融合“课程理论-风洞实验-虚拟仿真-科研实践”的结构风工程混合式教学研究

任贺贺 柯世堂 杨杰

摘  要：文章融合课堂教学、线上教学、实验室和科研创新实践等教学模式，开展混合式结构风工程教学研究，以对现有课程与教学模式进行改革，着重解决了线上线下混合式教学模式探索、多层次多场景联合教学实施和完善现有结构风工程课程体系等科学问题。并结合新时代新型教学与科研资源，在新工科形势下充分融合先进互联网资源与多类教学方式与途径，致力于秉承“以学生为中心”的教学理念，为结构风工程线上线下混合式教学模式研究提供了理论基础和技术支撑，形成了独特的融合“课程理论-风洞实验-虚拟仿真-科研实践”的结构风工程混合式教学模式。

关键词：混合式教学；课程理论；风洞实验；虚拟仿真；科研实践

中图分类号：G640.2    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2022）26-0144-04

结构风工程是结构工程和风工程交叉融合产生的学科，着重解决风与结构相互作用科学问题。随着超高层建筑、超大跨桥梁和超大型风力机等轻柔结构的涌现，以及台风、龙卷风等极端天气现象的频发，风工程与结构抗风越来越重要。结构风工程作为土木工程专业重要的专业基础课程之一，在培养国家亟须的高层次结构抗风设计专业人才上功不可没。1940年美国西雅图塔科马悬索桥风毁事件标志着进入了现代风工程时代。我国风工程起步相对较晚，但随着国家基础建设领域的快速发展，国内风工程领域也正在快速追赶国际领先国家水平［1-3］。有研究指出结构风工程领域完整理论体系尚需进一步构建，需考虑多学科交叉背景［4］。柯世堂等结合卓越工程师培养计划对土木工程结构抗风课程的教学内容与体系、教学方法和手段、学生能力培养等方面进行了全面的探索和有效的改革［5］，相关成果被评为校级精品课程。随着我国社会进一步发展，结构亦向更高、更长、更柔发展，结构风敏感性更加显著，为结构风工程领域带来发展机遇的同时也带来了严峻的挑战。因此，如何培养未来风工程专业人才、服务国家基础建设更加稳健地向前发展，是现阶段结构风工程系列课程需深入探索的关键难题和根本出发点。

美国科罗拉多州大学和加拿大韦什敦大学分别于20世纪60年代建设了边界层风洞，随着风工程学科发展，当前世界已有边界层风洞上百座，国内现有20余座。南京航空航天大学是江苏省内唯一一家具备完整风洞试验能力的科研单位。然而，传统物理风洞资源有限且使用代价昂贵，这些客观因素限制了学生风洞实验的参与度与积极性，对风洞不能有直观、真实的理解。此外，需通过风洞实验实操或参与相关科研实践，实现科研反哺教学，拓宽学生知识边界、促进创新意识，进而反馈回科研过程，实现科研教学共同发展［6］。因此，为积极调动学生主动参与、激发学生兴趣潜能，当前亟须建设或结合已有结构风工程在线资源，融合线下课堂、物理风洞和科研实践，以推进“课程理论-风洞实验-虚拟仿真-科研实践”新模式下的结构风工程课程教学。

该教学团队已具备相关条件，如教学团队依托国家虚拟仿真实验教学项目“大型建筑结构风洞仿真实验教学项目”，开设了线上线下混合式课程，使课堂教学和风洞试验现场操作得到极大补充。目前已有多家高校和企业单位使用该线上教学平台，累计操作人次达700余次，好评率达到4.9（满分5.0）。

一、教学发展趋势与解决的主要问题

结构风工程系列课程是结构防灾减灾方向的重要专业课程，前期基础为学校首批国家一流专业“力学”核心“流体力学”和“空气动力学”，重点培养力学、土木和交通运输等专业本科生掌握风特性、风荷载、结构风振效应和抗风设计等理论知识，并可解决实际工程问题。新工科背景下，传统教学模式存在的教师中心、重知识轻能力、评价单一等问题更加凸显。如何满足学生中心、知识与能力并重、多元评价机制等新时代人才需求现状，网络化教学方式提供了契机。此外，“科研反哺教学”是当前高校创新教育的重要途径。因此，实现传统教学资源、线上教学资源、兼具风洞实验和科研实践的结构风工程课程教学方式有效融合，是充分发挥师生主动性和创造性有效方式之一。

（一）教学发展趋势

1. 秉承“学生中心”教学理念。从“教师为中心”到“学生为中心”的转换是围绕培养目标进行资源配置和教学安排，发挥学生主观能动性，提升学生创新、创造核心竞争力的关键教学方法上的突破。找准高效课堂与“学生为中心”的突破口，改变教学模式，教师要从传统的传授者转变为设计者，将学生和教师融为一体。

2. 融合“互联网+”教学资源。慕课、实验空间等线上平台的兴起，使线上教学模式和线上线下混合式教学模式成为现阶段改进教育教学方式的重要举措，建设结构风工程课程线上资源是亟须且有必要的发展方向。同时教育部也指出“高度重视教育信息化工作，积极推进‘互联网+教育发展，探索推进线上线下教育教学新模式，支撑教育高质量发展。”

3. 涵盖多层次多场景教学方法。结构风工程课程涉及风环境、风荷载和风效应等理论知识，风洞实验实际操作，实际工程现场监测和科学前沿项目研究等，有效融合上述各因素是形成“课堂-风洞-线上-现场”多層次多场景教学模式的关键，符合人才培养的时代需求。

（二）解决的主要问题

1. 为充分调动师生主观能动性，结合新形势下网络信息技术开展线上线下混合式教学模式是当前本科教育亟待解决的问题。本文将对如何有效建设或结合已有线上结构风工程资源与南航既有风工程线下资源开展研究，形成融合课程理论、风洞试验、虚拟仿真为一体的风工程多层次教学新模式。

2. 风工程涉及高层建筑、大跨空间结构、大跨桥梁等风敏感结构领域，围绕南航民航特色发展是凝练南航风工程特色的重要指向。本文将对如何有效结合结构风工程与机场工程方向开展研究，特别是在航站楼和塔台等大跨和细柔结构方面如何取得重要进展，以形成独具南航特色的风工程课程。

3.学校现有风工程系列课程已具有一定的完整性，为风工程理论学习提供了保障。高性能计算的兴起使数值模拟能力得到提升，结合数值模拟开设风工程相关课程，以完善学校风工程系列课程显得尤为重要。本文将结合当前计算技术与超算平台发展形势，开设《计算风工程及土木工程应用》课程，完善现有风工程课程体系，使之包含理论分析、风洞实验与数值模拟。

4. 科研和教学是学生培养不可或缺的因素，是当前高校教学模式改革重要的一环。本研究将探究如何在教学中融合国家级、省部级科研实践和学生自主主持的科创项目，实现教学促进科研、科研反哺教学的目的，使二者相互促进发展，以提升学生综合创新能力。

二、研究重点与创新点

（一）研究重点

1. 线上线下混合式教学模式探索。线下、线上教学模式日趋成熟，但如何将线上、线下模式有效结合是本研究的重点问题、也是难点问题。现有线上风工程教学资源相对较少，南航特色相关的更是少之又少，建设新资源或挖掘现有线上资源进而融入线下课堂，将为本研究混合式教学模式探索提供契机。

2. 多层次多场景联合教学实施。线上资源主要包括慕课、超星和实验空间等，但线下资源则包括课堂教学和实验室教学以及工程项目现场参观学习等，如何有效实施安排、合理配置多场景多层次的联合教学课时是本研究重点解决的第二个问题。

3. 结构风工程理论课程体系完善。计算能力的提升和超级计算机的兴起，为现有课程体系提供了补充完善的可能，开设一门与计算机相关的结构风工程课程“计算风工程及土木工程应用”会使学生对整个课程体系更感兴趣、知识储备也更扎实和实用。

（二）研究创新点

1.结构风工程课程呈现方式。充分落实新工科、“互联网+”和“科研反哺教学”思想，将物理风洞实验、线上虚拟仿真实验平台、科创项目有效融入传统线下课堂。在提高学生兴趣的同时，实现全方位知识摄取。采用课堂讲授式与启发式教学相结合的方法，从理论知识讲授、沉浸式灾害感受、虚拟仿真实验等角度进行课程教学；通过设计研讨主题，引导学生对结构风工程理念和技术展开思考与讨论，多层次多角度加深学生对土木工程结构抗风知识的理解。

2. 品牌化结构风工程线上资源建设。以国家级一流课程“大型建筑结构风洞仿真实验教学项目”（虚拟仿真项目类）和江苏省级首批一流本科课程“土木工程结构抗风设计”（线上线下混合类）课程为基础，结合在建虚拟仿真实验平台与其他线上资源，将物理风洞场景再现云端，学生可自主操作，基础结构风工程理论知识融入其中，能促进学生对课本知识更加深刻的理解和掌握。

3. 多学科交叉创新能力培养。结构风工程是涉及包括气象学、流体力学、结构工程等多学科交叉的课程体系，是符合国家科技和人才战略的具体落脚点，有助于提升学生综合创新能力。

三、研究方案设计

（一）方案调研

通过在线课程平台实验空间、慕课、超星等对现有国内外结构风工程课程在线资源进行调研，调研重点包括课程资源整合方式、学生参与模式、师生交互设计、社会风工程事件资源建设和题库形式建设等。通过全面深入文献检索、检索已有风工程相关线上资源和参加线上线下混合式教学培训会等调研并学习混合式教学方法，以应用于结构风工程领域。

（二）方案实施

针对教学涵盖的课程理论、风洞实验、线上虚拟仿真、科研实践等环节，有序合理安排结构风工程课程的开展，具体如下。（按各环节书写，实际实施过程中各环节为交叉开展）

1. 理论知识。由南京航空航天大学结构风工程与防灾减灾团队教师讲授自风环境开始，涉及风荷载、风效应，落脚到抗风设计全过程的结构风工程相关理论知识。并设计风洞实验及讲授风洞实验模型相似比、雷诺数等原理内容，为后续风洞实验开展打下理论基础。并以科学素养提升为主旨，设计宽泛且前沿的内容体系，采用科普讲授的教学模式，以激发学生科研兴趣、拓展学生学科视野。

2. 风洞实验。依托南航NH-2低速边界层风洞开展大型机场平台、风力机或冷却塔等风敏感结构风环境、风荷载、风效应和抗风设计研究，从实验中领悟与理解理论知识，更深层次的理解结构风工程学科。帮助学生掌握结构风工程基本研究手段，风洞试验的基本原理和总体结构方案内涵，通过实际案例使其深入观察风洞试验流程，理解其结构抗风设计理念。熟悉大型建筑风洞试验的基本测量仪器，及其对应的实验原理，进一步加深对结构抗风设计的理解。

3. 线上虚拟仿真实验。建设新的线上教学平台或采用已有虚拟平台让每个学生操作风洞实验，设计实验关键问题回答、重点知识点提示等环节，有效弥补物理风洞无法满足每个学生参与的缺陷，最大限度地提高了学生的综合实验动手能力以及理解风工程的内涵。可以更好地调动学生参与风洞试验教学的积极性和主动性，激发学生兴趣和潜能，增强学生创新创造能力。

4. 科研实践和现场参观。依据团队教师主持的多项国家自然科学基金、国家重点研发计划及其他省部级项目等科研实践和相关成果成功应用落地的现场项目，使学生了解最新科研成果，并可参与团队教师主持的多项国家和地方重大工程抗风设计项目，可以培養学生积极探索未知事物的兴趣和拓展知识边界。

（三）线上线下混合式风工程教学研究

基于南京航空航天大学风工程系列课程“土木工程结构抗风设计”“流体力学”“Aerodynamics”和“计算风工程及工程应用”线上线下混合式教学实践，依据相关线上、线下学习数据进行总结分析，对混合式教学效果进行整理。具体为构建由线下考核、期末考核、线上考核等组成的多元考核模式，以加权成绩进行综合评定。线上考核涵盖在线各章节单元测试、线上虚拟仿真试验操作测试、在线学习时长等活跃度指标。线下考核涵盖课堂到课率、师生互动情况、随堂及课后测验、案例讨论。期末考查学生对工程复杂问题的解决能力，需提交某一案例报告与结课论文。

四、基础保障条件

1. 一流师资力量。课程团队包括获得省级和校级教学成果奖一等奖，主持江苏省“青蓝”工程项目。

2. 一流配套教材。在国家级一流本科课程与江苏省级一流本科课程建设支持下，课程团队主编出版了“十三五”规划教材《结构风工程概论》。

3. 一流教学方法。通过教学模式系统化、教学方法多样化及考评方式多元化实现“两性一度”建设标准，实现了理论课堂-物理试验-虚拟线上平台-实际工程现场多场景联合教学。

4. 一流教学资源。在慕课、实验空间等网络平台建设课程资源及课程学习班级，通过网络平台的主题讨论、作业及考核等功能实现过程性考核。每年通过建立课程学习班级及发送课程邀请码，可保障跨校学生参与学习与考核。

5. 一流反饋机制。课前自主学习研讨，课前教师需要对本节课进行具体的教学设计，确定学习目标、重难点内容等。学生通过线上平台提供的学习资料了解课堂内容，同时需关注相关风灾害新闻案例。课后积极回顾反馈，要求学生自主阅读风工程、结构抗风等相关文献；以小组为单位了解及调查国内外有关灾害，完成灾害调查报告并进行线上交流；定期完成线上教案的学习及作业。融入过程性师生反馈的高阶教学目标与内容，课程内容根据知识和能力、过程和方法、情感态度和价值观三个维度设计。

五、结语

本教改方案开设“计算风工程及土木工程应用”课程，完善现有风工程课程体系，与“流体力学”“土木工程结构抗风设计”等形成多学科交叉融合的风工程课程体系；依托慕课、超星、实验空间平台建设“计算风工程及土木工程应用”课程线上教学资源，初步形成线上线下混合式教学基础；课程中有效融入科研实践、国际国内科学前沿或大学生科创项目，实现科教相辅相成，培养学生创新创造能力。最终基于国家虚拟仿真教学平台、南航NH-2风洞和团队的科研实践，通过多个教学周期建设完善线上线下混合式方法，形成了可推广的结构风工程混合式教学新模式。

参考文献：

［1］ 项海帆. 结构风工程研究的现状和展望［J］. 振动工程学报，1997（03）：12-17.

［2］ 张相庭. 中国结构风工程发展回顾和展望［D］. 上海：同济大学，2010：6-14.

［3］ 刘思为. 结构风工程的现状与发展［J］. 建材与装饰，2016（37）：58-59.

［4］ Simiu，E.，Scanlan，R.H.. Wind Effects on Structures：Fundamentals and Applications to Design［M］. New York：John Wiley，1996：1-688.

［5］ 柯世堂，陈少林，吴谨. 土木工程结构抗风课程教学改革与实践［J］. 中国科教创新导刊，2013（02）：80.

［6］ 汤海旸，方竹根，王南雁. 高等教育大众化进程中教学与科研的关系［J］. 黑龙江高教研究，2002（06）：15-18.

（责任编辑：向志莉）