結(jié)構(gòu)風工程線上資源-虛擬仿真平臺建設(shè)創(chuàng)新實踐探索

結(jié)構(gòu)風工程是一門研究和解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中的風荷載和風效應(yīng)問題的學科，具有綜合性強、實踐性強，與工程實際聯(lián)系緊密的特點，是目前土木與機場工程專業(yè)的研究熱點之一[1-2]，同時也是風工程學者和結(jié)構(gòu)工程師之間聯(lián)系的橋梁，已成為土木工程和工程力學專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，對于培養(yǎng)土木工程專業(yè)人員的抗風設(shè)計能力十分必要。工程實踐能力培養(yǎng)作為工科教育的重要內(nèi)容，不僅是應(yīng)用型人才區(qū)別于研究型人才的顯著特點，也是檢驗素質(zhì)教育成效的關(guān)鍵性指標，更是“卓越工程師”培養(yǎng)的迫切要求。結(jié)構(gòu)風工程屬于土木與機場工程專業(yè)的新興交叉學科，涉及氣象學、空氣動力學及氣動彈性力學、結(jié)構(gòu)工程學、振動工程學等多門學科[3-4]。然而，目前結(jié)構(gòu)風工程的實踐教學環(huán)節(jié)存在以下幾個問題：傳統(tǒng)教學脫離工程實際、傳統(tǒng)物理風洞資源有限、物理風洞的使用代價高昂。因此，結(jié)構(gòu)風工程課程的教學改革勢在必行。課題組教師結(jié)合多年課程教學實踐經(jīng)驗，對該課程教學改革進行了探索，并取得了一定的成果。1教學改革方案設(shè)計1.1構(gòu)建虛擬仿真實驗項目群課題組教師依托國家級虛擬仿真和精品課程優(yōu)勢資源，面向工程創(chuàng)新能力專業(yè)培養(yǎng)方案，以“做學研用”為宗旨，以“結(jié)構(gòu)創(chuàng)新”為主線，構(gòu)建了貫穿研究生教學的虛擬仿真實驗項目群。虛擬仿真實驗系統(tǒng)能夠節(jié)省教學經(jīng)費，突破傳統(tǒng)實驗在硬件和時間上的局限性，具有開放性和共享性，能夠優(yōu)化教育資源，拓展實驗教學模式。在各層次教學內(nèi)容中，教師將虛擬仿真技術(shù)與實踐相結(jié)合，按照教學目標定位要求，構(gòu)建一套完整的實踐性教學內(nèi)容體系，落實以學生為中心的新工科工程教育理念[5-6]；全面融入結(jié)構(gòu)風工程、土木工程抗風設(shè)計和機場工程等主干課程和研討課程的核心知識以及相關(guān)研究方向的學科前沿信息，通過綜合教學，提高學生的創(chuàng)新實踐興趣，幫助學生掌握理論知識，強化學生工程實踐能力，提高學生的專業(yè)素養(yǎng)；在已建成國家虛擬仿真項目的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶反饋，進一步開展虛擬仿真實驗項目開發(fā)，補充并完善測力實驗和測振實驗功能模塊，為學生提供無操作環(huán)境限制、交互性、沉浸性和仿真性的工程實踐教學體驗，激發(fā)學生的學習興趣；同時為學科建設(shè)提供科學研究條件，為專業(yè)教學提供貼近工程實際的教學環(huán)境，使專業(yè)教學逐步向模擬化、可視化方向發(fā)展。1.2開發(fā)結(jié)構(gòu)風工程虛擬仿真平臺結(jié)構(gòu)風工程虛擬仿真實驗教學中心在建設(shè)初期即密切關(guān)注、積極響應(yīng)國家新工科建設(shè)要求，在教學資源建設(shè)、師資隊伍建設(shè)、運行模式與教學體系建設(shè)、教學效果評價體系建設(shè)等方面開展了卓有成效的工作。課程組教師建設(shè)了一系列實踐教學資源，設(shè)計用戶界面，編制程序和數(shù)據(jù)接口，開發(fā)結(jié)構(gòu)風工程虛擬仿真平臺，并形成了包括操作說明、教學大綱、考核方式及評價體系、研討案例、多媒體教案、小型實物演示模型、微視頻、講義、網(wǎng)站等的創(chuàng)新實踐教學資源，豐富虛擬仿真實驗教學資源，確保創(chuàng)新活動可持續(xù)發(fā)展。虛擬實驗創(chuàng)新平臺的開發(fā)工作分為四個方面，如圖1所示。同時，為了充分實現(xiàn)資源共享，充分發(fā)揮線上教學的作用，平臺采用實名登記教學，對虛擬仿真實驗參與者實行電子化、網(wǎng)絡(luò)化管理，并建立了交互式網(wǎng)絡(luò)教學中心網(wǎng)站，提供網(wǎng)絡(luò)課件、教學視頻、教學大綱、教學進度表、電子教案、師生交流平臺等內(nèi)容，方便學生自學、自測、復(fù)習及與教師交流研究。圖1虛擬仿真平臺示意1.3將虛擬仿真有機融入創(chuàng)新實踐教學課程組教師基于虛擬仿真項目，結(jié)合南京航空航天大學風工程方向的實際情況和項目案例，全面打通課堂研討、工程項目、學科競賽、工程實踐這四個實踐教學環(huán)節(jié)。在課堂研討環(huán)節(jié)，突出了實景、實物進課堂的基本理念，采用了案例教學、工程模擬等豐富多樣的課堂研討形式。同時以學生為中心，將真實的項目案例融入教學，結(jié)合案例研討激發(fā)學生學習熱情，活躍課堂學習氛圍，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，提高學生解決實際工程問題的能力。教師對于在研討中發(fā)現(xiàn)的問題，在實踐教學環(huán)節(jié)，通過立項研究鼓勵學生自主探索解決問題，培養(yǎng)學生的實際動手能力；鼓勵學生通過參加競賽展示成果，使學生在研討課程課堂學習討論、課外自主研學、學科競賽成果展示、工程實訓等方面得到立體化全方位的創(chuàng)新能力鍛煉。同時，教師將在實踐過程中產(chǎn)生的新案例、新項目，經(jīng)改造加工后作為虛擬仿真項目群的補充內(nèi)容。整個課程設(shè)計過程與工程實踐緊密相連，有效培養(yǎng)了學生的工程實踐和創(chuàng)新能力，提高了教學質(zhì)量，同時，為學科建設(shè)提供了科學研究條件，為專業(yè)教學提供了貼近工程實際的教學環(huán)境，使專業(yè)教學逐步向模擬化、可視化方向發(fā)展。此外，在應(yīng)用平臺的過程中，教師逐漸養(yǎng)成了科技實踐能力，營造了良好的實驗創(chuàng)新氛圍，培養(yǎng)了大學生科技創(chuàng)新能力，提高了教師的實驗創(chuàng)新能力。2創(chuàng)新實踐2.1采用“立體化”的教學方法課程組教師秉承“以學生為中心、強化實踐育人”的教學理念，采用多媒體技術(shù)構(gòu)建了虛擬仿真風洞試驗平臺，促使傳統(tǒng)物理風洞試驗與信息技術(shù)相融合，有效解決了傳統(tǒng)風洞試驗“成本高、周期長”和單純理論介紹“太抽象、不直觀”的問題[7-9]，運用“立體化”教學方法，融合理論教學、現(xiàn)場參觀和虛擬實驗，通過多個角度開展對結(jié)構(gòu)的風荷載、風效應(yīng)的探究，以培養(yǎng)學生結(jié)構(gòu)抗風相關(guān)內(nèi)容的“立體化”知識體系，最終達到傳授學生知識、提高學生能力、開闊學生視野的目的，力求貼近實際、直觀生動?！傲Ⅲw化”的教學方法，能夠打破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實驗的時空限制，加深學生對理論知識的理解，為學生與教師建立了良好的交流平臺。2.2培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力課程組教師依托南京航空航天大學力學國家一流學科，將國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目和國內(nèi)外眾多重大工程項目分割簡化，轉(zhuǎn)化為直觀生動的數(shù)字化虛擬仿真實驗。通過將科研成果、多學科前沿科技融入實踐教學各環(huán)節(jié)和全過程，讓學生充分了解結(jié)構(gòu)抗風領(lǐng)域的新方法、新進展、新趨勢，培養(yǎng)學生的全局意識，為學生未來從事相關(guān)工作奠定良好基礎(chǔ)。教師還提供開放性實驗?zāi)K，讓學生在實踐過程中自由探索，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的思維意識，提高學生的工程素養(yǎng)和綜合能力，以達到培養(yǎng)“卓越工程師”的最終目標。2.3積極開放共享，不斷完善教學項目本研究課題教學改革的部分相關(guān)實驗已成功接入國家虛擬仿真教學平臺和江蘇省平臺（見圖2），擴大了項目的影響力，并且可以獲取更多渠道的反饋信息，有利于課程的進一步優(yōu)化與完善，使得課程在達到實驗預(yù)期目標的同時更加貼近學生的需求。課題組教師響應(yīng)教育部本科課程建設(shè)和改革要求[10-11]，打造國家級精品資源共享課，有效實現(xiàn)高等教育大眾化、教育資源平均化以及對資源的高效利用[12]，同時以本項目建設(shè)為契機，積極與兄弟院校和科研單位溝通交流，為不斷改進教學工作提供了動態(tài)機制，形成可示范的學習新模式。圖2虛擬仿真實驗教學項目共享平臺3虛擬實驗3.1實驗準備本實驗采取“虛實結(jié)合”的方法，主要實驗?zāi)康陌ǎ海?）幫助學生掌握結(jié)構(gòu)風工程基本研究手段——風洞試驗的基本原理和總體結(jié)構(gòu)方案內(nèi)涵，通過實際案例使學生深入觀察風洞試驗流程，理解結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計理念。（2）熟悉大型建筑和機場等結(jié)構(gòu)風洞試驗的基本測量儀器，及其對應(yīng)的試驗原理，進一步加深對結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計的理解。（3）幫助學生初步了解流體力學相關(guān)知識，對風洞試驗中最重要的理論基礎(chǔ)“流動相似準側(cè)”形成一定的認知，提高學生對相關(guān)理論的學習興趣。（4）配合課程教學需要，以南京航空航天大學人才培養(yǎng)定位目標和國家急需的高端防災(zāi)減災(zāi)研究人才培養(yǎng)為出發(fā)點，兼顧資源共享和輻射，用現(xiàn)代信息化技術(shù)構(gòu)建高真實感的虛擬實驗設(shè)備和虛擬物理風洞教學環(huán)境。學生通過課堂理論學習，掌握基本實驗理論和相關(guān)安全知識。相關(guān)教師講解虛擬風洞試驗所涉及的理論知識點。學生通過研習，可對虛擬風洞試驗有初步了解，通過問題導(dǎo)向，進行線上大型建筑結(jié)構(gòu)風洞仿真實驗，并結(jié)合參觀南京航空航天大學NH-2物理風洞實驗室，加深理解。3.2實驗設(shè)計仿真平臺采用虛擬技術(shù)仿真實驗[13-14]中用到的設(shè)備和模具，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境，由學生自主選擇實驗方案和目的，包括超高層建筑測壓、高層建筑測力以及橋梁結(jié)構(gòu)測振等（如圖3所示）。主要流程為：實驗說明→模型制作→測點布置→工況布置→參數(shù)設(shè)置→風洞試驗→結(jié)果分析。圖3實驗項目分類示意圖實驗說明：各實驗均以實際工程為背景，實驗說明部分對項目背景、實驗設(shè)備、實驗原理進行了詳細介紹，在實驗設(shè)備中可多角度觀察實驗中使用的設(shè)備，增加對儀器設(shè)備的認知；實驗原理部分直觀體現(xiàn)了課程主要知識點，即風洞試驗最為重要的理論基礎(chǔ)之一的“流動相似準則”[15]。模型制作。通過互動答題、系統(tǒng)實時批改，學生加強對模型材質(zhì)的認識，通過將實際物理實驗中難以直接體現(xiàn)的模型制作過程可視化，學生進一步加深對風洞試驗的理解。模型制作理論知識學習完成后，學生可根據(jù)操作提示自主選擇不同的模型作為實驗對象、模型縮尺比。測點布置和工況布置。采用皮托管對結(jié)構(gòu)測點進行布置后，拖動油漆罐為模型上色，之后根據(jù)操作提示從工具箱中依次拖拽風速轉(zhuǎn)盤、膠水，將測試模型放在測試區(qū)域，以完成工況布置。參數(shù)設(shè)置。在參數(shù)設(shè)置部分，可以設(shè)置不同的風向角測量工況，將物理風洞試驗中繁雜而無法實現(xiàn)的試驗工況虛擬化為實驗流程的一項參數(shù)設(shè)置，大大節(jié)約了試驗成本與時間成本。風洞試驗。參數(shù)設(shè)置結(jié)束后根據(jù)操作提示，操作控制臺按鈕，啟動實驗，在實驗過程中可實時觀察到結(jié)構(gòu)模型在風洞中的響應(yīng)姿態(tài)，并在實驗過程中穿插理論知識問答，以進一步加深學生對相關(guān)知識的熟悉程度。結(jié)果分析。實驗結(jié)束后進入數(shù)據(jù)展示，可通過調(diào)整風向角度，查看測點的體型系數(shù)圖、體型系數(shù)沿高度變換曲線、基地剪力、彎矩、結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值等數(shù)據(jù)，如圖4所示。圖4實驗數(shù)據(jù)展示示意圖教師通過引導(dǎo)學生自主、開放性提出風洞試驗的基本架構(gòu)和控制參數(shù)，并通過對上述各種相關(guān)參數(shù)的改變，激發(fā)學生的學習興趣和求知欲望，培養(yǎng)學生在實踐中發(fā)現(xiàn)“疑問”在“解疑”過程中增強創(chuàng)新的意識。3.3課程考核教師利用虛擬實驗教學平臺對學生進行教學考核和驗收，具體包括實驗結(jié)構(gòu)批改和實驗成績統(tǒng)計等，重點考查實驗報告的完整性和正確性以及學生的學習態(tài)度，鼓勵學生在實驗報告中討論自定的改進實驗方案，并予以說明，為實驗教學環(huán)境提供服務(wù)并開展應(yīng)用。通過實驗考核，學生能夠全面認識建筑結(jié)構(gòu)風洞試驗及控制參數(shù)對風洞試驗結(jié)構(gòu)的影響，從而有效提升土木工程結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計的綜合創(chuàng)新能力。4結(jié)語本研究課題的教改方案基于“學生自主設(shè)計—教師輔助引