結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程的本科教學(xué)方法探索

周強(qiáng) 孫延國

[摘 要] 風(fēng)荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)、超大跨橋梁等大型柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造的關(guān)鍵控制因素。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，社會對土木工程專業(yè)人才的要求不斷提高，對風(fēng)工程專業(yè)的人才需求越來越迫切。而結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程作為土木工程專業(yè)的前沿新興交叉課程，涉及學(xué)科門類繁多，教學(xué)方法體系還不完善。文章介紹了結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程的概念，并重點(diǎn)說明其在土木工程本科教學(xué)中的作用及其必要性;從教學(xué)體系、教學(xué)理念、教學(xué)方法出發(fā)，對結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程的本科教學(xué)進(jìn)行探索;針對目前該課程教學(xué)中存在的問題提出一些建議。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程;土木工程;本科生教學(xué);教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 國家自然科學(xué)基金（51778545）

[作者簡介] 周 強(qiáng)，博士，講師。

[中圖分類號] G642.41? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0277-03? ? [收稿日期] 2020-01-10

一、引言

教育部在《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中明確指出，本科教育應(yīng)立足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求和人才培養(yǎng)目標(biāo)。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，大量超高層建筑、大跨橋梁等大型工程不斷設(shè)計(jì)建造。面對這些新變化、新形勢，土木工程專業(yè)本科教學(xué)應(yīng)做出相應(yīng)的改革。

風(fēng)是一種常見的自然現(xiàn)象，其引發(fā)的災(zāi)害最為頻繁，導(dǎo)致的損失居所有自然災(zāi)害之首（如圖1所示），其中最主要的是建筑結(jié)構(gòu)、橋梁等工程結(jié)構(gòu)的開裂、損壞甚至倒塌。而我國又是世界上受風(fēng)災(zāi)影響最為嚴(yán)重的三個國家之一。已有研究表明，風(fēng)荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)、超大跨橋梁等大型柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造的關(guān)鍵控制因素[1]。因此，亟待將風(fēng)工程納入本科生培養(yǎng)方案，并探索切實(shí)有效的本科教學(xué)方法。

結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程屬于土木工程專業(yè)的前沿新興交叉課程，涉及的學(xué)科門類眾多。西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心是國內(nèi)最早開展風(fēng)工程研究的單位之一，經(jīng)過30年的發(fā)展、建設(shè)，擁有包括世界最大的邊界層風(fēng)洞——XNJD-3風(fēng)洞在內(nèi)的3座風(fēng)洞，目前已成為國內(nèi)外知名的風(fēng)工程研究機(jī)構(gòu)，并在橋梁與結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究方面形成了自己的特色及優(yōu)勢[3]。基于此，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院在本科生課程“土木工程概論”中開設(shè)橋梁與結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的本科教學(xué)實(shí)踐，另外還開設(shè)了“橋梁抗風(fēng)與抗震”的本科限選課程，對土木工程專業(yè)方向的本科生進(jìn)行風(fēng)工程的教學(xué)實(shí)踐。作為橋梁與結(jié)構(gòu)風(fēng)工程課程的主講老師，作者結(jié)合多年來課程的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對風(fēng)工程教學(xué)進(jìn)行了一些改革探索，并取得了一定的效果。

二、課程特點(diǎn)及其存在的問題

結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程就是以超高層建筑、大跨屋蓋、大跨橋梁等高、細(xì)、長的柔性工程結(jié)構(gòu)為研究對象，在氣象學(xué)、鈍體空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動和試驗(yàn)力學(xué)等學(xué)科的理論基礎(chǔ)上，采用風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場實(shí)測方法，對上述工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)、建筑周圍風(fēng)環(huán)境等進(jìn)行分析和評估，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。

（一）課程特點(diǎn)

首先，從課程內(nèi)容上看，與土木工程領(lǐng)域的其他課程相比，風(fēng)工程是一門涉及氣象學(xué)、鈍體空氣動力學(xué)及氣動彈性力學(xué)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算、結(jié)構(gòu)工程學(xué)和試驗(yàn)力學(xué)等眾多學(xué)科的交叉學(xué)科[4]。加拿大學(xué)者達(dá)文波特教授（Davenport）提出的一個風(fēng)荷載鏈（Wind load chain）（如圖2所示）。該風(fēng)荷載鏈包括風(fēng)氣候、地形效應(yīng)、空氣動力效應(yīng)、結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等五個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于這種涉及領(lǐng)域較多的學(xué)科，在本科生課程教學(xué)中，不僅需要將眾多知識點(diǎn)教授給學(xué)生，還需給學(xué)生縷清這門課程整個邏輯關(guān)系，以讓他們理解風(fēng)工程的整體脈絡(luò)。

其次，由課程涉及的研究對象可知，結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程是伴隨著我國大跨橋梁、超高層建筑、超大跨度空間結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的不斷涌現(xiàn)而發(fā)展，是其設(shè)計(jì)建造的關(guān)鍵控制因素，可見，風(fēng)工程研究屬于土木工程領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。因此，在當(dāng)前社會基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的環(huán)境下，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程課程專業(yè)知識，對土木工程專業(yè)學(xué)生未來走向工作崗位或繼續(xù)深造都有非常重要的作用。

再次，從課程特點(diǎn)上看，結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程不僅具有較強(qiáng)的研究特性，而且還具有很強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)特性。結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程是對風(fēng)敏感的工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行研究，并為影響結(jié)構(gòu)安全性和舒適性的風(fēng)致振動提供技術(shù)解決方案，這使得結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程的研究特性突出。此外，結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程的研究手段主要是風(fēng)洞試驗(yàn)，這決定了其實(shí)踐特性突出。對于土木工程專業(yè)的工科學(xué)生，不管是研究性教學(xué)還是實(shí)踐性教學(xué)都對其創(chuàng)新能力與實(shí)際操作能力的培養(yǎng)具有十分重要的意義。

（二）課程存在的問題

首先，與傳統(tǒng)本科課程教學(xué)相比，結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程課程所涉內(nèi)容前沿、學(xué)科門類眾多，這使得在風(fēng)工程課程教學(xué)中無法直接采用傳統(tǒng)課程的教學(xué)體系和方法。雖然結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程在國內(nèi)的研究已經(jīng)發(fā)展了30多年，但是作為課程教學(xué)的時間還不長，且國內(nèi)開展或者能夠開展風(fēng)工程教學(xué)的高校也比較有限，使得國內(nèi)風(fēng)工程課程的教學(xué)體系還不完善，教學(xué)內(nèi)容還不夠系統(tǒng)。

其次，結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程研究特性突出，無法直接采用傳統(tǒng)知識講解式的教學(xué)方法。如何激發(fā)本科生對風(fēng)工程的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生不斷探索研究，成為結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程課程教學(xué)的關(guān)鍵，而目前風(fēng)工程教學(xué)多在于知識講解或風(fēng)洞參觀，方法相對單一。

再次，抗風(fēng)作為重大工程設(shè)計(jì)建造的關(guān)鍵控制因素，設(shè)計(jì)院和建設(shè)單位解決其抗風(fēng)問題的手段不多，這使得高校風(fēng)工程團(tuán)隊(duì)及其風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了絕大多數(shù)重大工程項(xiàng)目的抗風(fēng)研究[5]。因此，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室對本科生教學(xué)的效能發(fā)揮得有限，結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程課程在本科生的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的作用未得到充分發(fā)揮。

三、結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程的本科教學(xué)探索

針對結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程在本科教學(xué)中存在的問題，作者結(jié)合自身授課經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識，在課程體系、教學(xué)方法等方面進(jìn)行探索。

（一）厘清教學(xué)體系

針對結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程課程內(nèi)容繁多的特點(diǎn)，應(yīng)該縷清脈絡(luò)、分清條理、突出重點(diǎn)，讓學(xué)生理解掌握風(fēng)工程的知識構(gòu)架。以經(jīng)典圓柱繞流為例，在知識內(nèi)容上，柱體周圍流場結(jié)構(gòu)是其氣動力特性的機(jī)理，屬于鈍體空氣動力學(xué)的范疇，而柱體表面壓力分布特性及其引起結(jié)構(gòu)的振動，屬于結(jié)構(gòu)工程學(xué)及其振動理論的內(nèi)容。在方法上，可采用風(fēng)洞試驗(yàn)或者數(shù)值模擬獲得其繞流結(jié)構(gòu)和氣動力分布，這屬于現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)力學(xué)的范疇。在實(shí)際工程應(yīng)用上，圓柱作為最為常見一種結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用在橋墩、冷卻塔、煙囪等土木工程結(jié)構(gòu)中，其風(fēng)荷載及其風(fēng)致響應(yīng)通過上述方法進(jìn)行研究獲取。同時，對于土木工程專業(yè)來說，風(fēng)荷載特性及其風(fēng)致響應(yīng)是本科教學(xué)的重點(diǎn)。由此可見，學(xué)生在學(xué)習(xí)中不僅能分清各個知識點(diǎn)，還能將其聯(lián)系起來，形成完整的知識構(gòu)架，并應(yīng)用于實(shí)際工程中。

（二）創(chuàng)新教學(xué)理念

作為一門具有很強(qiáng)研究性的課程，教師不僅是知識的傳播者，更是研究思維的啟迪者。在結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程課程教學(xué)中，不必全面追求知識的全覆蓋，而應(yīng)充分調(diào)動學(xué)生參與教學(xué)活動的主動性和積極性，采用翻轉(zhuǎn)課堂等形式，激發(fā)學(xué)生對風(fēng)工程以及科學(xué)研究的興趣。如上述的圓柱繞流問題，可以給學(xué)生設(shè)置一個工況，讓學(xué)生采用在線學(xué)習(xí)或直接采用數(shù)值模擬等方法，探求其流動演化機(jī)理。

（三）豐富教學(xué)方法

結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程的主要研究手段是風(fēng)洞試驗(yàn)，這決定了其教學(xué)不僅有課堂的講解，更要有風(fēng)洞試驗(yàn)的實(shí)踐活動。作者積極將結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程課程講解與本科生SRTP項(xiàng)目、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室本科生開放課題等實(shí)踐教學(xué)活動相結(jié)合，讓本科生全程參與模型設(shè)計(jì)和制作、風(fēng)場調(diào)試、數(shù)據(jù)采集與處理、報告整理等風(fēng)洞試驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與此同時，通過學(xué)術(shù)會議討論、課程知識講解等方式，講授結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程的課程知識。通過效果評估發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們不僅在知識掌握方面更加全面深入，對風(fēng)工程的興趣也更加高漲，科研能力也有很大提高。

四、小結(jié)

針對結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程涉及學(xué)科門類眾多、研究和實(shí)踐特性突出等特點(diǎn)，分析目前該門課程存在的問題，從教學(xué)體系、教學(xué)理念、教學(xué)方法等方面，對結(jié)構(gòu)與橋梁風(fēng)工程的本科教學(xué)進(jìn)行探索，并結(jié)合自身授課經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識提出一些有益建議。

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