結構風工程線上資源—虛擬仿真平臺建設創新實踐探索

柯世堂，楊杰，任賀賀，吳瑾

（南京航空航天大學 土木與機場工程系，江蘇南京 211106）

結構風工程是一門研究和解決結構設計中的風荷載和風效應問題的學科，具有綜合性強、實踐性強，與工程實際聯系緊密的特點，是目前土木與機場工程專業的研究熱點之一[1-2]，同時也是風工程學者和結構工程師之間聯系的橋梁，已成為土木工程和工程力學專業最重要的專業基礎課程之一，對于培養土木工程專業人員的抗風設計能力十分必要。工程實踐能力培養作為工科教育的重要內容，不僅是應用型人才區別于研究型人才的顯著特點，也是檢驗素質教育成效的關鍵性指標，更是“卓越工程師”培養的迫切要求。

結構風工程屬于土木與機場工程專業的新興交叉學科，涉及氣象學、空氣動力學及氣動彈性力學、結構工程學、振動工程學等多門學科[3-4]。然而，目前結構風工程的實踐教學環節存在以下幾個問題：傳統教學脫離工程實際、傳統物理風洞資源有限、物理風洞的使用代價高昂。

因此，結構風工程課程的教學改革勢在必行。課題組教師結合多年課程教學實踐經驗，對該課程教學改革進行了探索，并取得了一定的成果。

1 教學改革方案設計

1.1 構建虛擬仿真實驗項目群

課題組教師依托國家級虛擬仿真和精品課程優勢資源，面向工程創新能力專業培養方案，以“做學研用”為宗旨，以“結構創新”為主線，構建了貫穿研究生教學的虛擬仿真實驗項目群。虛擬仿真實驗系統能夠節省教學經費，突破傳統實驗在硬件和時間上的局限性，具有開放性和共享性，能夠優化教育資源，拓展實驗教學模式。在各層次教學內容中，教師將虛擬仿真技術與實踐相結合，按照教學目標定位要求，構建一套完整的實踐性教學內容體系，落實以學生為中心的新工科工程教育理念[5-6]；全面融入結構風工程、土木工程抗風設計和機場工程等主干課程和研討課程的核心知識以及相關研究方向的學科前沿信息，通過綜合教學，提高學生的創新實踐興趣，幫助學生掌握理論知識，強化學生工程實踐能力，提高學生的專業素養；在已建成國家虛擬仿真項目的基礎上，根據用戶反饋，進一步開展虛擬仿真實驗項目開發，補充并完善測力實驗和測振實驗功能模塊，為學生提供無操作環境限制、交互性、沉浸性和仿真性的工程實踐教學體驗，激發學生的學習興趣；同時為學科建設提供科學研究條件，為專業教學提供貼近工程實際的教學環境，使專業教學逐步向模擬化、可視化方向發展。

1.2 開發結構風工程虛擬仿真平臺

結構風工程虛擬仿真實驗教學中心在建設初期即密切關注、積極響應國家新工科建設要求，在教學資源建設、師資隊伍建設、運行模式與教學體系建設、教學效果評價體系建設等方面開展了卓有成效的工作。課程組教師建設了一系列實踐教學資源，設計用戶界面，編制程序和數據接口，開發結構風工程虛擬仿真平臺，并形成了包括操作說明、教學大綱、考核方式及評價體系、研討案例、多媒體教案、小型實物演示模型、微視頻、講義、網站等的創新實踐教學資源，豐富虛擬仿真實驗教學資源，確保創新活動可持續發展。虛擬實驗創新平臺的開發工作分為四個方面，如圖1 所示。同時，為了充分實現資源共享，充分發揮線上教學的作用，平臺采用實名登記教學，對虛擬仿真實驗參與者實行電子化、網絡化管理，并建立了交互式網絡教學中心網站，提供網絡課件、教學視頻、教學大綱、教學進度表、電子教案、師生交流平臺等內容，方便學生自學、自測、復習及與教師交流研究。

圖1 虛擬仿真平臺示意

1.3 將虛擬仿真有機融入創新實踐教學

課程組教師基于虛擬仿真項目，結合南京航空航天大學風工程方向的實際情況和項目案例，全面打通課堂研討、工程項目、學科競賽、工程實踐這四個實踐教學環節。在課堂研討環節，突出了實景、實物進課堂的基本理念，采用了案例教學、工程模擬等豐富多樣的課堂研討形式。同時以學生為中心，將真實的項目案例融入教學，結合案例研討激發學生學習熱情，活躍課堂學習氛圍，充分發揮學生的主觀能動性，提高學生解決實際工程問題的能力。教師對于在研討中發現的問題，在實踐教學環節，通過立項研究鼓勵學生自主探索解決問題，培養學生的實際動手能力；鼓勵學生通過參加競賽展示成果，使學生在研討課程課堂學習討論、課外自主研學、學科競賽成果展示、工程實訓等方面得到立體化全方位的創新能力鍛煉。同時，教師將在實踐過程中產生的新案例、新項目，經改造加工后作為虛擬仿真項目群的補充內容。整個課程設計過程與工程實踐緊密相連，有效培養了學生的工程實踐和創新能力，提高了教學質量，同時，為學科建設提供了科學研究條件，為專業教學提供了貼近工程實際的教學環境，使專業教學逐步向模擬化、可視化方向發展。此外，在應用平臺的過程中，教師逐漸養成了科技實踐能力，營造了良好的實驗創新氛圍，培養了大學生科技創新能力，提高了教師的實驗創新能力。

2 創新實踐

2.1 采用“立體化”的教學方法

課程組教師秉承“以學生為中心、強化實踐育人”的教學理念，采用多媒體技術構建了虛擬仿真風洞試驗平臺，促使傳統物理風洞試驗與信息技術相融合，有效解決了傳統風洞試驗“成本高、周期長”和單純理論介紹“太抽象、不直觀”的問題[7-9]，運用“立體化”教學方法，融合理論教學、現場參觀和虛擬實驗，通過多個角度開展對結構的風荷載、風效應的探究，以培養學生結構抗風相關內容的“立體化”知識體系，最終達到傳授學生知識、提高學生能力、開闊學生視野的目的，力求貼近實際、直觀生動。“立體化”的教學方法，能夠打破傳統結構創新實驗的時空限制，加深學生對理論知識的理解，為學生與教師建立了良好的交流平臺。

2.2 培養學生解決復雜工程問題的能力

課程組教師依托南京航空航天大學力學國家一流學科，將國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目和國內外眾多重大工程項目分割簡化，轉化為直觀生動的數字化虛擬仿真實驗。通過將科研成果、多學科前沿科技融入實踐教學各環節和全過程，讓學生充分了解結構抗風領域的新方法、新進展、新趨勢，培養學生的全局意識，為學生未來從事相關工作奠定良好基礎。教師還提供開放性實驗模塊，讓學生在實踐過程中自由探索，充分發揮想象力和創造力，培養學生發現問題、解決問題的思維意識，提高學生的工程素養和綜合能力，以達到培養“卓越工程師”的最終目標。

2.3 積極開放共享，不斷完善教學項目

本研究課題教學改革的部分相關實驗已成功接入國家虛擬仿真教學平臺和江蘇省平臺（見圖2），擴大了項目的影響力，并且可以獲取更多渠道的反饋信息，有利于課程的進一步優化與完善，使得課程在達到實驗預期目標的同時更加貼近學生的需求。課題組教師響應教育部本科課程建設和改革要求[10-11]，打造國家級精品資源共享課，有效實現高等教育大眾化、教育資源平均化以及對資源的高效利用[12]，同時以本項目建設為契機，積極與兄弟院校和科研單位溝通交流，為不斷改進教學工作提供了動態機制，形成可示范的學習新模式。

圖2 虛擬仿真實驗教學項目共享平臺

3 虛擬實驗

3.1 實驗準備

本實驗采取“虛實結合”的方法，主要實驗目的包括：

（1）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，通過實際案例使學生深入觀察風洞試驗流程，理解結構抗風設計理念。

（2）熟悉大型建筑和機場等結構風洞試驗的基本測量儀器，及其對應的試驗原理，進一步加深對結構抗風設計的理解。

（3）幫助學生初步了解流體力學相關知識，對風洞試驗中最重要的理論基礎“流動相似準側”形成一定的認知，提高學生對相關理論的學習興趣。

（4）配合課程教學需要，以南京航空航天大學人才培養定位目標和國家急需的高端防災減災研究人才培養為出發點，兼顧資源共享和輻射，用現代信息化技術構建高真實感的虛擬實驗設備和虛擬物理風洞教學環境。

學生通過課堂理論學習，掌握基本實驗理論和相關安全知識。相關教師講解虛擬風洞試驗所涉及的理論知識點。學生通過研習，可對虛擬風洞試驗有初步了解，通過問題導向，進行線上大型建筑結構風洞仿真實驗，并結合參觀南京航空航天大學NH-2 物理風洞實驗室，加深理解。

3.2 實驗設計

仿真平臺采用虛擬技術仿真實驗[13-14]中用到的設備和模具，提供與真實實驗相似的實驗環境，由學生自主選擇實驗方案和目的，包括超高層建筑測壓、高層建筑測力以及橋梁結構測振等（如圖3 所示）。主要流程為：實驗說明→模型制作→測點布置→工況布置→參數設置→風洞試驗→結果分析。

圖3 實驗項目分類示意圖

實驗說明：各實驗均以實際工程為背景，實驗說明部分對項目背景、實驗設備、實驗原理進行了詳細介紹，在實驗設備中可多角度觀察實驗中使用的設備，增加對儀器設備的認知；實驗原理部分直觀體現了課程主要知識點，即風洞試驗最為重要的理論基礎之一的“流動相似準則”[15]。

模型制作。通過互動答題、系統實時批改，學生加強對模型材質的認識，通過將實際物理實驗中難以直接體現的模型制作過程可視化，學生進一步加深對風洞試驗的理解。模型制作理論知識學習完成后，學生可根據操作提示自主選擇不同的模型作為實驗對象、模型縮尺比。

測點布置和工況布置。采用皮托管對結構測點進行布置后，拖動油漆罐為模型上色，之后根據操作提示從工具箱中依次拖拽風速轉盤、膠水，將測試模型放在測試區域，以完成工況布置。

參數設置。在參數設置部分，可以設置不同的風向角測量工況，將物理風洞試驗中繁雜而無法實現的試驗工況虛擬化為實驗流程的一項參數設置，大大節約了試驗成本與時間成本。

風洞試驗。參數設置結束后根據操作提示，操作控制臺按鈕，啟動實驗，在實驗過程中可實時觀察到結構模型在風洞中的響應姿態，并在實驗過程中穿插理論知識問答，以進一步加深學生對相關知識的熟悉程度。

結果分析。實驗結束后進入數據展示，可通過調整風向角度，查看測點的體型系數圖、體型系數沿高度變換曲線、基地剪力、彎矩、結構頂層加速度峰值等數據，如圖4 所示。

圖4 實驗數據展示示意圖

教師通過引導學生自主、開放性提出風洞試驗的基本架構和控制參數，并通過對上述各種相關參數的改變，激發學生的學習興趣和求知欲望，培養學生在實踐中發現“疑問”在“解疑”過程中增強創新的意識。

3.3 課程考核

教師利用虛擬實驗教學平臺對學生進行教學考核和驗收，具體包括實驗結構批改和實驗成績統計等，重點考查實驗報告的完整性和正確性以及學生的學習態度，鼓勵學生在實驗報告中討論自定的改進實驗方案，并予以說明，為實驗教學環境提供服務并開展應用。通過實驗考核，學生能夠全面認識建筑結構風洞試驗及控制參數對風洞試驗結構的影響，從而有效提升土木工程結構抗風設計的綜合創新能力。

4 結語

本研究課題的教改方案基于“學生自主設計—教師輔助引導”的原則，建設虛擬仿真實驗項目群，不斷擴充項目案例庫，采取“調查分析—理論構建—實證研究—總結課題”的技術路線。通過虛擬仿真平臺提供的與真實實驗相似的實驗環境，引導學生自主、開放性解決風工程中的常見問題。虛擬實驗教學提供全方位的虛擬實驗教學輔助功能，能夠使學生深刻理解建筑風洞試驗總體知識及其工作機理，有效幫助學生提升專業綜合思考能力。隨著土木工程技術的不斷發展和結構設計要求的不斷提高，結構風工程課程的教學內容和方法也應與時俱進，不斷充實完善。