基于虛實結(jié)合的“土木工程抗風(fēng)”實踐教學(xué)探索

周 強，李志國，馬存明，李明水

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

引言

隨著社會的發(fā)展和進步，土木工程在城市化進程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，隨著土木工程結(jié)構(gòu)不斷朝大跨、高聳、輕柔等方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)自重輕、阻尼小，對風(fēng)致作用變得十分敏感［1-2］，抗風(fēng)設(shè)計成為土木工程中不可忽視的重要領(lǐng)域。為了培養(yǎng)具備抗風(fēng)設(shè)計能力的工程師，土木工程抗風(fēng)實踐教學(xué)變得尤為重要。

傳統(tǒng)的實踐教學(xué)方法通常依賴于學(xué)生在風(fēng)洞試驗中進行實踐操作。然而，由于場地條件的限制、成本的高昂以及無法實現(xiàn)可視化教學(xué)，導(dǎo)致傳統(tǒng)實踐教學(xué)方式存在明顯的局限性［3］。為了克服這些限制并提供更富有創(chuàng)新性和安全性的教學(xué)方法，教育界開始采用虛擬數(shù)值仿真技術(shù)［4-5］?；谔搶嵔Y(jié)合的土木工程抗風(fēng)實踐教學(xué)模式結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)和實際操作，為學(xué)生提供了一個創(chuàng)新、可控、有趣的教學(xué)環(huán)境。學(xué)生可以通過虛擬仿真軟件模擬不同的風(fēng)場環(huán)境、結(jié)構(gòu)繞流，并進行抗風(fēng)設(shè)計和實踐操作。這種教學(xué)模式不僅提供了更多的實踐機會，還可以幫助學(xué)生更好地理解抗風(fēng)設(shè)計原理和應(yīng)用技術(shù)。

本研究的目的是探索基于虛實結(jié)合的“土木工程抗風(fēng)”實踐教學(xué)模式，并評估其對學(xué)生學(xué)習(xí)成果和教學(xué)效果的影響。通過比較傳統(tǒng)實踐教學(xué)方式和基于虛實結(jié)合的教學(xué)模式，西南交通大學(xué)探討了虛擬仿真技術(shù)在“土木工程抗風(fēng)”實踐教學(xué)中的應(yīng)用效果，以及學(xué)生對該教學(xué)模式的反饋和體驗。

一、實踐教學(xué)的問題與難點

“土木工程抗風(fēng)”課程的教學(xué)面臨一些問題和難點，這些因素需要高校深入了解和解決，以確保教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。本部分將探討“土木工程抗風(fēng)”課程教學(xué)中的主要問題和難點。

（一）主要問題

1.場地條件限制。傳統(tǒng)的實踐教學(xué)方式往往需要在實際風(fēng)場或風(fēng)洞環(huán)境下進行，但這會受到場地條件的限制，影響學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)。

2.成本和資源限制。搭建與維護真實風(fēng)洞設(shè)備以及進行抗風(fēng)實驗所需的設(shè)備和材料通常需要高昂的成本。學(xué)校和教育機構(gòu)可能面臨資源有限的挑戰(zhàn)，無法提供足夠的實踐教學(xué)設(shè)備和場地。

3.安全風(fēng)險?？癸L(fēng)實驗通常需要高風(fēng)速和高壓力的條件，存在一定的安全風(fēng)險。學(xué)生的安全必須得到充分保障，因此實驗操作必須嚴(yán)格遵守相關(guān)的安全規(guī)范和操作指南。

4.實踐機會的不足。傳統(tǒng)的實踐教學(xué)方式可能無法提供足夠的實踐機會，尤其是在時間有限或課程內(nèi)容繁多的情況下，學(xué)生可能無法獲得充分的實踐操作和經(jīng)驗，從而限制了他們的學(xué)習(xí)效果和實踐能力的培養(yǎng)。

5.學(xué)習(xí)興趣和動機的激發(fā)?？癸L(fēng)課程的教學(xué)內(nèi)容相對抽象和理論化，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動機可能受到影響。教師需要營造積極的學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動參與，以提高他們對抗風(fēng)設(shè)計的理解和應(yīng)用能力。

針對這些問題和難點，基于虛實結(jié)合的教學(xué)模式可以為“土木工程抗風(fēng)”課程教學(xué)提供一種解決方案。通過虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以在安全、可控的環(huán)境中進行抗風(fēng)設(shè)計和實踐操作，克服了場地條件的限制和實踐機會的不足。同時，基于虛實結(jié)合的教學(xué)模式可以提供更豐富、互動和創(chuàng)新的學(xué)習(xí)體驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動機。

通過對元素的相關(guān)性進行分析(表2)，發(fā)現(xiàn)Au與As、Ag、Sb間正相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.901、0.800、0.853，由此可見，As、Ag、Sb是金礦化的良好指示元素，很好的反映了礦體中Au的主要賦存礦物為毒砂。此外Au與Ba、Mn、Zn成負相關(guān)，當(dāng)它們含量高時對礦體礦化極為不利。

（二）面臨難題

基于虛實結(jié)合的教學(xué)模式也面臨一些挑戰(zhàn)。首先，虛擬仿真技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用需要專業(yè)的軟件、硬件支持，對教育機構(gòu)和教師提出了技術(shù)能力和設(shè)備要求。其次，教師需要適應(yīng)新的教學(xué)方法和教學(xué)環(huán)境，具備相應(yīng)的培訓(xùn)與指導(dǎo)能力以確保教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。最后，基于虛實結(jié)合的教學(xué)模式還需要充分評估其教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)成果，以便不斷改進和優(yōu)化教學(xué)策略。因此，本研究將重點探索基于虛實結(jié)合的“土木工程抗風(fēng)”課程實踐教學(xué)模式，以解決傳統(tǒng)教學(xué)方式中存在的問題和難點。通過整合虛擬仿真技術(shù)和實際操作，我校將評估該教學(xué)模式對學(xué)生學(xué)習(xí)成果和教學(xué)效果的影響，并提出改進和優(yōu)化的建議，以促進“土木工程抗風(fēng)”課程實踐教學(xué)的質(zhì)量和效果。

（三）發(fā)展趨勢

“土木工程抗風(fēng)”課程實踐教學(xué)在近年來得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展，未來需要在以下環(huán)節(jié)進行加強。

1.實踐環(huán)節(jié)的加強。傳統(tǒng)的“土木工程抗風(fēng)”課程往往注重理論知識的傳授，而實踐環(huán)節(jié)相對較少。然而，隨著對實際應(yīng)用能力的需求不斷增加，越來越多的高校開始加強抗風(fēng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生有機會參與抗風(fēng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)模擬和實驗操作等實踐活動，提高他們的實踐能力和解決實際問題的能力。

2.虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用。隨著虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的教育機構(gòu)開始將其應(yīng)用于土木工程抗風(fēng)實踐教學(xué)中。虛擬仿真技術(shù)可以提供虛擬的風(fēng)場環(huán)境，學(xué)生可以在其中進行抗風(fēng)設(shè)計和實踐操作。這種虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以彌補實際風(fēng)洞等設(shè)備的不足，提供更多的實踐機會，并提高學(xué)生對抗風(fēng)設(shè)計原理和應(yīng)用技術(shù)的理解。

3.實踐案例的引入。高校逐漸引入實際抗風(fēng)工程案例，將學(xué)生置身于真實的抗風(fēng)工程項目中。通過分析和解決實際案例中的抗風(fēng)設(shè)計問題，學(xué)生能夠更好地理解理論知識在實踐中的應(yīng)用，并培養(yǎng)其解決實際問題的能力。

4.多樣化的教學(xué)方法。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高教學(xué)效果，我校采用了多樣化的教學(xué)方法。除了傳統(tǒng)的課堂講解和實驗操作外，引入了案例分析、小組討論、項目實踐和現(xiàn)場考察等教學(xué)活動。這些多樣化的教學(xué)方法可以促進學(xué)生的參與度和主動學(xué)習(xí)，提高他們的綜合素養(yǎng)和解決問題的能力。

二、基于虛實結(jié)合的抗風(fēng)實踐教學(xué)探索

基于虛實結(jié)合的抗風(fēng)實踐教學(xué)探索是為了克服傳統(tǒng)教學(xué)方式中存在的問題和難點，提供創(chuàng)新、安全和有效的學(xué)習(xí)體驗。在這個探索中，有兩個關(guān)鍵方面需要考慮和實施，分別是采用逆向教學(xué)和優(yōu)化課程內(nèi)容，以及虛擬與現(xiàn)實融合、科研與教學(xué)融合，豐富教學(xué)方法。

（一）采用逆向教學(xué)，優(yōu)化課程內(nèi)容，完善教學(xué)體系

傳統(tǒng)教學(xué)方式通常是從理論講解到實踐操作的線性過程，而逆向教學(xué)則是從實踐問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生主動探索和學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識。

針對“土木工程抗風(fēng)”課程多學(xué)科交叉、知識點分散以及學(xué)時有限的特點，以實際工程應(yīng)用為主線，以橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和各種風(fēng)致振動為教學(xué)重點，摒棄傳統(tǒng)的先理論后實踐的教學(xué)方法，采用先目標(biāo)后內(nèi)容的逆向教學(xué)方法，化繁為簡，精簡知識點，優(yōu)化教學(xué)體系，在有限的學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生掌握與土木工程抗風(fēng)密切相關(guān)的知識架構(gòu)［6］，最終構(gòu)建了完善的教學(xué)體系，如圖1所示。例如，在介紹風(fēng)致振動時，首先從渦振、顫振等常見的振動現(xiàn)象出發(fā)，結(jié)合工程案例講解其帶來的危害及其解決方案；其次向?qū)W生講授危害的定量評價手段，包括經(jīng)驗公式、抗風(fēng)規(guī)范等；最后將復(fù)雜的流動機理作為次要內(nèi)容進行講解。

圖1 “土木工程抗風(fēng)”課程實踐教學(xué)體系

基于上述逆向教學(xué)方式建立的教學(xué)體系可以激發(fā)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)問題解決能力和抗風(fēng)設(shè)計能力。學(xué)生在解決實際工程問題的過程中，通過探索與實踐，逐漸理解和掌握與土木工程抗風(fēng)相關(guān)的知識和技能。以實際工程應(yīng)用為主線，學(xué)生在解決實踐問題的同時，能夠深入了解相關(guān)的理論知識，并將其應(yīng)用于實際設(shè)計中。這種逆向教學(xué)方式的優(yōu)勢在于將學(xué)生置于真實的抗風(fēng)工程背景中，培養(yǎng)他們的實際應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維，使他們在未來的實際工程項目中能夠更好地應(yīng)對和解決抗風(fēng)設(shè)計的挑戰(zhàn)。

通過建立基于逆向教學(xué)的教學(xué)體系，“土木工程抗風(fēng)”課程的教學(xué)內(nèi)容得以優(yōu)化，知識點得到精簡和精練，使學(xué)生能夠在有限的學(xué)時內(nèi)全面掌握抗風(fēng)設(shè)計的核心概念和方法。這樣的教學(xué)體系可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)成果，為他們在土木工程抗風(fēng)領(lǐng)域的職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。因此，基于逆向教學(xué)方式建立的教學(xué)體系為“土木工程抗風(fēng)”實踐教學(xué)提供了有效的教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)他們解決問題的能力和抗風(fēng)設(shè)計能力。在未來的教學(xué)實踐中，高校應(yīng)進一步探索和完善這種教學(xué)模式，以提高土木工程學(xué)生的綜合素質(zhì)和實踐能力。

（二）虛擬與現(xiàn)實融合、科研與教學(xué)融合，豐富教學(xué)方法

針對“土木工程抗風(fēng)”課程的研究性和實踐性突出，而傳統(tǒng)教學(xué)方法單一的特點，采用理論與實踐相結(jié)合，甚至是實踐先于理論的教學(xué)方法，依托我校的物理風(fēng)洞和虛擬風(fēng)洞資源平臺，結(jié)合各類科創(chuàng)活動和科研項目，構(gòu)建研究性實踐平臺，引入最新的科研成果和前沿技術(shù)，讓學(xué)生了解當(dāng)前領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)，并將科研成果融入抗風(fēng)實踐中。這種融合可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和科學(xué)研究能力。例如，在講解橋梁的渦振時，結(jié)合工程項目研究，通過風(fēng)洞試驗觀察橋梁模型的振動情況，通過數(shù)值模擬直觀看到旋渦流動情況，從而讓學(xué)生掌握氣流與橋梁斷面的相互作用，加深對知識點和實際工程問題的理解，如圖2所示。又如，通過設(shè)置SRTP項目、重點實驗室開放課題、橋梁抗風(fēng)競賽等科研實踐活動，結(jié)合我校承擔(dān)的大量前沿科研課題及國內(nèi)外重大橋梁工程的抗風(fēng)研究項目（如港珠澳大橋、楊泗港長江大橋、虎門大橋、土耳其恰納卡萊大橋等），將科研與教學(xué)密切融合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

圖2 橋梁及圓柱繞流虛擬演示案例

此外，基于虛實結(jié)合的抗風(fēng)實踐教學(xué)還可以豐富教學(xué)方法。除了傳統(tǒng)的課堂講解和實驗操作外，教師可以利用虛擬仿真技術(shù)進行模擬實踐、案例分析和團隊合作等教學(xué)活動。通過多樣化的教學(xué)方法，學(xué)生可以從不同的角度與途徑理解抗風(fēng)設(shè)計的原理和應(yīng)用，提高他們的綜合素養(yǎng)和解決問題的能力。

三、主要結(jié)論

基于虛實結(jié)合的抗風(fēng)實踐教學(xué)探索在解決傳統(tǒng)教學(xué)方式中的問題和難點上具有重要意義，也為土木工程抗風(fēng)實踐教育帶來了新的發(fā)展機遇和突破。

1.基于虛實結(jié)合的抗風(fēng)實踐教學(xué)模式為學(xué)生提供了更為直觀、可控的學(xué)習(xí)環(huán)境，克服了實際物理風(fēng)洞場地和可視性的難題。通過虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進行多次實踐操作，積累經(jīng)驗并提高技能。然后，他們可以將所學(xué)應(yīng)用于真實環(huán)境中的抗風(fēng)實踐中，全面培養(yǎng)實踐能力。

2.基于虛實結(jié)合的抗風(fēng)實踐教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動機。逆向教學(xué)的方式讓學(xué)生主動參與和探索，培養(yǎng)了他們解決問題的能力和創(chuàng)造性思維。虛擬仿真技術(shù)、案例分析和團隊合作等多樣化的教學(xué)方法豐富了教學(xué)過程，提高了學(xué)生的綜合素養(yǎng)和解決問題的能力。

3.基于虛實結(jié)合的抗風(fēng)實踐教學(xué)模式促進了科研與教學(xué)的融合。教師可以引入最新的科研成果和前沿技術(shù)，讓學(xué)生了解抗風(fēng)設(shè)計領(lǐng)域的最新動態(tài)，并將科研成果應(yīng)用于實際操作中。這種融合培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)研究能力和創(chuàng)新思維。