结构与桥梁风工程的本科教学方法探索

周强 孙延国

[摘 要] 风荷载是高层建筑结构、超大跨桥梁等大型柔性结构设计建造的关键控制因素。随着我国基础设施建设的发展，社会对土木工程专业人才的要求不断提高，对风工程专业的人才需求越来越迫切。而结构与桥梁风工程作为土木工程专业的前沿新兴交叉课程，涉及学科门类繁多，教学方法体系还不完善。文章介绍了结构与桥梁风工程的概念，并重点说明其在土木工程本科教学中的作用及其必要性;从教学体系、教学理念、教学方法出发，对结构与桥梁风工程的本科教学进行探索;针对目前该课程教学中存在的问题提出一些建议。

[关键词] 结构与桥梁风工程;土木工程;本科生教学;教学改革

[基金项目] 国家自然科学基金（51778545）

[作者简介] 周 强，博士，讲师。

[中图分类号] G642.41    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）31-0277-03    [收稿日期] 2020-01-10

一、引言

教育部在《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》中明确指出，本科教育应立足经济社会发展需求和人才培养目标。随着我国经济社会的快速发展，大量超高层建筑、大跨桥梁等大型工程不断设计建造。面对这些新变化、新形势，土木工程专业本科教学应做出相应的改革。

风是一种常见的自然现象，其引发的灾害最为频繁，导致的损失居所有自然灾害之首（如图1所示），其中最主要的是建筑结构、桥梁等工程结构的开裂、损坏甚至倒塌。而我国又是世界上受风灾影響最为严重的三个国家之一。已有研究表明，风荷载是高层建筑结构、超大跨桥梁等大型柔性结构设计建造的关键控制因素[1]。因此，亟待将风工程纳入本科生培养方案，并探索切实有效的本科教学方法。

结构与桥梁风工程属于土木工程专业的前沿新兴交叉课程，涉及的学科门类众多。西南交通大学风工程试验研究中心是国内最早开展风工程研究的单位之一，经过30年的发展、建设，拥有包括世界最大的边界层风洞——XNJD-3风洞在内的3座风洞，目前已成为国内外知名的风工程研究机构，并在桥梁与结构风工程研究方面形成了自己的特色及优势[3]。基于此，西南交通大学土木工程学院在本科生课程“土木工程概论”中开设桥梁与结构风工程的本科教学实践，另外还开设了“桥梁抗风与抗震”的本科限选课程，对土木工程专业方向的本科生进行风工程的教学实践。作为桥梁与结构风工程课程的主讲老师，作者结合多年来课程的教学实践经验，对风工程教学进行了一些改革探索，并取得了一定的效果。

二、课程特点及其存在的问题

结构与桥梁风工程就是以超高层建筑、大跨屋盖、大跨桥梁等高、细、长的柔性工程结构为研究对象，在气象学、钝体空气动力学、结构随机振动和试验力学等学科的理论基础上，采用风洞试验、数值模拟、理论分析和现场实测方法，对上述工程结构的风致响应、建筑周围风环境等进行分析和评估，以确保结构的安全性和舒适性。

（一）课程特点

首先，从课程内容上看，与土木工程领域的其他课程相比，风工程是一门涉及气象学、钝体空气动力学及气动弹性力学、现代数值计算、结构工程学和试验力学等众多学科的交叉学科[4]。加拿大学者达文波特教授（Davenport）提出的一个风荷载链（Wind load chain）（如图2所示）。该风荷载链包括风气候、地形效应、空气动力效应、结构力学效应、设计标准等五个关键环节。对于这种涉及领域较多的学科，在本科生课程教学中，不仅需要将众多知识点教授给学生，还需给学生缕清这门课程整个逻辑关系，以让他们理解风工程的整体脉络。

其次，由课程涉及的研究对象可知，结构与桥梁风工程是伴随着我国大跨桥梁、超高层建筑、超大跨度空间结构等关键土木工程基础设施的不断涌现而发展，是其设计建造的关键控制因素，可见，风工程研究属于土木工程领域的前沿热点。因此，在当前社会基础设施建设的环境下，学习结构与桥梁风工程课程专业知识，对土木工程专业学生未来走向工作岗位或继续深造都有非常重要的作用。

再次，从课程特点上看，结构与桥梁风工程不仅具有较强的研究特性，而且还具有很强的实践教学特性。结构与桥梁风工程是对风敏感的工程结构的风致响应进行研究，并为影响结构安全性和舒适性的风致振动提供技术解决方案，这使得结构与桥梁风工程的研究特性突出。此外，结构与桥梁风工程的研究手段主要是风洞试验，这决定了其实践特性突出。对于土木工程专业的工科学生，不管是研究性教学还是实践性教学都对其创新能力与实际操作能力的培养具有十分重要的意义。

（二）课程存在的问题

首先，与传统本科课程教学相比，结构与桥梁风工程课程所涉内容前沿、学科门类众多，这使得在风工程课程教学中无法直接采用传统课程的教学体系和方法。虽然结构与桥梁风工程在国内的研究已经发展了30多年，但是作为课程教学的时间还不长，且国内开展或者能够开展风工程教学的高校也比较有限，使得国内风工程课程的教学体系还不完善，教学内容还不够系统。

其次，结构与桥梁风工程研究特性突出，无法直接采用传统知识讲解式的教学方法。如何激发本科生对风工程的学习兴趣，启发学生不断探索研究，成为结构与桥梁风工程课程教学的关键，而目前风工程教学多在于知识讲解或风洞参观，方法相对单一。

再次，抗风作为重大工程设计建造的关键控制因素，设计院和建设单位解决其抗风问题的手段不多，这使得高校风工程团队及其风洞实验室承担了绝大多数重大工程项目的抗风研究[5]。因此，风洞实验室对本科生教学的效能发挥得有限，结构与桥梁风工程课程在本科生的实践教学环节中的作用未得到充分发挥。

三、结构与桥梁风工程的本科教学探索

针对结构与桥梁风工程在本科教学中存在的问题，作者结合自身授课经验和专业知识，在课程体系、教学方法等方面进行探索。

（一）厘清教学体系

针对结构与桥梁风工程课程内容繁多的特点，应该缕清脉络、分清条理、突出重点，让学生理解掌握风工程的知识构架。以经典圆柱绕流为例，在知识内容上，柱体周围流场结构是其气动力特性的机理，属于钝体空气动力学的范畴，而柱体表面压力分布特性及其引起结构的振动，属于结构工程学及其振动理论的内容。在方法上，可采用风洞试验或者数值模拟获得其绕流结构和气动力分布，这属于现代数值计算和试验力学的范畴。在实际工程应用上，圆柱作为最为常见一种结构形式，广泛应用在桥墩、冷却塔、烟囱等土木工程结构中，其风荷载及其风致响应通过上述方法进行研究获取。同时，对于土木工程专业来说，风荷载特性及其风致响应是本科教学的重点。由此可见，学生在学习中不仅能分清各个知识点，还能将其联系起来，形成完整的知识构架，并应用于实际工程中。

（二）创新教学理念

作为一门具有很强研究性的课程，教师不仅是知识的传播者，更是研究思维的启迪者。在结构与桥梁风工程课程教学中，不必全面追求知识的全覆盖，而应充分调动学生参与教学活动的主动性和积极性，采用翻转课堂等形式，激发学生对风工程以及科学研究的兴趣。如上述的圆柱绕流问题，可以给学生设置一个工况，让学生采用在线学习或直接采用数值模拟等方法，探求其流动演化机理。

（三）丰富教学方法

结构与桥梁风工程的主要研究手段是風洞试验，这决定了其教学不仅有课堂的讲解，更要有风洞试验的实践活动。作者积极将结构与桥梁风工程课程讲解与本科生SRTP项目、重点实验室本科生开放课题等实践教学活动相结合，让本科生全程参与模型设计和制作、风场调试、数据采集与处理、报告整理等风洞试验关键环节。与此同时，通过学术会议讨论、课程知识讲解等方式，讲授结构与桥梁风工程的课程知识。通过效果评估发现，学生们不仅在知识掌握方面更加全面深入，对风工程的兴趣也更加高涨，科研能力也有很大提高。

四、小结

针对结构与桥梁风工程涉及学科门类众多、研究和实践特性突出等特点，分析目前该门课程存在的问题，从教学体系、教学理念、教学方法等方面，对结构与桥梁风工程的本科教学进行探索，并结合自身授课经验和专业知识提出一些有益建议。

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]廖海黎，李明水，周强.海洋桥梁工程抗风安全的难题及其对策思考[J].中国工程科学，2019（03）：12-17.

[3]李明水，廖海黎，陈淳.西南交通大学大型大气边界层风洞[C]//西南交通大学大型大气边界层风洞.第十四届全国结构风工程学术会议论文集（下册）.

[4]马文勇，尉耀元，谷玉荣，et al.本科生风工程教学方法探索[J].教育教学论坛，2012（30）：118-120.

[5]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].Research&Exploration in Laboratory，2016，35（5）.