《結構風工程》研究生“三位一體”教學體系建設與實踐

孫瑛 孫曉穎 武岳

摘?要：結合“結構風工程”課程的特點，針對教學中存在學生對知識理解不深、實踐創新能力不強、職業發展迷茫等問題，以“大師+團隊”為機制，構建了“虛實結合+研學結合+思政”引領“三位一體”的課程教學體系改革與實踐方法。通過虛實結合加深學生的知識理解，深化研學結合全方位提升學生的實踐創新能力，加強課程思政引領學生樹立更高的專業志向，最終實現知識、能力和志向“三位一體”，以土木工程卓越人才實踐創新培養為目標，重點提升傳統《結構風工程》的教學效果，旨在達成卓越而有靈魂的研究生教育。

關鍵詞：虛實結合；研學結合；思政引領；實踐創新

一、傳統課程教學中存在的問題

《結構風工程》是研究生專業學位課，學時32，哈爾濱工業大學是國內較早、也是較系統開展結構風工程相關理論研究與教學的高校之一。20世紀50年代，王光遠院士就開展了結構風振隨機響應分析方面的研究；其后，沈世釗院士在大跨柔性屋蓋結構風振分析理論，歐進萍院士在結構抗風動力可靠度分析方法等方面，都開展了富有成效的研究工作。歐進萍教授在國內率先開設了《風工程與結構抗風設計》研究生課程；先后由段忠東教授、武岳教授和孫瑛教授主講。本課程有著很好的優良傳統，有著“扎根東北”特色的建設課程之一。

結構風工程是土木工程領域的重要研究方向之一，其理論性、學科交叉性、實踐操作性強。課程教學存在以下問題：

（1）課程內容繁雜、理論抽象、學科交叉性強，由于受到場地、經費和人員安全等方面的限制，實驗教學以驗證性和演示性實驗為主，學生動手能力缺乏鍛煉，對知識理解不深入，不少學生課程學完后，對知識點印象不深、不得技術要領；

（2）由于很難近距離接觸到實際工程結構，導致學生對各種體系抗風作用的理解不深，綜合運用所學知識解決工程問題的能力不強，實踐創新能力不強；

（3）很多學生在完成學業后，不知道自己是否能勝任工作要求，對職業發展充滿迷茫，甚至對自己缺乏信心。

綜上，傳統教學中存在重“理論”輕“實踐”、重“課上”輕“課后”、重“線下”輕“線上”、重“學習”輕“創新”等問題。

二、結構風工程課程的育人路徑

（一）推行“模型化”實踐教學，實現教學的虛實結合，達成“不斷改革創新”

將虛擬與現實有機結合作為一種信息化教育、教學手段，在土木工程專業創新“模型化”實踐教學體系，實現從被動學習向主動探究的轉變［3］。實驗中，不是老師手把手教，也不是老師演示學生看，而是讓學生自行從風氣候庫和結構庫中選擇所需的極端風類型、結構類型及尺寸，像“搭積木”一樣嘗試搭建分析平臺，通過反復摸索加深認識，激發學生的學習興趣；并且可以借助3D漫游技術從不同視角了解結構受風作用及風致破壞特點，與課堂教學形成相輔相成的關系；突破實踐時間、空間和資源使用的限制，提高教學成效，提高學生的專注度、反饋度和自由度。

通過建立了臺風結構、風洞等三維漫游模塊，實現對極端風及風洞設備模型任意方向旋轉及視點變換，幫助學生深度理解臺風結構內容與原理，方便學生深度理解實驗內容與原理，實現“模型化”助學，如圖1所示，漫游模塊是虛、臺風結構是實，這是學與玩的結合；針對鈍體空氣動力學的學習，綜合采用課堂教學、試驗實踐和翻轉課堂相結合的方式，讓學生按自選題目進行流場可視化試驗，自己動手制作一些小模型，通過煙流可視化流場，觀察鈍體繞流的現象，達成“模型化”導學，如圖2所示，模型煙流是虛、鈍體繞流現象是實，這是理論與現象的結合；以教學改革項目為契機，建立了風荷載數據庫，經過大量分析統計，建立起不同建筑外形的風荷載模型供工程分析應用，實現數據應用“模型化”，如圖3所示，風荷載數據是虛、模型應用是實，這是數據與應用的結合。以上虛實結合，都體現在虛擬仿真教學平臺中，目的也是加深學生對不同知識點的理解，該虛擬仿真教學平臺已經通過黑龍江省認證。

（二）實現科研成果向教學資源的持續轉化，達成“科研攻關”與“教書育人”的有機融合

結合多年教學實踐和科研積累，由“武岳”教授牽頭組織編撰并修訂教材《風工程與結構抗風設計》。該教材入選“現代土木工程精品系列圖書”和“十二五國家重點圖書出版規劃項目”，以此教材為基礎，在教學中體現最新技術發展，為學生展示學科前沿發展動態。經調研國內有多所高校開設有結構風工程相關課程，其中通過出版社聯系使用本教材的高校共有36所，多是目前國內在風工程教學與研究領域頗有建樹的高校，可見本教材得到了國內同行的普遍認可，使用廣泛。

對于風敏感的高層建筑和大跨屋蓋結構，以實際重大工程項目為例進行講解，給出應用結構規范進行抗風設計的流程，達到分析具體工程問題的目的；結合工程案例和理論教學，讓學生在學習基礎理論的同時，了解相關知識在工程領域的應用，更加切實地將所學知識融入工程實踐中；課程中還包括對規范的介紹，注重講解規范背后的理論背景，使學生能夠從更加客觀全面的角度審視規范，提升工程創新能力，本課程還適當融入了國內風工程領域的主要研究成果和最新動向，培養學生的科研志趣，為學生進一步深造奠定了基礎；通過對500米口徑射電望遠鏡的選址流場模擬、奧運工程鳥巢的風振分析這些大型復雜工程的介紹，見圖3，能促使同學們對國之重器的近距離接觸，引發學生愛國熱情，同時也能讓同學們體會大國重器的形成過程，并非一開始就定位大國重器，而是精益求精的科研態度、認真踏實的細節工作、不斷克服不可能的探索精神成就了它。

在科研成果轉化方面，注重培養學生工程意識、工程實踐綜合能力和創新意識。近五年來，團隊成員承擔近十項國家自然科學基金重點和面上項目，同時承接了30余項的抗風咨詢項目，在這些項目中研究生的參與度很高。

此外，與一些企業建立戰略合作，新建的風洞實驗室設立為研究生教學基地，這讓更多的學生參與到實際工程應用與研究中，真正實現研學結合的有利局面。

（三）強化課程思政建設，注重學生的思想引領，真正做到“緊扣立德樹人根本任務”

課程組成員在哈工大八百壯士精神引領下［2］，本著以德為先，弘揚“愛國奉獻”傳統的宗旨，深入挖掘課程思政元素，在專業知識講授中融入愛國情懷。《結構風工程》課程包含著相當多的“課程思政”元素，例如，我國風工程學科的發展歷程，反映了老一輩科研工作者艱苦創業、愛國奉獻的優良傳統；也介紹了改革開放以來，我國在風工程研究與工程應用領域的偉大成就，我國目前在風洞數量和風工程專業人才數量方面均居世界首位；同時展望了未來風工程的發展，將更好地為我國的新型城鎮化建設、能源安全和綠色環保做出貢獻。課程教學實施過程中稍加思考，便可以在軟化專業知識教學的同時，引導學生樹立正確的人生觀和價值觀，培養學生積極向上的高尚情操，達到“課程思政”的效果。不僅要加強具體知識的傳授，更要加強對學生世界觀、人生觀和價值觀的塑造，培養學生的民族自豪感和愛國主義情感，學會用唯物主義辯證思維，以及培養學生的科學精神。

三、“三位一體”課程教學體系實踐獲得的教學成果

針對教學中存在學生對知識理解不深、實踐創新能力不強、職業發展迷茫等問題，提出了以下教學方法：結合“結構風工程”課程的特點，以“大師+團隊”為機制，構建了“虛實結合+研學結合+思政”引領“三位一體”的課程教學體系改革與實踐方法，如圖4所示。以土木工程卓越人才實踐創新培養為目標，重點提升傳統“結構風工程”的教學效果，并取得了以下成果：

建設哈爾濱工業大學研究生精品課程1門，建設省級虛擬仿真平臺項目1項，發表教學論文4篇，獲“首屆黑龍江省教材建設獎一等獎”“哈爾濱工業大學教學優秀二等獎”等獎勵10余項。教學成效好，受到學生的一致好評，評教近五年連續被評為優秀。

面向國家發展重大需求，解決高質量土木工程專業人才培養問題，通過虛實結合加深學生的知識理解，深化研學結合全方位提升學生的實踐創新能力，加強課程思政引領學生樹立更高的專業志向，最終實現知識、能力和志向“三位一體”，旨在達成卓越而有靈魂的研究生教育。

四、“三位一體”課程教學體系的拓廣應用

（1）建成較完善的結構抗風防災課程體系。自20世紀90年代以來，歐進萍教授在國內率先開設了“風工程與結構抗風設計”研究生課程；2008年開始，開設了本科生課程；2015年開始，又增設了留學生課程。2010年開設了針對橋梁結構的研究生課“橋梁風工程”。延續“大師+團隊”體制，體現薪火相傳“傳幫帶”精神，將培養更多的年青老師主講課程，打造一支業務精湛、信念堅定、樂心育人的教學團隊。

（2）積極推進視頻公開課錄制、虛擬仿真實驗課等精品課程建設，形成區域輻射效應。本課程已經通過哈爾濱工業大學第八批在線開放課程立項，目前已完成視頻錄制。由孫瑛教授主持的“高層建筑臺風響應與氣動優化虛擬仿真實驗”目前已經在線服務兩年，還將繼續擴展其應用對象和范圍。

（3）同時，基于研究生聯合培養基地，結合相關的基礎理論課、創新研修課、實驗實踐類課程建設，逐漸形成國內重要的結構抗風理論研究與工程創新基地。

結語

《結構風工程》課程傳承歷史、厚積薄發，在建設中奮進，在創新中發展，繼續以“大師+團隊”為機制，發揚“虛實結合+研學結合+思政”引領“三位一體”的課程教學體系，在實踐中提升教學方法。教學的虛實結合，有助于“模型化”實踐教學；研學結合有助于科研成果向教學資源的轉化，以提升學生工程創新能力；通過深入挖掘課程思政元素，培養學生將自己的專業和興趣與國家建設相聯系，在社會主義現代化建設的偉大事業中實現自己的人生價值。教學團隊將持續以立德樹人為己任，繼續努力奮斗，開創新理念、利用新技術、建立新模式、追求新考核，邁上一個新臺階，以達成“追求卓越”的目標。

參考文獻：

［1］熊四皓.堅持習近平總書記賀信精神引領?高標準高質量開展黨史學習教育［J］.黨建，2021（04）：2224.

［2］吉星，劉忠奎.哈工大“八百壯士”科教報國矢志不移［J］.奮斗，2021（10）：57.

［3］孫瑛，武岳，孫曉穎.“可見、可觸摸式”教學方法研討［J］.教育教學論壇，2015，11，45：114115.

基金項目：哈爾濱工業大學第七批教學發展基金項目（課程思政類）研究生課程：結構風工程；哈爾濱工業大學第八批在線開放課程立項：結構風工程；哈爾濱工業大學研究生教育教學改革研究項目（21MS026）

*通訊作者：孫瑛（1976—?），女，漢族，福建福州人，博士，教授，研究方向：結構風工程及大跨空間結構。

作者簡介：孫曉穎（1975—?），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，研究方向：大跨空間結構；武岳（1972—?），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，研究方向：新型結構與結構形態學及冰雪結構。