融合工程實踐項目的風工程類實驗教學探索

閆渤文 周旭 楊慶山 劉猛 謝強 黃國慶 韓軍 鄭妮娜

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2024.03.015

歡迎按以下格式引用：閆渤文，周旭，楊慶山，等.融合工程實踐項目的風工程類實驗教學探索［J］.高等建筑教育，2024，33（3）：123-129.

修回日期：2022-08-23

基金項目：教育部第二批新工科研究與實踐項目（E-TMJZSLHY20202144）；重慶大學本科實驗教學改革項目（2021S14）；重慶大學土木工程學院教學改革研究項目（TMJG201807）；重慶大學本科教學改革項目（2023Y20）；重慶大學研究生教學改革項目（CQU230319）

作者簡介：閆渤文（1989—），男，重慶大學土木工程學院副教授，博士，主要從事防災減災工程研究，（E-mail）bowenyancq@cqu.edu.cn。

摘要：根據目前土木工程專業課實驗教學現狀，從重視程度、硬件條件、組織管理和考核方式四個方面分析存在的問題，提出以解決實際工程項目問題為主線的實驗教學方法，采用“學生為中心，小組為單位”的教學模式，優化成績評定標準，引導學生建立系統的知識體系，激發學生積極參與實驗探索的興趣和動力。以風荷載實驗教學為例，討論了教學改革方案的實施情況。從課后反饋可以看出，該教學方法培養了學生分析解決問題和團隊協作能力，并明顯提升了學生的科研創新能力，教學效果較為顯著。

關鍵詞：工程實踐項目；風工程；實驗教學；教學改革

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2909（2024）03-0123-07

土木工程專業具有明顯的工科特點，強調綜合性和實踐性。創新型和綜合型土木工程專業人才的培養，不僅要求學生掌握扎實的理論基礎知識，同時還要求學生具備發現問題、分析解決問題、綜合設計和創新實踐能力。實驗教學作為高校人才培養計劃中的重要組成部分，是培養卓越土木工程師和高校工程教育認證的關鍵環節［1］，有助于學生夯實基礎理論知識、提升創新實踐能力，同時也是衡量學校科研水平、教學水平和學生綜合能力的重要指標［2］。目前，實驗教學存在弱化、形式化、理論教學和實驗教學結合不緊密等問題［3-5］，學生缺乏相關工程實踐經驗，僅僅通過傳統的“填鴨子式”課堂理論教學，難以對理論知識進行綜合運用。充分利用高等院校大型科研儀器設備平臺，結合實際工程案例系統化地開展實驗教學，強化實驗教學在人才培養中的作用，是目前高等院校普遍關注和討論的焦點問題之一，也是高等教育教學改革研究面臨的重點和難點。

以重慶大學土木工程學院本科生專業基礎課荷載與結構設計方法中的建筑結構抗風設計為例，探索風工程類實驗教學方法。該課程的目的是培養學生具備一定的結構抗風分析理論基礎，掌握抗風設計原理，熟悉風洞實驗抗風研究方法，并結合行業規范從事簡單建筑結構的風荷載受力分析。該課程集成了空氣動力學、隨機振動學、結構力學等理論課程，同時又涉及風洞實驗基本理論和實驗方法，知識面廣而分散，相關概念和假定晦澀難懂。將實際工程項目和實驗教學有機地結合起來，相互融合促進，引導學生建立起系統的知識體系，培養學生分析解決問題的綜合能力，值得積極研討。

基于土木工程專業課的特點，分析目前實驗教學中存在的主要問題，提出以解決實際工程項目問題為主線，并結合理論教學內容系統性地開展實驗教學的改革探索，并通過風工程實驗教學案例實踐加以驗證。

一、教學現狀分析

目前本科生風荷載實驗教學主要存在以下幾個方面的問題。

（1）風荷載因其隨機性、作用機理復雜、作用現象難以觀測等特點，是教學過程中學生最難以理解和掌握的知識點之一。與土木工程重力、壓力等傳統的荷載作用相比，風荷載作用具有顯著的學科交叉特征，從Davenport風荷載鏈［6］可以看出，風荷載在工程實踐運用中涉及較多基礎課程，如流體力學、空氣動力學和結構（動）力學、氣候學、隨機振動學等，知識面廣而分散、邏輯性不強，如圖1所示。僅僅靠傳統枯燥乏味的課堂教學，學生難以建立起系統完整的知識體系，往往“知其然而不知其所以然”，難以運用相關知識分析實際工程問題。特別是對于隨機振動學和空氣動力學，雖然教學過程中涉及的專業理論深度較淺，但由于其理論性強、不易掌握，且土木工程專業學生沒有相關的知識儲備，直接跳過該部分內容又容易造成學生對風荷載的理解不深入，甚至無法理解的情況，嚴重影響教學效果［7］。

（2）高校普遍存在重理論輕實踐、重科研輕教學的現象，實驗教學未得到充分的重視，教學經費投入和課時分配不足。

風洞實驗室作為承擔國家級或省部級縱向科研基金和重大工程項目抗風研究的大型科研實驗平臺，投資額較大，基本在百萬級或千萬級，建設的初衷和定位主要著重于科研和學科建設發展，使用群體主要集中于高校教師、碩士和博士研究生，以及其他相關科研人員［8］，實驗教學功能一般未納入其重點考量的范圍。風洞實驗室一般同時承擔著多個學科方向的實驗研究，例如工程結構抗風防災、城市風環境和風資源利用等，縱向科研課題及橫向服務項目較多，難以抽出獨立的時間開展本科生實驗教學。

高校實驗課程體系不完善，實驗教學被軟化、弱化甚至逐步走向形式化［9］，未得到足夠的重視，實驗教學所分配的課時嚴重不足。以荷載與結構設計方法課程為例，實驗教學僅分配4課時，低于總課時的20%。在如此短的課時內，要求學生熟悉風洞實驗室并進一步獨立開展風洞實驗幾乎不可能，因此，通常的做法是將本科生帶到風洞實驗室參觀，簡要介紹實驗室的構造、功能、儀器設備及所完成的風洞實驗項目。該做法缺乏系統的講解，“走馬觀花”式的實驗教學并不能產生較好的教學效果。

（3）實驗設備硬件條件和教學人員不足。

風洞實驗室的儀器設備大部分是較為精密的貴重進口設備，種類多但數量少，主要面向于科研項目，采購初期一般未考慮實驗教學的需求，基本為單機形式，且一旦操作不當易損壞，維保周期長、費用高，儀器設備損壞風險大，管理成本高、責任大。面對數量龐大的本科生群體，較難保證每個學生都有實操的機會。

長期以來，高等院校特別是“雙一流”建設高校中實驗技術崗位人員與教學科研崗位人員待遇方面有一定差異，科研工作在高校教師工作績效中占比較高，使得較少有教師愿意投入專業實驗教學一線工作，而專業實驗教學崗位人員編制較少，以重慶大學風洞實驗室為例，目前僅有1名專業實驗教學人員。高校內實驗教學人員嚴重不足，且教學隊伍不穩定、結構不合理、缺乏長遠規劃和培養［10］。

（4）考核方式不合理，無法對學生起到充分的約束和激勵作用。

實驗教學考核內容主要包括相關基本實驗原理的理解和運用、實驗操作、實驗數據分析處理，以及實驗報告撰寫等，考核內容體現出實踐性、真實性和全面性特點，以期對學生的實驗開展情況進行監督和促進［11］。一方面，實驗教學僅占總成績較少的一部分，且考核結果往往和理論課程學習成績的掛鉤，難以引導學生積極主動地投入實驗課程；另一方面，實驗教學考核方式單一，如僅根據上課考勤或實驗報告的撰寫情況進行成績評定，不能完全反應學生在實驗教學課程中表現出來的綜合能力，特別是實驗報告存在較為普遍的抄襲現象，實驗數據、實驗結果和分析結論雷同，無法區分學生是否認真參與了實驗，為此，僅以實驗報告來考核學生會嚴重挫傷認真做實驗學生的積極性［12］。

二、實驗教學改革實踐方案

基于以上實驗教學現狀和存在的問題，為充分發揮實驗教學在高等教育體系中的重要作用，從實驗項目設計、組織方式和成績評定標準等方面進行改革。

（一） 加強重視，優化實驗教學項目內容

首先，無論是教師還是學生，應從思想上加強對實驗教學的重視，作為課堂理論教學的延伸和補充，特別是土木工程這種專業實踐性較強的理工學科，實驗教學應和理論教學并重，需優化教學課時安排，提高實驗教學課時所占比例，讓學生有足夠的時間開展實驗。

其次，優化現有實驗教學項目內容，減少驗證型、演示型實驗，提升實驗教學項目的綜合性、設計性和探索性。土木工程學科著重培養學生解決工程實際問題能力和工程設計能力，實驗教學作為聯系理論課堂知識和實踐運用之間的紐帶，實驗教學項目的設置應以問題為導向，提升學生投入時間開展實驗探索的興趣。對于類似風工程這種具有典型學科交叉特點的教學內容，學生面對廣而分散的知識點往往無從下手而感到茫然，從而失去學習興趣，通過參與帶有問題屬性的實驗教學項目，激發學生積極探索欲望，并將知識點中的重要部分聯系起來，有助于建立起系統性的知識體系，在解決實際工程問題的過程中提升成就感，培養分析和解決問題的能力，達到“知行合一”的培養目標。

（二） 改革實驗教學組織管理方式

面對人數眾多的本科生群體，可通過分組的方式控制每個實驗項目中的學生人數，采用“學生為中心，小組為單位”的模式，在數量有限的實驗設備條件下保證實驗教學開展的質量。根據以解決某一典型實際工程問題為目標所需的實驗內容，合理細分出若干實驗子項目，一個教學班級分組的數量與實驗項目的數量一致。考慮到儀器設備臺套數和實驗場地有限，特別是對于大型科研設備平臺，基本為單機形式，各小組同時開展實驗具有較大的難度，而實驗教學課時又非常有限，因此每個小組僅選擇一個實驗項目開展實驗，各小組之間實驗內容互不相同，但均屬于同一實際工程問題中的一部分，是一個有機的整體，可通過課堂匯報討論的方式將各部分聯系起來。

實驗室應在每學期或每一學年為實驗教學提供足夠的、固定的連續使用時間，而不是一味地向縱橫向科研項目讓步，實驗教學項目開展的時間可安排在學期末的教學活動周，學生在時間上具有較大的靈活性，不受其他課程安排和考試的干擾，實驗教學項目可連續開展，提升實驗室的利用效率，減少實驗場地的占用時間。

實驗教學是將學習的主動權交還給學生自己，其難點不在于教師的講授，而在于對學生實驗開展過程中的引導和監管。針對目前實驗教學人員不足的問題，可充分整合利用現有資源，如鼓勵具有一定實驗經驗的高年級研究生或博士生參與實驗教學監督管理，保障人員和設備的安全。

（三） 改進成績評定標準

成績評定標準是一面旗幟，對實驗教學的開展具有重要的引導作用，應提高實驗部分成績所占的比例，引起學生的重視。實驗成績的評定需全面綜合反映學生在利用理論知識解決實際工程問題過程中所表現出來的綜合素養，如創新思維、團隊協作能力、發現問題和分析解決問題的能力等。成績的評定應采用靈活多樣的方式，如成果匯報、答辯、學生互評等，不再拘泥于“標準答案”，鼓勵學生查閱課外文獻資料，完善實驗方案和成果報告，對比分析實驗結果，培養基本的自主科研能力。

三、教學實踐案例分析

為充分體現實驗教學改革方案具體實踐細節和教學成效，以重慶大學土木工程學院本科生專業基礎課荷載與結構設計方法中的建筑結構抗風設計為例進行試點探討說明。

（一）實驗教學組織管理

實驗教學中的實驗項目從實驗室已完成的橫向科研項目中轉化而來，每學年更新一次，具有顯著的工程背景，同時可利用現有實驗模型，減少教學經費支出。根據Davenport風荷載鏈，風工程問題均可從風環境、風荷載和風響應三個方面進行風洞實驗抗風分析，因此每學年實驗項目的更新主要體現在工程背景和實驗模型對象的不同。以CAARC高層建筑抗風分析為例，該項目需確定B類地貌條件下建筑模型的風荷載作用特征和風致振動響應，可分解為B類地貌邊界層風場模擬、剛性模型測壓和氣彈模型測振三個風洞實驗項目，如表1所示。學生結合自身興趣，按照“自愿選擇、合理調配”的原則分為三個對應的實驗小組，每個小組的學生人數基本一致，10人左右。各小組根據所選取的實驗項目所需解決的實際問題進行組內分工，擬定實驗方案，包括實驗目的、實驗方法、實驗模型及儀器等內容，并在課堂上通過PPT展示匯報，各組學生可現場提出問題和建議，展開討論，指導教師控制討論的節奏和方向，在關鍵問題上進行把關，引導學生不斷細化完善，形成可執行開展的實驗方案。

（二） 時間和人員安排

實驗教學安排于學期末的教學活動周，即在學期內所有課程和考試結束之后，使學生有整塊充裕的時間參與實驗教學項目。課堂理論教學結束到實驗教學開始之前的時間內，學生有足夠的時間對實驗方案進行論證、優化，并利用課余時間到實驗室參與科研實驗輔助工作，開闊科研視野，同時學熟悉實驗流程和儀器設備的使用，為實驗項目的開展做準備。

實驗室在新學期開始前預留一周的實驗教學使用時間，供各組開展實驗項目。實驗以學生自主開展為主，教師引導為輔。同時，為保障人員和設備的安全，需加強對學生的實驗過程監管。針對目前實驗教學管理人員的不足，改革結合重慶大學學術型碩士和博士研究生培養方案中對“三助一輔”的學時要求：碩士生至少120學時、博士生至少200學時，讓熟悉風洞實驗開展的碩士生和博士生參與實驗教學管理工作，規范本科生實驗操作，及時發現、制止、排除安全風險，保障實驗教學安全有序開展。

（三） 成績考核評定方式

采用“小組+個人”的考核方式，通過PPT課堂答辯的方式并結合實驗成果報告書，從文獻拓展閱讀、實驗方案、實驗數據處理分析等方面對小組進行考核，考察小組自主學習、分工協作、運用基礎理論知識分析解決問題等方面的綜合能力；個人考核主要采用個人工作匯報的方式，考察學生在實驗項目開展過程中的參與程度和個人收獲。小組和個人均采用互評的考核方式，每個學生的成績根據小組得分并結合個人表現確定，培養學生團隊協作能力和集體榮譽感。

各組學生按照既定實驗方案開展風洞實驗，嚴格遵守實驗室的安全管理制度，規范操作儀器設備，并對實驗照片、實驗結果和實驗現象如實記錄。各組學生克服困難，順利圓滿地完成了實驗項目內容，圖2—圖6為部分實驗圖片。

第1組學生在調試B類大氣邊界層風場的過程中，發現無論怎么調整尖劈和粗糙元的排列組合方式，底部區域的風速均偏大，通過查找文獻、專著、論文等，嘗試采用在風洞地面鋪設地毯的方式，最終調試出了符合規范要求的風速和紊流度剖面。第3組學生在完成既定實驗內容的情況下，針對在7 m/s左右實驗風速下，氣彈模型進入渦激振動鎖定風速區間，振動幅度較大，學生們充分發揮想象力，通過指導教師的引導并結合文獻資料，在模型表面粘貼條形附屬物，改變模型氣動外形，大幅度減小了模型風致振動響應。

各組實驗項目屬于同一個工程問題中的一部分，相互銜接，是一個有機的整體，如邊界層風場的模擬是剛性模型測壓和氣彈模型測振實驗開展的風場條件基礎；而剛性模型測壓實驗得到的模型表面風壓數據可通過理論公式計算出風振響應，與氣彈模型測振實驗結果形成交叉對比驗證，如圖7所示。通過課堂展示、成果互評的考核方式，各組之間相互討論交流，不再囿于所在小組的實驗內容，有利于建立起系統的知識體系，完整地掌握針對于實際工程抗風問題的實驗研究方法。

學生表示，結合實際工程問題開展的風洞實驗項目讓自己在參與中充滿目標感和成就感，不僅激發了自己參與實驗的激情，而且增加了自身的團隊協作能力和創新探索意識。實驗教學開展過程中采用“學生為中心、小組為單位”的教學模式，讓學生掌握學習的主動權，雖然充滿困難和挑戰，但學生一一克服并堅持到最后，在此過程中加強了對理論知識的理解和運用，提升了發現問題、分析問題和解決問題的能力，同時培養了創新思維意識。在課堂展示和成果互評中，學生自學數據分析軟件對實驗數據進行處理，并通過圖表的方式匯報交流，增強了學生數據處理、成果整理和語言表達能力，提升了綜合素質。

四、結語

工程類高校應重視實驗教學在人才培養中的作用，保障足夠的時間和人力物力投入，避免形式主義。實驗教學項目的設置應結合實際工程問題，激發學生興趣，充分調動學生的積極性，引導學生自主學習探索，在完成實驗項目的過程中，鍛煉其分析和解決問題的能力，并加強對課堂理論知識的理解和運用，建立起系統的知識體系，培養綜合型土木工程人才，以期實現實驗教學改革的目標。

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Exploration of wind engineering experimental teaching integrating engineering practice projects

YAN Bowen， ZHOU Xu， YANG Qingshan， LIU Meng， XIE Qiang， HUANG Guoqing， HAN Jun， ZHENG Nina

（School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， China）

Abstract： To solve the problems encountered in the civil engineering courses pertinent to the experimental tests， this study analyzes the existing problems from the aspects of attention degree， hardware conditions， organization management and assessment methods. And an experimental teaching method to solve the practical engineering project problems was proposed. The teaching mode of "student as center， group as unit" optimizes performance evaluation standards， guides students to establish a comprehensive knowledge system， and stimulates the interests of students and motivations to actively be involved in the experimental investigations. Taking the experimental teaching of wind loads as an example， the implementation of the teaching reform program is discussed in detail. The results show that the proposed teaching method could cultivate the ability to analyze and solve practical problems in engineering practices， teamwork spirits and scientific innovations， and the teaching effects are quite remarkable.

Key words： engineering practice project; wind engineering; experimental teaching; teaching reform

（責任編輯? 鄧? 云）