基于虛實結合的“土木工程抗風”實踐教學探索

周 強，李志國，馬存明，李明水

（西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031）

引言

隨著社會的發展和進步，土木工程在城市化進程中發揮著至關重要的作用。然而，隨著土木工程結構不斷朝大跨、高聳、輕柔等方向發展，結構自重輕、阻尼小，對風致作用變得十分敏感［1-2］，抗風設計成為土木工程中不可忽視的重要領域。為了培養具備抗風設計能力的工程師，土木工程抗風實踐教學變得尤為重要。

傳統的實踐教學方法通常依賴于學生在風洞試驗中進行實踐操作。然而，由于場地條件的限制、成本的高昂以及無法實現可視化教學，導致傳統實踐教學方式存在明顯的局限性［3］。為了克服這些限制并提供更富有創新性和安全性的教學方法，教育界開始采用虛擬數值仿真技術［4-5］。基于虛實結合的土木工程抗風實踐教學模式結合了虛擬仿真技術和實際操作，為學生提供了一個創新、可控、有趣的教學環境。學生可以通過虛擬仿真軟件模擬不同的風場環境、結構繞流，并進行抗風設計和實踐操作。這種教學模式不僅提供了更多的實踐機會，還可以幫助學生更好地理解抗風設計原理和應用技術。

本研究的目的是探索基于虛實結合的“土木工程抗風”實踐教學模式，并評估其對學生學習成果和教學效果的影響。通過比較傳統實踐教學方式和基于虛實結合的教學模式，西南交通大學探討了虛擬仿真技術在“土木工程抗風”實踐教學中的應用效果，以及學生對該教學模式的反饋和體驗。

一、實踐教學的問題與難點

“土木工程抗風”課程的教學面臨一些問題和難點，這些因素需要高校深入了解和解決，以確保教學質量和學生的學習效果。本部分將探討“土木工程抗風”課程教學中的主要問題和難點。

（一）主要問題

1.場地條件限制。傳統的實踐教學方式往往需要在實際風場或風洞環境下進行，但這會受到場地條件的限制，影響學生的實踐能力培養。

2.成本和資源限制。搭建與維護真實風洞設備以及進行抗風實驗所需的設備和材料通常需要高昂的成本。學校和教育機構可能面臨資源有限的挑戰，無法提供足夠的實踐教學設備和場地。

3.安全風險。抗風實驗通常需要高風速和高壓力的條件，存在一定的安全風險。學生的安全必須得到充分保障，因此實驗操作必須嚴格遵守相關的安全規范和操作指南。

4.實踐機會的不足。傳統的實踐教學方式可能無法提供足夠的實踐機會，尤其是在時間有限或課程內容繁多的情況下，學生可能無法獲得充分的實踐操作和經驗，從而限制了他們的學習效果和實踐能力的培養。

5.學習興趣和動機的激發。抗風課程的教學內容相對抽象和理論化，學生的學習興趣和動機可能受到影響。教師需要營造積極的學習氛圍，激發學生的興趣，引導學生主動參與，以提高他們對抗風設計的理解和應用能力。

針對這些問題和難點，基于虛實結合的教學模式可以為“土木工程抗風”課程教學提供一種解決方案。通過虛擬仿真技術，學生可以在安全、可控的環境中進行抗風設計和實踐操作，克服了場地條件的限制和實踐機會的不足。同時，基于虛實結合的教學模式可以提供更豐富、互動和創新的學習體驗，激發學生的學習興趣和動機。

通過對元素的相關性進行分析(表2)，發現Au與As、Ag、Sb間正相關性顯著，相關系數分別為0.901、0.800、0.853，由此可見，As、Ag、Sb是金礦化的良好指示元素，很好的反映了礦體中Au的主要賦存礦物為毒砂。此外Au與Ba、Mn、Zn成負相關，當它們含量高時對礦體礦化極為不利。

（二）面臨難題

基于虛實結合的教學模式也面臨一些挑戰。首先，虛擬仿真技術的開發和應用需要專業的軟件、硬件支持，對教育機構和教師提出了技術能力和設備要求。其次，教師需要適應新的教學方法和教學環境，具備相應的培訓與指導能力以確保教學質量和學生的學習效果。最后，基于虛實結合的教學模式還需要充分評估其教學效果和學生學習成果，以便不斷改進和優化教學策略。因此，本研究將重點探索基于虛實結合的“土木工程抗風”課程實踐教學模式，以解決傳統教學方式中存在的問題和難點。通過整合虛擬仿真技術和實際操作，我校將評估該教學模式對學生學習成果和教學效果的影響，并提出改進和優化的建議，以促進“土木工程抗風”課程實踐教學的質量和效果。

（三）發展趨勢

“土木工程抗風”課程實踐教學在近年來得到了廣泛的關注和發展，未來需要在以下環節進行加強。

1.實踐環節的加強。傳統的“土木工程抗風”課程往往注重理論知識的傳授，而實踐環節相對較少。然而，隨著對實際應用能力的需求不斷增加，越來越多的高校開始加強抗風實踐教學環節。學生有機會參與抗風設計、結構模擬和實驗操作等實踐活動，提高他們的實踐能力和解決實際問題的能力。

2.虛擬仿真技術的應用。隨著虛擬仿真技術的快速發展，越來越多的教育機構開始將其應用于土木工程抗風實踐教學中。虛擬仿真技術可以提供虛擬的風場環境，學生可以在其中進行抗風設計和實踐操作。這種虛擬仿真技術的應用可以彌補實際風洞等設備的不足，提供更多的實踐機會，并提高學生對抗風設計原理和應用技術的理解。

3.實踐案例的引入。高校逐漸引入實際抗風工程案例，將學生置身于真實的抗風工程項目中。通過分析和解決實際案例中的抗風設計問題，學生能夠更好地理解理論知識在實踐中的應用，并培養其解決實際問題的能力。

4.多樣化的教學方法。為了激發學生的學習興趣和提高教學效果，我校采用了多樣化的教學方法。除了傳統的課堂講解和實驗操作外，引入了案例分析、小組討論、項目實踐和現場考察等教學活動。這些多樣化的教學方法可以促進學生的參與度和主動學習，提高他們的綜合素養和解決問題的能力。

二、基于虛實結合的抗風實踐教學探索

基于虛實結合的抗風實踐教學探索是為了克服傳統教學方式中存在的問題和難點，提供創新、安全和有效的學習體驗。在這個探索中，有兩個關鍵方面需要考慮和實施，分別是采用逆向教學和優化課程內容，以及虛擬與現實融合、科研與教學融合，豐富教學方法。

（一）采用逆向教學，優化課程內容，完善教學體系

傳統教學方式通常是從理論講解到實踐操作的線性過程，而逆向教學則是從實踐問題出發，引導學生主動探索和學習相關的理論知識。

針對“土木工程抗風”課程多學科交叉、知識點分散以及學時有限的特點，以實際工程應用為主線，以橋梁結構風荷載和各種風致振動為教學重點，摒棄傳統的先理論后實踐的教學方法，采用先目標后內容的逆向教學方法，化繁為簡，精簡知識點，優化教學體系，在有限的學時內讓學生掌握與土木工程抗風密切相關的知識架構［6］，最終構建了完善的教學體系，如圖1所示。例如，在介紹風致振動時，首先從渦振、顫振等常見的振動現象出發，結合工程案例講解其帶來的危害及其解決方案；其次向學生講授危害的定量評價手段，包括經驗公式、抗風規范等；最后將復雜的流動機理作為次要內容進行講解。

圖1 “土木工程抗風”課程實踐教學體系

基于上述逆向教學方式建立的教學體系可以激發學生的主動性和創造性思維，培養問題解決能力和抗風設計能力。學生在解決實際工程問題的過程中，通過探索與實踐，逐漸理解和掌握與土木工程抗風相關的知識和技能。以實際工程應用為主線，學生在解決實踐問題的同時，能夠深入了解相關的理論知識，并將其應用于實際設計中。這種逆向教學方式的優勢在于將學生置于真實的抗風工程背景中，培養他們的實際應用能力和創新思維，使他們在未來的實際工程項目中能夠更好地應對和解決抗風設計的挑戰。

通過建立基于逆向教學的教學體系，“土木工程抗風”課程的教學內容得以優化，知識點得到精簡和精練，使學生能夠在有限的學時內全面掌握抗風設計的核心概念和方法。這樣的教學體系可以提高學生的學習效率和學習成果，為他們在土木工程抗風領域的職業發展打下堅實的基礎。因此，基于逆向教學方式建立的教學體系為“土木工程抗風”實踐教學提供了有效的教學模式，激發了學生的主動性和創造性思維，培養他們解決問題的能力和抗風設計能力。在未來的教學實踐中，高校應進一步探索和完善這種教學模式，以提高土木工程學生的綜合素質和實踐能力。

（二）虛擬與現實融合、科研與教學融合，豐富教學方法

針對“土木工程抗風”課程的研究性和實踐性突出，而傳統教學方法單一的特點，采用理論與實踐相結合，甚至是實踐先于理論的教學方法，依托我校的物理風洞和虛擬風洞資源平臺，結合各類科創活動和科研項目，構建研究性實踐平臺，引入最新的科研成果和前沿技術，讓學生了解當前領域的發展動態，并將科研成果融入抗風實踐中。這種融合可以提高學生的學習興趣和動力，培養他們的創新思維和科學研究能力。例如，在講解橋梁的渦振時，結合工程項目研究，通過風洞試驗觀察橋梁模型的振動情況，通過數值模擬直觀看到旋渦流動情況，從而讓學生掌握氣流與橋梁斷面的相互作用，加深對知識點和實際工程問題的理解，如圖2所示。又如，通過設置SRTP項目、重點實驗室開放課題、橋梁抗風競賽等科研實踐活動，結合我校承擔的大量前沿科研課題及國內外重大橋梁工程的抗風研究項目（如港珠澳大橋、楊泗港長江大橋、虎門大橋、土耳其恰納卡萊大橋等），將科研與教學密切融合，培養學生的創新能力。

圖2 橋梁及圓柱繞流虛擬演示案例

此外，基于虛實結合的抗風實踐教學還可以豐富教學方法。除了傳統的課堂講解和實驗操作外，教師可以利用虛擬仿真技術進行模擬實踐、案例分析和團隊合作等教學活動。通過多樣化的教學方法，學生可以從不同的角度與途徑理解抗風設計的原理和應用，提高他們的綜合素養和解決問題的能力。

三、主要結論

基于虛實結合的抗風實踐教學探索在解決傳統教學方式中的問題和難點上具有重要意義，也為土木工程抗風實踐教育帶來了新的發展機遇和突破。

1.基于虛實結合的抗風實踐教學模式為學生提供了更為直觀、可控的學習環境，克服了實際物理風洞場地和可視性的難題。通過虛擬仿真技術，學生可以在虛擬環境中進行多次實踐操作，積累經驗并提高技能。然后，他們可以將所學應用于真實環境中的抗風實踐中，全面培養實踐能力。

2.基于虛實結合的抗風實踐教學模式激發了學生的學習興趣和動機。逆向教學的方式讓學生主動參與和探索，培養了他們解決問題的能力和創造性思維。虛擬仿真技術、案例分析和團隊合作等多樣化的教學方法豐富了教學過程，提高了學生的綜合素養和解決問題的能力。

3.基于虛實結合的抗風實踐教學模式促進了科研與教學的融合。教師可以引入最新的科研成果和前沿技術，讓學生了解抗風設計領域的最新動態，并將科研成果應用于實際操作中。這種融合培養了學生的科學研究能力和創新思維。