickel的《線路勘測》，Huntington的《建筑施工》、Shed的《鋼結構設計》，等等，隨著這些教材被美國乃至世界其它高校所采用，為UIUC土木系贏得了良好的聲譽。“教研并重”也成為UIUC土木系的優良傳統，UIUC土木系檔案記載，從1950年代后期Newmark執掌土木系之后，原有的“教學型”和“科研型”兩種教師類型逐漸融合成“教研合一”的教師隊伍，這種轉型引領了二戰以后美國公立大學高等工程教育的發展模式［1］。

三、對中國高校工科辦學的啟示

(一)對專業院校學科發展的啟示基于1952年的院校調整，中國有一批專業性非常突出的工科院校，往往全校都圍繞某個固定行業進行學科建設，相比綜合型大學，這些高校進行學科調整和大學科交叉的難度更大［5］，［8］，因此，在市場經濟時代，要根據建設需求，適時調整與土木相關的“小專業”的發展，而不定格于某個固定的專業方向。要憑借敏銳的建設發展意識，抱著積極服務社會的態度，面向工程需求開展教學和研究。要通過多方合作，在不同時期借助不同的建設機遇發展不同的專業方向，逐步提高學科發展整體水平。同時，強化基本工程理論的積累與發展，拓展基本工程理論的應用面，在大專業背景下通過教學、科研及社會服務多方參與國家的建設發展，尋求自身發展動力。

(二)對高校專業教學建設的啟示UIUC土木系不斷將前沿科研成果轉化為教學內容。通過對經典課程教學的長期更新完善，補充最前沿的研究進展，間接地實現了“教研并重”的目的。這對于改善中國當前教研分離現象，在及時更新教學內容的同時，系統整理提升科研成果有重要的啟示。事實上，由完成項目的具體帶頭人負責專業課程教學建設，是國外大學普遍采用的方式，這不僅有利于將最新的科研成果納入教材，還保持了一線教學教師的科研素質。中國高校學科帶頭人和專業課程建設負責人存在分離現象，其不足之處顯而易見［5］，［8－9］。綜上所述，在UIUC土木系百年發展史中，敏銳地洞察國家建設需求，積極調整學科發展的重點，保持良好的社會服務意識，多方合作，拓寬學科發展路徑;同時注重工程理論深化和積累，將最新的科研成果融入教學內容，上述舉措使這一傳統專業總在不同時期能夠捕捉到發展機遇，獲取充分的社會資源，促進學科發展和自我提升，提高辦學影響力。其經驗和辦學理念對于中國當前的土木工程專業，乃至工科高等教育的發展有很好的借鑒意義。

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作者：王楠 楊成 蒲黔輝 單位：西南交通大學 土木工程學院