工程結構可靠度分析課堂教學的 改革與實踐

李會軍 李宗利

摘? ? 要：“工程結構可靠度分析”課程是鋼筋混凝土結構、鋼結構等專業課程的重要理論基礎，涉及的概率與數理統計知識較多，具有邏輯性強、內容枯燥等特點，學生普遍感覺學習難度大。根據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，然后從課程教學內容的優化、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。

關鍵詞：可靠度理論;教學改革;教學方法;教學內容

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

工程結構可靠度分析是土木工程、水利工程等專業的專業基礎課程，其主要先修課程是概率論與數理統計、高等數學與結構力學等，該門課程是鋼筋混凝土結構、鋼結構與土力學等專業課程的重要理論基礎。它主要闡述了結構可靠性的基本概念與原理、結構可靠度與失效概率的計算、作用和作用效應、結構和構件的抗力等。通過該門課程的學習使學生深入理解結構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構的安全性、適用性與耐久性等。

研究生課程是本科教育的延續與提升，高等專業課程可拓展研究生的專業視野，與日后的科學研究方向息息相關，可為科學研究奠定一定的基礎[1]。大多數院校該門課程設置的教學學時為32課時，教學課時偏少，而教學內容涉及的數學知識較多、專業背景廣，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，更有甚者產生畏懼心理，最終使得教學效果不甚理想，實現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，針對工程結構可靠度分析課程教學中存在的主要問題與不足，筆者結合該門課程的教學經歷與科研實踐，從課程教學內容的優化、教學方式的改變及軟件應用能力的培養等方面淺談對本門課程的幾點教學體會。

一、現存問題

（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，對工程結構可靠度分析這門課程的重視程度不夠，教學課時偏少[2]。該門課程的教學內容多且廣，除了工程結構可靠度的基本理論之外，還包含了結構及構件的抗力、作用及作用效應等內容，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

工程結構可靠度分析涉及概率論與數理統計、隨機過程和模糊數學等知識，也涉及結構力學、鋼筋混凝土結構、鋼結構、土力學及工程結構抗震等專業基礎知識。首先，教學內容多且難于理解的內容又不少，學時少得可憐，教師往往為了在既定的學時內完成教學內容，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，只能采用傳統的“填鴨式”教學。再者，因涉及數學知識面廣，且難度較大，學生對隨機事件、隨機過程和模糊數學等知識的認識與理解不足[3]，學生的數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。而這些內容卻是工程結構可靠度分析課程的重要理論基礎，在進行相關公式的推演、結構的可靠度及失效概率的計算過程中要經常使用到，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

傳統的工程結構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學生解決實際工程問題的能力，使得教學與工程實踐脫節。事實上，工程結構可靠度分析的一個重要特點是面向計算機和工程應用，工程結構可靠度分析的相關算法（FORM、MCM等）最終要通過編程（如Matlab、Fortran、VB或VC等）或應用現有可靠度計算軟件在計算機上得以實現。學生只有通過系統的理論學習、編制程序和上機練習，才能真正理解與掌握相關可靠度理論算法。而目前工程結構可靠度分析課程教學大綱尚未安排上機實踐教學環節，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）鞏固數學基礎課程，培養學生興趣

學生的數學基礎課程學習不扎實是學習工程結構可靠度分析課程的最大障礙，在學習課程章節（尤其是結構可靠度的計算）之前或在授課過程中應復習、練習概率論與數理統計和隨機過程課程中的對應知識點，來強化學生的數學基礎知識。工程結構可靠度分析主要講授工程結構涉及的隨機變量、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理統計的難點。在講授對應章節時，可安排必要的時間復習與鞏固可靠度理論相關知識，這樣利于學生對概率論與數理統計知識的理解與掌握，利于消除學生對工程結構可靠度分析學習的恐懼感，可培養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）優選學習資料，優化教學內容

目前，適于工程結構可靠度理論碩士生課程教學的教材并不多，國內大多數高校工程結構可靠度分析課程采用的教材是由貢金鑫、魏巍巍編著的《工程結構可靠性設計原理》[5]，該教材內容的編排較為系統、全面，適于碩士生的學習。該教材主要內容如下：結構可靠性的基本概念和原理，結構可靠度的計算，結構上的作用和作用效應，結構及構件的抗力，結構可靠度校準及極限狀態設計等。在后兩章還補充了結構的穩健性與抗連續倒塌設計和既有結構的可靠性評估，目前這兩部分內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、數理統計與隨機過程等數學知識，可采用重點講授與學生自學相結合的方式進行。在課堂講解時應穿插國內外規范現狀及發展趨勢、科研最新進展，來開闊學生的學術視野。除此之外，可適當引入國外優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內容，通過學習開闊了學生的視野，同時增加了學生的工程結構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、水利工程等專業來說，分析和解決問題的能力顯得尤為重要。目前結構的設計與分析和結構計算軟件密不可分。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個結構分析軟件亦必不可少。工程結構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構可靠度的計算，如應用FORM、MCM等方法計算結構及構件的可靠度或失效概率，該部分內容數學運算多，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現問題與解決問題的能力。近兩年國內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先采用Matlab軟件進行編程。實踐證明，這種教學實踐方式激發了學生的學習興趣，培養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，為他們日后的研究生選題乃至科學研究奠定扎實的基礎。

（四）發揮多媒體、網絡教學平臺優勢

因多數學生缺少與實際工程接觸的機會，故需強化學生對結構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，向學生介紹一些典型的工程結構可靠度計算的實例，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。如今多數高校已建立了網絡教學綜合平臺，網絡教學綜合平臺是現代化教學手段的有益補充，授課教師可將教學課件、國內外工程結構可靠度相關文獻上傳于平臺，供學生學習，也可在教學平臺上進行答疑、布置作業等。網絡教學綜合平臺是傳統教學的有益補充，極大地提高了教學質量，豐富了學生的學習途徑。

（五）結合科研最新動態，激發創新精神

碩士研究生的教學活動旨在培養學生的分析問題與解決問題的能力，培養學生的獨立研究的能力。授課教師可根據結構可靠度理論的發展動態（尤其是新的可靠度計算方法及其改進方法）[12]，及時調整相應模塊的知識結構，拓展學生的知識面。應在理解工程結構可靠度的基本理論基礎之上，側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，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、結論

工程結構可靠度分析課程在土木工程、水利工程等專業中占有非常重要的地位，涉及的數學知識較多，邏輯性強，內容枯燥。優化教學內容，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，重視實踐環節可有效改善教學效果，激發學生的學習興趣、積極性與創造性，可提高學生解決實際工程問題的能力。筆者結合工程結構可靠度分析的教學與科研經歷，對目前教學中存在的主要問題及其相應對策進行了探討，希望對工程結構可靠度分析課程的教學有所裨益。

參考文獻：

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