工程結(jié)構(gòu)可靠度分析課堂教學的 改革與實踐

李會軍 李宗利

摘? ? 要：“工程結(jié)構(gòu)可靠度分析”課程是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等專業(yè)課程的重要理論基礎，涉及的概率與數(shù)理統(tǒng)計知識較多，具有邏輯性強、內(nèi)容枯燥等特點，學生普遍感覺學習難度大。根據(jù)該門課程的特點與教學要求，文章分析了課堂教學中存在的主要問題及成因，然后從課程教學內(nèi)容的優(yōu)化、教學方式的改變等方面進行教學改革與實踐。實踐表明，改進的教學方法激發(fā)了學生的積極性與主動性，活躍了課堂氛圍，提高了學生的可靠度軟件應用能力及動手編程能力，增強了學生解決實際工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：可靠度理論;教學改革;教學方法;教學內(nèi)容

中圖分類號：G642.0? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2019）03-0001-03

工程結(jié)構(gòu)可靠度分析是土木工程、水利工程等專業(yè)的專業(yè)基礎課程，其主要先修課程是概率論與數(shù)理統(tǒng)計、高等數(shù)學與結(jié)構(gòu)力學等，該門課程是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)與土力學等專業(yè)課程的重要理論基礎。它主要闡述了結(jié)構(gòu)可靠性的基本概念與原理、結(jié)構(gòu)可靠度與失效概率的計算、作用和作用效應、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗力等。通過該門課程的學習使學生深入理解結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念與原理、掌握可靠度的常用計算方法（如FORM、MCM等）及熟練應用可靠度理論分析結(jié)構(gòu)的安全性、適用性與耐久性等。

研究生課程是本科教育的延續(xù)與提升，高等專業(yè)課程可拓展研究生的專業(yè)視野，與日后的科學研究方向息息相關(guān)，可為科學研究奠定一定的基礎[1]。大多數(shù)院校該門課程設置的教學學時為32課時，教學課時偏少，而教學內(nèi)容涉及的數(shù)學知識較多、專業(yè)背景廣，且理論抽象、難度大，教師與學生都會遇到兩難的困境。在傳統(tǒng)的教學模式當中，教師往往采取“填鴨式”的教學方法，學生只能被動地理解與記憶海量的理論公式。在一定程度上降低了教師授課的積極性，學生也往往缺乏學習熱情與積極性，更有甚者產(chǎn)生畏懼心理，最終使得教學效果不甚理想，實現(xiàn)學生靈活運用所學可靠度知識去解決實際工程問題的目標難度較大。

基于此，針對工程結(jié)構(gòu)可靠度分析課程教學中存在的主要問題與不足，筆者結(jié)合該門課程的教學經(jīng)歷與科研實踐，從課程教學內(nèi)容的優(yōu)化、教學方式的改變及軟件應用能力的培養(yǎng)等方面淺談對本門課程的幾點教學體會。

一、現(xiàn)存問題

（一）對課程的認識不足

因種種原因，有些高校在課程的設置上，對工程結(jié)構(gòu)可靠度分析這門課程的重視程度不夠，教學課時偏少[2]。該門課程的教學內(nèi)容多且廣，除了工程結(jié)構(gòu)可靠度的基本理論之外，還包含了結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗力、作用及作用效應等內(nèi)容，其中作用（包括恒載、風載、地震作用和土壓力等）涉及概率模型與統(tǒng)計分析，使得授課教師用于講授可靠度理論的學時很緊張。再加上學生對該課程的重視程度不夠，大多學生認為可靠度理論知識對今后的工作幫助并不大，在實際工程的設計中可能用不到可靠度理論內(nèi)容。因此，不少學生對該門課程興趣不大，投入的學習時間也相對比較少。而課程教學學時的減少也潛移默化地使學生認為該門課程不太重要。

（二）難度大致使學生學習興趣不高

工程結(jié)構(gòu)可靠度分析涉及概率論與數(shù)理統(tǒng)計、隨機過程和模糊數(shù)學等知識，也涉及結(jié)構(gòu)力學、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、土力學及工程結(jié)構(gòu)抗震等專業(yè)基礎知識。首先，教學內(nèi)容多且難于理解的內(nèi)容又不少，學時少得可憐，教師往往為了在既定的學時內(nèi)完成教學內(nèi)容，每一章理論知識的講授只能淺嘗輒止，很少有時間安排討論課，只能采用傳統(tǒng)的“填鴨式”教學。再者，因涉及數(shù)學知識面廣，且難度較大，學生對隨機事件、隨機過程和模糊數(shù)學等知識的認識與理解不足[3]，學生的數(shù)學基礎普遍不夠扎實，大大降低了學生的學習興趣與積極性。而這些內(nèi)容卻是工程結(jié)構(gòu)可靠度分析課程的重要理論基礎，在進行相關(guān)公式的推演、結(jié)構(gòu)的可靠度及失效概率的計算過程中要經(jīng)常使用到，故教師往往需花費不少時間重新講授這些基礎知識，致使教學效果不甚理想。

（三）理論教學與工程實踐教學脫節(jié)

傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)可靠度分析課程中理論教學基本上占用了所有的課時，很少有時間訓練學生的工程實踐能力[4]，單純的理論知識教學很難適應日后的工作需求。傳統(tǒng)的教學往往注重研究生理論知識的掌握與理解，但在某種程度上忽略了培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力，使得教學與工程實踐脫節(jié)。事實上，工程結(jié)構(gòu)可靠度分析的一個重要特點是面向計算機和工程應用，工程結(jié)構(gòu)可靠度分析的相關(guān)算法（FORM、MCM等）最終要通過編程（如Matlab、Fortran、VB或VC等）或應用現(xiàn)有可靠度計算軟件在計算機上得以實現(xiàn)。學生只有通過系統(tǒng)的理論學習、編制程序和上機練習，才能真正理解與掌握相關(guān)可靠度理論算法。而目前工程結(jié)構(gòu)可靠度分析課程教學大綱尚未安排上機實踐教學環(huán)節(jié)，最終學生只是為了湊學分而學習，隨著時間的推移，或許所學理論知識將被漸漸地淡忘，最終難以達到學以致用的效果與目的。

二、教學改革舉措

（一）鞏固數(shù)學基礎課程，培養(yǎng)學生興趣

學生的數(shù)學基礎課程學習不扎實是學習工程結(jié)構(gòu)可靠度分析課程的最大障礙，在學習課程章節(jié)（尤其是結(jié)構(gòu)可靠度的計算）之前或在授課過程中應復習、練習概率論與數(shù)理統(tǒng)計和隨機過程課程中的對應知識點，來強化學生的數(shù)學基礎知識。工程結(jié)構(gòu)可靠度分析主要講授工程結(jié)構(gòu)涉及的隨機變量、失效概率、可靠度及其物理意義等問題，這些都是概率論與數(shù)理統(tǒng)計的難點。在講授對應章節(jié)時，可安排必要的時間復習與鞏固可靠度理論相關(guān)知識，這樣利于學生對概率論與數(shù)理統(tǒng)計知識的理解與掌握，利于消除學生對工程結(jié)構(gòu)可靠度分析學習的恐懼感，可培養(yǎng)和提高學生的學習興趣，從而使得課堂教學達到事半功倍的效果。

（二）優(yōu)選學習資料，優(yōu)化教學內(nèi)容

目前，適于工程結(jié)構(gòu)可靠度理論碩士生課程教學的教材并不多，國內(nèi)大多數(shù)高校工程結(jié)構(gòu)可靠度分析課程采用的教材是由貢金鑫、魏巍巍編著的《工程結(jié)構(gòu)可靠性設計原理》[5]，該教材內(nèi)容的編排較為系統(tǒng)、全面，適于碩士生的學習。該教材主要內(nèi)容如下：結(jié)構(gòu)可靠性的基本概念和原理，結(jié)構(gòu)可靠度的計算，結(jié)構(gòu)上的作用和作用效應，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗力，結(jié)構(gòu)可靠度校準及極限狀態(tài)設計等。在后兩章還補充了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性與抗連續(xù)倒塌設計和既有結(jié)構(gòu)的可靠性評估，目前這兩部分內(nèi)容是科研的熱點問題，可為學生的科研工作提供參考、奠定基礎。對于概率論、數(shù)理統(tǒng)計與隨機過程等數(shù)學知識，可采用重點講授與學生自學相結(jié)合的方式進行。在課堂講解時應穿插國內(nèi)外規(guī)范現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、科研最新進展，來開闊學生的學術(shù)視野。除此之外，可適當引入國外優(yōu)秀參考書籍供學生學習[6-8]，筆者曾嘗試在授課過程中選學部分章節(jié)內(nèi)容，通過學習開闊了學生的視野，同時增加了學生的工程結(jié)構(gòu)可靠度理論的英文詞匯量，為學生日后閱讀可靠度英文文獻及撰寫英文學術(shù)論文奠定了一定的基礎。

（三）可靠度計算軟件的充分利用

“工預善其事，必先利其器”，對于土木工程、水利工程等專業(yè)來說，分析和解決問題的能力顯得尤為重要。目前結(jié)構(gòu)的設計與分析和結(jié)構(gòu)計算軟件密不可分。軟件的應用不但可以提高工作效率，而且能完成手算不可能實現(xiàn)的工作。具有扎實的理論功底確實很重要，但熟練掌握1—2個結(jié)構(gòu)分析軟件亦必不可少。工程結(jié)構(gòu)可靠度分析是一門理論性和實踐性很強的課程，若授課教師只側(cè)重于可靠度理論的講授，不要求學生運用所學可靠度求解算法去解決實際工程問題，學生的實踐能力就不能得到有效的提高，學生對可靠度理論的理解也不夠透徹。本課程學習的難點是結(jié)構(gòu)可靠度的計算，如應用FORM、MCM等方法計算結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的可靠度或失效概率，該部分內(nèi)容數(shù)學運算多，手算甚為煩瑣，須通過計算機完成。授課教師可擬定不同的題目供學生練習，要求學生應用高級語言（如MATLAB，VC、VB或FORTRAN）編制可靠度計算小程序或運用可靠度計算軟件（如ANSYS、OpenSees等）來完成作業(yè)或課程論文。其中ANSYS提供了蒙特卡羅和響應面法可靠度分析模塊，OpenSees提供了多種改進的FORM、MCM及MCCNIS等方法，通過現(xiàn)有程序的學習與操作可使學生快速掌握可靠度計算工具，增加學生的成就感，進一步提高學生的學習興趣。學生在編制程序或應用現(xiàn)有軟件過程中必定會遇到不少問題，在自學或教師的幫助下解決遇到問題的過程可提高學生發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力。近兩年國內(nèi)出版了幾本實用的可靠度參考書籍可供學生課后閱讀與學習[9-11]，這些書籍包含大量的可靠度實用計算小程序（如一次二階矩法、二次二階矩法、二次四階矩法、漸進積分法、響應面法和蒙特卡羅法等），為學生的學習與應用提供了方便。幾本書均以Matlab軟件為可靠度計算平臺，該軟件的語言具有簡潔緊湊、實用方便靈活的特點，且該軟件還提供了豐富的庫函數(shù)避開了煩雜的子程序編寫，使得編程人員得以從煩瑣的程序代碼中解放出來，這些優(yōu)點極大地方便了可靠度程序的編制，授課教師可鼓勵學生優(yōu)先采用Matlab軟件進行編程。實踐證明，這種教學實踐方式激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生軟件應用能力與解決實際工程問題的能力，提高了課堂教學效果。熟練掌握現(xiàn)有可靠度計算軟件的操作技能，可以提高學生的編程能力，為他們?nèi)蘸蟮难芯可x題乃至科學研究奠定扎實的基礎。

（四）發(fā)揮多媒體、網(wǎng)絡教學平臺優(yōu)勢

因多數(shù)學生缺少與實際工程接觸的機會，故需強化學生對結(jié)構(gòu)可靠度理論的實踐能力。如今授課教師大多使用多媒體與板書相結(jié)合的方式進行授課，授課教師可充分利用多媒體信息量大、直觀的特點，向?qū)W生介紹一些典型的工程結(jié)構(gòu)可靠度計算的實例，將文字與圖片、視頻相配合，可在一定程度上增強學生的感性認識。如今多數(shù)高校已建立了網(wǎng)絡教學綜合平臺，網(wǎng)絡教學綜合平臺是現(xiàn)代化教學手段的有益補充，授課教師可將教學課件、國內(nèi)外工程結(jié)構(gòu)可靠度相關(guān)文獻上傳于平臺，供學生學習，也可在教學平臺上進行答疑、布置作業(yè)等。網(wǎng)絡教學綜合平臺是傳統(tǒng)教學的有益補充，極大地提高了教學質(zhì)量，豐富了學生的學習途徑。

（五）結(jié)合科研最新動態(tài)，激發(fā)創(chuàng)新精神

碩士研究生的教學活動旨在培養(yǎng)學生的分析問題與解決問題的能力，培養(yǎng)學生的獨立研究的能力。授課教師可根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠度理論的發(fā)展動態(tài)（尤其是新的可靠度計算方法及其改進方法）[12]，及時調(diào)整相應模塊的知識結(jié)構(gòu)，拓展學生的知識面。應在理解工程結(jié)構(gòu)可靠度的基本理論基礎之上，側(cè)重各種算法的研究及其工程應用。教師利用實際工程案例增強學生的工程素質(zhì)，將科研與工程實踐引入至課堂教學當中，來提高教學效果。

三、結(jié)論

工程結(jié)構(gòu)可靠度分析課程在土木工程、水利工程等專業(yè)中占有非常重要的地位，涉及的數(shù)學知識較多，邏輯性強，內(nèi)容枯燥。優(yōu)化教學內(nèi)容，加強學生的軟件使用能力及編程能力，強化典型實際工程案例，重視實踐環(huán)節(jié)可有效改善教學效果，激發(fā)學生的學習興趣、積極性與創(chuàng)造性，可提高學生解決實際工程問題的能力。筆者結(jié)合工程結(jié)構(gòu)可靠度分析的教學與科研經(jīng)歷，對目前教學中存在的主要問題及其相應對策進行了探討，希望對工程結(jié)構(gòu)可靠度分析課程的教學有所裨益。

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