《结构风工程》研究生“三位一体”教学体系建设与实践

孙瑛 孙晓颖 武岳

摘 要：结合“结构风工程”课程的特点，针对教学中存在学生对知识理解不深、实践创新能力不强、职业发展迷茫等问题，以“大师+团队”为机制，构建了“虚实结合+研学结合+思政”引领“三位一体”的课程教学体系改革与实践方法。通过虚实结合加深学生的知识理解，深化研学结合全方位提升学生的实践创新能力，加强课程思政引领学生树立更高的专业志向，最终实现知识、能力和志向“三位一体”，以土木工程卓越人才实践创新培养为目标，重点提升传统《结构风工程》的教学效果，旨在达成卓越而有灵魂的研究生教育。

关键词：虚实结合；研学结合；思政引领；实践创新

一、传统课程教学中存在的问题

《结构风工程》是研究生专业学位课，学时32，哈尔滨工业大学是国内较早、也是较系统开展结构风工程相关理论研究与教学的高校之一。20世纪50年代，王光远院士就开展了结构风振随机响应分析方面的研究；其后，沈世钊院士在大跨柔性屋盖结构风振分析理论，欧进萍院士在结构抗风动力可靠度分析方法等方面，都开展了富有成效的研究工作。欧进萍教授在国内率先开设了《风工程与结构抗风设计》研究生课程；先后由段忠东教授、武岳教授和孙瑛教授主讲。本课程有着很好的优良传统，有着“扎根东北”特色的建设课程之一。

结构风工程是土木工程领域的重要研究方向之一，其理论性、学科交叉性、实践操作性强。课程教学存在以下问题：

（1）课程内容繁杂、理论抽象、学科交叉性强，由于受到场地、经费和人员安全等方面的限制，实验教学以验证性和演示性实验为主，学生动手能力缺乏锻炼，对知识理解不深入，不少学生课程学完后，对知识点印象不深、不得技术要领；

（2）由于很难近距离接触到实际工程结构，导致学生对各种体系抗风作用的理解不深，综合运用所学知识解决工程问题的能力不强，实践创新能力不强；

（3）很多学生在完成学业后，不知道自己是否能胜任工作要求，对职业发展充满迷茫，甚至对自己缺乏信心。

综上，传统教学中存在重“理论”轻“实践”、重“课上”轻“课后”、重“线下”轻“线上”、重“学习”轻“创新”等问题。

二、结构风工程课程的育人路径

（一）推行“模型化”实践教学，实现教学的虚实结合，达成“不断改革创新”

将虚拟与现实有机结合作为一种信息化教育、教学手段，在土木工程专业创新“模型化”实践教学体系，实现从被动学习向主动探究的转变［3］。实验中，不是老师手把手教，也不是老师演示学生看，而是让学生自行从风气候库和结构库中选择所需的极端风类型、结构类型及尺寸，像“搭积木”一样尝试搭建分析平台，通过反复摸索加深认识，激发学生的学习兴趣；并且可以借助3D漫游技术从不同视角了解结构受风作用及风致破坏特点，与课堂教學形成相辅相成的关系；突破实践时间、空间和资源使用的限制，提高教学成效，提高学生的专注度、反馈度和自由度。

通过建立了台风结构、风洞等三维漫游模块，实现对极端风及风洞设备模型任意方向旋转及视点变换，帮助学生深度理解台风结构内容与原理，方便学生深度理解实验内容与原理，实现“模型化”助学，如图1所示，漫游模块是虚、台风结构是实，这是学与玩的结合；针对钝体空气动力学的学习，综合采用课堂教学、试验实践和翻转课堂相结合的方式，让学生按自选题目进行流场可视化试验，自己动手制作一些小模型，通过烟流可视化流场，观察钝体绕流的现象，达成“模型化”导学，如图2所示，模型烟流是虚、钝体绕流现象是实，这是理论与现象的结合；以教学改革项目为契机，建立了风荷载数据库，经过大量分析统计，建立起不同建筑外形的风荷载模型供工程分析应用，实现数据应用“模型化”，如图3所示，风荷载数据是虚、模型应用是实，这是数据与应用的结合。以上虚实结合，都体现在虚拟仿真教学平台中，目的也是加深学生对不同知识点的理解，该虚拟仿真教学平台已经通过黑龙江省认证。

（二）实现科研成果向教学资源的持续转化，达成“科研攻关”与“教书育人”的有机融合

结合多年教学实践和科研积累，由“武岳”教授牵头组织编撰并修订教材《风工程与结构抗风设计》。该教材入选“现代土木工程精品系列图书”和“十二五国家重点图书出版规划项目”，以此教材为基础，在教学中体现最新技术发展，为学生展示学科前沿发展动态。经调研国内有多所高校开设有结构风工程相关课程，其中通过出版社联系使用本教材的高校共有36所，多是目前国内在风工程教学与研究领域颇有建树的高校，可见本教材得到了国内同行的普遍认可，使用广泛。

对于风敏感的高层建筑和大跨屋盖结构，以实际重大工程项目为例进行讲解，给出应用结构规范进行抗风设计的流程，达到分析具体工程问题的目的；结合工程案例和理论教学，让学生在学习基础理论的同时，了解相关知识在工程领域的应用，更加切实地将所学知识融入工程实践中；课程中还包括对规范的介绍，注重讲解规范背后的理论背景，使学生能够从更加客观全面的角度审视规范，提升工程创新能力，本课程还适当融入了国内风工程领域的主要研究成果和最新动向，培养学生的科研志趣，为学生进一步深造奠定了基础；通过对500米口径射电望远镜的选址流场模拟、奥运工程鸟巢的风振分析这些大型复杂工程的介绍，见图3，能促使同学们对国之重器的近距离接触，引发学生爱国热情，同时也能让同学们体会大国重器的形成过程，并非一开始就定位大国重器，而是精益求精的科研态度、认真踏实的细节工作、不断克服不可能的探索精神成就了它。

在科研成果转化方面，注重培养学生工程意识、工程实践综合能力和创新意识。近五年来，团队成员承担近十项国家自然科学基金重点和面上项目，同时承接了30余项的抗风咨询项目，在这些项目中研究生的参与度很高。

此外，与一些企业建立战略合作，新建的风洞实验室设立为研究生教学基地，这让更多的学生参与到实际工程应用与研究中，真正实现研学结合的有利局面。

（三）强化课程思政建设，注重学生的思想引领，真正做到“紧扣立德树人根本任务”

课程组成员在哈工大八百壮士精神引领下［2］，本着以德为先，弘扬“爱国奉献”传统的宗旨，深入挖掘课程思政元素，在专业知识讲授中融入爱国情怀。《结构风工程》课程包含着相当多的“课程思政”元素，例如，我国风工程学科的发展历程，反映了老一辈科研工作者艰苦创业、爱国奉献的优良传统；也介绍了改革开放以来，我国在风工程研究与工程应用领域的伟大成就，我国目前在风洞数量和风工程专业人才数量方面均居世界首位；同时展望了未来风工程的发展，将更好地为我国的新型城镇化建设、能源安全和绿色环保做出贡献。课程教学实施过程中稍加思考，便可以在软化专业知识教学的同时，引导学生树立正确的人生观和价值观，培养学生积极向上的高尚情操，达到“课程思政”的效果。不仅要加强具体知识的传授，更要加强对学生世界观、人生观和价值观的塑造，培养学生的民族自豪感和爱国主义情感，学会用唯物主义辩证思维，以及培养学生的科学精神。

三、“三位一体”课程教学体系实践获得的教学成果

针对教学中存在学生对知识理解不深、实践创新能力不强、职业发展迷茫等问题，提出了以下教学方法：结合“结构风工程”课程的特点，以“大师+团队”为机制，构建了“虚实结合+研学结合+思政”引领“三位一体”的课程教学体系改革与实践方法，如图4所示。以土木工程卓越人才实践创新培养为目标，重点提升传统“结构风工程”的教学效果，并取得了以下成果：

建设哈尔滨工业大学研究生精品课程1门，建设省级虚拟仿真平台项目1项，发表教学论文4篇，获“首届黑龙江省教材建设奖一等奖”“哈尔滨工业大学教学优秀二等奖”等奖励10余项。教学成效好，受到学生的一致好评，评教近五年连续被评为优秀。

面向国家发展重大需求，解决高质量土木工程专业人才培养问题，通过虚实结合加深学生的知识理解，深化研学结合全方位提升学生的实践创新能力，加强课程思政引领学生树立更高的专业志向，最终实现知识、能力和志向“三位一体”，旨在达成卓越而有灵魂的研究生教育。

四、“三位一体”课程教学体系的拓广应用

（1）建成较完善的结构抗风防灾课程体系。自20世纪90年代以来，欧进萍教授在国内率先开设了“风工程与结构抗风设计”研究生课程；2008年开始，开设了本科生课程；2015年开始，又增设了留学生课程。2010年开设了针对桥梁结构的研究生课“桥梁风工程”。延续“大师+团队”体制，体现薪火相传“传帮带”精神，将培养更多的年青老师主讲课程，打造一支业务精湛、信念坚定、乐心育人的教学团队。

（2）积极推进视频公开课录制、虚拟仿真实验课等精品课程建设，形成区域辐射效应。本课程已经通过哈尔滨工业大学第八批在线开放课程立项，目前已完成视频录制。由孙瑛教授主持的“高层建筑台风响应与气动优化虚拟仿真实验”目前已经在线服务两年，还将继续扩展其应用对象和范围。

（3）同时，基于研究生联合培养基地，结合相关的基础理论课、创新研修课、实验实践类课程建设，逐渐形成国内重要的结构抗风理论研究与工程创新基地。

结语

《结构风工程》课程传承历史、厚积薄发，在建设中奋进，在创新中发展，继续以“大师+团队”为机制，发扬“虚实结合+研学结合+思政”引领“三位一体”的课程教学体系，在实践中提升教学方法。教学的虚实结合，有助于“模型化”实践教学；研学结合有助于科研成果向教学资源的转化，以提升学生工程创新能力；通过深入挖掘课程思政元素，培养学生将自己的专业和兴趣与国家建设相联系，在社会主义现代化建设的伟大事业中实现自己的人生价值。教学团队将持续以立德树人为己任，继续努力奋斗，开创新理念、利用新技术、建立新模式、追求新考核，迈上一个新台阶，以达成“追求卓越”的目标。

參考文献：

［1］熊四皓.坚持习近平总书记贺信精神引领 高标准高质量开展党史学习教育［J］.党建，2021（04）：2224.

［2］吉星，刘忠奎.哈工大“八百壮士”科教报国矢志不移［J］.奋斗，2021（10）：57.

［3］孙瑛，武岳，孙晓颖.“可见、可触摸式”教学方法研讨［J］.教育教学论坛，2015，11，45：114115.

基金项目：哈尔滨工业大学第七批教学发展基金项目（课程思政类）研究生课程：结构风工程；哈尔滨工业大学第八批在线开放课程立项：结构风工程；哈尔滨工业大学研究生教育教学改革研究项目（21MS026）

*通讯作者：孙瑛（1976— ），女，汉族，福建福州人，博士，教授，研究方向：结构风工程及大跨空间结构。

作者简介：孙晓颖（1975— ），女，汉族，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，研究方向：大跨空间结构；武岳（1972— ），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，研究方向：新型结构与结构形态学及冰雪结构。