橋梁風工程專業實踐能力培養與通識教育的探索

孫延國，李明水，馬存明，李志國

（西南交通大學 a.土木工程學院；b.風工程四川省重點實驗室，四川 成都 610031）

引言

橋梁風工程是研究風與橋梁結構相互作用以及減小橋梁風致響應和風毀事故的學科，是土木工程專業領域的新興學科［1］，大跨度和超大跨度橋梁的建造必須考慮風的影響。自20世紀80年代以后，我國開始風工程領域的相關研究，中國空氣動力研究中心、同濟大學、西南交通大學等科研單位和高校先后建成了風洞實驗室。近年來，湖南大學、重慶大學、中南大學等高校建設了多座風洞試驗室，我國在風工程領域硬件和從業人員數量方面取得了突飛猛進的發展。盡管如此，與我國土木工程建設的高速發展相比，風工程領域的專業人才仍然嚴重不足，且人員多集中在高校和科研院所，具備橋梁風工程知識的設計和施工從業人員較缺乏。目前風工程領域人才的培養主要依靠導師帶領研究生開展一些科研活動，數量有限，且多數學生僅從事科研活動，對工程領域的貢獻十分有限。隨著“交通強國”戰略、“一帶一路”倡議等的深入推進，未來必將建造更多的（超）大跨度橋梁。面對國家戰略需求和大跨橋梁防災減災的客觀需要，亟待培養專業知識突出、具備全球視野和大國工程觀的專業人才。此外，近年來我國發生了幾次橋梁風致振動事件，如浙江的西堠門大橋渦激振動和廣東的虎門大橋渦激振動。由于社會公眾對橋梁風工程的認識程度不足，它引起了社會的高度關注，并引發了公眾恐慌，給政府和大橋管理部門帶來了信任危機［2］。事實上，大跨度橋梁的渦激振動現象是一種物理可解釋的常見風致振動現象，不會對結構產生破壞性影響。如果施以正確的輿論引導，不會引發如此嚴重的后果。這些事件的發生，表明傳統從業人員以及政府、媒體對橋梁風工程的認識有限，也亟待開展相關科普式通識教育。

對于“橋梁與結構抗風設計”而言，其課程性質和教學方法與土木工程領域其他專業課程相比存在顯著差異，橋梁風工程直接服務于大跨橋梁的抗風設計，同時還涉及氣象學、鈍體空氣動力學和結構工程學等眾多學科知識，是一門開設較晚的前沿交叉性課程。目前已有幾所高校在本科生課程中開設了“橋梁與結構抗風設計”課程，為土木工程專業方向的本科生開展風工程方向的理論和實踐教學［3-4］。西南交通大學也在本科生“土木工程概論”課程中開設了“橋梁與結構抗風設計”的通識教育課程，另外從2004年開始為本科生開設橋梁風工程方向的限選課程，對土木工程專業方向的本科生進行風工程方向的教學實踐，旨在培養土木工程專業學生的專業綜合素質［5-6］。然而，筆者結合多年的教學經驗發現，目前高校在培養符合新時代要求的土木工程專業人才的道路上仍存在諸多發展瓶頸，還有較大的提升空間。

由此可見，面對新時代、新形勢，對土木工程專業本科教學做出相應改革勢在必行。因此，在土木工程專業人才培養過程中開展通識教育，加入與橋梁風工程相關的理論和實踐內容，并探索切實可行且有效的教學方法，推廣和普及橋梁風工程知識十分必要。

一、橋梁風工程傳統教學所面臨的問題

橋梁風工程是橋梁工程中的一個重要分支，專注于研究和設計橋梁在風載荷作用下的使用性能和安全性能。傳統教學方法在日常教學中面臨著一些問題，這些問題的存在會限制學生的學習效果和應用能力，主要體現在以下幾個方面。

橋梁風工程專業是一門典型的交叉學科，涉及的學科較廣，知識點分散，具有一定的特殊性和較強的實踐性。傳統講解式的教學方法往往更側重于理論知識的傳授，但對于橋梁風工程而言，實踐經驗和實際案例分析同樣重要。傳統教學方式會導致學生對學科知識掌握的體系性和關聯性較弱等問題，目前仍缺乏有效的教學手段。

國內開展“橋梁與結構抗風設計”課程教學的高校較少，可利用的實踐教學平臺非常有限，而“橋梁與結構抗風設計”的學習十分依賴于復雜的數值模擬和風洞實驗等平臺。現階段各高校在實踐教育環節對既有的高水平虛擬和物理實驗平臺的利用程度不足，其實踐環節通常多是帶領學生進行走馬觀花式的參觀，無法深入了解橋梁風洞實驗的具體內容，更沒有機會參與其中，導致教學與科研脫節，使得學生興趣度不高、創新能力培養不足。

橋梁風工程是一門新興學科，隨著科技的不斷發展，橋梁風工程領域的相關理論、減振方法和評價標準也在不斷進步與更新。傳統教學方法可能無法及時更新技術和研究進展，導致學生掌握的知識在畢業后可能落后于行業的新要求。如何保持教學內容的前沿性和實用性是該課程教學面臨的新難題。

橋梁風工程專業度高、從業人員少且主要在高校等科研機構任職，而橋梁設計、施工等單位的專業人員多關注結構受力和構造等方面的問題，對風工程領域的認知程度低，防災減災意識較弱，缺乏橋梁風工程方面的專業通識教育，需要擴展其專業知識維度。除此之外，橋梁風工程教學還肩負著為政府、媒體等社會人員科普的任務。

為此，本研究針對“橋梁與結構抗風設計”課程的研究性和實踐性突出、傳統教學方法效果不佳的問題，堅持目標和問題導向相結合，積極對接國家土木工程人才需求，瞄準新時代橋梁工程人才培養過程中的主要問題，依托國家工程實驗室、省重點實驗室等先進科研平臺，充分發揮學校的平臺優勢，在高校中開展橋梁風工程專業通識與實踐能力培養的探索和實踐。

二、實踐能力培養與通識教育的探索

（一）整合平臺資源，優化實踐環節，形成融入式創新實踐基地

“橋梁與結構抗風設計”課程的研究性和實踐性突出，而傳統的教學方法單一，因此理論教學與實踐相結合是“橋梁與結構抗風設計”課程普遍采用的教學方式。但在具體實施時，實踐環節會面臨風洞實驗模型制作復雜、實驗成本高、實驗儀器精密、專業度要求高，以及風洞實驗室科研任務繁忙、可供實踐時間少等問題［7］。針對上述普遍問題，本研究依托學校的陸地交通地質災害防治技術國家工程實驗室、風工程四川省重點實驗室等先進科研平臺和虛擬風洞資源，通過整合3座物理風洞（包括世界最大的邊界層風洞——XNJD-3風洞）、5套大型計算工作站及多套儀器設備構建研究性實踐平臺。在實施環節，通過制作橋梁標準風洞實驗演示模型、鈍體繞流虛擬演示模型，配備博士助教，制訂科研實踐安排計劃等，優化實踐環節，形成學生深度參與的高水平創新實踐基地，將傳統的走馬觀花式課程實踐改進為融入式實踐模式。

由于學校承擔了大量國家級、省部級前沿科研課題及國內外重大橋梁工程抗風研究項目，如港珠澳大橋、楊泗港長江大橋、土耳其1915恰納卡萊大橋、張靖皋長江大橋等，通過對這些縱、橫向課題的拆分和篩選，形成大量適合學生參與的科研實踐項目，讓該課程的學生能夠深入學習和掌握“橋梁與結構抗風設計”課程的教學目標。在此基礎上，通過科研競賽、SRTP項目、重點實驗室開放課題等科創類實踐活動，讓更多的學生深度參與進來。面對實驗平臺科研任務較重、可供實踐教學時間非常有限的問題，本研究通過合理安排風洞科研任務和課程實踐時間，制定并嚴格執行科研實踐安排表，最終形成了可供學生深度參與課程實踐及科研項目的融入式實踐基地，培養學生解決實際工程問題的能力，激發學生的創新能力。此外，針對橋梁風工程理論和技術發展更新較快的問題，本課程實時關注行業的新發展動態，定期更新課堂教學理論和案例，及時將新的橋梁抗風研究課題納入學生的科研實踐，保持教學內容的前沿性和實用性，并激發學生的創新能力，使其所學知識符合行業新要求。

（二）借助各類媒介平臺，形成教學、科研、專業通識教育的互促互融

橋梁風工程專業化程度高，相關從業人員數量較少且主要集中在國內少數幾所高校，與工程建設密切相關的橋梁設計及施工單位等相關專業人員缺乏。同時，政府部門和媒體等人員對橋梁風工程方向的認識程度較低，在發生類似虎門大橋渦振的風致振動事件時，無法對公眾進行正確的輿論引導，對其開展橋梁風工程專業通識教育也十分必要。因此，除了優化課堂教學和實踐教學以外，本研究還充分發揮我校在橋梁風工程領域的影響力，依托實驗室承擔的大量國內外重大橋梁工程的抗風研究課題，借助央視、各類門戶網站、學術會議、校網、學校微信公眾號等平臺，通過新聞報道、影視紀錄片、科普講座等方式在更大范圍內開展橋梁風工程科普教育，讓公眾認識和了解橋梁風工程，進一步促進該課程的教學和科研工作，構建教學、科研、專業通識教育互促互融平臺。

例如，在學校承擔的港珠澳大橋、楊泗港長江大橋、巴拿馬四橋等抗風研究課題時，聯合中央電視臺拍攝了《走近科學——大橋抗風記》《走近科學——超級懸索橋》《創新一線——橋與風的抗衡》等多部紀錄片，推進橋梁風工程的科學普及工作。本研究還以央視拍攝的這些紀錄片為契機，多次組織在校本科生觀看，開展專業通識教育。此外，任課教師利用學校的“土木科技月”“重點實驗室開放周”等，通過線下和各類社交平臺開展科普講座，提升廣大師生及相關從業人員的專業水平及防災減災意識。通識教育不僅極大推進了橋梁風工程知識在學生及相關從業人員中的推廣和普及，更進一步地提升了學生的學習興趣，為該課程的教學和科研工作開展奠定了基礎。

結語

本研究針對“橋梁與結構抗風設計”課程實踐性突出、傳統教學方法效果不佳、實踐教學環節不合理的特點，開展橋梁風工程專業實踐能力培養與通識教育的探索和實踐。本研究在理論與實踐結合的基礎上，首先，通過整合校內國家工程實驗室、省重點實驗室等先進科研平臺資源，將縱、橫向科研課題和各類科創類實踐活動有機結合，著力優化實踐環節；然后，借助影視、網站、公眾號等各類媒介平臺開展廣泛的專業通識教育，擴展了學生及相關從業人員的專業知識及防災減災意識；最終，形成教學、科研、專業通識教育間的互促互融，進而實現教學效率和質量的提高，為解決傳統教學方式中的難點問題提供了重要參考。