工程結(jié)構(gòu)可靠性概論教學(xué)研究與探索

解社娟 陳玲莉 吳瑩 陳振茂

[摘 要]以西安交通大學(xué)力學(xué)學(xué)科工程結(jié)構(gòu)可靠性概論課程的教學(xué)改革為契機(jī)，以一位新任授課教師的視點(diǎn)，針對(duì)拓寬學(xué)生視野、提升課堂凝聚力的需求，從課程內(nèi)容優(yōu)化設(shè)置、教學(xué)模式探索改進(jìn)、新任授課教師培養(yǎng)機(jī)制三方面，對(duì)西安交通大學(xué)力學(xué)學(xué)科的工程結(jié)構(gòu)可靠性概論課程進(jìn)行教學(xué)研究與探索，有效促進(jìn)了西安交通大學(xué)力學(xué)專業(yè)課程的教學(xué)改革和教學(xué)效果提升。

[關(guān)鍵詞]力學(xué)學(xué)科;結(jié)構(gòu)可靠性;教學(xué)改革;新教師體會(huì)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）11-0060-03

一、引言

西安交通大學(xué)力學(xué)學(xué)科入選了教育部“雙一流”學(xué)科建設(shè)名單，在第四輪教育部學(xué)科評(píng)估中獲評(píng)A類，和哈爾濱工業(yè)大學(xué)力學(xué)學(xué)科在全國(guó)高校力學(xué)學(xué)科中排名并列第三，力學(xué)專業(yè)作為學(xué)科的關(guān)鍵支撐獲評(píng)教育部特色專業(yè)。這其中，完備的課程設(shè)置和豐富的課程建設(shè)成果對(duì)西安交通大學(xué)力學(xué)學(xué)科的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。西安交通大學(xué)力學(xué)專業(yè)設(shè)置有10門以上的力學(xué)專業(yè)課，包括：理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、流體力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等，同時(shí)也設(shè)置了多門特色專業(yè)課程，如工程結(jié)構(gòu)可靠性，這些課程構(gòu)成了完整的工程力學(xué)知識(shí)體系，有力支撐了力學(xué)特色專業(yè)人才培養(yǎng)。

在力學(xué)專業(yè)課程中，絕大多數(shù)課程理論是基于確定論理念，涉及的力學(xué)量均為確定量，不具有隨機(jī)性。如理論力學(xué)中準(zhǔn)確計(jì)算約束反力、材料力學(xué)中準(zhǔn)確計(jì)算桿件的彎曲變形等均需要確定的載荷、材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)等[1]。為了完善學(xué)生處理實(shí)際工程問題的能力，完善其知識(shí)體系，西安交通大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┝W(xué)學(xué)科增加了基于概率論描述評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全的工程結(jié)構(gòu)可靠性課程，讓學(xué)生了解實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的失效和破壞都具有一定的隨機(jī)性，即結(jié)構(gòu)破壞須利用工程可靠性的知識(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。該門課程是針對(duì)大學(xué)四年級(jí)上學(xué)期的學(xué)生開設(shè)的?？紤]到這一課程的特點(diǎn)和開課時(shí)機(jī)，為拓寬學(xué)生視野、提升學(xué)生課堂凝聚力，通過教學(xué)改革和創(chuàng)新，適當(dāng)調(diào)整教學(xué)模式、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容非常有必要。

本文介紹筆者針對(duì)工程結(jié)構(gòu)可靠性概論課程教學(xué)和考核進(jìn)行的一些改革和嘗試。同時(shí)，從新任授課教師的視角，介紹西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院對(duì)青年新任授課教師的培養(yǎng)機(jī)制，分析了青年教師健康快速成長(zhǎng)的體會(huì)。論文對(duì)力學(xué)學(xué)科課程體系建設(shè)和教學(xué)效果的提高，以及青年授課教師的成長(zhǎng)，具有一定的參考意義。

二、教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）教學(xué)內(nèi)容需進(jìn)一步優(yōu)化

目前，國(guó)內(nèi)尚無專門針對(duì)力學(xué)學(xué)科學(xué)生的結(jié)構(gòu)可靠性課程的合適教材。內(nèi)容較完整的可靠性課程的教材有宋保維教授的《系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與分析》等，該教材由西北工業(yè)大學(xué)出版社出版，內(nèi)容完善、翔實(shí)。但該教材缺少可靠性的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)部分，并且該教材在故障樹章節(jié)內(nèi)容后，用很大篇幅對(duì)電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)與分析展開闡述，這部分對(duì)力學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說是相對(duì)冗余的。國(guó)內(nèi)目前現(xiàn)有的教材無法更好滿足力學(xué)專業(yè)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性知識(shí)體系全面掌握的需求。

（二）教學(xué)模式的相對(duì)單一

傳統(tǒng)課堂用板書展現(xiàn)所講授的知識(shí)內(nèi)容，書寫所需時(shí)間長(zhǎng)，形式單調(diào)，一些復(fù)雜公式的邏輯關(guān)系不太能夠清晰展現(xiàn)。

（三）一線授課教師隊(duì)伍的年輕化

近年來，隨著國(guó)內(nèi)科研條件、科研設(shè)備的逐步完善，響應(yīng)祖國(guó)的號(hào)召，大量海外留學(xué)青年人才陸續(xù)回國(guó)發(fā)展。高校教師隊(duì)伍中年輕人才比例持續(xù)增加，平均年齡逐步下降，教師隊(duì)伍的國(guó)際化水平和科研活力逐步提升。但相對(duì)應(yīng)的，年輕教師缺少授課經(jīng)驗(yàn)，雖在授課前進(jìn)行了一定的崗前培訓(xùn)，但授課經(jīng)驗(yàn)仍然不足，課堂掌控力有限，這導(dǎo)致課堂上學(xué)生走神等問題突出。因本門可靠性課程安排在大學(xué)四年級(jí)上學(xué)期，這時(shí)部分學(xué)生面臨考研、就業(yè)等壓力，課堂上學(xué)生的專注力不足等問題尤為嚴(yán)重。

三、教學(xué)研究與探索

針對(duì)以上本門可靠性課程的教學(xué)現(xiàn)狀和問題，在教學(xué)過程中，課程組進(jìn)行了廣泛的教學(xué)研究與探索，采取了一系列改進(jìn)措施，這些措施對(duì)拓寬學(xué)生視野、提升課堂凝聚力起到了積極的作用。

（一）優(yōu)化課程內(nèi)容

為了打破學(xué)生至今為止力學(xué)課程中的確定論的思想，本門課程授課中將基于概率論的可靠性思想貫穿于課程章節(jié)始末，并通過概念及力學(xué)結(jié)構(gòu)分析例題不斷強(qiáng)化。

在課程內(nèi)容章節(jié)的安排上，結(jié)合國(guó)內(nèi)教材和國(guó)外教材，合理優(yōu)化安排章節(jié)內(nèi)容。

第一章：緒論及可靠性基本概念，含可靠性工程的主要內(nèi)容、重要性、可靠度、不可靠度、失效密度函數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)、失效率、平均壽命、可靠壽命、中位壽命、壽命方差等基本概念。

第二章：可靠性數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，含概率論基礎(chǔ)知識(shí)、不可靠度概率密度函數(shù)的幾種典型分布（正態(tài)分布、指數(shù)分布、威布爾分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、伽馬分布等），以及可靠性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法。

第三章：系統(tǒng)的可靠性，含串并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性、一般系統(tǒng)的可靠性（簡(jiǎn)化為串并聯(lián)系統(tǒng)、基于條件概率的方法、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)函數(shù)-布爾代數(shù)、路集/割集的概念及求解方法）、可靠性設(shè)計(jì)（如何提高可靠度、可靠度提高和成本降低的綜合考慮和措施）。

第四章：故障模式與可靠性分析，含豎向故障樹/橫向事件樹的概念及繪制方法、故障樹分析的基本過程、故障樹定性分析、故障樹定量分析以及底事件的重要度。

第五章：機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)可靠性分析，首先，含機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞、可靠性分析基本模型、安全系數(shù)和可靠性因子的關(guān)系、可靠性因子的計(jì)算方法（一階二次矩法和推廣二次矩法等）、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià);其次，在理論完善的基礎(chǔ)上，針對(duì)理論力學(xué)和材料力學(xué)的典型題目，融入可靠性理念后課堂內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用分析。

第六章：維修性和可用性，含維護(hù)性和可用性的概念、單一系統(tǒng)的可用度分析、串聯(lián)系統(tǒng)的可用度分析、并聯(lián)系統(tǒng)的可用度分析、系統(tǒng)維護(hù)策略（事后維護(hù)、預(yù)防維護(hù)、部件更換等）。

第七章：可靠性知識(shí)在典型力學(xué)問題中的運(yùn)用及案例分析。

鑒于目前還沒有合適的中文教材，在授課過程中，教師可通過新型現(xiàn)代化通信手段（微信群、QQ群等）給學(xué)生發(fā)放自制的課程電子版講義，供學(xué)生學(xué)習(xí)參考。并且，結(jié)合國(guó)內(nèi)教材和國(guó)外教材，課程組正在籌劃編撰適合于國(guó)內(nèi)力學(xué)專業(yè)學(xué)生的更全面、更完整、更有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)可靠性課程的教材。

（二）融入多樣化的教學(xué)模式和手段

1.有機(jī)結(jié)合PPT和板書

在授課形式上，將PPT和板書進(jìn)行合理結(jié)合。公式推導(dǎo)部分，在PPT上展現(xiàn)的同時(shí)，用黑板重新推導(dǎo)一遍，便于理順邏輯、引導(dǎo)學(xué)生思考、引起學(xué)生共鳴;其余概念和定義性的內(nèi)容，主要用PPT展現(xiàn)。這樣安排節(jié)省了大量板書書寫概念文字的時(shí)間。如此，可以在有限的時(shí)間內(nèi)講解更多與課程內(nèi)容相關(guān)的拓展知識(shí)，例如與系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)相關(guān)的理論學(xué)術(shù)前沿;大型航天器、大飛機(jī)、核電站、ITER托卡馬克聚變堆等國(guó)際重大裝備中用到的可靠性相關(guān)的設(shè)計(jì)理念;校外科研院所、企事業(yè)等國(guó)內(nèi)和國(guó)際知名社會(huì)單位對(duì)與該課程知識(shí)體系相關(guān)的人才需求狀況等，以進(jìn)一步幫助拓寬學(xué)生的知識(shí)面，開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.進(jìn)一步提升課堂的掌控力

教師對(duì)課堂的掌控能力與教學(xué)效果的好壞息息相關(guān)，值得每一位教師深入思考。在對(duì)所講內(nèi)容充分熟悉的基礎(chǔ)上，對(duì)學(xué)生心理、思維活動(dòng)狀態(tài)的了解有助于教師提升課堂教學(xué)效果。如對(duì)課堂抬頭率的實(shí)時(shí)觀測(cè)，對(duì)走神學(xué)生、犯困學(xué)生、聊天學(xué)生、看手機(jī)學(xué)生的實(shí)時(shí)捕獲，這些信息的掌握對(duì)教師及時(shí)調(diào)整講課方式、提高學(xué)生注意力都有很大的幫助。因該課程設(shè)置在本科四年級(jí)上學(xué)期，部分學(xué)生此時(shí)正處于積極備戰(zhàn)考研、積極規(guī)劃尋找就業(yè)單位[2]的關(guān)鍵階段，課堂出勤率、抬頭率都存在一定問題，專心聽課的學(xué)生比例不大。對(duì)此，筆者采取了一系列措施。

第一，為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，盡量挑個(gè)別學(xué)生在課程開始前5分鐘來講解自己的作業(yè)部分。

第二，設(shè)置課堂隨機(jī)點(diǎn)名、隨機(jī)提問環(huán)節(jié)，針對(duì)提問答不上來的學(xué)生，采取請(qǐng)其自行尋找能幫助他回答的同學(xué)的方式，這樣有助于活躍課堂氣氛，增強(qiáng)學(xué)生的注意力。也可增加學(xué)生交流環(huán)節(jié)，采用小范圍討論或點(diǎn)名式討論，但要保證在講課過程中至少每20分鐘要和學(xué)生互動(dòng)一次，以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和參與性。

第三，對(duì)每堂課50分鐘的課程內(nèi)容進(jìn)行合理安排。將相對(duì)枯燥的最核心、最重要、最難理解的知識(shí)點(diǎn)放在每堂課的開始的10—15分鐘，這個(gè)時(shí)間段學(xué)生的注意力最集中，容易對(duì)重點(diǎn)知識(shí)消化和吸收。隨后，安排更有趣味的知識(shí)擴(kuò)展，防止學(xué)生走神。這樣有助于實(shí)現(xiàn)在整個(gè)課堂中凝聚學(xué)生的注意力。

第四，針對(duì)大四的學(xué)生，學(xué)生即將讀研或走向工作崗位，在課堂內(nèi)容的安排上，可以考慮先講校外企事業(yè)用人單位對(duì)本課程知識(shí)體系的需求，再引出知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行理論講解，最后結(jié)合實(shí)踐加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握[3-5]。

最后，上課前可以適當(dāng)認(rèn)真準(zhǔn)備一些問題，課間，課后讓學(xué)生完成，這樣可以知道學(xué)生的聽課效果。課后提一些課程延伸問題，讓部分學(xué)有余力的學(xué)生參與完成，這樣可以促使學(xué)生思考，提高學(xué)生的興趣。

3.增加實(shí)踐過程

首先，在該課程中，專門設(shè)置一次現(xiàn)場(chǎng)課，現(xiàn)場(chǎng)集中講解與課程內(nèi)容相關(guān)的西安交通大學(xué)力學(xué)學(xué)科國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)裝備和科研方向，通過實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)授課的方式，將理論課的講解與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合[6-7]。其次，邀請(qǐng)與課程內(nèi)容相關(guān)科研方向的碩士、博士生到課堂現(xiàn)身講解科研細(xì)節(jié)和基礎(chǔ)理論知識(shí)在科研中的運(yùn)用，加強(qiáng)學(xué)生與學(xué)生之間的溝通與知識(shí)共享，這也間接借鑒了現(xiàn)代教學(xué)中翻轉(zhuǎn)課堂的理念[8-11]。翻轉(zhuǎn)課堂及混合式教學(xué)模式作為現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)新時(shí)期全新的教學(xué)理念，在今后的教學(xué)過程中會(huì)隨著教師和學(xué)生的不斷反饋、不斷迭代更加豐富與完善。

（三）有效培養(yǎng)青年教師隊(duì)伍

西安交通大學(xué)力學(xué)學(xué)科建立和完善了教師隊(duì)伍的傳幫帶機(jī)制。首先，青年教師在授課之前，進(jìn)行崗前培訓(xùn);其次，進(jìn)行一個(gè)學(xué)期的課程助教工作（隨堂聽課，學(xué)習(xí)講課方法，學(xué)習(xí)批改作業(yè)，學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生考核方式的制定，學(xué)習(xí)批改試卷的各種規(guī)范等）;然后，在第一次開課時(shí)，還會(huì)配置一對(duì)一的輔導(dǎo)教師，輔導(dǎo)教師會(huì)進(jìn)行整個(gè)學(xué)期的隨堂聽課，并在每次聽課后給出詳細(xì)的點(diǎn)評(píng)（包括知識(shí)點(diǎn)過渡是否連貫，重要知識(shí)點(diǎn)講解是否清晰和準(zhǔn)確，語速是否合適，音量是否合適，板書與PPT的結(jié)合是否到位等），青年教師也因此獲得與輔導(dǎo)教師進(jìn)行及時(shí)溝通的機(jī)會(huì)，不足之處能夠得到及時(shí)反饋和記錄，并在下節(jié)課中予以糾正和體現(xiàn)。這一系列的措施都快速提升了青年教師的授課能力，很好地保證了青年教師隊(duì)伍的授課水平。

筆者是本科生授課的新教師，承擔(dān)力學(xué)學(xué)科的理論力學(xué)和工程結(jié)構(gòu)可靠性概論兩門本科生課程。2019年是筆者給本科生授課的第二年，經(jīng)過助教時(shí)期的學(xué)習(xí)和輔導(dǎo)教師的一對(duì)一跟蹤輔導(dǎo)，筆者在課堂上得到了學(xué)生的一致認(rèn)可和好評(píng)，教學(xué)效果95.2分（學(xué)校平均分為89分）。

四、結(jié)語

結(jié)構(gòu)可靠性課程作為力學(xué)學(xué)科的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的力學(xué)分析中的可靠性思想非常重要。隨著高校青年教師隊(duì)伍的逐步增加，青年教師的授課能力對(duì)高校大學(xué)生的知識(shí)和素質(zhì)培養(yǎng)越來越重要。本文以西安交通大學(xué)力學(xué)學(xué)科工程結(jié)構(gòu)可靠性概論課程的教學(xué)改革為契機(jī)，以一位新任授課教師的視點(diǎn)，從課程內(nèi)容優(yōu)化設(shè)置、教學(xué)模式探索改進(jìn)、新任授課教師培養(yǎng)機(jī)制三方面，對(duì)西安交通大學(xué)力學(xué)學(xué)科的工程結(jié)構(gòu)可靠性概論課程進(jìn)行了教學(xué)研究與探索，給出了若干具有參考價(jià)值的建議。

致謝

本文特別感謝西安交通大學(xué)陳玲莉教授在教學(xué)過程中給予的諸多寶貴、細(xì)致的指導(dǎo)，以及新疆大學(xué)胡國(guó)玉副教授在論文撰寫過程中給予的諸多寶貴的建議和指導(dǎo)。

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[責(zé)任編輯：陳 明]