陳秋華
摘? 要:風(fēng)工程研究愈來(lái)愈受到關(guān)注。該文依據(jù)應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求,針對(duì)現(xiàn)階段風(fēng)工程課程本科教學(xué)存在的不足,從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式等方面對(duì)課程的構(gòu)建進(jìn)行了探討,建立了“遞進(jìn)式”+“以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式。在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上,有機(jī)結(jié)合了數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)等實(shí)踐教學(xué)方法,有利于應(yīng)用型高校本科生基礎(chǔ)研究能力和綜合創(chuàng)新能力的提高。該文構(gòu)建的教學(xué)方法可為風(fēng)工程領(lǐng)域應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供參考。
關(guān)鍵詞:應(yīng)用型本科? ?風(fēng)工程? ?數(shù)值模擬? ?風(fēng)洞試驗(yàn)? ?教學(xué)模式
中圖分類(lèi)號(hào):G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3791(2021)06(a)-0127-04
Construction and Practice of Undergraduate Wind Engineering Teaching Approach in Local Application-Oriented
Universities
CHEN Qiuhua
(Fujian Provincial Key Laboratory of Wind Disaster and Wind Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen, Fujian Province, 361024? China)
Abstract:More and more attention has been paid to the wind engineering researches. According to the requirements of the applied talents training target, in view of the current defects of wind engineering course for undergraduates, the curriculum construction aspects of teaching content, teaching form and so on are discussed in this paper. The teaching approaches of progressive type and student-centered & teacher-led type are established. On the basis of theoretical teaching, practical teaching methods such as numerical simulation and wind tunnel test are organically combined, which is conducive to the improvement of basic research ability and comprehensive innovation ability of undergraduates in application-oriented universities. The teaching approach in this paper can provide the reference for applied talents training in the field of wind engineering.
Key Words:Application-oriented undergraduate; Wind engineering; Numerical simulation; Wind tunnel experiment; Teaching approach
“風(fēng)工程”是研究風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用和結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的響應(yīng)的學(xué)科,屬于土木工程專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中比較新的專(zhuān)業(yè)科目。國(guó)際風(fēng)工程的研究可以追溯到1940年美國(guó)華盛頓州的塔科馬(Tacoma)峽谷懸索橋的破壞。塔科馬橋在不到20 m/s的風(fēng)速下發(fā)生強(qiáng)烈的風(fēng)致振動(dòng)最終導(dǎo)致?lián)p毀,引起了許多學(xué)者的關(guān)注,開(kāi)啟了結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的新時(shí)期。我國(guó)風(fēng)工程研究開(kāi)展較晚,1980年成立的中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)研究會(huì)標(biāo)志著風(fēng)工程研究在我國(guó)的正式開(kāi)始。
1? 風(fēng)工程本科教學(xué)的意義
隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,中超高層、大跨度及異型結(jié)構(gòu)層出不窮,這些工程建設(shè)項(xiàng)目均有抗風(fēng)試驗(yàn)的剛性需求,城市居住環(huán)境質(zhì)量的風(fēng)影響問(wèn)題等都離不開(kāi)相關(guān)風(fēng)工程的研究。對(duì)于常年遭受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響的沿海地域而言,其工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的要求更為嚴(yán)格,結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要性更加凸顯。因此,風(fēng)工程學(xué)科知識(shí)的普及迫在眉睫,現(xiàn)階段對(duì)從事風(fēng)工程領(lǐng)域的技術(shù)人員需求日益增加,有利于進(jìn)一步提高城市的社會(huì)發(fā)展和滿(mǎn)足公共安全的需求。目前,我國(guó)各高校的土木工程本科專(zhuān)業(yè)課程中有時(shí)會(huì)涉及到風(fēng)荷載的規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),但受到硬件條件等因素的限制,風(fēng)工程領(lǐng)域人才的培養(yǎng)還是集中在導(dǎo)師帶領(lǐng)研究生開(kāi)展各項(xiàng)研究課題,現(xiàn)階段全國(guó)僅有極少數(shù)的大學(xué)本科設(shè)有風(fēng)工程專(zhuān)業(yè)[1]。
目前,建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究已取得了較大的進(jìn)展,相關(guān)的方法或成果在實(shí)際工程中已加以應(yīng)用并得到了推廣。將風(fēng)工程相關(guān)的教育資源進(jìn)一步向本科生階段做出傾斜,完成課程的構(gòu)建,將更加切實(shí)地提高本科生的科學(xué)思維能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。而針對(duì)本科生進(jìn)行風(fēng)工程的實(shí)踐教學(xué)對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是尤為重要的,它可以培養(yǎng)本科生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)[2-3],實(shí)現(xiàn)地方應(yīng)用型本科高校的人才培養(yǎng)目標(biāo)[4],切實(shí)把辦學(xué)真正轉(zhuǎn)到服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展上來(lái)。因此,為使本科生深入了解工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的基本分析思路和方法,開(kāi)展風(fēng)工程領(lǐng)域的本科生課程教育的實(shí)踐探索已經(jīng)刻不容緩。
2? 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)
針對(duì)本科生或初學(xué)者而言,對(duì)抗風(fēng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)是非常重要的。風(fēng)工程是一門(mén)理論與實(shí)際緊密結(jié)合的課程,屬于交叉學(xué)科,需要學(xué)生對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識(shí)有所掌握。在教學(xué)過(guò)程中,需注重科學(xué)與工程的緊密結(jié)合和創(chuàng)新實(shí)踐的培養(yǎng),強(qiáng)調(diào)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和綜合試驗(yàn)等方面的教學(xué)改革,也要突出工程人文素養(yǎng)的教育,側(cè)重“工程性和綜合性”特色。針對(duì)理論、實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),需及時(shí)審定教學(xué)大綱,更新教學(xué)內(nèi)容,有效地加強(qiáng)新知識(shí)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。
2.1 人文情懷和工程素養(yǎng)教育
在理論教學(xué)課堂上,有效結(jié)合國(guó)內(nèi)外風(fēng)工程研究的發(fā)展歷程,注重融入新時(shí)代的工匠精神,引入抗風(fēng)研究領(lǐng)域的成就至課堂教學(xué)中,以激發(fā)學(xué)生的興趣,提升學(xué)生對(duì)該專(zhuān)業(yè)知識(shí)的認(rèn)知以及引導(dǎo)學(xué)生規(guī)劃職業(yè)生涯。例如:結(jié)合我國(guó)超高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)或橋梁抗風(fēng)研究的最新成果,可以幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)應(yīng)用,加深學(xué)生對(duì)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性的認(rèn)知和培養(yǎng)精益求精的工作態(tài)度。
2.2 理論知識(shí)教學(xué)注重難度適中、覆蓋面廣
以工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)、臺(tái)風(fēng)災(zāi)害、城市風(fēng)環(huán)境等為研究主線(xiàn)。教學(xué)內(nèi)容起于風(fēng)特性介紹,進(jìn)而延伸至鈍體空氣動(dòng)力學(xué),在此基礎(chǔ)上,介紹結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng),最后落腳于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)上,讓學(xué)生對(duì)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的要求有較深的認(rèn)識(shí)。同時(shí),結(jié)合專(zhuān)題的形式,介紹低矮建筑、高層建筑、大跨度屋蓋、橋梁、輸電線(xiàn)等結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載及風(fēng)效應(yīng)特征。針對(duì)本科生,知識(shí)點(diǎn)不過(guò)多強(qiáng)調(diào)晦澀的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo),而更多地通過(guò)啟發(fā)性的思維,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)風(fēng)工程課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)建立普遍的認(rèn)知。
2.3 開(kāi)展基于數(shù)值模擬計(jì)算的教學(xué)
在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中,重視理論與實(shí)踐的結(jié)合,特別是將各種新的研究技術(shù)手段應(yīng)用到教學(xué)中。
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高,計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamic, CFD)數(shù)值模擬技術(shù)[5-6]的發(fā)展已趨于成熟,并在風(fēng)工程的風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)特性研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)CFD數(shù)值模擬技術(shù),可將風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用中這一涉及空氣動(dòng)力學(xué)中的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象,較為直觀和清晰地呈現(xiàn)給學(xué)生,使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不僅能夠利用現(xiàn)有理論知識(shí)分析物理過(guò)程,而且能夠通過(guò)CFD技術(shù)獲得風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)的可視化過(guò)程,加深學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載作用的認(rèn)識(shí),激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。
2.4 有效依托先進(jìn)的風(fēng)洞試驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室,保障實(shí)踐教學(xué)的有效性
結(jié)合風(fēng)工程領(lǐng)域的熱難點(diǎn)問(wèn)題,依托福建省風(fēng)災(zāi)害與風(fēng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室,擬定風(fēng)洞試驗(yàn)教學(xué)的框架和內(nèi)容。
該省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的重要組成——風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室總建筑面積6 398 m2,已投入建設(shè)經(jīng)費(fèi)超過(guò)5 400萬(wàn)元人民幣,并于2018年1月投入運(yùn)行。該風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓全長(zhǎng)220 m,采用高、低風(fēng)速雙試驗(yàn)段串聯(lián)型式,可進(jìn)行橋梁全橋模型抗風(fēng)試驗(yàn)、高層、高聳結(jié)構(gòu)與大跨度場(chǎng)館模型風(fēng)洞試驗(yàn)、區(qū)域風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)等工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。在實(shí)踐教學(xué)中,通過(guò)學(xué)生自主設(shè)計(jì)風(fēng)洞試驗(yàn)方案,可增強(qiáng)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)開(kāi)展分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力,增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí),提高學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的思考水平。此外,通過(guò)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室研究訓(xùn)練的有機(jī)結(jié)合,為本科生基礎(chǔ)研究能力培養(yǎng)提供了一個(gè)重要的模式。
通過(guò)以上環(huán)節(jié),建立以圖片庫(kù)或視頻展示的工程實(shí)例或研究課題為一體的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)教學(xué)資料庫(kù),可以有效吸引學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的注意力,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,幫助學(xué)生更快地融入相關(guān)的知識(shí)體系中。
3? 教學(xué)方式構(gòu)建
依據(jù)應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)的特點(diǎn),結(jié)合風(fēng)工程專(zhuān)業(yè)課程的性質(zhì),基于土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的能力和知識(shí)背景,建立了“遞進(jìn)式”“以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式,引導(dǎo)學(xué)生循序遞進(jìn)、層層深入掌握課程。
3.1 “遞進(jìn)式”教學(xué)模式構(gòu)建
“遞進(jìn)式”教學(xué)模式共分為3個(gè)階段:第一階段為基礎(chǔ)理論知識(shí)學(xué)習(xí)階段,在第四學(xué)年的第一學(xué)期開(kāi)展,此時(shí)學(xué)生對(duì)土木工程領(lǐng)域包括橋梁、隧道及房屋建筑等專(zhuān)業(yè)課程的知識(shí)已有較好的儲(chǔ)備,在此基礎(chǔ)上,延伸風(fēng)工程專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)更為有益。在理論教學(xué)中,適當(dāng)介紹現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展需求與最新研究成果,激發(fā)學(xué)生興趣、開(kāi)闊學(xué)生視野、提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。第二階段為綜合能力學(xué)習(xí)階段,鍛煉學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料、整理試驗(yàn)方案、試驗(yàn)操作以及數(shù)據(jù)處理能力等各項(xiàng)綜合素質(zhì)。第三階段為綜合技能應(yīng)用階段,結(jié)合本科畢業(yè)論文的選題和撰寫(xiě)得以體現(xiàn),學(xué)生根據(jù)興趣進(jìn)行選擇,要求學(xué)生有對(duì)應(yīng)的綜合技能可以開(kāi)展相關(guān)課題的研究。
3.2 “以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)”教學(xué)模式構(gòu)建
傳統(tǒng)的“教師講授、學(xué)生聽(tīng)課”的方式往往難以達(dá)到教學(xué)效果。針對(duì)風(fēng)工程這一與工程實(shí)踐結(jié)合緊密的課程,需突出學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。第一,讓學(xué)生廣泛查閱風(fēng)工程領(lǐng)域研究課題相關(guān)資料,明確感興趣的方向,通過(guò)專(zhuān)業(yè)教師結(jié)合科研課題,使學(xué)生在掌握專(zhuān)業(yè)技能的基礎(chǔ)上,用科研工作助推本科生創(chuàng)新能力的提升,培養(yǎng)和提升創(chuàng)新能力。第二,學(xué)習(xí)討論以小組形式開(kāi)展,通過(guò)組內(nèi)和組間交流,學(xué)生闡述自身的思考過(guò)程,包括學(xué)習(xí)中的體會(huì)、疑點(diǎn)與困惑,互助答疑,再由教師點(diǎn)撥和歸納。在思考解決問(wèn)題的過(guò)程中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高新認(rèn)識(shí),在探討問(wèn)題中學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)規(guī)律、提出理論并指導(dǎo)實(shí)踐和應(yīng)用。第三,通過(guò)試驗(yàn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)檢驗(yàn)研究思路的合理性,使科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力得到進(jìn)一步培養(yǎng)的提高。綜上,建立起“以學(xué)生為中心,以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式,提高應(yīng)用型本科學(xué)生的工程實(shí)踐能力,形成特色教育。
4? 教學(xué)案例介紹
4.1 結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)的教學(xué)設(shè)計(jì)
首先,了解數(shù)值模擬Fluent軟件的基本特點(diǎn)。Fluent軟件是目前使用廣泛的計(jì)算流體力學(xué)CFD模擬的軟件包,可開(kāi)展流體相關(guān)的數(shù)值模擬計(jì)算,包括可壓和不可壓流體、熱輻射、多相流及化學(xué)燃燒問(wèn)題等復(fù)雜想象的計(jì)算[7-8]。基于學(xué)生已掌握的流體力學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí),教師講解計(jì)算流體力學(xué)的基本概念,讓學(xué)生掌握利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的分析流程,在學(xué)習(xí)的過(guò)程中穿插風(fēng)工程領(lǐng)域研究實(shí)例,幫助學(xué)生更好地了解工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的基本過(guò)程。
其次,介紹Fluent軟件的前處理模塊,包括模型建立和網(wǎng)格生成的基本知識(shí)點(diǎn),以及模型計(jì)算的邊界條件及初始條件的定義,讓學(xué)生對(duì)數(shù)值計(jì)算模型有更好的認(rèn)識(shí)。
最后,介紹Fluent軟件的后處理模塊,包括流場(chǎng)湍流模型應(yīng)用的特點(diǎn)、穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的設(shè)定,以及流場(chǎng)數(shù)據(jù)迭代計(jì)算的收斂性判別,進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)可視化處理和分析。
目前市場(chǎng)上有關(guān)Fluent軟件學(xué)習(xí)教程書(shū)籍較多,在具體教學(xué)中,可結(jié)合教學(xué)演示,幫助學(xué)生通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)加深對(duì)風(fēng)工程課程知識(shí)的理解,讓學(xué)生可以掌握并實(shí)現(xiàn)Fluent模擬計(jì)算的基本操作。圖1為本科生所開(kāi)展的針對(duì)建筑群周邊風(fēng)場(chǎng)分布特性的數(shù)值模擬計(jì)算研究,圖中展示的是針對(duì)某建筑群周邊風(fēng)場(chǎng)開(kāi)展計(jì)算的結(jié)果圖,基本實(shí)現(xiàn)了可利用數(shù)值模擬技術(shù)開(kāi)展風(fēng)場(chǎng)分布特性研究的應(yīng)用,并可用于針對(duì)建筑表面風(fēng)荷載的分析。
4.2 結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)的教學(xué)設(shè)計(jì)
風(fēng)損風(fēng)毀事故是全世界范圍內(nèi)最常見(jiàn)和破壞程度最強(qiáng)的自然災(zāi)害之一,結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究需要實(shí)踐環(huán)節(jié)配合,風(fēng)洞試驗(yàn)是最重要的研究方法之一。讓學(xué)生參與到風(fēng)洞試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)?zāi)P椭谱?、?shù)據(jù)處理和分析的全過(guò)程,可以幫助學(xué)生掌握試驗(yàn)方法,是風(fēng)工程課程教學(xué)中重要的環(huán)節(jié)。
風(fēng)災(zāi)中受損最為嚴(yán)重的多為低矮建筑[9],結(jié)合這一實(shí)際意義,讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)風(fēng)洞試驗(yàn)方案,如針對(duì)某低矮建筑風(fēng)荷載的風(fēng)洞試驗(yàn)(見(jiàn)圖2)。試驗(yàn)中,采用具有一定縮尺比的剛性模型,布設(shè)氣孔并連接壓力掃描閥以采集建筑表面的風(fēng)壓,用以考察結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的受力情況,并針對(duì)極易損壞的建筑屋面區(qū)域風(fēng)壓分布特性開(kāi)展了研究。在這一試驗(yàn)環(huán)節(jié)中,學(xué)生起主導(dǎo)作用,教師做適當(dāng)引導(dǎo)。
通過(guò)實(shí)踐教學(xué)的構(gòu)建,有效結(jié)合了理論知識(shí)和工程實(shí)際,提高學(xué)生的操作和分析能力,進(jìn)一步拓寬了學(xué)習(xí)的廣度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的提升。
5? 結(jié)語(yǔ)
該文著眼于構(gòu)建地方應(yīng)用型高校風(fēng)工程本科生實(shí)踐教學(xué)模式,以培養(yǎng)風(fēng)工程行業(yè)領(lǐng)域的綜合技能為目標(biāo),通過(guò)豐富的教學(xué)方式,以生為本,有效地保障了實(shí)踐教學(xué)的實(shí)用性。
目前,該模式已初具成效,但部分實(shí)踐環(huán)節(jié)還需要與時(shí)俱進(jìn),精益求精,逐步形成具有應(yīng)用型本科教學(xué)特點(diǎn)的實(shí)踐教學(xué)模式,培養(yǎng)出具有良好的工程素養(yǎng)、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的風(fēng)工程行業(yè)人才。
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