柯世堂，楊杰，任賀賀，吳瑾

（南京航空航天大學(xué) 土木與機場工程系，江蘇南京 211106）

結(jié)構(gòu)風(fēng)工程是一門研究和解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中的風(fēng)荷載和風(fēng)效應(yīng)問題的學(xué)科，具有綜合性強、實踐性強，與工程實際聯(lián)系緊密的特點，是目前土木與機場工程專業(yè)的研究熱點之一[1-2]，同時也是風(fēng)工程學(xué)者和結(jié)構(gòu)工程師之間聯(lián)系的橋梁，已成為土木工程和工程力學(xué)專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，對于培養(yǎng)土木工程專業(yè)人員的抗風(fēng)設(shè)計能力十分必要。工程實踐能力培養(yǎng)作為工科教育的重要內(nèi)容，不僅是應(yīng)用型人才區(qū)別于研究型人才的顯著特點，也是檢驗素質(zhì)教育成效的關(guān)鍵性指標(biāo)，更是“卓越工程師”培養(yǎng)的迫切要求。

結(jié)構(gòu)風(fēng)工程屬于土木與機場工程專業(yè)的新興交叉學(xué)科，涉及氣象學(xué)、空氣動力學(xué)及氣動彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)工程學(xué)、振動工程學(xué)等多門學(xué)科[3-4]。然而，目前結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在以下幾個問題：傳統(tǒng)教學(xué)脫離工程實際、傳統(tǒng)物理風(fēng)洞資源有限、物理風(fēng)洞的使用代價高昂。

因此，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程課程的教學(xué)改革勢在必行。課題組教師結(jié)合多年課程教學(xué)實踐經(jīng)驗，對該課程教學(xué)改革進行了探索，并取得了一定的成果。

1 教學(xué)改革方案設(shè)計

1.1 構(gòu)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(yōu)勢資源，面向工程創(chuàng)新能力專業(yè)培養(yǎng)方案，以“做學(xué)研用”為宗旨，以“結(jié)構(gòu)創(chuàng)新”為主線，構(gòu)建了貫穿研究生教學(xué)的虛擬仿真實驗項目群。虛擬仿真實驗系統(tǒng)能夠節(jié)省教學(xué)經(jīng)費，突破傳統(tǒng)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(yōu)化教育資源，拓展實驗教學(xué)模式。在各層次教學(xué)內(nèi)容中，教師將虛擬仿真技術(shù)與實踐相結(jié)合，按照教學(xué)目標(biāo)定位要求，構(gòu)建一套完整的實踐性教學(xué)內(nèi)容體系，落實以學(xué)生為中心的新工科工程教育理念[5-6]；全面融入結(jié)構(gòu)風(fēng)工程、土木工程抗風(fēng)設(shè)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(guān)研究方向的學(xué)科前沿信息，通過綜合教學(xué)，提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐興趣，幫助學(xué)生掌握理論知識，強化學(xué)生工程實踐能力，提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)；在已建成國家虛擬仿真項目的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶反饋，進一步開展虛擬仿真實驗項目開發(fā)，補充并完善測力實驗和測振實驗功能模塊，為學(xué)生提供無操作環(huán)境限制、交互性、沉浸性和仿真性的工程實踐教學(xué)體驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；同時為學(xué)科建設(shè)提供科學(xué)研究條件，為專業(yè)教學(xué)提供貼近工程實際的教學(xué)環(huán)境，使專業(yè)教學(xué)逐步向模擬化、可視化方向發(fā)展。

1.2 開發(fā)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程虛擬仿真平臺

結(jié)構(gòu)風(fēng)工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心在建設(shè)初期即密切關(guān)注、積極響應(yīng)國家新工科建設(shè)要求，在教學(xué)資源建設(shè)、師資隊伍建設(shè)、運行模式與教學(xué)體系建設(shè)、教學(xué)效果評價體系建設(shè)等方面開展了卓有成效的工作。課程組教師建設(shè)了一系列實踐教學(xué)資源，設(shè)計用戶界面，編制程序和數(shù)據(jù)接口，開發(fā)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程虛擬仿真平臺，并形成了包括操作說明、教學(xué)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(wǎng)站等的創(chuàng)新實踐教學(xué)資源，豐富虛擬仿真實驗教學(xué)資源，確保創(chuàng)新活動可持續(xù)發(fā)展。虛擬實驗創(chuàng)新平臺的開發(fā)工作分為四個方面，如圖1 所示。同時，為了充分實現(xiàn)資源共享，充分發(fā)揮線上教學(xué)的作用，平臺采用實名登記教學(xué)，對虛擬仿真實驗參與者實行電子化、網(wǎng)絡(luò)化管理，并建立了交互式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中心網(wǎng)站，提供網(wǎng)絡(luò)課件、教學(xué)視頻、教學(xué)大綱、教學(xué)進度表、電子教案、師生交流平臺等內(nèi)容，方便學(xué)生自學(xué)、自測、復(fù)習(xí)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(chuàng)新實踐教學(xué)

課程組教師基于虛擬仿真項目，結(jié)合南京航空航天大學(xué)風(fēng)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(xué)科競賽、工程實踐這四個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在課堂研討環(huán)節(jié)，突出了實景、實物進課堂的基本理念，采用了案例教學(xué)、工程模擬等豐富多樣的課堂研討形式。同時以學(xué)生為中心，將真實的項目案例融入教學(xué)，結(jié)合案例研討激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，活躍課堂學(xué)習(xí)氛圍，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生解決實際工程問題的能力。教師對于在研討中發(fā)現(xiàn)的問題，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過立項研究鼓勵學(xué)生自主探索解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力；鼓勵學(xué)生通過參加競賽展示成果，使學(xué)生在研討課程課堂學(xué)習(xí)討論、課外自主研學(xué)、學(xué)科競賽成果展示、工程實訓(xùn)等方面得到立體化全方位的創(chuàng)新能力鍛煉。同時，教師將在實踐過程中產(chǎn)生的新案例、新項目，經(jīng)改造加工后作為虛擬仿真項目群的補充內(nèi)容。整個課程設(shè)計過程與工程實踐緊密相連，有效培養(yǎng)了學(xué)生的工程實踐和創(chuàng)新能力，提高了教學(xué)質(zhì)量，同時，為學(xué)科建設(shè)提供了科學(xué)研究條件，為專業(yè)教學(xué)提供了貼近工程實際的教學(xué)環(huán)境，使專業(yè)教學(xué)逐步向模擬化、可視化方向發(fā)展。此外，在應(yīng)用平臺的過程中，教師逐漸養(yǎng)成了科技實踐能力，營造了良好的實驗創(chuàng)新氛圍，培養(yǎng)了大學(xué)生科技創(chuàng)新能力，提高了教師的實驗創(chuàng)新能力。

2 創(chuàng)新實踐

2.1 采用“立體化”的教學(xué)方法

課程組教師秉承“以學(xué)生為中心、強化實踐育人”的教學(xué)理念，采用多媒體技術(shù)構(gòu)建了虛擬仿真風(fēng)洞試驗平臺，促使傳統(tǒng)物理風(fēng)洞試驗與信息技術(shù)相融合，有效解決了傳統(tǒng)風(fēng)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(xué)方法，融合理論教學(xué)、現(xiàn)場參觀和虛擬實驗，通過多個角度開展對結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載、風(fēng)效應(yīng)的探究，以培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)抗風(fēng)相關(guān)內(nèi)容的“立體化”知識體系，最終達到傳授學(xué)生知識、提高學(xué)生能力、開闊學(xué)生視野的目的，力求貼近實際、直觀生動?！傲Ⅲw化”的教學(xué)方法，能夠打破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實驗的時空限制，加深學(xué)生對理論知識的理解，為學(xué)生與教師建立了良好的交流平臺。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力

課程組教師依托南京航空航天大學(xué)力學(xué)國家一流學(xué)科，將國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目和國內(nèi)外眾多重大工程項目分割簡化，轉(zhuǎn)化為直觀生動的數(shù)字化虛擬仿真實驗。通過將科研成果、多學(xué)科前沿科技融入實踐教學(xué)各環(huán)節(jié)和全過程，讓學(xué)生充分了解結(jié)構(gòu)抗風(fēng)領(lǐng)域的新方法、新進展、新趨勢，培養(yǎng)學(xué)生的全局意識，為學(xué)生未來從事相關(guān)工作奠定良好基礎(chǔ)。教師還提供開放性實驗?zāi)K，讓學(xué)生在實踐過程中自由探索，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的思維意識，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)和綜合能力，以達到培養(yǎng)“卓越工程師”的最終目標(biāo)。

2.3 積極開放共享，不斷完善教學(xué)項目

本研究課題教學(xué)改革的部分相關(guān)實驗已成功接入國家虛擬仿真教學(xué)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(yōu)化與完善，使得課程在達到實驗預(yù)期目標(biāo)的同時更加貼近學(xué)生的需求。課題組教師響應(yīng)教育部本科課程建設(shè)和改革要求[10-11]，打造國家級精品資源共享課，有效實現(xiàn)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(shè)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(xué)工作提供了動態(tài)機制，形成可示范的學(xué)習(xí)新模式。

圖2 虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺

3 虛擬實驗

3.1 實驗準(zhǔn)備

本實驗采取“虛實結(jié)合”的方法，主要實驗?zāi)康陌ǎ?/p>

（1）幫助學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)風(fēng)工程基本研究手段——風(fēng)洞試驗的基本原理和總體結(jié)構(gòu)方案內(nèi)涵，通過實際案例使學(xué)生深入觀察風(fēng)洞試驗流程，理解結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計理念。

（2）熟悉大型建筑和機場等結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗的基本測量儀器，及其對應(yīng)的試驗原理，進一步加深對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的理解。

（3）幫助學(xué)生初步了解流體力學(xué)相關(guān)知識，對風(fēng)洞試驗中最重要的理論基礎(chǔ)“流動相似準(zhǔn)側(cè)”形成一定的認知，提高學(xué)生對相關(guān)理論的學(xué)習(xí)興趣。

（4）配合課程教學(xué)需要，以南京航空航天大學(xué)人才培養(yǎng)定位目標(biāo)和國家急需的高端防災(zāi)減災(zāi)研究人才培養(yǎng)為出發(fā)點，兼顧資源共享和輻射，用現(xiàn)代信息化技術(shù)構(gòu)建高真實感的虛擬實驗設(shè)備和虛擬物理風(fēng)洞教學(xué)環(huán)境。

學(xué)生通過課堂理論學(xué)習(xí)，掌握基本實驗理論和相關(guān)安全知識。相關(guān)教師講解虛擬風(fēng)洞試驗所涉及的理論知識點。學(xué)生通過研習(xí)，可對虛擬風(fēng)洞試驗有初步了解，通過問題導(dǎo)向，進行線上大型建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞仿真實驗，并結(jié)合參觀南京航空航天大學(xué)NH-2 物理風(fēng)洞實驗室，加深理解。

3.2 實驗設(shè)計

仿真平臺采用虛擬技術(shù)仿真實驗[13-14]中用到的設(shè)備和模具，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境，由學(xué)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(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)置→風(fēng)洞試驗→結(jié)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(shè)備、實驗原理進行了詳細介紹，在實驗設(shè)備中可多角度觀察實驗中使用的設(shè)備，增加對儀器設(shè)備的認知；實驗原理部分直觀體現(xiàn)了課程主要知識點，即風(fēng)洞試驗最為重要的理論基礎(chǔ)之一的“流動相似準(zhǔn)則”[15]。

模型制作。通過互動答題、系統(tǒng)實時批改，學(xué)生加強對模型材質(zhì)的認識，通過將實際物理實驗中難以直接體現(xiàn)的模型制作過程可視化，學(xué)生進一步加深對風(fēng)洞試驗的理解。模型制作理論知識學(xué)習(xí)完成后，學(xué)生可根據(jù)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(jié)構(gòu)測點進行布置后，拖動油漆罐為模型上色，之后根據(jù)操作提示從工具箱中依次拖拽風(fēng)速轉(zhuǎn)盤、膠水，將測試模型放在測試區(qū)域，以完成工況布置。

參數(shù)設(shè)置。在參數(shù)設(shè)置部分，可以設(shè)置不同的風(fēng)向角測量工況，將物理風(fēng)洞試驗中繁雜而無法實現(xiàn)的試驗工況虛擬化為實驗流程的一項參數(shù)設(shè)置，大大節(jié)約了試驗成本與時間成本。

風(fēng)洞試驗。參數(shù)設(shè)置結(jié)束后根據(jù)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(jié)構(gòu)模型在風(fēng)洞中的響應(yīng)姿態(tài)，并在實驗過程中穿插理論知識問答，以進一步加深學(xué)生對相關(guān)知識的熟悉程度。

結(jié)果分析。實驗結(jié)束后進入數(shù)據(jù)展示，可通過調(diào)整風(fēng)向角度，查看測點的體型系數(shù)圖、體型系數(shù)沿高度變換曲線、基地剪力、彎矩、結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值等數(shù)據(jù)，如圖4 所示。

圖4 實驗數(shù)據(jù)展示示意圖

教師通過引導(dǎo)學(xué)生自主、開放性提出風(fēng)洞試驗的基本架構(gòu)和控制參數(shù)，并通過對上述各種相關(guān)參數(shù)的改變，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)“疑問”在“解疑”過程中增強創(chuàng)新的意識。

3.3 課程考核

教師利用虛擬實驗教學(xué)平臺對學(xué)生進行教學(xué)考核和驗收，具體包括實驗結(jié)構(gòu)批改和實驗成績統(tǒng)計等，重點考查實驗報告的完整性和正確性以及學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，鼓勵學(xué)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(xué)環(huán)境提供服務(wù)并開展應(yīng)用。通過實驗考核，學(xué)生能夠全面認識建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗及控制參數(shù)對風(fēng)洞試驗結(jié)構(gòu)的影響，從而有效提升土木工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的綜合創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語

本研究課題的教改方案基于“學(xué)生自主設(shè)計—教師輔助引導(dǎo)”的原則，建設(shè)虛擬仿真實驗項目群，不斷擴充項目案例庫，采取“調(diào)查分析—理論構(gòu)建—實證研究—總結(jié)課題”的技術(shù)路線。通過虛擬仿真平臺提供的與真實實驗相似的實驗環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生自主、開放性解決風(fēng)工程中的常見問題。虛擬實驗教學(xué)提供全方位的虛擬實驗教學(xué)輔助功能，能夠使學(xué)生深刻理解建筑風(fēng)洞試驗總體知識及其工作機理，有效幫助學(xué)生提升專業(yè)綜合思考能力。隨著土木工程技術(shù)的不斷發(fā)展和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程課程的教學(xué)內(nèi)容和方法也應(yīng)與時俱進，不斷充實完善。