結(jié)構(gòu)與橋梁風工程的本科教學方法探索

周強 孫延國

[摘 要] 風荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)、超大跨橋梁等大型柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計建造的關(guān)鍵控制因素。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，社會對土木工程專業(yè)人才的要求不斷提高，對風工程專業(yè)的人才需求越來越迫切。而結(jié)構(gòu)與橋梁風工程作為土木工程專業(yè)的前沿新興交叉課程，涉及學科門類繁多，教學方法體系還不完善。文章介紹了結(jié)構(gòu)與橋梁風工程的概念，并重點說明其在土木工程本科教學中的作用及其必要性;從教學體系、教學理念、教學方法出發(fā)，對結(jié)構(gòu)與橋梁風工程的本科教學進行探索;針對目前該課程教學中存在的問題提出一些建議。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)與橋梁風工程;土木工程;本科生教學;教學改革

[基金項目] 國家自然科學基金（51778545）

[作者簡介] 周 強，博士，講師。

[中圖分類號] G642.41? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0277-03? ? [收稿日期] 2020-01-10

一、引言

教育部在《關(guān)于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中明確指出，本科教育應立足經(jīng)濟社會發(fā)展需求和人才培養(yǎng)目標。隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，大量超高層建筑、大跨橋梁等大型工程不斷設(shè)計建造。面對這些新變化、新形勢，土木工程專業(yè)本科教學應做出相應的改革。

風是一種常見的自然現(xiàn)象，其引發(fā)的災害最為頻繁，導致的損失居所有自然災害之首（如圖1所示），其中最主要的是建筑結(jié)構(gòu)、橋梁等工程結(jié)構(gòu)的開裂、損壞甚至倒塌。而我國又是世界上受風災影響最為嚴重的三個國家之一。已有研究表明，風荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)、超大跨橋梁等大型柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計建造的關(guān)鍵控制因素[1]。因此，亟待將風工程納入本科生培養(yǎng)方案，并探索切實有效的本科教學方法。

結(jié)構(gòu)與橋梁風工程屬于土木工程專業(yè)的前沿新興交叉課程，涉及的學科門類眾多。西南交通大學風工程試驗研究中心是國內(nèi)最早開展風工程研究的單位之一，經(jīng)過30年的發(fā)展、建設(shè)，擁有包括世界最大的邊界層風洞——XNJD-3風洞在內(nèi)的3座風洞，目前已成為國內(nèi)外知名的風工程研究機構(gòu)，并在橋梁與結(jié)構(gòu)風工程研究方面形成了自己的特色及優(yōu)勢[3]?；诖?，西南交通大學土木工程學院在本科生課程“土木工程概論”中開設(shè)橋梁與結(jié)構(gòu)風工程的本科教學實踐，另外還開設(shè)了“橋梁抗風與抗震”的本科限選課程，對土木工程專業(yè)方向的本科生進行風工程的教學實踐。作為橋梁與結(jié)構(gòu)風工程課程的主講老師，作者結(jié)合多年來課程的教學實踐經(jīng)驗，對風工程教學進行了一些改革探索，并取得了一定的效果。

二、課程特點及其存在的問題

結(jié)構(gòu)與橋梁風工程就是以超高層建筑、大跨屋蓋、大跨橋梁等高、細、長的柔性工程結(jié)構(gòu)為研究對象，在氣象學、鈍體空氣動力學、結(jié)構(gòu)隨機振動和試驗力學等學科的理論基礎(chǔ)上，采用風洞試驗、數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場實測方法，對上述工程結(jié)構(gòu)的風致響應、建筑周圍風環(huán)境等進行分析和評估，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。

（一）課程特點

首先，從課程內(nèi)容上看，與土木工程領(lǐng)域的其他課程相比，風工程是一門涉及氣象學、鈍體空氣動力學及氣動彈性力學、現(xiàn)代數(shù)值計算、結(jié)構(gòu)工程學和試驗力學等眾多學科的交叉學科[4]。加拿大學者達文波特教授（Davenport）提出的一個風荷載鏈（Wind load chain）（如圖2所示）。該風荷載鏈包括風氣候、地形效應、空氣動力效應、結(jié)構(gòu)力學效應、設(shè)計標準等五個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于這種涉及領(lǐng)域較多的學科，在本科生課程教學中，不僅需要將眾多知識點教授給學生，還需給學生縷清這門課程整個邏輯關(guān)系，以讓他們理解風工程的整體脈絡。

其次，由課程涉及的研究對象可知，結(jié)構(gòu)與橋梁風工程是伴隨著我國大跨橋梁、超高層建筑、超大跨度空間結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的不斷涌現(xiàn)而發(fā)展，是其設(shè)計建造的關(guān)鍵控制因素，可見，風工程研究屬于土木工程領(lǐng)域的前沿熱點。因此，在當前社會基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的環(huán)境下，學習結(jié)構(gòu)與橋梁風工程課程專業(yè)知識，對土木工程專業(yè)學生未來走向工作崗位或繼續(xù)深造都有非常重要的作用。

再次，從課程特點上看，結(jié)構(gòu)與橋梁風工程不僅具有較強的研究特性，而且還具有很強的實踐教學特性。結(jié)構(gòu)與橋梁風工程是對風敏感的工程結(jié)構(gòu)的風致響應進行研究，并為影響結(jié)構(gòu)安全性和舒適性的風致振動提供技術(shù)解決方案，這使得結(jié)構(gòu)與橋梁風工程的研究特性突出。此外，結(jié)構(gòu)與橋梁風工程的研究手段主要是風洞試驗，這決定了其實踐特性突出。對于土木工程專業(yè)的工科學生，不管是研究性教學還是實踐性教學都對其創(chuàng)新能力與實際操作能力的培養(yǎng)具有十分重要的意義。

（二）課程存在的問題

首先，與傳統(tǒng)本科課程教學相比，結(jié)構(gòu)與橋梁風工程課程所涉內(nèi)容前沿、學科門類眾多，這使得在風工程課程教學中無法直接采用傳統(tǒng)課程的教學體系和方法。雖然結(jié)構(gòu)與橋梁風工程在國內(nèi)的研究已經(jīng)發(fā)展了30多年，但是作為課程教學的時間還不長，且國內(nèi)開展或者能夠開展風工程教學的高校也比較有限，使得國內(nèi)風工程課程的教學體系還不完善，教學內(nèi)容還不夠系統(tǒng)。

其次，結(jié)構(gòu)與橋梁風工程研究特性突出，無法直接采用傳統(tǒng)知識講解式的教學方法。如何激發(fā)本科生對風工程的學習興趣，啟發(fā)學生不斷探索研究，成為結(jié)構(gòu)與橋梁風工程課程教學的關(guān)鍵，而目前風工程教學多在于知識講解或風洞參觀，方法相對單一。

再次，抗風作為重大工程設(shè)計建造的關(guān)鍵控制因素，設(shè)計院和建設(shè)單位解決其抗風問題的手段不多，這使得高校風工程團隊及其風洞實驗室承擔了絕大多數(shù)重大工程項目的抗風研究[5]。因此，風洞實驗室對本科生教學的效能發(fā)揮得有限，結(jié)構(gòu)與橋梁風工程課程在本科生的實踐教學環(huán)節(jié)中的作用未得到充分發(fā)揮。

三、結(jié)構(gòu)與橋梁風工程的本科教學探索

針對結(jié)構(gòu)與橋梁風工程在本科教學中存在的問題，作者結(jié)合自身授課經(jīng)驗和專業(yè)知識，在課程體系、教學方法等方面進行探索。

（一）厘清教學體系

針對結(jié)構(gòu)與橋梁風工程課程內(nèi)容繁多的特點，應該縷清脈絡、分清條理、突出重點，讓學生理解掌握風工程的知識構(gòu)架。以經(jīng)典圓柱繞流為例，在知識內(nèi)容上，柱體周圍流場結(jié)構(gòu)是其氣動力特性的機理，屬于鈍體空氣動力學的范疇，而柱體表面壓力分布特性及其引起結(jié)構(gòu)的振動，屬于結(jié)構(gòu)工程學及其振動理論的內(nèi)容。在方法上，可采用風洞試驗或者數(shù)值模擬獲得其繞流結(jié)構(gòu)和氣動力分布，這屬于現(xiàn)代數(shù)值計算和試驗力學的范疇。在實際工程應用上，圓柱作為最為常見一種結(jié)構(gòu)形式，廣泛應用在橋墩、冷卻塔、煙囪等土木工程結(jié)構(gòu)中，其風荷載及其風致響應通過上述方法進行研究獲取。同時，對于土木工程專業(yè)來說，風荷載特性及其風致響應是本科教學的重點。由此可見，學生在學習中不僅能分清各個知識點，還能將其聯(lián)系起來，形成完整的知識構(gòu)架，并應用于實際工程中。

（二）創(chuàng)新教學理念

作為一門具有很強研究性的課程，教師不僅是知識的傳播者，更是研究思維的啟迪者。在結(jié)構(gòu)與橋梁風工程課程教學中，不必全面追求知識的全覆蓋，而應充分調(diào)動學生參與教學活動的主動性和積極性，采用翻轉(zhuǎn)課堂等形式，激發(fā)學生對風工程以及科學研究的興趣。如上述的圓柱繞流問題，可以給學生設(shè)置一個工況，讓學生采用在線學習或直接采用數(shù)值模擬等方法，探求其流動演化機理。

（三）豐富教學方法

結(jié)構(gòu)與橋梁風工程的主要研究手段是風洞試驗，這決定了其教學不僅有課堂的講解，更要有風洞試驗的實踐活動。作者積極將結(jié)構(gòu)與橋梁風工程課程講解與本科生SRTP項目、重點實驗室本科生開放課題等實踐教學活動相結(jié)合，讓本科生全程參與模型設(shè)計和制作、風場調(diào)試、數(shù)據(jù)采集與處理、報告整理等風洞試驗關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與此同時，通過學術(shù)會議討論、課程知識講解等方式，講授結(jié)構(gòu)與橋梁風工程的課程知識。通過效果評估發(fā)現(xiàn)，學生們不僅在知識掌握方面更加全面深入，對風工程的興趣也更加高漲，科研能力也有很大提高。

四、小結(jié)

針對結(jié)構(gòu)與橋梁風工程涉及學科門類眾多、研究和實踐特性突出等特點，分析目前該門課程存在的問題，從教學體系、教學理念、教學方法等方面，對結(jié)構(gòu)與橋梁風工程的本科教學進行探索，并結(jié)合自身授課經(jīng)驗和專業(yè)知識提出一些有益建議。

參考文獻

[1]項海帆，葛耀君.現(xiàn)代橋梁抗風理論及其應用[J].力學與實踐，2007，29（1）：1-13.

[2]廖海黎，李明水，周強.海洋橋梁工程抗風安全的難題及其對策思考[J].中國工程科學，2019（03）：12-17.

[3]李明水，廖海黎，陳淳.西南交通大學大型大氣邊界層風洞[C]//西南交通大學大型大氣邊界層風洞.第十四屆全國結(jié)構(gòu)風工程學術(shù)會議論文集（下冊）.

[4]馬文勇，尉耀元，谷玉榮，et al.本科生風工程教學方法探索[J].教育教學論壇，2012（30）：118-120.

[5]余世策，蔣建群，萬五一.高校本科生風工程探究性實驗的教學實踐[J].Research&Exploration in Laboratory，2016，35（5）.