《結(jié)構(gòu)風(fēng)工程》研究生“三位一體”教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐

孫瑛 孫曉穎 武岳

摘?要：結(jié)合“結(jié)構(gòu)風(fēng)工程”課程的特點(diǎn)，針對教學(xué)中存在學(xué)生對知識理解不深、實(shí)踐創(chuàng)新能力不強(qiáng)、職業(yè)發(fā)展迷茫等問題，以“大師+團(tuán)隊(duì)”為機(jī)制，構(gòu)建了“虛實(shí)結(jié)合+研學(xué)結(jié)合+思政”引領(lǐng)“三位一體”的課程教學(xué)體系改革與實(shí)踐方法。通過虛實(shí)結(jié)合加深學(xué)生的知識理解，深化研學(xué)結(jié)合全方位提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，加強(qiáng)課程思政引領(lǐng)學(xué)生樹立更高的專業(yè)志向，最終實(shí)現(xiàn)知識、能力和志向“三位一體”，以土木工程卓越人才實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)為目標(biāo)，重點(diǎn)提升傳統(tǒng)《結(jié)構(gòu)風(fēng)工程》的教學(xué)效果，旨在達(dá)成卓越而有靈魂的研究生教育。

關(guān)鍵詞：虛實(shí)結(jié)合；研學(xué)結(jié)合；思政引領(lǐng)；實(shí)踐創(chuàng)新

一、傳統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題

《結(jié)構(gòu)風(fēng)工程》是研究生專業(yè)學(xué)位課，學(xué)時32，哈爾濱工業(yè)大學(xué)是國內(nèi)較早、也是較系統(tǒng)開展結(jié)構(gòu)風(fēng)工程相關(guān)理論研究與教學(xué)的高校之一。20世紀(jì)50年代，王光遠(yuǎn)院士就開展了結(jié)構(gòu)風(fēng)振隨機(jī)響應(yīng)分析方面的研究；其后，沈世釗院士在大跨柔性屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析理論，歐進(jìn)萍院士在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)動力可靠度分析方法等方面，都開展了富有成效的研究工作。歐進(jìn)萍教授在國內(nèi)率先開設(shè)了《風(fēng)工程與結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)》研究生課程；先后由段忠東教授、武岳教授和孫瑛教授主講。本課程有著很好的優(yōu)良傳統(tǒng)，有著“扎根東北”特色的建設(shè)課程之一。

結(jié)構(gòu)風(fēng)工程是土木工程領(lǐng)域的重要研究方向之一，其理論性、學(xué)科交叉性、實(shí)踐操作性強(qiáng)。課程教學(xué)存在以下問題：

（1）課程內(nèi)容繁雜、理論抽象、學(xué)科交叉性強(qiáng)，由于受到場地、經(jīng)費(fèi)和人員安全等方面的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生動手能力缺乏鍛煉，對知識理解不深入，不少學(xué)生課程學(xué)完后，對知識點(diǎn)印象不深、不得技術(shù)要領(lǐng)；

（2）由于很難近距離接觸到實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致學(xué)生對各種體系抗風(fēng)作用的理解不深，綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決工程問題的能力不強(qiáng)，實(shí)踐創(chuàng)新能力不強(qiáng)；

（3）很多學(xué)生在完成學(xué)業(yè)后，不知道自己是否能勝任工作要求，對職業(yè)發(fā)展充滿迷茫，甚至對自己缺乏信心。

綜上，傳統(tǒng)教學(xué)中存在重“理論”輕“實(shí)踐”、重“課上”輕“課后”、重“線下”輕“線上”、重“學(xué)習(xí)”輕“創(chuàng)新”等問題。

二、結(jié)構(gòu)風(fēng)工程課程的育人路徑

（一）推行“模型化”實(shí)踐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的虛實(shí)結(jié)合，達(dá)成“不斷改革創(chuàng)新”

將虛擬與現(xiàn)實(shí)有機(jī)結(jié)合作為一種信息化教育、教學(xué)手段，在土木工程專業(yè)創(chuàng)新“模型化”實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)從被動學(xué)習(xí)向主動探究的轉(zhuǎn)變［3］。實(shí)驗(yàn)中，不是老師手把手教，也不是老師演示學(xué)生看，而是讓學(xué)生自行從風(fēng)氣候庫和結(jié)構(gòu)庫中選擇所需的極端風(fēng)類型、結(jié)構(gòu)類型及尺寸，像“搭積木”一樣嘗試搭建分析平臺，通過反復(fù)摸索加深認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；并且可以借助3D漫游技術(shù)從不同視角了解結(jié)構(gòu)受風(fēng)作用及風(fēng)致破壞特點(diǎn)，與課堂教學(xué)形成相輔相成的關(guān)系；突破實(shí)踐時間、空間和資源使用的限制，提高教學(xué)成效，提高學(xué)生的專注度、反饋度和自由度。

通過建立了臺風(fēng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)洞等三維漫游模塊，實(shí)現(xiàn)對極端風(fēng)及風(fēng)洞設(shè)備模型任意方向旋轉(zhuǎn)及視點(diǎn)變換，幫助學(xué)生深度理解臺風(fēng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容與原理，方便學(xué)生深度理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理，實(shí)現(xiàn)“模型化”助學(xué)，如圖1所示，漫游模塊是虛、臺風(fēng)結(jié)構(gòu)是實(shí)，這是學(xué)與玩的結(jié)合；針對鈍體空氣動力學(xué)的學(xué)習(xí)，綜合采用課堂教學(xué)、試驗(yàn)實(shí)踐和翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的方式，讓學(xué)生按自選題目進(jìn)行流場可視化試驗(yàn)，自己動手制作一些小模型，通過煙流可視化流場，觀察鈍體繞流的現(xiàn)象，達(dá)成“模型化”導(dǎo)學(xué)，如圖2所示，模型煙流是虛、鈍體繞流現(xiàn)象是實(shí)，這是理論與現(xiàn)象的結(jié)合；以教學(xué)改革項(xiàng)目為契機(jī)，建立了風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過大量分析統(tǒng)計(jì)，建立起不同建筑外形的風(fēng)荷載模型供工程分析應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用“模型化”，如圖3所示，風(fēng)荷載數(shù)據(jù)是虛、模型應(yīng)用是實(shí)，這是數(shù)據(jù)與應(yīng)用的結(jié)合。以上虛實(shí)結(jié)合，都體現(xiàn)在虛擬仿真教學(xué)平臺中，目的也是加深學(xué)生對不同知識點(diǎn)的理解，該虛擬仿真教學(xué)平臺已經(jīng)通過黑龍江省認(rèn)證。

（二）實(shí)現(xiàn)科研成果向教學(xué)資源的持續(xù)轉(zhuǎn)化，達(dá)成“科研攻關(guān)”與“教書育人”的有機(jī)融合

結(jié)合多年教學(xué)實(shí)踐和科研積累，由“武岳”教授牽頭組織編撰并修訂教材《風(fēng)工程與結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)》。該教材入選“現(xiàn)代土木工程精品系列圖書”和“十二五國家重點(diǎn)圖書出版規(guī)劃項(xiàng)目”，以此教材為基礎(chǔ)，在教學(xué)中體現(xiàn)最新技術(shù)發(fā)展，為學(xué)生展示學(xué)科前沿發(fā)展動態(tài)。經(jīng)調(diào)研國內(nèi)有多所高校開設(shè)有結(jié)構(gòu)風(fēng)工程相關(guān)課程，其中通過出版社聯(lián)系使用本教材的高校共有36所，多是目前國內(nèi)在風(fēng)工程教學(xué)與研究領(lǐng)域頗有建樹的高校，可見本教材得到了國內(nèi)同行的普遍認(rèn)可，使用廣泛。

對于風(fēng)敏感的高層建筑和大跨屋蓋結(jié)構(gòu)，以實(shí)際重大工程項(xiàng)目為例進(jìn)行講解，給出應(yīng)用結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)的流程，達(dá)到分析具體工程問題的目的；結(jié)合工程案例和理論教學(xué)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的同時，了解相關(guān)知識在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，更加切實(shí)地將所學(xué)知識融入工程實(shí)踐中；課程中還包括對規(guī)范的介紹，注重講解規(guī)范背后的理論背景，使學(xué)生能夠從更加客觀全面的角度審視規(guī)范，提升工程創(chuàng)新能力，本課程還適當(dāng)融入了國內(nèi)風(fēng)工程領(lǐng)域的主要研究成果和最新動向，培養(yǎng)學(xué)生的科研志趣，為學(xué)生進(jìn)一步深造奠定了基礎(chǔ)；通過對500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡的選址流場模擬、奧運(yùn)工程鳥巢的風(fēng)振分析這些大型復(fù)雜工程的介紹，見圖3，能促使同學(xué)們對國之重器的近距離接觸，引發(fā)學(xué)生愛國熱情，同時也能讓同學(xué)們體會大國重器的形成過程，并非一開始就定位大國重器，而是精益求精的科研態(tài)度、認(rèn)真踏實(shí)的細(xì)節(jié)工作、不斷克服不可能的探索精神成就了它。

在科研成果轉(zhuǎn)化方面，注重培養(yǎng)學(xué)生工程意識、工程實(shí)踐綜合能力和創(chuàng)新意識。近五年來，團(tuán)隊(duì)成員承擔(dān)近十項(xiàng)國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目，同時承接了30余項(xiàng)的抗風(fēng)咨詢項(xiàng)目，在這些項(xiàng)目中研究生的參與度很高。

此外，與一些企業(yè)建立戰(zhàn)略合作，新建的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室設(shè)立為研究生教學(xué)基地，這讓更多的學(xué)生參與到實(shí)際工程應(yīng)用與研究中，真正實(shí)現(xiàn)研學(xué)結(jié)合的有利局面。

（三）強(qiáng)化課程思政建設(shè)，注重學(xué)生的思想引領(lǐng)，真正做到“緊扣立德樹人根本任務(wù)”

課程組成員在哈工大八百壯士精神引領(lǐng)下［2］，本著以德為先，弘揚(yáng)“愛國奉獻(xiàn)”傳統(tǒng)的宗旨，深入挖掘課程思政元素，在專業(yè)知識講授中融入愛國情懷。《結(jié)構(gòu)風(fēng)工程》課程包含著相當(dāng)多的“課程思政”元素，例如，我國風(fēng)工程學(xué)科的發(fā)展歷程，反映了老一輩科研工作者艱苦創(chuàng)業(yè)、愛國奉獻(xiàn)的優(yōu)良傳統(tǒng)；也介紹了改革開放以來，我國在風(fēng)工程研究與工程應(yīng)用領(lǐng)域的偉大成就，我國目前在風(fēng)洞數(shù)量和風(fēng)工程專業(yè)人才數(shù)量方面均居世界首位；同時展望了未來風(fēng)工程的發(fā)展，將更好地為我國的新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、能源安全和綠色環(huán)保做出貢獻(xiàn)。課程教學(xué)實(shí)施過程中稍加思考，便可以在軟化專業(yè)知識教學(xué)的同時，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀和價值觀，培養(yǎng)學(xué)生積極向上的高尚情操，達(dá)到“課程思政”的效果。不僅要加強(qiáng)具體知識的傳授，更要加強(qiáng)對學(xué)生世界觀、人生觀和價值觀的塑造，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感和愛國主義情感，學(xué)會用唯物主義辯證思維，以及培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。

三、“三位一體”課程教學(xué)體系實(shí)踐獲得的教學(xué)成果

針對教學(xué)中存在學(xué)生對知識理解不深、實(shí)踐創(chuàng)新能力不強(qiáng)、職業(yè)發(fā)展迷茫等問題，提出了以下教學(xué)方法：結(jié)合“結(jié)構(gòu)風(fēng)工程”課程的特點(diǎn)，以“大師+團(tuán)隊(duì)”為機(jī)制，構(gòu)建了“虛實(shí)結(jié)合+研學(xué)結(jié)合+思政”引領(lǐng)“三位一體”的課程教學(xué)體系改革與實(shí)踐方法，如圖4所示。以土木工程卓越人才實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)為目標(biāo)，重點(diǎn)提升傳統(tǒng)“結(jié)構(gòu)風(fēng)工程”的教學(xué)效果，并取得了以下成果：

建設(shè)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究生精品課程1門，建設(shè)省級虛擬仿真平臺項(xiàng)目1項(xiàng)，發(fā)表教學(xué)論文4篇，獲“首屆黑龍江省教材建設(shè)獎一等獎”“哈爾濱工業(yè)大學(xué)教學(xué)優(yōu)秀二等獎”等獎勵10余項(xiàng)。教學(xué)成效好，受到學(xué)生的一致好評，評教近五年連續(xù)被評為優(yōu)秀。

面向國家發(fā)展重大需求，解決高質(zhì)量土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)問題，通過虛實(shí)結(jié)合加深學(xué)生的知識理解，深化研學(xué)結(jié)合全方位提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，加強(qiáng)課程思政引領(lǐng)學(xué)生樹立更高的專業(yè)志向，最終實(shí)現(xiàn)知識、能力和志向“三位一體”，旨在達(dá)成卓越而有靈魂的研究生教育。

四、“三位一體”課程教學(xué)體系的拓廣應(yīng)用

（1）建成較完善的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)防災(zāi)課程體系。自20世紀(jì)90年代以來，歐進(jìn)萍教授在國內(nèi)率先開設(shè)了“風(fēng)工程與結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)”研究生課程；2008年開始，開設(shè)了本科生課程；2015年開始，又增設(shè)了留學(xué)生課程。2010年開設(shè)了針對橋梁結(jié)構(gòu)的研究生課“橋梁風(fēng)工程”。延續(xù)“大師+團(tuán)隊(duì)”體制，體現(xiàn)薪火相傳“傳幫帶”精神，將培養(yǎng)更多的年青老師主講課程，打造一支業(yè)務(wù)精湛、信念堅(jiān)定、樂心育人的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

（2）積極推進(jìn)視頻公開課錄制、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課等精品課程建設(shè)，形成區(qū)域輻射效應(yīng)。本課程已經(jīng)通過哈爾濱工業(yè)大學(xué)第八批在線開放課程立項(xiàng)，目前已完成視頻錄制。由孫瑛教授主持的“高層建筑臺風(fēng)響應(yīng)與氣動優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”目前已經(jīng)在線服務(wù)兩年，還將繼續(xù)擴(kuò)展其應(yīng)用對象和范圍。

（3）同時，基于研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地，結(jié)合相關(guān)的基礎(chǔ)理論課、創(chuàng)新研修課、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類課程建設(shè)，逐漸形成國內(nèi)重要的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)理論研究與工程創(chuàng)新基地。

結(jié)語

《結(jié)構(gòu)風(fēng)工程》課程傳承歷史、厚積薄發(fā)，在建設(shè)中奮進(jìn)，在創(chuàng)新中發(fā)展，繼續(xù)以“大師+團(tuán)隊(duì)”為機(jī)制，發(fā)揚(yáng)“虛實(shí)結(jié)合+研學(xué)結(jié)合+思政”引領(lǐng)“三位一體”的課程教學(xué)體系，在實(shí)踐中提升教學(xué)方法。教學(xué)的虛實(shí)結(jié)合，有助于“模型化”實(shí)踐教學(xué)；研學(xué)結(jié)合有助于科研成果向教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化，以提升學(xué)生工程創(chuàng)新能力；通過深入挖掘課程思政元素，培養(yǎng)學(xué)生將自己的專業(yè)和興趣與國家建設(shè)相聯(lián)系，在社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的偉大事業(yè)中實(shí)現(xiàn)自己的人生價值。教學(xué)團(tuán)隊(duì)將持續(xù)以立德樹人為己任，繼續(xù)努力奮斗，開創(chuàng)新理念、利用新技術(shù)、建立新模式、追求新考核，邁上一個新臺階，以達(dá)成“追求卓越”的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

［1］熊四皓.堅(jiān)持習(xí)近平總書記賀信精神引領(lǐng)?高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量開展黨史學(xué)習(xí)教育［J］.黨建，2021（04）：2224.

［2］吉星，劉忠奎.哈工大“八百壯士”科教報國矢志不移［J］.奮斗，2021（10）：57.

［3］孫瑛，武岳，孫曉穎.“可見、可觸摸式”教學(xué)方法研討［J］.教育教學(xué)論壇，2015，11，45：114115.

基金項(xiàng)目：哈爾濱工業(yè)大學(xué)第七批教學(xué)發(fā)展基金項(xiàng)目（課程思政類）研究生課程：結(jié)構(gòu)風(fēng)工程；哈爾濱工業(yè)大學(xué)第八批在線開放課程立項(xiàng)：結(jié)構(gòu)風(fēng)工程；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（21MS026）

*通訊作者：孫瑛（1976—?），女，漢族，福建福州人，博士，教授，研究方向：結(jié)構(gòu)風(fēng)工程及大跨空間結(jié)構(gòu)。

作者簡介：孫曉穎（1975—?），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，研究方向：大跨空間結(jié)構(gòu)；武岳（1972—?），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，研究方向：新型結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)及冰雪結(jié)構(gòu)。