結構與橋梁風工程的本科教學方法探索

周強 孫延國

[摘 要] 風荷載是高層建筑結構、超大跨橋梁等大型柔性結構設計建造的關鍵控制因素。隨著我國基礎設施建設的發展，社會對土木工程專業人才的要求不斷提高，對風工程專業的人才需求越來越迫切。而結構與橋梁風工程作為土木工程專業的前沿新興交叉課程，涉及學科門類繁多，教學方法體系還不完善。文章介紹了結構與橋梁風工程的概念，并重點說明其在土木工程本科教學中的作用及其必要性;從教學體系、教學理念、教學方法出發，對結構與橋梁風工程的本科教學進行探索;針對目前該課程教學中存在的問題提出一些建議。

[關鍵詞] 結構與橋梁風工程;土木工程;本科生教學;教學改革

[基金項目] 國家自然科學基金（51778545）

[作者簡介] 周 強，博士，講師。

[中圖分類號] G642.41? ? [文獻標識碼] 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《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》中明確指出，本科教育應立足經濟社會發展需求和人才培養目標。隨著我國經濟社會的快速發展，大量超高層建筑、大跨橋梁等大型工程不斷設計建造。面對這些新變化、新形勢，土木工程專業本科教學應做出相應的改革。

風是一種常見的自然現象，其引發的災害最為頻繁，導致的損失居所有自然災害之首（如圖1所示），其中最主要的是建筑結構、橋梁等工程結構的開裂、損壞甚至倒塌。而我國又是世界上受風災影響最為嚴重的三個國家之一。已有研究表明，風荷載是高層建筑結構、超大跨橋梁等大型柔性結構設計建造的關鍵控制因素[1]。因此，亟待將風工程納入本科生培養方案，并探索切實有效的本科教學方法。

結構與橋梁風工程屬于土木工程專業的前沿新興交叉課程，涉及的學科門類眾多。西南交通大學風工程試驗研究中心是國內最早開展風工程研究的單位之一，經過30年的發展、建設，擁有包括世界最大的邊界層風洞——XNJD-3風洞在內的3座風洞，目前已成為國內外知名的風工程研究機構，并在橋梁與結構風工程研究方面形成了自己的特色及優勢[3]。基于此，西南交通大學土木工程學院在本科生課程“土木工程概論”中開設橋梁與結構風工程的本科教學實踐，另外還開設了“橋梁抗風與抗震”的本科限選課程，對土木工程專業方向的本科生進行風工程的教學實踐。作為橋梁與結構風工程課程的主講老師，作者結合多年來課程的教學實踐經驗，對風工程教學進行了一些改革探索，并取得了一定的效果。

二、課程特點及其存在的問題

結構與橋梁風工程就是以超高層建筑、大跨屋蓋、大跨橋梁等高、細、長的柔性工程結構為研究對象，在氣象學、鈍體空氣動力學、結構隨機振動和試驗力學等學科的理論基礎上，采用風洞試驗、數值模擬、理論分析和現場實測方法，對上述工程結構的風致響應、建筑周圍風環境等進行分析和評估，以確保結構的安全性和舒適性。

（一）課程特點

首先，從課程內容上看，與土木工程領域的其他課程相比，風工程是一門涉及氣象學、鈍體空氣動力學及氣動彈性力學、現代數值計算、結構工程學和試驗力學等眾多學科的交叉學科[4]。加拿大學者達文波特教授（Davenport）提出的一個風荷載鏈（Wind load chain）（如圖2所示）。該風荷載鏈包括風氣候、地形效應、空氣動力效應、結構力學效應、設計標準等五個關鍵環節。對于這種涉及領域較多的學科，在本科生課程教學中，不僅需要將眾多知識點教授給學生，還需給學生縷清這門課程整個邏輯關系，以讓他們理解風工程的整體脈絡。

其次，由課程涉及的研究對象可知，結構與橋梁風工程是伴隨著我國大跨橋梁、超高層建筑、超大跨度空間結構等關鍵土木工程基礎設施的不斷涌現而發展，是其設計建造的關鍵控制因素，可見，風工程研究屬于土木工程領域的前沿熱點。因此，在當前社會基礎設施建設的環境下，學習結構與橋梁風工程課程專業知識，對土木工程專業學生未來走向工作崗位或繼續深造都有非常重要的作用。

再次，從課程特點上看，結構與橋梁風工程不僅具有較強的研究特性，而且還具有很強的實踐教學特性。結構與橋梁風工程是對風敏感的工程結構的風致響應進行研究，并為影響結構安全性和舒適性的風致振動提供技術解決方案，這使得結構與橋梁風工程的研究特性突出。此外，結構與橋梁風工程的研究手段主要是風洞試驗，這決定了其實踐特性突出。對于土木工程專業的工科學生，不管是研究性教學還是實踐性教學都對其創新能力與實際操作能力的培養具有十分重要的意義。

（二）課程存在的問題

首先，與傳統本科課程教學相比，結構與橋梁風工程課程所涉內容前沿、學科門類眾多，這使得在風工程課程教學中無法直接采用傳統課程的教學體系和方法。雖然結構與橋梁風工程在國內的研究已經發展了30多年，但是作為課程教學的時間還不長，且國內開展或者能夠開展風工程教學的高校也比較有限，使得國內風工程課程的教學體系還不完善，教學內容還不夠系統。

其次，結構與橋梁風工程研究特性突出，無法直接采用傳統知識講解式的教學方法。如何激發本科生對風工程的學習興趣，啟發學生不斷探索研究，成為結構與橋梁風工程課程教學的關鍵，而目前風工程教學多在于知識講解或風洞參觀，方法相對單一。

再次，抗風作為重大工程設計建造的關鍵控制因素，設計院和建設單位解決其抗風問題的手段不多，這使得高校風工程團隊及其風洞實驗室承擔了絕大多數重大工程項目的抗風研究[5]。因此，風洞實驗室對本科生教學的效能發揮得有限，結構與橋梁風工程課程在本科生的實踐教學環節中的作用未得到充分發揮。

三、結構與橋梁風工程的本科教學探索

針對結構與橋梁風工程在本科教學中存在的問題，作者結合自身授課經驗和專業知識，在課程體系、教學方法等方面進行探索。

（一）厘清教學體系

針對結構與橋梁風工程課程內容繁多的特點，應該縷清脈絡、分清條理、突出重點，讓學生理解掌握風工程的知識構架。以經典圓柱繞流為例，在知識內容上，柱體周圍流場結構是其氣動力特性的機理，屬于鈍體空氣動力學的范疇，而柱體表面壓力分布特性及其引起結構的振動，屬于結構工程學及其振動理論的內容。在方法上，可采用風洞試驗或者數值模擬獲得其繞流結構和氣動力分布，這屬于現代數值計算和試驗力學的范疇。在實際工程應用上，圓柱作為最為常見一種結構形式，廣泛應用在橋墩、冷卻塔、煙囪等土木工程結構中，其風荷載及其風致響應通過上述方法進行研究獲取。同時，對于土木工程專業來說，風荷載特性及其風致響應是本科教學的重點。由此可見，學生在學習中不僅能分清各個知識點，還能將其聯系起來，形成完整的知識構架，并應用于實際工程中。

（二）創新教學理念

作為一門具有很強研究性的課程，教師不僅是知識的傳播者，更是研究思維的啟迪者。在結構與橋梁風工程課程教學中，不必全面追求知識的全覆蓋，而應充分調動學生參與教學活動的主動性和積極性，采用翻轉課堂等形式，激發學生對風工程以及科學研究的興趣。如上述的圓柱繞流問題，可以給學生設置一個工況，讓學生采用在線學習或直接采用數值模擬等方法，探求其流動演化機理。

（三）豐富教學方法

結構與橋梁風工程的主要研究手段是風洞試驗，這決定了其教學不僅有課堂的講解，更要有風洞試驗的實踐活動。作者積極將結構與橋梁風工程課程講解與本科生SRTP項目、重點實驗室本科生開放課題等實踐教學活動相結合，讓本科生全程參與模型設計和制作、風場調試、數據采集與處理、報告整理等風洞試驗關鍵環節。與此同時，通過學術會議討論、課程知識講解等方式，講授結構與橋梁風工程的課程知識。通過效果評估發現，學生們不僅在知識掌握方面更加全面深入，對風工程的興趣也更加高漲，科研能力也有很大提高。

四、小結

針對結構與橋梁風工程涉及學科門類眾多、研究和實踐特性突出等特點，分析目前該門課程存在的問題，從教學體系、教學理念、教學方法等方面，對結構與橋梁風工程的本科教學進行探索，并結合自身授課經驗和專業知識提出一些有益建議。

參考文獻

[1]項海帆，葛耀君.現代橋梁抗風理論及其應用[J].力學與實踐，2007，29（1）：1-13.

[2]廖海黎，李明水，周強.海洋橋梁工程抗風安全的難題及其對策思考[J].中國工程科學，2019（03）：12-17.

[3]李明水，廖海黎，陳淳.西南交通大學大型大氣邊界層風洞[C]//西南交通大學大型大氣邊界層風洞.第十四屆全國結構風工程學術會議論文集（下冊）.

[4]馬文勇，尉耀元，谷玉榮，et al.本科生風工程教學方法探索[J].教育教學論壇，2012（30）：118-120.

[5]余世策，蔣建群，萬五一.高校本科生風工程探究性實驗的教學實踐[J].Research&Exploration in Laboratory，2016，35（5）.