陳秋華

摘? 要：風(fēng)工程研究愈來愈受到關(guān)注。該文依據(jù)應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)目標的要求，針對現(xiàn)階段風(fēng)工程課程本科教學(xué)存在的不足，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式等方面對課程的構(gòu)建進行了探討，建立了“遞進式”+“以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式。在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，有機結(jié)合了數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗等實踐教學(xué)方法，有利于應(yīng)用型高校本科生基礎(chǔ)研究能力和綜合創(chuàng)新能力的提高。該文構(gòu)建的教學(xué)方法可為風(fēng)工程領(lǐng)域應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供參考。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科? ?風(fēng)工程? ?數(shù)值模擬? ?風(fēng)洞試驗? ?教學(xué)模式

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（a）-0127-04

Construction and Practice of Undergraduate Wind Engineering Teaching Approach in Local Application-Oriented

Universities

CHEN Qiuhua

（Fujian Provincial Key Laboratory of Wind Disaster and Wind Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen， Fujian Province， 361024? China）

Abstract：More and more attention has been paid to the wind engineering researches. According to the requirements of the applied talents training target， in view of the current defects of wind engineering course for undergraduates， the curriculum construction aspects of teaching content， teaching form and so on are discussed in this paper. The teaching approaches of progressive type and student-centered & teacher-led type are established. On the basis of theoretical teaching， practical teaching methods such as numerical simulation and wind tunnel test are organically combined， which is conducive to the improvement of basic research ability and comprehensive innovation ability of undergraduates in application-oriented universities. The teaching approach in this paper can provide the reference for applied talents training in the field of wind engineering.

Key Words：Application-oriented undergraduate; Wind engineering; Numerical simulation; Wind tunnel experiment; Teaching approach

“風(fēng)工程”是研究風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用和結(jié)構(gòu)對風(fēng)的響應(yīng)的學(xué)科，屬于土木工程專業(yè)領(lǐng)域中比較新的專業(yè)科目。國際風(fēng)工程的研究可以追溯到1940年美國華盛頓州的塔科馬（Tacoma）峽谷懸索橋的破壞。塔科馬橋在不到20 m/s的風(fēng)速下發(fā)生強烈的風(fēng)致振動最終導(dǎo)致?lián)p毀，引起了許多學(xué)者的關(guān)注，開啟了結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的新時期。我國風(fēng)工程研究開展較晚，1980年成立的中國空氣動力學(xué)研究會標志著風(fēng)工程研究在我國的正式開始。

1? 風(fēng)工程本科教學(xué)的意義

隨著科技進步和經(jīng)濟社會的發(fā)展，中超高層、大跨度及異型結(jié)構(gòu)層出不窮，這些工程建設(shè)項目均有抗風(fēng)試驗的剛性需求，城市居住環(huán)境質(zhì)量的風(fēng)影響問題等都離不開相關(guān)風(fēng)工程的研究。對于常年遭受臺風(fēng)災(zāi)害影響的沿海地域而言，其工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的要求更為嚴格，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的重要性更加凸顯。因此，風(fēng)工程學(xué)科知識的普及迫在眉睫，現(xiàn)階段對從事風(fēng)工程領(lǐng)域的技術(shù)人員需求日益增加，有利于進一步提高城市的社會發(fā)展和滿足公共安全的需求。目前，我國各高校的土木工程本科專業(yè)課程中有時會涉及到風(fēng)荷載的規(guī)范和設(shè)計標準，但受到硬件條件等因素的限制，風(fēng)工程領(lǐng)域人才的培養(yǎng)還是集中在導(dǎo)師帶領(lǐng)研究生開展各項研究課題，現(xiàn)階段全國僅有極少數(shù)的大學(xué)本科設(shè)有風(fēng)工程專業(yè)[1]。

目前，建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究已取得了較大的進展，相關(guān)的方法或成果在實際工程中已加以應(yīng)用并得到了推廣。將風(fēng)工程相關(guān)的教育資源進一步向本科生階段做出傾斜，完成課程的構(gòu)建，將更加切實地提高本科生的科學(xué)思維能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。而針對本科生進行風(fēng)工程的實踐教學(xué)對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是尤為重要的，它可以培養(yǎng)本科生的動手能力、創(chuàng)新意識[2-3]，實現(xiàn)地方應(yīng)用型本科高校的人才培養(yǎng)目標[4]，切實把辦學(xué)真正轉(zhuǎn)到服務(wù)地方經(jīng)濟社會發(fā)展上來。因此，為使本科生深入了解工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的基本分析思路和方法，開展風(fēng)工程領(lǐng)域的本科生課程教育的實踐探索已經(jīng)刻不容緩。

2? 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

針對本科生或初學(xué)者而言，對抗風(fēng)問題的認識是非常重要的。風(fēng)工程是一門理論與實際緊密結(jié)合的課程，屬于交叉學(xué)科，需要學(xué)生對空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、氣象學(xué)以及統(tǒng)計學(xué)相關(guān)知識有所掌握。在教學(xué)過程中，需注重科學(xué)與工程的緊密結(jié)合和創(chuàng)新實踐的培養(yǎng)，強調(diào)專業(yè)基礎(chǔ)知識和綜合試驗等方面的教學(xué)改革，也要突出工程人文素養(yǎng)的教育，側(cè)重“工程性和綜合性”特色。針對理論、實驗和創(chuàng)新實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，需及時審定教學(xué)大綱，更新教學(xué)內(nèi)容，有效地加強新知識的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。

2.1 人文情懷和工程素養(yǎng)教育

在理論教學(xué)課堂上，有效結(jié)合國內(nèi)外風(fēng)工程研究的發(fā)展歷程，注重融入新時代的工匠精神，引入抗風(fēng)研究領(lǐng)域的成就至課堂教學(xué)中，以激發(fā)學(xué)生的興趣，提升學(xué)生對該專業(yè)知識的認知以及引導(dǎo)學(xué)生規(guī)劃職業(yè)生涯。例如：結(jié)合我國超高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)或橋梁抗風(fēng)研究的最新成果，可以幫助學(xué)生更好地理解知識應(yīng)用，加深學(xué)生對科學(xué)嚴謹性的認知和培養(yǎng)精益求精的工作態(tài)度。

2.2 理論知識教學(xué)注重難度適中、覆蓋面廣

以工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)、臺風(fēng)災(zāi)害、城市風(fēng)環(huán)境等為研究主線。教學(xué)內(nèi)容起于風(fēng)特性介紹，進而延伸至鈍體空氣動力學(xué)，在此基礎(chǔ)上，介紹結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)，最后落腳于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計上，讓學(xué)生對抗風(fēng)設(shè)計的要求有較深的認識。同時，結(jié)合專題的形式，介紹低矮建筑、高層建筑、大跨度屋蓋、橋梁、輸電線等結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載及風(fēng)效應(yīng)特征。針對本科生，知識點不過多強調(diào)晦澀的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，而更多地通過啟發(fā)性的思維，引導(dǎo)學(xué)生對風(fēng)工程課程相關(guān)的知識點建立普遍的認知。

2.3 開展基于數(shù)值模擬計算的教學(xué)

在創(chuàng)新實踐教學(xué)過程中，重視理論與實踐的結(jié)合，特別是將各種新的研究技術(shù)手段應(yīng)用到教學(xué)中。

隨著計算機軟硬件水平的提高，計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamic， CFD）數(shù)值模擬技術(shù)[5-6]的發(fā)展已趨于成熟，并在風(fēng)工程的風(fēng)場流動特性研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過CFD數(shù)值模擬技術(shù)，可將風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用中這一涉及空氣動力學(xué)中的復(fù)雜流動現(xiàn)象，較為直觀和清晰地呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅能夠利用現(xiàn)有理論知識分析物理過程，而且能夠通過CFD技術(shù)獲得風(fēng)場流動的可視化過程，加深學(xué)生對結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載作用的認識，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。

2.4 有效依托先進的風(fēng)洞試驗教學(xué)實驗室，保障實踐教學(xué)的有效性

結(jié)合風(fēng)工程領(lǐng)域的熱難點問題，依托福建省風(fēng)災(zāi)害與風(fēng)工程重點實驗室的風(fēng)洞實驗室，擬定風(fēng)洞試驗教學(xué)的框架和內(nèi)容。

該省級重點實驗室的重要組成——風(fēng)洞實驗室總建筑面積6 398 m2，已投入建設(shè)經(jīng)費超過5 400萬元人民幣，并于2018年1月投入運行。該風(fēng)洞氣動輪廓全長220 m，采用高、低風(fēng)速雙試驗段串聯(lián)型式，可進行橋梁全橋模型抗風(fēng)試驗、高層、高聳結(jié)構(gòu)與大跨度場館模型風(fēng)洞試驗、區(qū)域風(fēng)環(huán)境試驗等工業(yè)空氣動力學(xué)試驗。在實踐教學(xué)中，通過學(xué)生自主設(shè)計風(fēng)洞試驗方案，可增強學(xué)生綜合運用基礎(chǔ)知識開展分析和解決實際問題的能力，增強學(xué)生的工程意識，提高學(xué)生對專業(yè)知識的思考水平。此外，通過教學(xué)和實驗室研究訓(xùn)練的有機結(jié)合，為本科生基礎(chǔ)研究能力培養(yǎng)提供了一個重要的模式。

通過以上環(huán)節(jié)，建立以圖片庫或視頻展示的工程實例或研究課題為一體的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)教學(xué)資料庫，可以有效吸引學(xué)生對相關(guān)知識點的注意力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，幫助學(xué)生更快地融入相關(guān)的知識體系中。

3? 教學(xué)方式構(gòu)建

依據(jù)應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)的特點，結(jié)合風(fēng)工程專業(yè)課程的性質(zhì)，基于土木工程專業(yè)學(xué)生的能力和知識背景，建立了“遞進式”“以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生循序遞進、層層深入掌握課程。

3.1 “遞進式”教學(xué)模式構(gòu)建

“遞進式”教學(xué)模式共分為3個階段：第一階段為基礎(chǔ)理論知識學(xué)習(xí)階段，在第四學(xué)年的第一學(xué)期開展，此時學(xué)生對土木工程領(lǐng)域包括橋梁、隧道及房屋建筑等專業(yè)課程的知識已有較好的儲備，在此基礎(chǔ)上，延伸風(fēng)工程專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)更為有益。在理論教學(xué)中，適當(dāng)介紹現(xiàn)代空氣動力學(xué)的發(fā)展需求與最新研究成果，激發(fā)學(xué)生興趣、開闊學(xué)生視野、提高學(xué)生的創(chuàng)新意識。第二階段為綜合能力學(xué)習(xí)階段，鍛煉學(xué)生查閱文獻資料、整理試驗方案、試驗操作以及數(shù)據(jù)處理能力等各項綜合素質(zhì)。第三階段為綜合技能應(yīng)用階段，結(jié)合本科畢業(yè)論文的選題和撰寫得以體現(xiàn)，學(xué)生根據(jù)興趣進行選擇，要求學(xué)生有對應(yīng)的綜合技能可以開展相關(guān)課題的研究。

3.2 “以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)”教學(xué)模式構(gòu)建

傳統(tǒng)的“教師講授、學(xué)生聽課”的方式往往難以達到教學(xué)效果。針對風(fēng)工程這一與工程實踐結(jié)合緊密的課程，需突出學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。第一，讓學(xué)生廣泛查閱風(fēng)工程領(lǐng)域研究課題相關(guān)資料，明確感興趣的方向，通過專業(yè)教師結(jié)合科研課題，使學(xué)生在掌握專業(yè)技能的基礎(chǔ)上，用科研工作助推本科生創(chuàng)新能力的提升，培養(yǎng)和提升創(chuàng)新能力。第二，學(xué)習(xí)討論以小組形式開展，通過組內(nèi)和組間交流，學(xué)生闡述自身的思考過程，包括學(xué)習(xí)中的體會、疑點與困惑，互助答疑，再由教師點撥和歸納。在思考解決問題的過程中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高新認識，在探討問題中學(xué)會發(fā)現(xiàn)規(guī)律、提出理論并指導(dǎo)實踐和應(yīng)用。第三，通過試驗等實踐環(huán)節(jié)檢驗研究思路的合理性，使科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力得到進一步培養(yǎng)的提高。綜上，建立起“以學(xué)生為中心，以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式，提高應(yīng)用型本科學(xué)生的工程實踐能力，形成特色教育。

4? 教學(xué)案例介紹

4.1 結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)的教學(xué)設(shè)計

首先，了解數(shù)值模擬Fluent軟件的基本特點。Fluent軟件是目前使用廣泛的計算流體力學(xué)CFD模擬的軟件包，可開展流體相關(guān)的數(shù)值模擬計算，包括可壓和不可壓流體、熱輻射、多相流及化學(xué)燃燒問題等復(fù)雜想象的計算[7-8]?；趯W(xué)生已掌握的流體力學(xué)專業(yè)知識，教師講解計算流體力學(xué)的基本概念，讓學(xué)生掌握利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬的分析流程，在學(xué)習(xí)的過程中穿插風(fēng)工程領(lǐng)域研究實例，幫助學(xué)生更好地了解工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的基本過程。

其次，介紹Fluent軟件的前處理模塊，包括模型建立和網(wǎng)格生成的基本知識點，以及模型計算的邊界條件及初始條件的定義，讓學(xué)生對數(shù)值計算模型有更好的認識。

最后，介紹Fluent軟件的后處理模塊，包括流場湍流模型應(yīng)用的特點、穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)問題的設(shè)定，以及流場數(shù)據(jù)迭代計算的收斂性判別，進行風(fēng)場流場的數(shù)值計算和數(shù)據(jù)可視化處理和分析。

目前市場上有關(guān)Fluent軟件學(xué)習(xí)教程書籍較多，在具體教學(xué)中，可結(jié)合教學(xué)演示，幫助學(xué)生通過數(shù)值模擬技術(shù)加深對風(fēng)工程課程知識的理解，讓學(xué)生可以掌握并實現(xiàn)Fluent模擬計算的基本操作。圖1為本科生所開展的針對建筑群周邊風(fēng)場分布特性的數(shù)值模擬計算研究，圖中展示的是針對某建筑群周邊風(fēng)場開展計算的結(jié)果圖，基本實現(xiàn)了可利用數(shù)值模擬技術(shù)開展風(fēng)場分布特性研究的應(yīng)用，并可用于針對建筑表面風(fēng)荷載的分析。

4.2 結(jié)合風(fēng)洞試驗技術(shù)的教學(xué)設(shè)計

風(fēng)損風(fēng)毀事故是全世界范圍內(nèi)最常見和破壞程度最強的自然災(zāi)害之一，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究需要實踐環(huán)節(jié)配合，風(fēng)洞試驗是最重要的研究方法之一。讓學(xué)生參與到風(fēng)洞試驗方案設(shè)計、試驗?zāi)Ｐ椭谱?、?shù)據(jù)處理和分析的全過程，可以幫助學(xué)生掌握試驗方法，是風(fēng)工程課程教學(xué)中重要的環(huán)節(jié)。

風(fēng)災(zāi)中受損最為嚴重的多為低矮建筑[9]，結(jié)合這一實際意義，讓學(xué)生自主設(shè)計風(fēng)洞試驗方案，如針對某低矮建筑風(fēng)荷載的風(fēng)洞試驗（見圖2）。試驗中，采用具有一定縮尺比的剛性模型，布設(shè)氣孔并連接壓力掃描閥以采集建筑表面的風(fēng)壓，用以考察結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的受力情況，并針對極易損壞的建筑屋面區(qū)域風(fēng)壓分布特性開展了研究。在這一試驗環(huán)節(jié)中，學(xué)生起主導(dǎo)作用，教師做適當(dāng)引導(dǎo)。

通過實踐教學(xué)的構(gòu)建，有效結(jié)合了理論知識和工程實際，提高學(xué)生的操作和分析能力，進一步拓寬了學(xué)習(xí)的廣度，進而實現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

5? 結(jié)語

該文著眼于構(gòu)建地方應(yīng)用型高校風(fēng)工程本科生實踐教學(xué)模式，以培養(yǎng)風(fēng)工程行業(yè)領(lǐng)域的綜合技能為目標，通過豐富的教學(xué)方式，以生為本，有效地保障了實踐教學(xué)的實用性。

目前，該模式已初具成效，但部分實踐環(huán)節(jié)還需要與時俱進，精益求精，逐步形成具有應(yīng)用型本科教學(xué)特點的實踐教學(xué)模式，培養(yǎng)出具有良好的工程素養(yǎng)、工程實踐能力和創(chuàng)新能力的風(fēng)工程行業(yè)人才。

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