高校本科生風工程探究性實驗的教學實踐

余世策， 蔣建群， 萬五一

(浙江大學 建筑工程學院， 浙江 杭州 310058)

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·實驗教學與創新·

高校本科生風工程探究性實驗的教學實踐

余世策， 蔣建群， 萬五一

(浙江大學 建筑工程學院， 浙江 杭州 310058)

根據探究性實驗教學的要求，結合風洞實驗的特點提出了高校本科生風工程探究性實驗的教學模式和具體教學方案，在國內首次開展了大規模的風工程探究性實驗教學，取得了良好的教學效果。基于高端風洞實驗平臺的自主創新教學模式的成功實踐為土木工程學科實踐教學指出了新的發展方向。

本科生； 風工程； 探究性實驗； 教學方法； 教學案例

0 引 言

我國高等教育不斷改革發展，對高校學生的要求也有較大的提高，不再僅要求學生掌握扎實的理論知識，同時要求學生有較強的實驗動手、分析解決問題、綜合設計和創新能力，實驗教學是高等學校人才培養體系的重要組成部分，對培養學生工程能力和創新精神起著關鍵的作用。一直以來，高等教育奉行理論教學為主，實踐教學為輔；理論教學時間長，實踐教學時間短的教學模式，其造就的學生只知坐而論道，不懂起而踐行，實踐教學逐步“邊緣化”，實踐訓練環節由軟化、虛化、弱化甚至逐步走向了形式化[1-2]。隨著高校規模的日益擴張，教學資源特別是實驗教學資源緊張的矛盾更加突出，實驗教學組織日益困難，實驗教學質量得不到保障，這些都是制約創新型人才培養的關鍵因素[3]。如何強化實驗教學在本科教學中的地位，是現代高校需要解決的重要問題[4-7]。

土木工程實驗教學是高校實驗教學實施難度較大的一個專業，因為土木工程實驗課程涉及到的內容較廣，實施過程中會碰到學科交叉問題、工種結合問題、團隊協作問題，這些使得組織土木工程專業的實驗教學需要更多的投入，特別是土木工程探究性實驗的實施對教學資源的要求更高，縱觀國內高校，能大規模開展土木工程探究性實驗的廖廖無幾。依托大型精密儀器并結合科研項目開展本科生探究性實驗是一條重要的改革路徑，已經引起教育界的高度關注，在農業、材料、化工等專業已經有所嘗試[8-11]，然而土木工程學科的特點決定了在高端實驗平臺開展本科生探究性實驗難度很大。本文介紹浙江大學利用邊界層風洞實驗室開展本科生探究性實驗教學時遇到的問題、解決的方法以及幾年來的教學實踐，探索高端科研平臺在本科生探究性實驗教學中的應用，為土木工程探究性實驗教學的可持續發展開拓一條新的道路。

1 現狀分析

一直以來，我國高校風洞實驗室主要作為國家及省部級縱向科研基金及重大工程項目抗風性能研究的實驗場所，使用群體主要是高校教師、碩士、博士研究生及其他相關科研人員，而本科生實驗教學的效能基本沒有得到發揮。通常做法都是將本科生帶到風洞參觀，簡要介紹一下實驗室的構造、功能及所完成的風洞實驗項目，本科生不可能有機會參與使用。主要原因有以下幾點：① 風洞實驗室投資大，基本在千萬元以上，建設的初衷及定位也一般都未納入本科生實驗教學；② 風洞實驗室縱向科研課題及橫向服務項目都較多，很難專門抽出時間為本科生進行實驗教學；③ 風洞實驗室儀器比較精密貴重，很多是進口設備，本科生直接操作維護困難，一旦損壞，維修費用高，周期長，④ 風洞儀器一般都是單機形式，若采用實驗教學，風洞實驗成本高，而且也很難每人都有機會操作[12-13]。可見在風洞實驗室開展本科生探究性實驗確實是有很大難度的。

近些年來，學校加大了本科生探究性實驗教學的扶持力度，浙江大學土木水利實驗教學中心大膽嘗試，開設了“土木工程自主創新實驗”課程，從2012年開始，課程正式開設風工程專題實驗，首次將風洞實驗平臺向本科生開放，受到了廣大本科生的歡迎。在開展風工程探究性實驗的教學實踐中，教學課題組針對風洞實驗的特點在風工程探究性實驗的教學模式、教學方法和教學內容上均探索出一些新的思路。

2 風工程探究性實驗教學實踐

2.1 探究性實驗的教學要求

探究性實驗的教學模式區別于傳統實驗教學的特征主要表現在以下幾點：① 實現教師與學生的角色轉變，傳統的師生關系強調的是師道尊嚴，教師是至高無上的權威，學生只是絕對的順從，這種不平等的師生關系導致學生學習主體意識的缺失，而探究性實驗則強調教師要由學生的權威變為學生的伙伴，在與學生的心靈的碰撞、情感的交流中完成，而學生則是從由被動聽講轉變為主動參與充分體現學生在學習活動中發揮的自主性、主動性、創造性上；② 實現課堂內教學到全開放性教學的轉變，傳統的實驗教學只需要在課堂內完成老師布置的任務即可，而探究性實驗則需要學生在課余時間全身心投入，完成一項科研任務，對學生的考核也不僅僅限于課堂表現，而是貫穿整個項目實施過程；③ 實現從得到驗證性結論到發現探索性結論的轉變，傳統的驗證性實驗只需要驗證現有的理論和現象，而探究性實驗則不限結果，從預設的實驗中發現和探索新的現象和規律，即便結果不理想也無關緊要，重在培養學生探索的精神。

2.2 風工程探究性實驗的教學方法創新

風工程探究性實驗的教學方法必須符合探究性實驗的基本要求，但也有其自身的特點，在具體實施過程中應采取三種策略。

(1) 采取知識講座和文獻查閱相結合的策略。風洞實驗對于本科生來說是一項陌生而高端的實驗，在本科生教學計劃中并沒有風工程的理論課程，因此采用知識講座的方式對本科生進行風工程基礎知識的傳授是必要的，在知識講座過程中提出一些研究方向供學生參考，引導學生查閱相關文獻作更深入的學習，這樣的教學策略有利于學生快速進入角色，又發揮了其主觀能動性；

(2) 采取限制性和開放性相結合的策略。風洞實驗設計工作量大、實驗內容復雜，為了確保實驗室正常運轉又讓學生有足夠的自主探究空間，在開放實驗項目時需要有一定的限制，包括實驗選題方向、實驗具體操作、實驗材料確定及實驗工況等：① 在實驗選題時由老師確定研究方向，當然這個研究方向相對是非常寬泛的，并不會限制學生的創新思維的發揮，但卻能保障實驗開展的可行性。② 由于風洞實驗儀器貴重，因此實驗儀器的操作以及需要長期積累的實驗室工作(如風場調試)由實驗室專業技術人員完成，而將實驗方案的設計、實驗模型的制作、實驗工況的調整以及實驗數據的處理等內容的主動權交給學生，這樣既保障了實驗進程，又不影響學生主動性的發揮。③ 為了降低實驗的經費投入，僅給學生提供了5mm厚的PVC板，由學生設計好后由模型公司用專業雕刻機統一雕刻并打孔，再由學生自行安裝皮托管并組裝成形。④ 在工況數量上進行限制一方面是為了降低風洞試驗的投入，另一方面也是為鍛煉學生抓住問題關鍵的能力。風洞試驗的特殊性決定了以限制性和開放性相結合的模式是合理的；

(3) 采取了課內互動與課外互動相結合的全過程策略。在方案設計課堂上采取學生分組討論和老師全方位互動交流的形式，充分激發學生的創新思維，同時設置了課程QQ群，在課余時間與學生保持互動交流，第一時間給予學生專業的指導，讓學生盡量不走彎路；最后，以發表論文的要求來檢驗學生探究性實驗的成果，引導學生撰寫論文，通過老師反復批復學生修改的方式，讓學生能準確把握科研論文的寫作技巧，完成高質量的論文。

2.3 風工程探究性實驗的選題

風工程學科包含氣候學、地形學、空氣動力學、結構力學等多個學科的知識，屬于交叉學科，其中包含結構動力學、隨機振動、空氣動力學等本科生教學中未涉及的課程[14]，過分強調這些深層次的內容可能難度過大，超出本科生的把握能力，因此在實踐中把選題范圍集中在“風的繞流形態和擾流對建筑結構的影響”，這個選題有幾大優點：① 該課題體現了風工程實驗的基本特性即風與結構的相互作用，相對比較容易理解；② 該課題只涉及風工程實驗中一項最基礎的試驗技術即風壓測試技術，在技術方面比較成熟，容易實現；③ 模型制作相對簡單，一般只涉及剛性模型的制作，用PVC板便可完成，模型加工的經費投入不高。從該課題可以衍生出多個研究方向，包括“建筑結構體型系數的風洞測壓試驗”、“建筑結構風致干擾效應的試驗研究”、“建筑結構周邊風環境的風洞試驗”、“雷諾數效應對工程結構風荷載影響的風洞試驗”等，可以看出課題涉及很多工程中關心的前沿內容，其中不乏有科研深度的項目，最重要的是這些課題的可創新性強，讓學生有足夠的發揮空間。

3 風工程探究性實驗案例

風工程探究性實驗開設四年以來，各屆學生根據課程選題指南，充分發揮主動性，設計出了很多極富創造性的實驗，以下針對前述四個方向選擇典型的創新實驗進行介紹。

3.1 建筑結構體型系數研究

建筑結構體型系數的試驗研究是學生選題最多的一個課題，這個課題本身理論深度不高，比較貼近工程實踐，而且能發揮學生自主設計建筑體型的創造性，能讓學生通過風洞試驗獲得自己感興趣的建筑體形的風荷載分布規律。在具體方案設計時，大多學生喜歡通過查找國內外知名的建筑并對其進行抽象和簡化，自行設計出便于自行制作和組裝的模型，其中典型的有模仿東方之門、中央電視臺、西爾斯大廈等(如圖1所示)，學生在設計這些建筑時采用了三維建模軟件，學會了自行布置風壓測點，體驗了提取風載體型系數的過程，所得到的結論對工程抗風設計有一定參考價值。

3.2 建筑結構風致干擾效應的試驗研究

建筑結構風致干擾效應是風工程研究中非常重要的內容，由于建筑干擾的情況千變萬化，目前的科學研究也僅僅探討了很有限的情形，因此將這一課題作為

圖1 典型高層建筑風洞試驗模型

本科生的探究性實驗是非常合適的。由于在課題指南中對干擾效應的定義比較寬泛，可以理解為建筑自身的干擾效應和周邊建筑的干擾效應，因此有學生提出研究連廊對雙塔建筑局部風效應的干擾效應，也有學生模仿巴林世界貿易中心的風力發電塔建筑，研究風力發電設備對建筑結構局部風效應的干擾效應，當然也有學生設計了兩個高低不同的廠房模型，研究廠房間距離變化對不同風向角下的屋蓋風荷載的干擾效應(如圖2所示)。可見建筑風干擾效應試驗更能激發學生的創新能力，而且更具有科研深度。

圖2 建筑結構干擾效應典型試驗

3.3 建筑結構周邊風環境的風洞試驗

建筑物作為鈍體出現在城市的近地面流場中，由于下沖、狹管流、角流、穿堂風以及阻塞、尾流等效應，會使高樓建成后，出現過去沒有的局地強風現象，局地強風的出現會造成行人活動困難，以及建筑物的門窗和建筑外裝飾物等破損、脫落、傷人等事故的發生。建筑結構周邊風環境的研究在國內開展不多，也是一個值得研究的課題，與建筑結構干擾效應的研究相似，但其研究重點是建筑周邊的風環境，本質也是風的繞流，需要用到風環境測試技術和流跡顯示技術。下洗渦流效應是高層建筑風環境研究中的重要現象，一組學生對這一現象發生了興趣，設計一套試驗方案，通過改變高距比來研究下洗渦流效應對建筑表面風壓和建筑間人行高度風速的影響，同時采用了流跡顯示技術來直觀表達下洗渦流的流跡特征，取得了良好的試驗效果，圖3為下洗渦流效應風洞試驗的情形。

圖3 下洗渦流效應風洞試驗

3.4 雷諾數效應影響的風洞試驗研究

風的擾流對建筑物的影響研究中還有一類試驗涉及的是風速的變化，當風速變化時模型雷諾數會發生變化，模型表面的風壓分布也會發生相應的變化，對于不同體型的模型這種變化是不同的，雷諾數問題也是工程結構風洞試驗模型中的重要問題。這一課題涉及的理論較為復雜，但也有學生敢于嘗試，圖4為其中一組學生設計的圓柱體截斷模型在層流中的風壓試驗，采用一個直徑為1 m的圓柱體結構作為原型，得到不同雷諾數下的圓柱體表面風壓分布特征，再以此為基準開展直徑0.3 m的圓柱體在不同粗糙度和不同雷諾數下表面風壓分布的特性的試驗，取得了一些具有一定理論深度的試驗成果[15]。

圖4 圓柱繞流風壓分布的風洞試驗

4 風工程探究性實驗的教學效果

風工程探究性實驗教學開展4年以來，70余名本科生完成了10多項自主設計的風洞試驗，其中兩項試驗在學生的進一步努力下獲批國家級大學生創新研究計劃項目。09級本科生李天昊在試驗體會中寫到：“感謝學院和卓越班給我們提供了一個這么好的機會，讓我們比其他同學更早接觸到一流的試驗設施和更高層次的研究方法，…，我們這一個多月在風洞試驗上下的工夫比做一年的SRTP還多，的確很辛苦，但很值得，很難忘……”。12級本科生田卒士寫道：“……這種完全自由、開放的實驗更加能激發我們的熱情，提

高我們的參與度……，這種嘗試真的極大地提高了我們的科研能力。……”本科生階段的探究性實驗為學生進一步深造打下良好的基礎，目前參加過風工程探究性實驗的學生中至少有10%的學生在本科畢業后選擇風工程研究方向攻讀研究生學位，而且成為課題組里的骨干力量，這也表明風工程探究性實驗的開展的確培養了科研的種子，收到了良好的教學效果。

5 結 語

本文針對高校實驗教學的現狀，提出了開展本科生風工程探究性實驗的教學模式和具體實施方案，在國內首次開展大規模的本科生風工程探究性實驗，取得了良好的教學效果。本文提出的基于高端科研平臺的本科生探究性實驗教學模式和實踐方法為土木工程學科實踐教學改革指出了新的發展方向。

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Teaching Practice of Wind Engineering Exploring Experiments for Undergraduates

YUShi-ce,JIANGJian-qun,WANWu-yi

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Exploring experimental teaching is the direction of today's experimental teaching reform for higher education. According to the requirements of exploring experiment teaching, and combining the characteristics of wind tunnel experiments, teaching mode and specific teaching programs of wind engineering exploring experiments for undergraduate are proposed. A large-scale wind engineering exploring experimental teachings were carried out for the first time in the country, and good teaching effectiveness was obtained. The successful practice of the innovation teaching mode based on the wind tunnel experimental platform points out a new direction of the civil engineering practice teaching.

undergraduates; wind engineering; exploring experiments; teaching methods; teaching cases

2015-06-15

國家自然科學基金(50908208)；浙江省公益性技術應用研究計劃(分析測試類)項目資助(2014C37097)；浙江省自然科學基金項目資助(Y16E080016);浙江大學探究性實驗教學改革項目資助

余世策(1979-),男,浙江樂清人,博士,高級工程師,實驗中心副主任,從事風工程研究。

Tel.:13858075328; E-mail:yusc@zju.edu.cn

G 642.0； TU 311.2

A

1006-7167(2016)05-0162-04