融合“課程理論-風洞實驗-虛擬仿真-科研實踐”的結構風工程混合式教學研究

任賀賀 柯世堂 楊杰

摘 ?要：文章融合課堂教學、線上教學、實驗室和科研創新實踐等教學模式，開展混合式結構風工程教學研究，以對現有課程與教學模式進行改革，著重解決了線上線下混合式教學模式探索、多層次多場景聯合教學實施和完善現有結構風工程課程體系等科學問題。并結合新時代新型教學與科研資源，在新工科形勢下充分融合先進互聯網資源與多類教學方式與途徑，致力于秉承“以學生為中心”的教學理念，為結構風工程線上線下混合式教學模式研究提供了理論基礎和技術支撐，形成了獨特的融合“課程理論-風洞實驗-虛擬仿真-科研實踐”的結構風工程混合式教學模式。

關鍵詞：混合式教學；課程理論；風洞實驗；虛擬仿真；科研實踐

中圖分類號：G640.2 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1673-7164（2022）26-0144-04

結構風工程是結構工程和風工程交叉融合產生的學科，著重解決風與結構相互作用科學問題。隨著超高層建筑、超大跨橋梁和超大型風力機等輕柔結構的涌現，以及臺風、龍卷風等極端天氣現象的頻發，風工程與結構抗風越來越重要。結構風工程作為土木工程專業重要的專業基礎課程之一，在培養國家亟須的高層次結構抗風設計專業人才上功不可沒。1940年美國西雅圖塔科馬懸索橋風毀事件標志著進入了現代風工程時代。我國風工程起步相對較晚，但隨著國家基礎建設領域的快速發展，國內風工程領域也正在快速追趕國際領先國家水平［1-3］。有研究指出結構風工程領域完整理論體系尚需進一步構建，需考慮多學科交叉背景［4］?？率捞玫冉Y合卓越工程師培養計劃對土木工程結構抗風課程的教學內容與體系、教學方法和手段、學生能力培養等方面進行了全面的探索和有效的改革［5］，相關成果被評為校級精品課程。隨著我國社會進一步發展，結構亦向更高、更長、更柔發展，結構風敏感性更加顯著，為結構風工程領域帶來發展機遇的同時也帶來了嚴峻的挑戰。因此，如何培養未來風工程專業人才、服務國家基礎建設更加穩健地向前發展，是現階段結構風工程系列課程需深入探索的關鍵難題和根本出發點。

美國科羅拉多州大學和加拿大韋什敦大學分別于20世紀60年代建設了邊界層風洞，隨著風工程學科發展，當前世界已有邊界層風洞上百座，國內現有20余座。南京航空航天大學是江蘇省內唯一一家具備完整風洞試驗能力的科研單位。然而，傳統物理風洞資源有限且使用代價昂貴，這些客觀因素限制了學生風洞實驗的參與度與積極性，對風洞不能有直觀、真實的理解。此外，需通過風洞實驗實操或參與相關科研實踐，實現科研反哺教學，拓寬學生知識邊界、促進創新意識，進而反饋回科研過程，實現科研教學共同發展［6］。因此，為積極調動學生主動參與、激發學生興趣潛能，當前亟須建設或結合已有結構風工程在線資源，融合線下課堂、物理風洞和科研實踐，以推進“課程理論-風洞實驗-虛擬仿真-科研實踐”新模式下的結構風工程課程教學。

該教學團隊已具備相關條件，如教學團隊依托國家虛擬仿真實驗教學項目“大型建筑結構風洞仿真實驗教學項目”，開設了線上線下混合式課程，使課堂教學和風洞試驗現場操作得到極大補充。目前已有多家高校和企業單位使用該線上教學平臺，累計操作人次達700余次，好評率達到4.9（滿分5.0）。

一、教學發展趨勢與解決的主要問題

結構風工程系列課程是結構防災減災方向的重要專業課程，前期基礎為學校首批國家一流專業“力學”核心“流體力學”和“空氣動力學”，重點培養力學、土木和交通運輸等專業本科生掌握風特性、風荷載、結構風振效應和抗風設計等理論知識，并可解決實際工程問題。新工科背景下，傳統教學模式存在的教師中心、重知識輕能力、評價單一等問題更加凸顯。如何滿足學生中心、知識與能力并重、多元評價機制等新時代人才需求現狀，網絡化教學方式提供了契機。此外，“科研反哺教學”是當前高校創新教育的重要途徑。因此，實現傳統教學資源、線上教學資源、兼具風洞實驗和科研實踐的結構風工程課程教學方式有效融合，是充分發揮師生主動性和創造性有效方式之一。

（一）教學發展趨勢

1. 秉承“學生中心”教學理念。從“教師為中心”到“學生為中心”的轉換是圍繞培養目標進行資源配置和教學安排，發揮學生主觀能動性，提升學生創新、創造核心競爭力的關鍵教學方法上的突破。找準高效課堂與“學生為中心”的突破口，改變教學模式，教師要從傳統的傳授者轉變為設計者，將學生和教師融為一體。

2. 融合“互聯網+”教學資源。慕課、實驗空間等線上平臺的興起，使線上教學模式和線上線下混合式教學模式成為現階段改進教育教學方式的重要舉措，建設結構風工程課程線上資源是亟須且有必要的發展方向。同時教育部也指出“高度重視教育信息化工作，積極推進‘互聯網+教育發展，探索推進線上線下教育教學新模式，支撐教育高質量發展。”

3. 涵蓋多層次多場景教學方法。結構風工程課程涉及風環境、風荷載和風效應等理論知識，風洞實驗實際操作，實際工程現場監測和科學前沿項目研究等，有效融合上述各因素是形成“課堂-風洞-線上-現場”多層次多場景教學模式的關鍵，符合人才培養的時代需求。

（二）解決的主要問題

1. 為充分調動師生主觀能動性，結合新形勢下網絡信息技術開展線上線下混合式教學模式是當前本科教育亟待解決的問題。本文將對如何有效建設或結合已有線上結構風工程資源與南航既有風工程線下資源開展研究，形成融合課程理論、風洞試驗、虛擬仿真為一體的風工程多層次教學新模式。

2. 風工程涉及高層建筑、大跨空間結構、大跨橋梁等風敏感結構領域，圍繞南航民航特色發展是凝練南航風工程特色的重要指向。本文將對如何有效結合結構風工程與機場工程方向開展研究，特別是在航站樓和塔臺等大跨和細柔結構方面如何取得重要進展，以形成獨具南航特色的風工程課程。

3.學?，F有風工程系列課程已具有一定的完整性，為風工程理論學習提供了保障。高性能計算的興起使數值模擬能力得到提升，結合數值模擬開設風工程相關課程，以完善學校風工程系列課程顯得尤為重要。本文將結合當前計算技術與超算平臺發展形勢，開設《計算風工程及土木工程應用》課程，完善現有風工程課程體系，使之包含理論分析、風洞實驗與數值模擬。

4. 科研和教學是學生培養不可或缺的因素，是當前高校教學模式改革重要的一環。本研究將探究如何在教學中融合國家級、省部級科研實踐和學生自主主持的科創項目，實現教學促進科研、科研反哺教學的目的，使二者相互促進發展，以提升學生綜合創新能力。

二、研究重點與創新點

（一）研究重點

1. 線上線下混合式教學模式探索。線下、線上教學模式日趨成熟，但如何將線上、線下模式有效結合是本研究的重點問題、也是難點問題?，F有線上風工程教學資源相對較少，南航特色相關的更是少之又少，建設新資源或挖掘現有線上資源進而融入線下課堂，將為本研究混合式教學模式探索提供契機。

2. 多層次多場景聯合教學實施。線上資源主要包括慕課、超星和實驗空間等，但線下資源則包括課堂教學和實驗室教學以及工程項目現場參觀學習等，如何有效實施安排、合理配置多場景多層次的聯合教學課時是本研究重點解決的第二個問題。

3. 結構風工程理論課程體系完善。計算能力的提升和超級計算機的興起，為現有課程體系提供了補充完善的可能，開設一門與計算機相關的結構風工程課程“計算風工程及土木工程應用”會使學生對整個課程體系更感興趣、知識儲備也更扎實和實用。

（二）研究創新點

1.結構風工程課程呈現方式。充分落實新工科、“互聯網+”和“科研反哺教學”思想，將物理風洞實驗、線上虛擬仿真實驗平臺、科創項目有效融入傳統線下課堂。在提高學生興趣的同時，實現全方位知識攝取。采用課堂講授式與啟發式教學相結合的方法，從理論知識講授、沉浸式災害感受、虛擬仿真實驗等角度進行課程教學；通過設計研討主題，引導學生對結構風工程理念和技術展開思考與討論，多層次多角度加深學生對土木工程結構抗風知識的理解。

2. 品牌化結構風工程線上資源建設。以國家級一流課程“大型建筑結構風洞仿真實驗教學項目”（虛擬仿真項目類）和江蘇省級首批一流本科課程“土木工程結構抗風設計”（線上線下混合類）課程為基礎，結合在建虛擬仿真實驗平臺與其他線上資源，將物理風洞場景再現云端，學生可自主操作，基礎結構風工程理論知識融入其中，能促進學生對課本知識更加深刻的理解和掌握。

3. 多學科交叉創新能力培養。結構風工程是涉及包括氣象學、流體力學、結構工程等多學科交叉的課程體系，是符合國家科技和人才戰略的具體落腳點，有助于提升學生綜合創新能力。

三、研究方案設計

（一）方案調研

通過在線課程平臺實驗空間、慕課、超星等對現有國內外結構風工程課程在線資源進行調研，調研重點包括課程資源整合方式、學生參與模式、師生交互設計、社會風工程事件資源建設和題庫形式建設等。通過全面深入文獻檢索、檢索已有風工程相關線上資源和參加線上線下混合式教學培訓會等調研并學習混合式教學方法，以應用于結構風工程領域。

（二）方案實施

針對教學涵蓋的課程理論、風洞實驗、線上虛擬仿真、科研實踐等環節，有序合理安排結構風工程課程的開展，具體如下。（按各環節書寫，實際實施過程中各環節為交叉開展）

1. 理論知識。由南京航空航天大學結構風工程與防災減災團隊教師講授自風環境開始，涉及風荷載、風效應，落腳到抗風設計全過程的結構風工程相關理論知識。并設計風洞實驗及講授風洞實驗模型相似比、雷諾數等原理內容，為后續風洞實驗開展打下理論基礎。并以科學素養提升為主旨，設計寬泛且前沿的內容體系，采用科普講授的教學模式，以激發學生科研興趣、拓展學生學科視野。

2. 風洞實驗。依托南航NH-2低速邊界層風洞開展大型機場平臺、風力機或冷卻塔等風敏感結構風環境、風荷載、風效應和抗風設計研究，從實驗中領悟與理解理論知識，更深層次的理解結構風工程學科。幫助學生掌握結構風工程基本研究手段，風洞試驗的基本原理和總體結構方案內涵，通過實際案例使其深入觀察風洞試驗流程，理解其結構抗風設計理念。熟悉大型建筑風洞試驗的基本測量儀器，及其對應的實驗原理，進一步加深對結構抗風設計的理解。

3. 線上虛擬仿真實驗。建設新的線上教學平臺或采用已有虛擬平臺讓每個學生操作風洞實驗，設計實驗關鍵問題回答、重點知識點提示等環節，有效彌補物理風洞無法滿足每個學生參與的缺陷，最大限度地提高了學生的綜合實驗動手能力以及理解風工程的內涵。可以更好地調動學生參與風洞試驗教學的積極性和主動性，激發學生興趣和潛能，增強學生創新創造能力。

4. 科研實踐和現場參觀。依據團隊教師主持的多項國家自然科學基金、國家重點研發計劃及其他省部級項目等科研實踐和相關成果成功應用落地的現場項目，使學生了解最新科研成果，并可參與團隊教師主持的多項國家和地方重大工程抗風設計項目，可以培養學生積極探索未知事物的興趣和拓展知識邊界。

（三）線上線下混合式風工程教學研究

基于南京航空航天大學風工程系列課程“土木工程結構抗風設計”“流體力學”“Aerodynamics”和“計算風工程及工程應用”線上線下混合式教學實踐，依據相關線上、線下學習數據進行總結分析，對混合式教學效果進行整理。具體為構建由線下考核、期末考核、線上考核等組成的多元考核模式，以加權成績進行綜合評定。線上考核涵蓋在線各章節單元測試、線上虛擬仿真試驗操作測試、在線學習時長等活躍度指標。線下考核涵蓋課堂到課率、師生互動情況、隨堂及課后測驗、案例討論。期末考查學生對工程復雜問題的解決能力，需提交某一案例報告與結課論文。

四、基礎保障條件

1. 一流師資力量。課程團隊包括獲得省級和校級教學成果獎一等獎，主持江蘇省“青藍”工程項目。

2. 一流配套教材。在國家級一流本科課程與江蘇省級一流本科課程建設支持下，課程團隊主編出版了“十三五”規劃教材《結構風工程概論》。

3. 一流教學方法。通過教學模式系統化、教學方法多樣化及考評方式多元化實現“兩性一度”建設標準，實現了理論課堂-物理試驗-虛擬線上平臺-實際工程現場多場景聯合教學。

4. 一流教學資源。在慕課、實驗空間等網絡平臺建設課程資源及課程學習班級，通過網絡平臺的主題討論、作業及考核等功能實現過程性考核。每年通過建立課程學習班級及發送課程邀請碼，可保障跨校學生參與學習與考核。

5. 一流反饋機制。課前自主學習研討，課前教師需要對本節課進行具體的教學設計，確定學習目標、重難點內容等。學生通過線上平臺提供的學習資料了解課堂內容，同時需關注相關風災害新聞案例。課后積極回顧反饋，要求學生自主閱讀風工程、結構抗風等相關文獻；以小組為單位了解及調查國內外有關災害，完成災害調查報告并進行線上交流；定期完成線上教案的學習及作業。融入過程性師生反饋的高階教學目標與內容，課程內容根據知識和能力、過程和方法、情感態度和價值觀三個維度設計。

五、結語

本教改方案開設“計算風工程及土木工程應用”課程，完善現有風工程課程體系，與“流體力學”“土木工程結構抗風設計”等形成多學科交叉融合的風工程課程體系；依托慕課、超星、實驗空間平臺建設“計算風工程及土木工程應用”課程線上教學資源，初步形成線上線下混合式教學基礎；課程中有效融入科研實踐、國際國內科學前沿或大學生科創項目，實現科教相輔相成，培養學生創新創造能力。最終基于國家虛擬仿真教學平臺、南航NH-2風洞和團隊的科研實踐，通過多個教學周期建設完善線上線下混合式方法，形成了可推廣的結構風工程混合式教學新模式。

參考文獻：

［1］ 項海帆. 結構風工程研究的現狀和展望［J］. 振動工程學報，1997（03）：12-17.

［2］ 張相庭. 中國結構風工程發展回顧和展望［D］. 上海：同濟大學，2010：6-14.

［3］ 劉思為. 結構風工程的現狀與發展［J］. 建材與裝飾，2016（37）：58-59.

［4］ Simiu，E.，Scanlan，R.H.. Wind Effects on Structures：Fundamentals and Applications to Design［M］. New York：John Wiley，1996：1-688.

［5］ 柯世堂，陳少林，吳謹. 土木工程結構抗風課程教學改革與實踐［J］. 中國科教創新導刊，2013（02）：80.

［6］ 湯海旸，方竹根，王南雁. 高等教育大眾化進程中教學與科研的關系［J］. 黑龍江高教研究，2002（06）：15-18.

（責任編輯：向志莉）