基于虚实结合的“土木工程抗风”实践教学探索

李志国  马存明  李明水

［摘 要］ 随着我国基础设施技术的显著提升，土木工程结构不断朝大跨、高耸、轻柔等方向发展。结构因为自重轻、阻尼小，对风致作用变得十分敏感。目前越来越多的高校在本科教学阶段就开展了“土木工程抗风”课程。然而，结构抗风课程所涉及内容前沿、学科门类众多、知识点分散、概念抽象，亟待建立与其特点相适应的实践教学方法。为此，依托物理风洞和虚拟风洞资源，运用现代信息技术，构建研究性实践平台，进而将虚拟与现实有机结合作为新型智能化教育手段，丰富土木工程专业实践教学方法，提升教学成效。

［关键词］ 虚实结合；实践教学；抗风课程；教学改革

［基金项目］ 2023年度西南交通大学教学改革项目“来华留学研究生融入高校科研团队的方法与策略研究”（GYJG〔2023〕Y01）

［作者简介］ 周 强（1985—），男，江西乐安人，博士，西南交通大学土木工程学院副教授，主要从事风工程研究；李志国（1977—），男，山东菏泽人，博士，西南交通大学土木工程学院高级工程师，主要从事风工程研究；马存明（1976—），男，山东菏泽人，博士，西南交通大学土木工程学院研究员，主要从事风工程研究。

［中图分类号］ G642.41 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）45-0087-04 ［收稿日期］ 2023-01-27

引言

随着社会的发展和进步，土木工程在城市化进程中发挥着至关重要的作用。然而，随着土木工程结构不断朝大跨、高耸、轻柔等方向不断发展，结构自重轻、阻尼小，对风致作用变得十分敏感［1-2］。抗风设计成为土木工程中不可忽视的重要领域。为了培养具备抗风设计能力的工程师，土木工程抗风实践教学显得尤为重要。

传统的实践教学方法通常依赖于学生在风洞试验中进行实践操作。然而，由于场地条件的限制、成本的高昂以及无法实现可视化教学，导致传统实践教学方式存在明显的局限性［3］。为了克服这些限制并提供更富有创新性和安全性的教学方法，教育界开始采用虚拟数值仿真技术［4-5］。基于虚实结合的土木工程抗风实践教学模式结合了虚拟仿真技术和实际操作，为学生提供了一个创新、可控、有趣的教学环境。学生可以通过虚拟仿真软件模拟不同的风场环境、结构绕流，并进行抗风设计和实践操作。这种教学模式不仅提供了更多的实践机会，还可以帮助学生更好地理解抗风设计原理和应用技术。

本研究的目的是探索基于虚实结合的“土木工程抗风”实践教学模式，并评估其对学生学习成果和教学效果的影响。通过比较传统实践教学方式和基于虚实结合的教学模式，我校将探讨虚拟仿真技术在“土木工程抗风”实践教学中的应用效果，以及学生对该教学模式的反馈和体验。

一、实践教学的问题与难点

“土木工程抗风”课程的教学面临着一些问题和难点，这些因素需要高校深入了解和解决，以确保教学质量和学生的学习效果。本部分将探讨抗风课程教学中的主要问题和难点。

（一）主要问题

1.场地条件限制：传统的实践教学方式往往需要在实际风场或风洞环境下进行，但这会受到场地条件的限制，影响学生的实践能力培养。

2.成本和资源限制：搭建和维护真实风洞设备以及进行抗风实验所需的设备和材料通常具有高昂的成本。学校和教育机构可能面临资源有限的挑战，无法提供足够的实践教学设备和场地。

3.安全风险：抗风实验通常需要高风速和高压力的条件，存在一定的安全风险。学生的安全必须得到充分保障，因此实验操作必须严格遵守相关的安全规范和操作指南。

4.实践机会的不足：传统的实践教学方式可能无法提供足够的实践机会，尤其是在时间有限或课程内容繁多的情况下。学生可能无法获得充分的实践操作和经验，从而限制了他们的学习效果和实践能力的培养。

5.学习兴趣和动机的激发：抗风课程的教学内容相对抽象和理论化，学生的学习兴趣和动机可能受到影响。教师需要创造积极的学习氛围，激发学生的兴趣引导学生主动参与，以提高他们对抗风设计的理解和应用能力。

针对这些问题和难点，基于虚实结合的教学模式可以为抗风课程教学提供一种解决方案。通过虚拟仿真技术，学生可以在安全、可控的环境中进行抗风设计和实践操作，克服了场地条件的限制和实践机会的不足。同时，基于虚实结合的教学模式可以提供更丰富、互动和创新的学习体验，激发学生的学习兴趣和动机。

（二）面临难题

需要指出的是，基于虚实结合的教学模式也面临着一些挑战。首先，虚拟仿真技术的开发和应用需要专业的软件、硬件支持，对教育机构和教师提出了技术能力和设备要求。其次，教师需要适应新的教学方法和教学环境，具备相应的培训和指导能力以确保教学质量和学生学习效果。最后，基于虚实结合的教学模式还需要充分评估其教学效果和学生学习成果，以便不断改进和优化教学策略。

因此，本研究将重点探索基于虚实结合的“土木工程抗风”课程实践教学模式，以解决传统教学方式中存在的问题和难点。通过整合虚拟仿真技术和实际操作，我校将评估该教学模式对学生学习成果和教学效果的影响，并提出改进和优化的建议，以促进土木工程抗风实践教学的质量和效果。

（三）发展趋势

综上可见，“土木工程抗风”课程实践教学在近年来得到了广泛的关注和发展，未来需要在以下环节进行加强。

1.实践环节的加强：传统的“土木工程抗风”课程往往注重理论知识的传授，而实践环节相对较少。然而，随着对实际应用能力的需求不断增加，越来越多的高校开始加强抗风实践教学环节。学生有机会参与抗风设计、结构模拟和实验操作等实践活动，提高他们的实践能力和解决实际问题的能力。

2.虚拟仿真技术的应用：随着虚拟仿真技术的快速发展，越来越多的教育机构开始将其应用于土木工程抗风实践教学中。虚拟仿真技术可以提供虚拟的风场环境，学生可以在其中进行抗风设计和实践操作。这种虚拟仿真技术的应用可以弥补实际风洞等设备的不足，提供更多的实践机会，并提高学生对抗风设计原理和应用技术的理解。

3.实践案例的引入：高校逐渐引入实际抗风工程案例，将学生直接置身于真实的抗风工程项目中。通过分析和解决实际案例中的抗风设计问题，学生能够更好地理解理论知识在实践中的应用，并培养解决实际问题的能力。

4.多样化的教学方法：为了激发学生的学习兴趣和提高教学效果，高校采用了多样化的教学方法。除了传统的课堂讲解和实验操作外，还引入了案例分析、小组讨论、项目实践和现场考察等教学活动。这些多样化的教学方法可以促进学生的参与度和主动学习，提高他们的综合素养和解决问题的能力。

二、基于虚实结合的抗风实践教学探索

基于虚实结合的抗风实践教学探索是为了克服传统教学方式中存在的问题和难点，提供更创新、安全和有效的学习体验。在这个探索中，有两个关键方面需要考虑和实施，分别是采用逆向教学和优化课程内容，以及虚拟与现实融合、科研与教学融合，丰富教学方法。

（一）采用逆向教学，优化课程内容，完善教学体系

传统教学方式通常是从理论讲解到实践操作的线性过程，而逆向教学则是从实践问题出发，引导学生主动探索和学习相关的理论知识。

针对“土木工程抗风”课程多学科交叉、知识点分散以及学时有限的特点，以实际工程应用为主线，以桥梁结构风荷载和各种风致振动为课程教学重点，摒弃传统的先理论后实践的教学方法，采用先目标后内容的逆向教学方法，化繁为简精简知识点，优化教学体系，在有限的学时内让学生掌握与“土木工程抗风”密切相关的知识架构[6]。最终构建了完善的教学体系，如图1所示。例如，在介绍风致振动时，首先从涡振、颤振等常见的振动现象出发，结合工程案例讲解其带来的危害及其解决方案；然后向学生讲授危害的定量评价手段，包括经验公式、抗风规范等；最后将复杂的流动机理作为次要内容进行讲解。

基于上述逆向教学方式建立的教学体系可以激发学生的主动性和创造性思维，培养问题解决能力和抗风设计能力。学生在解决实际工程问题的过程中，通过探索和实践，逐渐理解和掌握与“土木工程抗风”相关的知识和技能。以实际工程应用为主线，学生在解决实践问题的同时，也能够深入了解相关的理论知识，并将其应用于实际设计中。这种逆向教学方式的优势在于将学生置于真实的抗风工程背景中，培养他们的实际应用能力和创新思维，使他们在未来的实际工程项目中能够更好地应对和解决抗风设计的挑战。

通过建立基于逆向教学的教学体系，“土木工程抗风”课程的教学内容得以优化，知识点得到精简和精练，使学生能够在有限的学时内全面掌握抗风设计的核心概念和方法。这样的教学体系可以提高学生的学习效率和学习成果，为他们在土木工程抗风领域的职业发展打下坚实的基础。

因此，基于逆向教学方式建立的教学体系为“土木工程抗风”实践教学提供了有效的教学模式，激发学生的主动性和创造性思维，培养他们的问题解决能力和抗风设计能力。在未来的教学实践中，高校应进一步探索和完善这种教学模式，以提高土木工程学生的综合素质和实践能力。

（二）虚拟与现实融合、科研与教学融合，丰富教学方法

针对“土木工程抗风”课程的研究性和实践性突出、而传统教学方法单一的特点，采用理论与实践相结合，甚至是实践先于理论的教学方法，依托我校的物理风洞和虚拟风洞资源平台，结合各类科创活动和科研项目，构建研究性实践平台，引入最新的科研成果和前沿技术，让学生了解当前领域的发展动态，并将科研成果融入到抗风实践中。这种融合可以提高学生的学习兴趣和动力，培养他们的创新思维和科学研究能力。例如，在讲解桥梁的涡振时，结合工程项目研究，通过风洞试验观察桥梁模型的振动情况，通过数值模拟直观看到旋涡流动情况，从而让学生掌握气流与桥梁断面相互作用，加深对知识点和实际工程问题的理解，如图2所示。再如，通过设置SRTP项目、重点实验室开放课题、桥梁抗风竞赛等科研实践活动，结合我校承担的大量前沿科研课题及国内外重大桥梁工程的抗风研究项目（如港珠澳大桥、杨泗港长江大桥、虎门大桥、土耳其恰纳卡莱大桥等），将科研与教学密切融合，培养学生的创新能力。

此外，基于虚实结合的抗风实践教学还可以丰富教学方法。除了传统的课堂讲解和实验操作外，教师可以利用虚拟仿真技术进行模拟实践、案例分析和团队合作等教学活动。通过多样化的教学方法，学生可以从不同的角度和途径理解抗风设计的原理和应用，提高他们的综合素养和解决问题的能力。

三、主要结论

基于虚实结合的抗风实践教学探索在解决传统教学方式中的问题和难点上具有重要意义，也为土木工程抗风实践教育带来了新的发展机遇和突破。以下是本文的结论总结。

1.基于虚实结合的抗风实践教学模式为学生提供了更直观、可控的学习环境，克服了实际物理风洞场地和可视性的难题。通过虚拟仿真技术，学生可以在虚拟环境中进行多次实践操作，积累经验并提高技能。然后，他们可以将所学应用于真实环境中的抗风实践中，全面培养实践能力。

2.基于虚实结合的抗风实践教学模式激发了学生的学习兴趣和动机。逆向教学的方式让学生主动参与和探索，培养了他们的问题解决能力和创造性思维。虚拟仿真技术、案例分析和团队合作等多样化的教学方法丰富了教学过程，提高了学生的综合素养和解决问题的能力。

3.基于虚实结合的抗风实践教学模式促进了科研与教学的融合。教师可以引入最新的科研成果和前沿技术，让学生了解抗风设计领域的最新动态，并将科研成果应用于实际操作中。这种融合培养了学生的科学研究能力和创新思维。

参考文献

［1］项海帆，葛耀君.现代桥梁抗风理论及其应用［J］.力学与实践，2007，29（1）： 1-13.

［2］陈政清.桥梁风工程［M］.北京：人民交通出版社，2005：1-7.

［3］余世策，蒋建群，万五一.高校本科生风工程探究性实验的教学实践［J］.实验室研究与探索，2016，35（5）：4.