结构风工程线上资源—虚拟仿真平台建设创新实践探索

柯世堂，杨杰，任贺贺，吴瑾

（南京航空航天大学 土木与机场工程系，江苏南京 211106）

结构风工程是一门研究和解决结构设计中的风荷载和风效应问题的学科，具有综合性强、实践性强，与工程实际联系紧密的特点，是目前土木与机场工程专业的研究热点之一[1-2]，同时也是风工程学者和结构工程师之间联系的桥梁，已成为土木工程和工程力学专业最重要的专业基础课程之一，对于培养土木工程专业人员的抗风设计能力十分必要。工程实践能力培养作为工科教育的重要内容，不仅是应用型人才区别于研究型人才的显著特点，也是检验素质教育成效的关键性指标，更是“卓越工程师”培养的迫切要求。

结构风工程属于土木与机场工程专业的新兴交叉学科，涉及气象学、空气动力学及气动弹性力学、结构工程学、振动工程学等多门学科[3-4]。然而，目前结构风工程的实践教学环节存在以下几个问题：传统教学脱离工程实际、传统物理风洞资源有限、物理风洞的使用代价高昂。

因此，结构风工程课程的教学改革势在必行。课题组教师结合多年课程教学实践经验，对该课程教学改革进行了探索，并取得了一定的成果。

1 教学改革方案设计

1.1 构建虚拟仿真实验项目群

课题组教师依托国家级虚拟仿真和精品课程优势资源，面向工程创新能力专业培养方案，以“做学研用”为宗旨，以“结构创新”为主线，构建了贯穿研究生教学的虚拟仿真实验项目群。虚拟仿真实验系统能够节省教学经费，突破传统实验在硬件和时间上的局限性，具有开放性和共享性，能够优化教育资源，拓展实验教学模式。在各层次教学内容中，教师将虚拟仿真技术与实践相结合，按照教学目标定位要求，构建一套完整的实践性教学内容体系，落实以学生为中心的新工科工程教育理念[5-6]；全面融入结构风工程、土木工程抗风设计和机场工程等主干课程和研讨课程的核心知识以及相关研究方向的学科前沿信息，通过综合教学，提高学生的创新实践兴趣，帮助学生掌握理论知识，强化学生工程实践能力，提高学生的专业素养；在已建成国家虚拟仿真项目的基础上，根据用户反馈，进一步开展虚拟仿真实验项目开发，补充并完善测力实验和测振实验功能模块，为学生提供无操作环境限制、交互性、沉浸性和仿真性的工程实践教学体验，激发学生的学习兴趣；同时为学科建设提供科学研究条件，为专业教学提供贴近工程实际的教学环境，使专业教学逐步向模拟化、可视化方向发展。

1.2 开发结构风工程虚拟仿真平台

结构风工程虚拟仿真实验教学中心在建设初期即密切关注、积极响应国家新工科建设要求，在教学资源建设、师资队伍建设、运行模式与教学体系建设、教学效果评价体系建设等方面开展了卓有成效的工作。课程组教师建设了一系列实践教学资源，设计用户界面，编制程序和数据接口，开发结构风工程虚拟仿真平台，并形成了包括操作说明、教学大纲、考核方式及评价体系、研讨案例、多媒体教案、小型实物演示模型、微视频、讲义、网站等的创新实践教学资源，丰富虚拟仿真实验教学资源，确保创新活动可持续发展。虚拟实验创新平台的开发工作分为四个方面，如图1 所示。同时，为了充分实现资源共享，充分发挥线上教学的作用，平台采用实名登记教学，对虚拟仿真实验参与者实行电子化、网络化管理，并建立了交互式网络教学中心网站，提供网络课件、教学视频、教学大纲、教学进度表、电子教案、师生交流平台等内容，方便学生自学、自测、复习及与教师交流研究。

图1 虚拟仿真平台示意

1.3 将虚拟仿真有机融入创新实践教学

课程组教师基于虚拟仿真项目，结合南京航空航天大学风工程方向的实际情况和项目案例，全面打通课堂研讨、工程项目、学科竞赛、工程实践这四个实践教学环节。在课堂研讨环节，突出了实景、实物进课堂的基本理念，采用了案例教学、工程模拟等丰富多样的课堂研讨形式。同时以学生为中心，将真实的项目案例融入教学，结合案例研讨激发学生学习热情，活跃课堂学习氛围，充分发挥学生的主观能动性，提高学生解决实际工程问题的能力。教师对于在研讨中发现的问题，在实践教学环节，通过立项研究鼓励学生自主探索解决问题，培养学生的实际动手能力；鼓励学生通过参加竞赛展示成果，使学生在研讨课程课堂学习讨论、课外自主研学、学科竞赛成果展示、工程实训等方面得到立体化全方位的创新能力锻炼。同时，教师将在实践过程中产生的新案例、新项目，经改造加工后作为虚拟仿真项目群的补充内容。整个课程设计过程与工程实践紧密相连，有效培养了学生的工程实践和创新能力，提高了教学质量，同时，为学科建设提供了科学研究条件，为专业教学提供了贴近工程实际的教学环境，使专业教学逐步向模拟化、可视化方向发展。此外，在应用平台的过程中，教师逐渐养成了科技实践能力，营造了良好的实验创新氛围，培养了大学生科技创新能力，提高了教师的实验创新能力。

2 创新实践

2.1 采用“立体化”的教学方法

课程组教师秉承“以学生为中心、强化实践育人”的教学理念，采用多媒体技术构建了虚拟仿真风洞试验平台，促使传统物理风洞试验与信息技术相融合，有效解决了传统风洞试验“成本高、周期长”和单纯理论介绍“太抽象、不直观”的问题[7-9]，运用“立体化”教学方法，融合理论教学、现场参观和虚拟实验，通过多个角度开展对结构的风荷载、风效应的探究，以培养学生结构抗风相关内容的“立体化”知识体系，最终达到传授学生知识、提高学生能力、开阔学生视野的目的，力求贴近实际、直观生动。“立体化”的教学方法，能够打破传统结构创新实验的时空限制，加深学生对理论知识的理解，为学生与教师建立了良好的交流平台。

2.2 培养学生解决复杂工程问题的能力

课程组教师依托南京航空航天大学力学国家一流学科，将国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和国内外众多重大工程项目分割简化，转化为直观生动的数字化虚拟仿真实验。通过将科研成果、多学科前沿科技融入实践教学各环节和全过程，让学生充分了解结构抗风领域的新方法、新进展、新趋势，培养学生的全局意识，为学生未来从事相关工作奠定良好基础。教师还提供开放性实验模块，让学生在实践过程中自由探索，充分发挥想象力和创造力，培养学生发现问题、解决问题的思维意识，提高学生的工程素养和综合能力，以达到培养“卓越工程师”的最终目标。

2.3 积极开放共享，不断完善教学项目

本研究课题教学改革的部分相关实验已成功接入国家虚拟仿真教学平台和江苏省平台（见图2），扩大了项目的影响力，并且可以获取更多渠道的反馈信息，有利于课程的进一步优化与完善，使得课程在达到实验预期目标的同时更加贴近学生的需求。课题组教师响应教育部本科课程建设和改革要求[10-11]，打造国家级精品资源共享课，有效实现高等教育大众化、教育资源平均化以及对资源的高效利用[12]，同时以本项目建设为契机，积极与兄弟院校和科研单位沟通交流，为不断改进教学工作提供了动态机制，形成可示范的学习新模式。

图2 虚拟仿真实验教学项目共享平台

3 虚拟实验

3.1 实验准备

本实验采取“虚实结合”的方法，主要实验目的包括：

（1）帮助学生掌握结构风工程基本研究手段——风洞试验的基本原理和总体结构方案内涵，通过实际案例使学生深入观察风洞试验流程，理解结构抗风设计理念。

（2）熟悉大型建筑和机场等结构风洞试验的基本测量仪器，及其对应的试验原理，进一步加深对结构抗风设计的理解。

（3）帮助学生初步了解流体力学相关知识，对风洞试验中最重要的理论基础“流动相似准侧”形成一定的认知，提高学生对相关理论的学习兴趣。

（4）配合课程教学需要，以南京航空航天大学人才培养定位目标和国家急需的高端防灾减灾研究人才培养为出发点，兼顾资源共享和辐射，用现代信息化技术构建高真实感的虚拟实验设备和虚拟物理风洞教学环境。

学生通过课堂理论学习，掌握基本实验理论和相关安全知识。相关教师讲解虚拟风洞试验所涉及的理论知识点。学生通过研习，可对虚拟风洞试验有初步了解，通过问题导向，进行线上大型建筑结构风洞仿真实验，并结合参观南京航空航天大学NH-2 物理风洞实验室，加深理解。

3.2 实验设计

仿真平台采用虚拟技术仿真实验[13-14]中用到的设备和模具，提供与真实实验相似的实验环境，由学生自主选择实验方案和目的，包括超高层建筑测压、高层建筑测力以及桥梁结构测振等（如图3 所示）。主要流程为：实验说明→模型制作→测点布置→工况布置→参数设置→风洞试验→结果分析。

图3 实验项目分类示意图

实验说明：各实验均以实际工程为背景，实验说明部分对项目背景、实验设备、实验原理进行了详细介绍，在实验设备中可多角度观察实验中使用的设备，增加对仪器设备的认知；实验原理部分直观体现了课程主要知识点，即风洞试验最为重要的理论基础之一的“流动相似准则”[15]。

模型制作。通过互动答题、系统实时批改，学生加强对模型材质的认识，通过将实际物理实验中难以直接体现的模型制作过程可视化，学生进一步加深对风洞试验的理解。模型制作理论知识学习完成后，学生可根据操作提示自主选择不同的模型作为实验对象、模型缩尺比。

测点布置和工况布置。采用皮托管对结构测点进行布置后，拖动油漆罐为模型上色，之后根据操作提示从工具箱中依次拖拽风速转盘、胶水，将测试模型放在测试区域，以完成工况布置。

参数设置。在参数设置部分，可以设置不同的风向角测量工况，将物理风洞试验中繁杂而无法实现的试验工况虚拟化为实验流程的一项参数设置，大大节约了试验成本与时间成本。

风洞试验。参数设置结束后根据操作提示，操作控制台按钮，启动实验，在实验过程中可实时观察到结构模型在风洞中的响应姿态，并在实验过程中穿插理论知识问答，以进一步加深学生对相关知识的熟悉程度。

结果分析。实验结束后进入数据展示，可通过调整风向角度，查看测点的体型系数图、体型系数沿高度变换曲线、基地剪力、弯矩、结构顶层加速度峰值等数据，如图4 所示。

图4 实验数据展示示意图

教师通过引导学生自主、开放性提出风洞试验的基本架构和控制参数，并通过对上述各种相关参数的改变，激发学生的学习兴趣和求知欲望，培养学生在实践中发现“疑问”在“解疑”过程中增强创新的意识。

3.3 课程考核

教师利用虚拟实验教学平台对学生进行教学考核和验收，具体包括实验结构批改和实验成绩统计等，重点考查实验报告的完整性和正确性以及学生的学习态度，鼓励学生在实验报告中讨论自定的改进实验方案，并予以说明，为实验教学环境提供服务并开展应用。通过实验考核，学生能够全面认识建筑结构风洞试验及控制参数对风洞试验结构的影响，从而有效提升土木工程结构抗风设计的综合创新能力。

4 结语

本研究课题的教改方案基于“学生自主设计—教师辅助引导”的原则，建设虚拟仿真实验项目群，不断扩充项目案例库，采取“调查分析—理论构建—实证研究—总结课题”的技术路线。通过虚拟仿真平台提供的与真实实验相似的实验环境，引导学生自主、开放性解决风工程中的常见问题。虚拟实验教学提供全方位的虚拟实验教学辅助功能，能够使学生深刻理解建筑风洞试验总体知识及其工作机理，有效帮助学生提升专业综合思考能力。随着土木工程技术的不断发展和结构设计要求的不断提高，结构风工程课程的教学内容和方法也应与时俱进，不断充实完善。