研究生教育課程《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》的教學(xué)實(shí)踐及體會(huì)

方宏遠(yuǎn)+李健

摘要：《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》是高等學(xué)校土木工程、交通運(yùn)輸工程、水利工程、地質(zhì)工程等專業(yè)研究生重要專業(yè)課程之一。針對(duì)目前該課程授課時(shí)學(xué)生專業(yè)分布廣、知識(shí)背景差距較大的問(wèn)題，本文從課程內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段三個(gè)方面提出了教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中的一些心得體會(huì)和建議。

關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)反分析；教學(xué)實(shí)踐；心得體會(huì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）16-0227-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，我國(guó)交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。目前我國(guó)已建成各類水庫(kù)87873座，江河堤防29.41萬(wàn)公里，公路410.64萬(wàn)公里，鐵路9.3萬(wàn)公里，橋梁68.94萬(wàn)座，隧道為8522處。但由于設(shè)計(jì)、施工等原因，這些基礎(chǔ)設(shè)施在建成不久后就出現(xiàn)各種各樣的質(zhì)量問(wèn)題。傳統(tǒng)方法一般采用鉆芯取樣的手段進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，這種方法會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定損傷，且檢測(cè)結(jié)果不具有代表性。近年來(lái)，通過(guò)聲、光、電磁、彈性波等手段的無(wú)損檢測(cè)方法逐漸推廣應(yīng)用，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行反分析，可以了解結(jié)構(gòu)質(zhì)量情況。我校為了使土木、交通、水利等工程學(xué)科研究生能夠緊跟國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，掌握工程檢測(cè)領(lǐng)域最新的理論與方法，在我校巖土工程、道路與鐵道工程、水工結(jié)構(gòu)工程等相關(guān)專業(yè)開(kāi)設(shè)了《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程。這門課程除了給學(xué)生講授工程結(jié)構(gòu)反分析的基本原理和方法，還將培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)研究和工程實(shí)踐的能力。然而，由于授課學(xué)時(shí)有限（僅有32個(gè)學(xué)時(shí)），但課程需要講授的內(nèi)容卻很多，若全面講解時(shí)間不允許，且容易造成學(xué)生感覺(jué)滿堂灌，產(chǎn)生煩躁情緒，不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，由于研究生專業(yè)比較分散，雖然同屬大工程學(xué)科，但專業(yè)背景各不相同，而該課程的綜合性很強(qiáng)、涉及面廣，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)這門課程較為吃力。針對(duì)這些問(wèn)題，筆者結(jié)合《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程講授過(guò)程中的一些心得體會(huì)，對(duì)這門課程的課程內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)手段提出一些建議。

一、課程內(nèi)容方面[1]

1.精簡(jiǎn)課程內(nèi)容，刪去其他課程中已經(jīng)介紹過(guò)的內(nèi)容?！豆こ探Y(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程講授的方法主要包括兩大類：一類是傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法，包括單純形法、共軛梯度法、最小二乘法等；另一類是現(xiàn)代智能優(yōu)化算法，主要包括模擬退火算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、粒子群算法、蟻群算法等。面對(duì)種類如此繁多的優(yōu)化方法和有限的課程時(shí)間（研究生專業(yè)課學(xué)時(shí)數(shù)僅為32學(xué)時(shí)），如何讓學(xué)生既能初步了解各類優(yōu)化方法的基本原理，又能掌握其在工程結(jié)構(gòu)反分析中的應(yīng)用是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。要想解決這一問(wèn)題，就必須對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行刪減，其中，由于傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法的求解思路和基本原理在專業(yè)基礎(chǔ)課《優(yōu)化算法》這門課程中已經(jīng)進(jìn)行過(guò)講解，因此在本課程中不再對(duì)這些方法的基本原理進(jìn)行講解，著重講解各類優(yōu)化算法的求解過(guò)程以及優(yōu)缺點(diǎn)，讓學(xué)生掌握如何利用各類優(yōu)化算法解決不同類型的工程實(shí)際問(wèn)題。

2.突出重點(diǎn)問(wèn)題，要在課堂上講解工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的方法。這門課程需講授的內(nèi)容很多，包括多種傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法和現(xiàn)代智能優(yōu)化算法。目前，將傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法應(yīng)用于實(shí)際實(shí)踐已經(jīng)有上百年，這些方法雖然能夠解決一部分實(shí)際工程問(wèn)題，但其收斂精度和收斂速度受初值影響較大，也就是說(shuō)當(dāng)參數(shù)選取范圍不合適時(shí)，算法容易發(fā)散，因此，這類方法目前在工程實(shí)踐中應(yīng)用不多。所以，本課程僅用4個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的介紹，讓學(xué)生了解傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法的種類以及優(yōu)缺點(diǎn)，并以系統(tǒng)識(shí)別算法為例，向?qū)W生講述如何利用該算法解決工程實(shí)際問(wèn)題。本課程的重點(diǎn)是向?qū)W生講解當(dāng)前工程實(shí)踐中普遍應(yīng)用的各類智能優(yōu)化算法，包括遺傳算法、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模擬退火算法等，通過(guò)對(duì)這些智能優(yōu)化算法原理的講解，讓學(xué)生了解不同種類優(yōu)化算法的求解過(guò)程。

3.緊跟學(xué)科前沿，給學(xué)生講授最新的科研成果。隨著現(xiàn)代智能仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各種智能算法層出不窮，這就要求學(xué)生需掌握的知識(shí)和信息也越來(lái)越多。因此，這門課程除了要求學(xué)生掌握遺傳算法、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等已經(jīng)比較成熟的智能優(yōu)化算法外，還需要了解一些最新提出的智能優(yōu)化算法。比如，根據(jù)果蠅覓食過(guò)程受到啟發(fā)提出的果蠅算法，由螢火蟲(chóng)閃爍行為受到啟發(fā)提出的螢火蟲(chóng)算法等，這些新方法的介紹非常有利于拓寬學(xué)生的視野，增加學(xué)生的知識(shí)面。此外，本課程中還會(huì)講授一些專家學(xué)者對(duì)于遺傳算法、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的改進(jìn)技術(shù)，教導(dǎo)學(xué)生如何在科學(xué)研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，有利于提高學(xué)生的科研能力，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)。

二、教學(xué)方法方面[2-5]

1.由實(shí)際工程入手，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。無(wú)論是傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法還是現(xiàn)代智能優(yōu)化算法，其原理多為復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，傳統(tǒng)教學(xué)方法多從算法基本原理入手向?qū)W生講授，學(xué)生聽(tīng)課感覺(jué)枯燥乏味，不知所云，提不起興趣。本課程從工程實(shí)踐入手，首先向?qū)W生介紹一個(gè)個(gè)的工程案例，讓學(xué)生了解掌握該方法能夠干什么，從而極大地提升的學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和學(xué)習(xí)興趣。例如，在講解粒子群優(yōu)化算法時(shí)，首先給學(xué)生介紹了我國(guó)道路厚度檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，即傳統(tǒng)方法采用鉆芯取樣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)速度慢，且破壞路面結(jié)構(gòu)，而目前普遍采用探地雷達(dá)對(duì)路面結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，通過(guò)對(duì)探地雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行反演分析，可以準(zhǔn)確獲得路面結(jié)構(gòu)層厚度；然后講解如何利用粒子群算法對(duì)路面實(shí)測(cè)探地雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行反演分析，最后對(duì)粒子群算法在路面結(jié)構(gòu)層厚度分析中的精度和效率進(jìn)行總結(jié)。而在講解蟻群算法時(shí)，則是通過(guò)一個(gè)利用蟻群算法反演分析路面結(jié)構(gòu)層模量的實(shí)際例子進(jìn)行講解。通過(guò)不同工程實(shí)際問(wèn)題引出不同智能優(yōu)化算法的講課模式，使學(xué)生首先了解所學(xué)知識(shí)在實(shí)際工程中的應(yīng)用范圍，可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性。

2.設(shè)立興趣小組，令學(xué)生熟練掌握一種工程結(jié)構(gòu)反分析方法。工程結(jié)構(gòu)反分析這門課程將會(huì)詳細(xì)講授多種優(yōu)化算法，但對(duì)于某個(gè)學(xué)生而言，并不需要其掌握所有的優(yōu)化方法，只需熟練掌握某一種方法，并可以利用該方法解決具體實(shí)際問(wèn)題，對(duì)于其他方法，了解其基本原理即可。因此，在這門課程緒論部分講授完畢后，將學(xué)生分為若干個(gè)興趣小組，一組3～5人，每個(gè)小組針對(duì)某一種算法展開(kāi)研究，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣加入不同的小組。這樣，每一個(gè)小組內(nèi)部，學(xué)生的研究方向都相同，可以有針對(duì)性地閱讀一些文獻(xiàn)，并進(jìn)行相互交流，從而深入了解該算法原理以及在不同工程問(wèn)題中的應(yīng)用方法。endprint

3.采用課程設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行考核，注重培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)踐問(wèn)題的能力。以往工程結(jié)構(gòu)反分析這門課程考試一般采用閉卷考試形式，即由任課教師統(tǒng)一出一張?jiān)嚲?，題目多為論述各種算法的基本原理，使用范圍，求解步驟等，通過(guò)這種形式學(xué)生雖然能夠掌握這些算法的基本原理和求解過(guò)程，但卻不能將該方法應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題。因此，我們將這門課程考試形式改為課程設(shè)計(jì)，由任課老師選取一個(gè)或者幾個(gè)實(shí)際工程問(wèn)題，讓已經(jīng)建立的不同算法興趣小組分別采用自己小組研究的算法解決這些實(shí)際工程問(wèn)題，鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。此外，這門課程的試卷批改方式也有所創(chuàng)新，學(xué)生的課程設(shè)計(jì)完成后不再由任課老師統(tǒng)一批改并打分，而是由每個(gè)興趣小組制作課程設(shè)計(jì)匯報(bào)PPT，并從小組中推選出一位代表，到講臺(tái)上為全班同學(xué)進(jìn)行講解，任課老師和其他組的同學(xué)在講臺(tái)下對(duì)其成果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和打分，如果遇到不明白的問(wèn)題，還將現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)。采用這種模式可以增加學(xué)生與任課教師之間以及學(xué)生與學(xué)生之間的交流互動(dòng)，活躍課堂氣氛，不僅可以增進(jìn)學(xué)生老師之間的感情，還可以鍛煉學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力，提高研究生的綜合素質(zhì)。

三、目前教學(xué)過(guò)程中普遍采用多媒體教學(xué)[6]

這種教學(xué)方法可以令學(xué)生更加生動(dòng)和直觀地了解所學(xué)課程的相關(guān)內(nèi)容。但由于《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程牽扯到一些理論公式推導(dǎo)，如果這部分內(nèi)容完全采用PPT進(jìn)行講解，講課速度過(guò)快，學(xué)生難以理解。因此，本課程采用板書(shū)與PPT相結(jié)合的方式進(jìn)行授課，即對(duì)于工程背景等內(nèi)容采用多媒體進(jìn)行講授，對(duì)于優(yōu)化算法中的理論公式推導(dǎo)，采用板書(shū)的形式，帶領(lǐng)學(xué)生一步一步進(jìn)行演算，給予學(xué)生充分的時(shí)間消化知識(shí)，理解概念，同時(shí)也增加了課堂教學(xué)的靈活性。

《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程在土木工程、交通運(yùn)輸工程、水利工程等學(xué)科研究生教育中占有重要的地位，它主要應(yīng)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題。為了適應(yīng)現(xiàn)代工程安全檢測(cè)需要，針對(duì)《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程的課程內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段中存在的問(wèn)題和不足，提出了自己的心得和建議。該課程在巖土工程、道路橋梁工程、水工結(jié)構(gòu)工程專業(yè)教學(xué)中表明，學(xué)生理論知識(shí)學(xué)習(xí)情況，解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力都得到了較大提升。本文對(duì)《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門研究生課程的改革和教學(xué)實(shí)踐，希望能為其他高校相關(guān)學(xué)科教學(xué)實(shí)踐提供些思路。

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