陈秋华
摘 要：风工程研究愈来愈受到关注。该文依据应用型本科高校人才培养目标的要求，针对现阶段风工程课程本科教学存在的不足，从教学内容、教学形式等方面对课程的构建进行了探讨，建立了“递进式”+“以学生为中心、以教师为主导”的教学模式。在理论教学的基础上，有机结合了数值模拟和风洞试验等实践教学方法，有利于应用型高校本科生基础研究能力和综合创新能力的提高。该文构建的教学方法可为风工程领域应用型人才的培养提供参考。
关键词：应用型本科 风工程 数值模拟 风洞试验 教学模式
中图分类号：G642.0 文献标识码：A文章编号：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
“风工程”是研究风对结构的作用和结构对风的响应的学科，属于土木工程专业领域中比较新的专业科目。国际风工程的研究可以追溯到1940年美国华盛顿州的塔科马（Tacoma）峡谷悬索桥的破坏。塔科马桥在不到20 m/s的风速下发生强烈的风致振动最终导致损毁，引起了许多学者的关注，开启了结构风工程研究的新时期。我国风工程研究开展较晚，1980年成立的中国空气动力学研究会标志着风工程研究在我国的正式开始。
1 风工程本科教学的意义
随着科技进步和经济社会的发展，中超高层、大跨度及异型结构层出不穷，这些工程建设项目均有抗风试验的刚性需求，城市居住环境质量的风影响问题等都离不开相关风工程的研究。对于常年遭受台风灾害影响的沿海地域而言，其工程结构抗风的要求更为严格，结构抗风设计的重要性更加凸显。因此，风工程学科知识的普及迫在眉睫，现阶段对从事风工程领域的技术人员需求日益增加，有利于进一步提高城市的社会发展和满足公共安全的需求。目前，我国各高校的土木工程本科专业课程中有时会涉及到风荷载的规范和设计标准，但受到硬件条件等因素的限制，风工程领域人才的培养还是集中在导师带领研究生开展各项研究课题，现阶段全国仅有极少数的大學本科设有风工程专业[1]。
目前，建筑结构的抗风研究已取得了较大的进展，相关的方法或成果在实际工程中已加以应用并得到了推广。将风工程相关的教育资源进一步向本科生阶段做出倾斜，完成课程的构建，将更加切实地提高本科生的科学思维能力和培养学生的创新能力。而针对本科生进行风工程的实践教学对培养创新型人才是尤为重要的，它可以培养本科生的动手能力、创新意识[2-3]，实现地方应用型本科高校的人才培养目标[4]，切实把办学真正转到服务地方经济社会发展上来。因此，为使本科生深入了解工程结构抗风的基本分析思路和方法，开展风工程领域的本科生课程教育的实践探索已经刻不容缓。
2 教学内容设计
针对本科生或初学者而言，对抗风问题的认识是非常重要的。风工程是一门理论与实际紧密结合的课程，属于交叉学科，需要学生对空气动力学、结构动力学、气象学以及统计学相关知识有所掌握。在教学过程中，需注重科学与工程的紧密结合和创新实践的培养，强调专业基础知识和综合试验等方面的教学改革，也要突出工程人文素养的教育，侧重“工程性和综合性”特色。针对理论、实验和创新实践教学环节，需及时审定教学大纲，更新教学内容，有效地加强新知识的学习与应用。
2.1 人文情怀和工程素养教育
在理论教学课堂上，有效结合国内外风工程研究的发展历程，注重融入新时代的工匠精神，引入抗风研究领域的成就至课堂教学中，以激发学生的兴趣，提升学生对该专业知识的认知以及引导学生规划职业生涯。例如：结合我国超高层建筑、大跨结构或桥梁抗风研究的最新成果，可以帮助学生更好地理解知识应用，加深学生对科学严谨性的认知和培养精益求精的工作态度。
2.2 理论知识教学注重难度适中、覆盖面广
以工程结构防灾减灾、台风灾害、城市风环境等为研究主线。教学内容起于风特性介绍，进而延伸至钝体空气动力学，在此基础上，介绍结构的风振响应，最后落脚于结构抗风设计上，让学生对抗风设计的要求有较深的认识。同时，结合专题的形式，介绍低矮建筑、高层建筑、大跨度屋盖、桥梁、输电线等结构的风荷载及风效应特征。针对本科生，知识点不过多强调晦涩的数学公式推导，而更多地通过启发性的思维，引导学生对风工程课程相关的知识点建立普遍的认知。
2.3 开展基于数值模拟计算的教学
在创新实践教学过程中，重视理论与实践的结合，特别是将各种新的研究技术手段应用到教学中。
随着计算机软硬件水平的提高，计算流体力学（Computational Fluid Dynamic， CFD）数值模拟技术[5-6]的发展已趋于成熟，并在风工程的风场流动特性研究领域得到了广泛的应用。通过CFD数值模拟技术，可将风与结构相互作用中这一涉及空气动力学中的复杂流动现象，较为直观和清晰地呈现给学生，使学生在学习过程中不仅能够利用现有理论知识分析物理过程，而且能够通过CFD技术获得风场流动的可视化过程，加深学生对结构受风荷载作用的认识，激发学习的兴趣。
2.4 有效依托先进的风洞试验教学实验室，保障实践教学的有效性
结合风工程领域的热难点问题，依托福建省风灾害与风工程重点实验室的风洞实验室，拟定风洞试验教学的框架和内容。
该省级重点实验室的重要组成——风洞实验室总建筑面积6 398 m2，已投入建设经费超过5 400万元人民币，并于2018年1月投入运行。该风洞气动轮廓全长220 m，采用高、低风速双试验段串联型式，可进行桥梁全桥模型抗风试验、高层、高耸结构与大跨度场馆模型风洞试验、区域风环境试验等工业空气动力学试验。在实践教学中，通过学生自主设计风洞试验方案，可增强学生综合运用基础知识开展分析和解决实际问题的能力，增强学生的工程意识，提高学生对专业知识的思考水平。此外，通过教学和实验室研究训练的有机结合，为本科生基础研究能力培养提供了一個重要的模式。
通过以上环节，建立以图片库或视频展示的工程实例或研究课题为一体的结构抗风教学资料库，可以有效吸引学生对相关知识点的注意力，提高学生学习的主动性，帮助学生更快地融入相关的知识体系中。
3 教学方式构建
依据应用型本科高校人才培养的特点，结合风工程专业课程的性质，基于土木工程专业学生的能力和知识背景，建立了“递进式”“以学生为中心、以教师为主导”的教学模式，引导学生循序递进、层层深入掌握课程。
3.1 “递进式”教学模式构建
“递进式”教学模式共分为3个阶段：第一阶段为基础理论知识学习阶段，在第四学年的第一学期开展，此时学生对土木工程领域包括桥梁、隧道及房屋建筑等专业课程的知识已有较好的储备，在此基础上，延伸风工程专业基础理论知识的学习更为有益。在理论教学中，适当介绍现代空气动力学的发展需求与最新研究成果，激发学生兴趣、开阔学生视野、提高学生的创新意识。第二阶段为综合能力学习阶段，锻炼学生查阅文献资料、整理试验方案、试验操作以及数据处理能力等各项综合素质。第三阶段为综合技能应用阶段，结合本科毕业论文的选题和撰写得以体现，学生根据兴趣进行选择，要求学生有对应的综合技能可以开展相关课题的研究。
3.2 “以学生为中心、以教师为主导”教学模式构建
传统的“教师讲授、学生听课”的方式往往难以达到教学效果。针对风工程这一与工程实践结合紧密的课程，需突出学生自主学习的能力。第一，让学生广泛查阅风工程领域研究课题相关资料，明确感兴趣的方向，通过专业教师结合科研课题，使学生在掌握专业技能的基础上，用科研工作助推本科生创新能力的提升，培养和提升创新能力。第二，学习讨论以小组形式开展，通过组内和组间交流，学生阐述自身的思考过程，包括学习中的体会、疑点与困惑，互助答疑，再由教师点拨和归纳。在思考解决问题的过程中激发学习兴趣、提高新认识，在探讨问题中学会发现规律、提出理论并指导实践和应用。第三，通过试验等实践环节检验研究思路的合理性，使科研素养和创新能力得到进一步培养的提高。综上，建立起“以学生为中心，以教师为主导”的教学模式，提高应用型本科学生的工程实践能力，形成特色教育。
4 教学案例介绍
4.1 结合数值模拟技术的教学设计
首先，了解数值模拟Fluent软件的基本特点。Fluent软件是目前使用广泛的计算流体力学CFD模拟的软件包，可开展流体相关的数值模拟计算，包括可压和不可压流体、热辐射、多相流及化学燃烧问题等复杂想象的计算[7-8]。基于学生已掌握的流体力学专业知识，教师讲解计算流体力学的基本概念，让学生掌握利用Fluent软件进行数值模拟的分析流程，在学习的过程中穿插风工程领域研究实例，帮助学生更好地了解工程结构抗风的基本过程。
其次，介绍Fluent软件的前处理模块，包括模型建立和网格生成的基本知识点，以及模型计算的边界条件及初始条件的定义，让学生对数值计算模型有更好的认识。
最后，介绍Fluent软件的后处理模块，包括流场湍流模型应用的特点、稳态或非稳态问题的设定，以及流场数据迭代计算的收敛性判别，进行风场流场的数值计算和数据可视化处理和分析。
目前市场上有关Fluent软件学习教程书籍较多，在具体教学中，可结合教学演示，帮助学生通过数值模拟技术加深对风工程课程知识的理解，让学生可以掌握并实现Fluent模拟计算的基本操作。图1为本科生所开展的针对建筑群周边风场分布特性的数值模拟计算研究，图中展示的是针对某建筑群周边风场开展计算的结果图，基本实现了可利用数值模拟技术开展风场分布特性研究的应用，并可用于针对建筑表面风荷载的分析。
4.2 结合风洞试验技术的教学设计
风损风毁事故是全世界范围内最常见和破坏程度最强的自然灾害之一，结构的抗风研究需要实践环节配合，风洞试验是最重要的研究方法之一。让学生参与到风洞试验方案设计、试验模型制作、数据处理和分析的全过程，可以帮助学生掌握试验方法，是风工程课程教学中重要的环节。
风灾中受损最为严重的多为低矮建筑[9]，结合这一实际意义，让学生自主设计风洞试验方案，如针对某低矮建筑风荷载的风洞试验（见图2）。试验中，采用具有一定缩尺比的刚性模型，布设气孔并连接压力扫描阀以采集建筑表面的風压，用以考察结构在风荷载作用下的受力情况，并针对极易损坏的建筑屋面区域风压分布特性开展了研究。在这一试验环节中，学生起主导作用，教师做适当引导。
通过实践教学的构建，有效结合了理论知识和工程实际，提高学生的操作和分析能力，进一步拓宽了学习的广度，进而实现教学质量的提升。
5 结语
该文着眼于构建地方应用型高校风工程本科生实践教学模式，以培养风工程行业领域的综合技能为目标，通过丰富的教学方式，以生为本，有效地保障了实践教学的实用性。
目前，该模式已初具成效，但部分实践环节还需要与时俱进，精益求精，逐步形成具有应用型本科教学特点的实践教学模式，培养出具有良好的工程素养、工程实践能力和创新能力的风工程行业人才。
参考文献
[1] 马文勇，尉耀元，谷玉荣，等.本科生风工程教学方法探索[J].教育教学论坛，2012（30）：118-120.
[2] 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）：162-165.
[3] 樊媛洁.充分发挥高校实验室阵地作用 促进科学创新人才培养[J].医学教育管理，2020，6（S1）：5-6，20.
[4] 齐再前，林妍梅.以立德树人为根本，构建高水平应用型本科人才培养体系[J].北京联合大学学报，2020，34（2）：26-30
[5] ZHANG X l，WEERASURIYA A U， TSE K T.CFD Simulation of Natural Ventilation of a Generic Building in Various Incident Wind directions：Comparison of Turbulence Modelling，evaluation Methods，and Ventilation Mechanisms[J].Energy and Buildings，2020，229：
110516.
[6] BLOCKEN B.50 Years of Computational Wind Engineering： Past， Present and Future[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2014，129：69-102.
[7] 胡仁喜，康士廷.FLUENT19.0流场分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2020.
[8] 王宇航.严寒地区高层居住建筑室外风环境的CFD模拟研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2020.
[9] 高阳，戴益民，宋思吉，等.低矮建筑双坡屋盖易损区极值风压特性试验研究[J].建筑结构，2020， 50（1）：122-129.
