《结构风工程》研究生“三位一体”教学体系建设与实践_孙瑛.pdf

DOI:1019392/jcnki1671-7341202318009结构风工程 研究生“三位一体”教学体系建设与实践孙 瑛*孙晓颖武 岳哈尔滨工业大学土木工程学院黑龙江哈尔滨150090摘要:结合“结构风工程”课程的特点，针对教学中存在学生对知识理解不深、实践创新能力不强、职业发展迷茫等问题，以“大师+团队”为机制，构建了“虚实结合+研学结合+思政”引领“三位一体”的课程教学体系改革与实践方法。通过虚实结合加深学生的知识理解，深化研学结合全方位提升学生的实践创新能力，加强课程思政引领学生树立更高的专业志向，最终实现知识、能力和志向“三位一体”，以土木工程卓越人才实践创新培养为目标，重点提升传统 结构风工程的教学效果，旨在达成卓越而有灵魂的研究生教育。关键词:虚实结合;研学结合;思政引领;实践创新一、传统课程教学中存在的问题结构风工程 是研究生专业学位课，学时 32，哈尔滨工业大学是国内较早、也是较系统开展结构风工程相关理论研究与教学的高校之一。20 世纪 50 年代，王光远院士就开展了结构风振随机响应分析方面的研究;其后，沈世钊院士在大跨柔性屋盖结构风振分析理论，欧进萍院士在结构抗风动力可靠度分析方法等方面，都开展了富有成效的研究工作。欧进萍教授在国内率先开设了 风工程与结构抗风设计 研究生课程;先后由段忠东教授、武岳教授和孙瑛教授主讲。本课程有着很好的优良传统，有着“扎根东北”特色的建设课程之一。结构风工程是土木工程领域的重要研究方向之一，其理论性、学科交叉性、实践操作性强。课程教学存在以下问题:(1)课程内容繁杂、理论抽象、学科交叉性强，由于受到场地、经费和人员安全等方面的限制，实验教学以验证性和演示性实验为主，学生动手能力缺乏锻炼，对知识理解不深入，不少学生课程学完后，对知识点印象不深、不得技术要领;(2)由于很难近距离接触到实际工程结构，导致学生对各种体系抗风作用的理解不深，综合运用所学知识解决工程问题的能力不强，实践创新能力不强;(3)很多学生在完成学业后，不知道自己是否能胜任工作要求，对职业发展充满迷茫，甚至对自己缺乏信心。综上，传统教学中存在重“理论”轻“实践”、重“课上”轻“课后”、重“线下”轻“线上”、重“学习”轻“创新”等问题。二、结构风工程课程的育人路径(一)推行“模型化”实践教学，实现教学的虚实结合，达成“不断改革创新”将虚拟与现实有机结合作为一种信息化教育、教学手段，在土木工程专业创新“模型化”实践教学体系，实现从被动学习向主动探究的转变3。实验中，不是老师手把手教，也不是老师演示学生看，而是让学生自行从风气候库和结构库中选择所需的极端风类型、结构类型及尺寸，像“搭积木”一样尝试搭建分析平台，通过反复摸索加深认识，激发学生的学习兴趣;并且可以借助 3D 漫游技术从不同视角了解结构受风作用及风致破坏特点，与课堂教学形成相辅相成的关系;突破实践时间、空间和资源使用的限制，提高教学成效，提高学生的专注度、反馈度和自由度。通过建立了台风结构、风洞等三维漫游模块，实现对极端风及风洞设备模型任意方向旋转及视点变换，帮助学生深度理解台风结构内容与原理，方便学生深度理解实验内容与原理，实现“模型化”助学，如图 1 所示，漫游模块是虚、台风结构是实，这是学与玩的结合;针对钝体空气动力学的学习，综合采用课堂教学、试验实践和翻转课堂相结合的方式，让学生按自选题目进行流场可视化试验，自己动手制作一些小模型，通过烟流可视化流场，观察钝体绕流的现象，达成“模型化”导学，如图 2 所示，模型烟流是虚、钝体绕流现象是实，这是理论与现象的结合;以教学改革项目为契机，建立了风荷载数据库，经过大量分析统计，建立起不同建筑外形的风荷载模型供工程分析应用，实现数据应用“模型化”，如图 3 所示，风荷载数据是虚、模型应用是实，这是数据与应用的结合。以上虚实结合，都体现52科技风 2023 年 6 月科教论坛在虚拟仿真教学平台中，目的也是加深学生对不同知识点的理解，该虚拟仿真教学平台已经通过黑龙江省认证。(a)台风漫游模块(b)虚拟风洞试验过程图 1 虚拟仿真试验平台建设(a)学生自制模型(涉及气动控制、低矮、高层建筑等)(b)流场结果的处理照片图 2 结合课程内容的流场可视化试验照片(二)实现科研成果向教学资源的持续转化，达成“科研攻关”与“教书育人”的有机融合结合多年教学实践和科研积累，由“武岳”教授牵头组织编撰并修订教材 风工程与结构抗风设计。该教材入选“现代土木工程精品系列图书”和“十二五国家重点图书出版规划项目”，以此教材为基础，在教学中体现最新技术发展，为学生展示学科前沿发展动态。经调研国内有多所高校开设有结构风工程相关课程，其中通过出版社联系使用本教材的高校共有 36 所，多是目前国内在风工程教学与研究领域颇有建树的高校，可见本教材得到了国内同行的普遍认可，使用广泛。对于风敏感的高层建筑和大跨屋盖结构，以实际重大工程项目为例进行讲解，给出应用结构规范进行抗风设计的流程，达到分析具体工程问题的目的;结合工程案例和理论教学，让学生在学习基础理论的同时，了解相关知识在工程领域的应用，更加切实地将所学知识融入工程实践中;课程中还包括对规范的介绍，注重讲解规范背后的理论背景，使学生能够从更加客观全面的角度审视规范，提升工程创新能力，本课程还适当融入了国内风工程领域的主要研究成果和最新动向，培养学生的科研志趣，为学生进一步深造奠定了基础;通过对 500 米口径射电望远镜的选址流场模拟、奥运工程鸟巢的风振分析这些大型复杂工程的介绍，见图 3，能促使同学们对国之重器的近距离接触，引发学生爱国热情，同时也能让同学们体会大国重器的形成过程，并非一开始就定位大国重器，而是精益求精的科研态度、认真踏实的细节工作、不断克服不可能的探索精神成就了它。在科研成果转化方面，注重培养学生工程意识、工程实践综合能力和创新意识。近五年来，团队成员承担近十项国家自然科学基金重点和面上项目，同时承接了 30 余项的抗风咨询项目，在这些项目中研究生的参与度很高。此外，与一些企业建立战略合作，新建的风洞实验室设立为研究生教学基地，这让更多的学生参与到实际工程应用与研究中，真正实现研学结合的有利局面。图 3 研学结合工作开展(以 500 米口径射电望远镜所处地形地貌模拟的工程项目)(三)强化课程思政建设，注重学生的思想引领，真正做到“紧扣立德树人根本任务”课程组成员在哈工大八百壮士精神引领下2，本着以德为先，弘扬“爱国奉献”传统的宗旨，深入挖掘课程思政元素，在专业知识讲授中融入爱国情怀。结构风工程 课程包含着相当多的“课程思政”元素，例如，我国风工程学科的发展历程，反映了老一辈科研工作者艰苦创业、爱国奉献的优良传统;也介绍了改革开放以来，我国在风工程研究与工程应用领域的伟大成就，我国目前在风洞数量和风工程专业人才数量方面均居世界首位;同时展望了未来风工程的发展，将更好地为我国的新型城镇化建设、能源安全和绿色环保做出贡献。课程教学实施过程中稍加思考，便可以在软化专业知识教学的同时，引导学生树立正62科教论坛科技风 2023 年 6 月确的人生观和价值观，培养学生积极向上的高尚情操，达到“课程思政”的效果。不仅要加强具体知识的传授，更要加强对学生世界观、人生观和价值观的塑造，培养学生的民族自豪感和爱国主义情感，学会用唯物主义辩证思维，以及培养学生的科学精神。三、“三位一体”课程教学体系实践获得的教学成果针对教学中存在学生对知识理解不深、实践创新能力不强、职业发展迷茫等问题，提出了以下教学方法:结合“结构风工程”课程的特点，以“大师+团队”为机制，构建了“虚实结合+研学结合+思政”引领“三位一体”的课程教学体系改革与实践方法，如图 4 所示。以土木工程卓越人才实践创新培养为目标，重点提升传统“结构风工程”的教学效果，并取得了以下成果:建设哈尔滨工业大学研究生精品课程 1 门，建设省级虚拟仿真平台项目 1 项，发表教学论文 4 篇，获“首届黑龙江省教材建设奖一等奖”“哈尔滨工业大学教学优秀二等奖”等奖励 10 余项。教学成效好，受到学生的一致好评，评教近五年连续被评为优秀。面向国家发展重大需求，解决高质量土木工程专业人才培养问题，通过虚实结合加深学生的知识理解，深化研学结合全方位提升学生的实践创新能力，加强课程思政引领学生树立更高的专业志向，最终实现知识、能力和志向“三位一体”，旨在达成卓越而有灵魂的研究生教育。图 4 虚实结合+研学结合+思政引领“三位一体”的结构风工程教学体系四、“三位一体”课程教学体系的拓广应用(1)建成较完善的结构抗风防灾课程体系。自 20 世纪 90 年代以来，欧进萍教授在国内率先开设了“风工程与结构抗风设计”研究生课程;2008 年开始，开设了本科生课程;2015 年开始，又增设了留学生课程。2010 年开设了针对桥梁结构的研究生课“桥梁风工程”。延续“大师+团队”体制，体现薪火相传“传帮带”精神，将培养更多的年青老师主讲课程，打造一支业务精湛、信念坚定、乐心育人的教学团队。(2)积极推进视频公开课录制、虚拟仿真实验课等精品课程建设，形成区域辐射效应。本课程已经通过哈尔滨工业大学第八批在线开放课程立项，目前已完成视频录制。由孙瑛教授主持的“高层建筑台风响应与气动优化虚拟仿真实验”目前已经在线服务两年，还将继续扩展其应用对象和范围。(3)同时，基于研究生联合培养基地，结合相关的基础理论课、创新研修课、实验实践类课程建设，逐渐形成国内重要的结构抗风理论研究与工程创新基地。结语结构风工程 课程传承历史、厚积薄发，在建设中奋进，在创新中发展，继续以“大师+团队”为机制，发扬“虚实结合+研学结合+思政”引领“三位一体”的课程教学体系，在实践中提升教学方法。教学的虚实结合，有助于“模型化”实践教学;研学结合有助于科研成果向教学资源的转化，以提升学生工程创新能力;通过深入挖掘课程思政元素，培养学生将自己的专业和兴趣与国家建设相联系，在社会主义现代化建设的伟大事业中实现自己的人生价值。教学团队将持续以立德树人为己任，继续努力奋斗，开创新理念、利用新技术、建立新模式、追求新考核，迈上一个新台阶，以达成“追求卓越”的目标。参考文献:1 熊四皓坚持习近平总书记贺信精神引领 高标准高质量开展党史学习教育 J 党建，2021(04):22-24 2 吉星，刘忠奎哈工大“八百壮士”科教报国矢志不移 J 奋斗，2021(10):57 3 孙瑛，武岳，孙晓颖“可见、可触摸式”教学方法研讨 J 教育教学论坛，2015，11，45:114-115基金项目:哈尔滨工业大学第七批教学发展基金项目(课程思政类)研究生课程:结构风工程;哈尔滨工业大学第八批在线开放课程立项:结构风工程;哈尔滨工业大学研究生教育教学改革研究项目(21MS026)*通讯作者:孙瑛(1976)，女，汉族，福建福州人，博士，教授，研究方向:结构风工程及大跨空间结构。作者简介:孙晓颖(1975)，女，汉族，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，研究方向:大跨空间结构;武岳(1972)，男，汉族，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，研究方向:新型结构与结构形态学及冰雪结构。72科技风 2023 年 6 月科教论坛