高校本科生风工程探究性实验的教学实践

2016-12-06 10:25余世策蒋建群万五一
实验室研究与探索 2016年5期
关键词:风洞试验风洞探究性

余世策, 蒋建群, 万五一

(浙江大学 建筑工程学院, 浙江 杭州 310058)



·实验教学与创新·

高校本科生风工程探究性实验的教学实践

余世策, 蒋建群, 万五一

(浙江大学 建筑工程学院, 浙江 杭州 310058)

根据探究性实验教学的要求,结合风洞实验的特点提出了高校本科生风工程探究性实验的教学模式和具体教学方案,在国内首次开展了大规模的风工程探究性实验教学,取得了良好的教学效果。基于高端风洞实验平台的自主创新教学模式的成功实践为土木工程学科实践教学指出了新的发展方向。

本科生; 风工程; 探究性实验; 教学方法; 教学案例

0 引 言

我国高等教育不断改革发展,对高校学生的要求也有较大的提高,不再仅要求学生掌握扎实的理论知识,同时要求学生有较强的实验动手、分析解决问题、综合设计和创新能力,实验教学是高等学校人才培养体系的重要组成部分,对培养学生工程能力和创新精神起着关键的作用。一直以来,高等教育奉行理论教学为主,实践教学为辅;理论教学时间长,实践教学时间短的教学模式,其造就的学生只知坐而论道,不懂起而践行,实践教学逐步“边缘化”,实践训练环节由软化、虚化、弱化甚至逐步走向了形式化[1-2]。随着高校规模的日益扩张,教学资源特别是实验教学资源紧张的矛盾更加突出,实验教学组织日益困难,实验教学质量得不到保障,这些都是制约创新型人才培养的关键因素[3]。如何强化实验教学在本科教学中的地位,是现代高校需要解决的重要问题[4-7]。

土木工程实验教学是高校实验教学实施难度较大的一个专业,因为土木工程实验课程涉及到的内容较广,实施过程中会碰到学科交叉问题、工种结合问题、团队协作问题,这些使得组织土木工程专业的实验教学需要更多的投入,特别是土木工程探究性实验的实施对教学资源的要求更高,纵观国内高校,能大规模开展土木工程探究性实验的廖廖无几。依托大型精密仪器并结合科研项目开展本科生探究性实验是一条重要的改革路径,已经引起教育界的高度关注,在农业、材料、化工等专业已经有所尝试[8-11],然而土木工程学科的特点决定了在高端实验平台开展本科生探究性实验难度很大。本文介绍浙江大学利用边界层风洞实验室开展本科生探究性实验教学时遇到的问题、解决的方法以及几年来的教学实践,探索高端科研平台在本科生探究性实验教学中的应用,为土木工程探究性实验教学的可持续发展开拓一条新的道路。

1 现状分析

一直以来,我国高校风洞实验室主要作为国家及省部级纵向科研基金及重大工程项目抗风性能研究的实验场所,使用群体主要是高校教师、硕士、博士研究生及其他相关科研人员,而本科生实验教学的效能基本没有得到发挥。通常做法都是将本科生带到风洞参观,简要介绍一下实验室的构造、功能及所完成的风洞实验项目,本科生不可能有机会参与使用。主要原因有以下几点:① 风洞实验室投资大,基本在千万元以上,建设的初衷及定位也一般都未纳入本科生实验教学;② 风洞实验室纵向科研课题及横向服务项目都较多,很难专门抽出时间为本科生进行实验教学;③ 风洞实验室仪器比较精密贵重,很多是进口设备,本科生直接操作维护困难,一旦损坏,维修费用高,周期长,④ 风洞仪器一般都是单机形式,若采用实验教学,风洞实验成本高,而且也很难每人都有机会操作[12-13]。可见在风洞实验室开展本科生探究性实验确实是有很大难度的。

近些年来,学校加大了本科生探究性实验教学的扶持力度,浙江大学土木水利实验教学中心大胆尝试,开设了“土木工程自主创新实验”课程,从2012年开始,课程正式开设风工程专题实验,首次将风洞实验平台向本科生开放,受到了广大本科生的欢迎。在开展风工程探究性实验的教学实践中,教学课题组针对风洞实验的特点在风工程探究性实验的教学模式、教学方法和教学内容上均探索出一些新的思路。

2 风工程探究性实验教学实践

2.1 探究性实验的教学要求

探究性实验的教学模式区别于传统实验教学的特征主要表现在以下几点:① 实现教师与学生的角色转变,传统的师生关系强调的是师道尊严,教师是至高无上的权威,学生只是绝对的顺从,这种不平等的师生关系导致学生学习主体意识的缺失,而探究性实验则强调教师要由学生的权威变为学生的伙伴,在与学生的心灵的碰撞、情感的交流中完成,而学生则是从由被动听讲转变为主动参与充分体现学生在学习活动中发挥的自主性、主动性、创造性上;② 实现课堂内教学到全开放性教学的转变,传统的实验教学只需要在课堂内完成老师布置的任务即可,而探究性实验则需要学生在课余时间全身心投入,完成一项科研任务,对学生的考核也不仅仅限于课堂表现,而是贯穿整个项目实施过程;③ 实现从得到验证性结论到发现探索性结论的转变,传统的验证性实验只需要验证现有的理论和现象,而探究性实验则不限结果,从预设的实验中发现和探索新的现象和规律,即便结果不理想也无关紧要,重在培养学生探索的精神。

2.2 风工程探究性实验的教学方法创新

风工程探究性实验的教学方法必须符合探究性实验的基本要求,但也有其自身的特点,在具体实施过程中应采取三种策略。

(1) 采取知识讲座和文献查阅相结合的策略。风洞实验对于本科生来说是一项陌生而高端的实验,在本科生教学计划中并没有风工程的理论课程,因此采用知识讲座的方式对本科生进行风工程基础知识的传授是必要的,在知识讲座过程中提出一些研究方向供学生参考,引导学生查阅相关文献作更深入的学习,这样的教学策略有利于学生快速进入角色,又发挥了其主观能动性;

(2) 采取限制性和开放性相结合的策略。风洞实验设计工作量大、实验内容复杂,为了确保实验室正常运转又让学生有足够的自主探究空间,在开放实验项目时需要有一定的限制,包括实验选题方向、实验具体操作、实验材料确定及实验工况等:① 在实验选题时由老师确定研究方向,当然这个研究方向相对是非常宽泛的,并不会限制学生的创新思维的发挥,但却能保障实验开展的可行性。② 由于风洞实验仪器贵重,因此实验仪器的操作以及需要长期积累的实验室工作(如风场调试)由实验室专业技术人员完成,而将实验方案的设计、实验模型的制作、实验工况的调整以及实验数据的处理等内容的主动权交给学生,这样既保障了实验进程,又不影响学生主动性的发挥。③ 为了降低实验的经费投入,仅给学生提供了5mm厚的PVC板,由学生设计好后由模型公司用专业雕刻机统一雕刻并打孔,再由学生自行安装皮托管并组装成形。④ 在工况数量上进行限制一方面是为了降低风洞试验的投入,另一方面也是为锻炼学生抓住问题关键的能力。风洞试验的特殊性决定了以限制性和开放性相结合的模式是合理的;

(3) 采取了课内互动与课外互动相结合的全过程策略。在方案设计课堂上采取学生分组讨论和老师全方位互动交流的形式,充分激发学生的创新思维,同时设置了课程QQ群,在课余时间与学生保持互动交流,第一时间给予学生专业的指导,让学生尽量不走弯路;最后,以发表论文的要求来检验学生探究性实验的成果,引导学生撰写论文,通过老师反复批复学生修改的方式,让学生能准确把握科研论文的写作技巧,完成高质量的论文。

2.3 风工程探究性实验的选题

风工程学科包含气候学、地形学、空气动力学、结构力学等多个学科的知识,属于交叉学科,其中包含结构动力学、随机振动、空气动力学等本科生教学中未涉及的课程[14],过分强调这些深层次的内容可能难度过大,超出本科生的把握能力,因此在实践中把选题范围集中在“风的绕流形态和扰流对建筑结构的影响”,这个选题有几大优点:① 该课题体现了风工程实验的基本特性即风与结构的相互作用,相对比较容易理解;② 该课题只涉及风工程实验中一项最基础的试验技术即风压测试技术,在技术方面比较成熟,容易实现;③ 模型制作相对简单,一般只涉及刚性模型的制作,用PVC板便可完成,模型加工的经费投入不高。从该课题可以衍生出多个研究方向,包括“建筑结构体型系数的风洞测压试验”、“建筑结构风致干扰效应的试验研究”、“建筑结构周边风环境的风洞试验”、“雷诺数效应对工程结构风荷载影响的风洞试验”等,可以看出课题涉及很多工程中关心的前沿内容,其中不乏有科研深度的项目,最重要的是这些课题的可创新性强,让学生有足够的发挥空间。

3 风工程探究性实验案例

风工程探究性实验开设四年以来,各届学生根据课程选题指南,充分发挥主动性,设计出了很多极富创造性的实验,以下针对前述四个方向选择典型的创新实验进行介绍。

3.1 建筑结构体型系数研究

建筑结构体型系数的试验研究是学生选题最多的一个课题,这个课题本身理论深度不高,比较贴近工程实践,而且能发挥学生自主设计建筑体型的创造性,能让学生通过风洞试验获得自己感兴趣的建筑体形的风荷载分布规律。在具体方案设计时,大多学生喜欢通过查找国内外知名的建筑并对其进行抽象和简化,自行设计出便于自行制作和组装的模型,其中典型的有模仿东方之门、中央电视台、西尔斯大厦等(如图1所示),学生在设计这些建筑时采用了三维建模软件,学会了自行布置风压测点,体验了提取风载体型系数的过程,所得到的结论对工程抗风设计有一定参考价值。

3.2 建筑结构风致干扰效应的试验研究

建筑结构风致干扰效应是风工程研究中非常重要的内容,由于建筑干扰的情况千变万化,目前的科学研究也仅仅探讨了很有限的情形,因此将这一课题作为

图1 典型高层建筑风洞试验模型

本科生的探究性实验是非常合适的。由于在课题指南中对干扰效应的定义比较宽泛,可以理解为建筑自身的干扰效应和周边建筑的干扰效应,因此有学生提出研究连廊对双塔建筑局部风效应的干扰效应,也有学生模仿巴林世界贸易中心的风力发电塔建筑,研究风力发电设备对建筑结构局部风效应的干扰效应,当然也有学生设计了两个高低不同的厂房模型,研究厂房间距离变化对不同风向角下的屋盖风荷载的干扰效应(如图2所示)。可见建筑风干扰效应试验更能激发学生的创新能力,而且更具有科研深度。

图2 建筑结构干扰效应典型试验

3.3 建筑结构周边风环境的风洞试验

建筑物作为钝体出现在城市的近地面流场中,由于下冲、狭管流、角流、穿堂风以及阻塞、尾流等效应,会使高楼建成后,出现过去没有的局地强风现象,局地强风的出现会造成行人活动困难,以及建筑物的门窗和建筑外装饰物等破损、脱落、伤人等事故的发生。建筑结构周边风环境的研究在国内开展不多,也是一个值得研究的课题,与建筑结构干扰效应的研究相似,但其研究重点是建筑周边的风环境,本质也是风的绕流,需要用到风环境测试技术和流迹显示技术。下洗涡流效应是高层建筑风环境研究中的重要现象,一组学生对这一现象发生了兴趣,设计一套试验方案,通过改变高距比来研究下洗涡流效应对建筑表面风压和建筑间人行高度风速的影响,同时采用了流迹显示技术来直观表达下洗涡流的流迹特征,取得了良好的试验效果,图3为下洗涡流效应风洞试验的情形。

图3 下洗涡流效应风洞试验

3.4 雷诺数效应影响的风洞试验研究

风的扰流对建筑物的影响研究中还有一类试验涉及的是风速的变化,当风速变化时模型雷诺数会发生变化,模型表面的风压分布也会发生相应的变化,对于不同体型的模型这种变化是不同的,雷诺数问题也是工程结构风洞试验模型中的重要问题。这一课题涉及的理论较为复杂,但也有学生敢于尝试,图4为其中一组学生设计的圆柱体截断模型在层流中的风压试验,采用一个直径为1 m的圆柱体结构作为原型,得到不同雷诺数下的圆柱体表面风压分布特征,再以此为基准开展直径0.3 m的圆柱体在不同粗糙度和不同雷诺数下表面风压分布的特性的试验,取得了一些具有一定理论深度的试验成果[15]。

图4 圆柱绕流风压分布的风洞试验

4 风工程探究性实验的教学效果

风工程探究性实验教学开展4年以来,70余名本科生完成了10多项自主设计的风洞试验,其中两项试验在学生的进一步努力下获批国家级大学生创新研究计划项目。09级本科生李天昊在试验体会中写到:“感谢学院和卓越班给我们提供了一个这么好的机会,让我们比其他同学更早接触到一流的试验设施和更高层次的研究方法,…,我们这一个多月在风洞试验上下的工夫比做一年的SRTP还多,的确很辛苦,但很值得,很难忘……”。12级本科生田卒士写道:“……这种完全自由、开放的实验更加能激发我们的热情,提

高我们的参与度……,这种尝试真的极大地提高了我们的科研能力。……”本科生阶段的探究性实验为学生进一步深造打下良好的基础,目前参加过风工程探究性实验的学生中至少有10%的学生在本科毕业后选择风工程研究方向攻读研究生学位,而且成为课题组里的骨干力量,这也表明风工程探究性实验的开展的确培养了科研的种子,收到了良好的教学效果。

5 结 语

本文针对高校实验教学的现状,提出了开展本科生风工程探究性实验的教学模式和具体实施方案,在国内首次开展大规模的本科生风工程探究性实验,取得了良好的教学效果。本文提出的基于高端科研平台的本科生探究性实验教学模式和实践方法为土木工程学科实践教学改革指出了新的发展方向。

[1] 陈六平.关于当前实验室管理及实验教学中若干问题[J].实验室研究与探索,2009,28(1):152-156.

[2] 刘俊生,周明贵,刘小翠 ,等.加强实践环节培养创 新人才[J].实验室研究与探索,2006,27(10):1183-1185.

[3] 龚方红,汤正华,蒋必彪.试论工程教育中的本科实验教学改革[J].中国高教研究, 2006(4):86-87.

[4] 孟庆繁,逯家辉,王贞佐,等.强化实践基地建设培养创新型人才[J].实验室研究与探索,2008,27(12):16-19.

[5] 蔡炳新,蔡 炽,曾鸽鸣,等.改革实验教育教学培养创新型人才[J].实验室研究与探索,2008,29(1):17-19.

[6] 阳国亮,曾冬梅.构建创新教育体系全面提高大学生的创新精神和实践能力[J].实验室研究与探索,2008,27(12):4-7.

[7] 武建华,黄超. 教学中培养学生创新思维的探讨[J]. 高等建筑教育,2007,16(1):32-34.

[8] 汤云晖,王 波,李 耳.大型仪器设备实验教学与本科生 、研究生创新能力培养的探索实践[J].中国现代教育装备,2010(17):129-130,133.

[9] 刘英楠,衣淑娟,宫龙江.如何发挥高校科研实验室在本科生创新能力培养中的作用[J].教育教学论坛,2014(15):51-52.

[10] 张予东,马鹏涛,王 勇,等. 利用大型仪器进行本科实验教学的体会与探讨[J].广州化工,2015,43(10): 199-200,225.

[11] 扈 昊,房 丹,韩彦军. 高校本科实验教学与科研相结合的实践[J].实验技术与管理,2010,27(10): 122-124.

[12] 柯世堂,吴 瑾. 土木工程专业研究生课《结构风工程》教学方法探索[J]. 教育教学论坛, 2014(4):118-120.

[13] 许福友,张 哲,姜 峰,等. 高校风洞实验室本科生实验教学[J].科技创新导报,2009, 29:151-152.

[14] 马文勇,尉耀元,谷玉荣,等. 本科生风工程教学方法探索[J].教育教学论坛, 2012(30):118-120.

[15] 余世策,姚 杰,孙永宁,等.圆柱体结构气动力特性的风洞试验研究[J].浙江建筑,2014,31(增刊):44-47,57.

Teaching Practice of Wind Engineering Exploring Experiments for Undergraduates

YUShi-ce,JIANGJian-qun,WANWu-yi

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Exploring experimental teaching is the direction of today's experimental teaching reform for higher education. According to the requirements of exploring experiment teaching, and combining the characteristics of wind tunnel experiments, teaching mode and specific teaching programs of wind engineering exploring experiments for undergraduate are proposed. A large-scale wind engineering exploring experimental teachings were carried out for the first time in the country, and good teaching effectiveness was obtained. The successful practice of the innovation teaching mode based on the wind tunnel experimental platform points out a new direction of the civil engineering practice teaching.

undergraduates; wind engineering; exploring experiments; teaching methods; teaching cases

2015-06-15

国家自然科学基金(50908208);浙江省公益性技术应用研究计划(分析测试类)项目资助(2014C37097);浙江省自然科学基金项目资助(Y16E080016);浙江大学探究性实验教学改革项目资助

余世策(1979-),男,浙江乐清人,博士,高级工程师,实验中心副主任,从事风工程研究。

Tel.:13858075328; E-mail:yusc@zju.edu.cn

G 642.0; TU 311.2

A

1006-7167(2016)05-0162-04

猜你喜欢
风洞试验风洞探究性
浅析初中化学探究性实验教学
斑头雁进风洞
黄风洞貂鼠精
基于NI cRIO平台的脉冲燃烧风洞控制系统设计
如何在高中数学教学中开展探究性学习
飞翼布局飞机阵风减缓主动控制风洞试验
探究性学习的“三要素”——以《重叠问题》的教学为例
滚转机动载荷减缓风洞试验
遮挡条件下超高层建筑风洞试验研究
高速铁路接触线覆冰后气动力特性的风洞试验研究