結構可靠度理論課程教學改革與實踐

潘文軍 吳輝琴 鄒萬杰

（廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006）

“結構可靠度理論”是結構工程專業(yè)碩士研究生學位課程的專業(yè)技術基礎必修課，主要介紹結構分析中的可靠度理論、方法和應用。通過該課程內容的學習，使學生掌握結構可靠的基本概念、理論、方法以及應用結構可靠理論判斷分析在役結構的安全、適用及耐久性能；同時，提高學生應用所學知識提高編程能力，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和解決實際問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課程學習、學位論文選題乃至科學研究打下堅實的基礎。

“結構可靠度理論”課程理論性強，涉及教學內容多且都比較抽象，而安排課時（40課時）又很少，因此，無論是教師的“教”，還是學生的“學”，都是兩面難的問題。該課程的傳統(tǒng)教學模式，往往是教師“填鴨式”式的講解教學大綱要求的理論知識，學生被動的理解和記憶一些基本公式，然后通過照搬算例來應付一下課程考試。因此，就教師而言，一定程度上打擊了教師授課的積極性，而對于學生來說，往往缺乏學習熱情和興趣，甚至產(chǎn)生恐懼感，根本達不到讓學生靈活運用所學知識去分析問題和解決問題的預期目標。基于此，本文針對結構可靠度理論課程教學存在的問題，對該課程的教學改革進行了探索。

1 結構可靠度理論課程教學中存在的問題

1.1 教學內容多，學時少的矛盾突出

結構可靠度理論是基于結構的不確定性展開的結構分析，所涉及的內容包括了與不確定性處理有關的概率論、數(shù)理統(tǒng)計、隨機過程和模糊數(shù)學等數(shù)學基礎知識和與結構分析有關的結構力學，混凝土設計原理，結構抗震等專業(yè)基礎知識。廣西科技大學研究生課程“結構可靠度理論”教學大綱2006年開始制定，2008年和2009年作了兩次調整，目前該課程教學大綱的教學內容涵蓋了上述兩大部分內容，建議分配學時僅為40學時（2012年以前和以后，1學時分別為45分鐘和40分鐘），見表1。由表1可知，在該課程教學過程中，教學內容多而且都是非常難理解的內容，而分配學時卻少得可憐。授課教師往往為了在規(guī)定學時內完成既定的教學內容，只能將學時花費在理論知識的講授中，極少安排討論課，演變成了實實在在的“填鴨式”教學。

1.2 前導課程不扎實

結構可靠度分析實質是將概率論、數(shù)理統(tǒng)計、隨機過程和模糊數(shù)學等數(shù)學基礎應用于結構分析。學生的數(shù)學基礎和結構知識將直接關系到該課程的教學效果。雖然學生都經(jīng)歷了研究生入學時的“高等數(shù)學”考試，對高等數(shù)學、線性代數(shù)和概率論與數(shù)理統(tǒng)計等還有一定的印象，但由于這些數(shù)學概念多，難度大，學生們對隨機事件，隨機變量的數(shù)學特征，樣本及其分布等知識的認識和理解不深，甚至印象模糊，尤其是隨機過程和模糊數(shù)學，多數(shù)學生基本不熟悉甚至沒接觸過。而對于結構力學、混凝土設計原理和結構抗震理論等相關課程，學生的專業(yè)水平也參差不齊，部分跨專業(yè)學生甚至未系統(tǒng)學習這些專業(yè)課程。然而，這些內容是結構可靠度理論課程的重要基礎，在進行公式推演和算例分析過程中使用頻率很高，因此，授課教師往往需要花費大量的時間重新講解這些知識，致使教學效果不理想。

1.3 理論教學與實踐教學脫節(jié)[1-4]

由于學時限制，授課教師一般多專注于理論知識的講解，實踐教學環(huán)節(jié)很少甚至沒有。事實上，結構可靠度理論的一個顯著特點應當是面向計算機和工程應用，結構可靠分析的相關算法最終要通過編程或應用數(shù)學軟件在計算機上實現(xiàn)。學生通過系統(tǒng)理論學習、編程和上機操作，才能真正理解和掌握相關算法，切實體會到它的實用性。然而目前“結構可靠度理論”課程教學大綱根本沒有安排課內實踐環(huán)節(jié)，未能檢驗出學生的動手編寫程序的能力。結果是學生只為拿了該課程學分而學習，但沒有達到學以致用的效果。

1.4 考核方式單一

2012年以前的結構可靠度理論課程考試都采用開卷考試，最終評定成績=70%考試成績+30%平時小作業(yè)成績。這種考核方式很難全面反映學生的學習狀況，部分平時課堂學習與討論都表現(xiàn)很好的學生往往因為考試時發(fā)揮失常而得分較低，而一些平時表現(xiàn)平平的學生可能投機取巧考出高分。因此，這種考核方式對于不善于考試的學生顯然不太公平，有可能會挫傷始終努力學習的學生的積極性。

1.5 現(xiàn)代多媒體教學手段運用不夠

結構可靠度理論課程教學中有大量的數(shù)學公式推導和演算過程，要完成相應的教學內容，需要大量的學時進行講解。多年來，我校強調數(shù)學、力學等推演性很強的課程不宜采用多媒體教學，因此要求授課教師盡可能采用板書方式進行此類課程的教學。殊不知，板書教學耗費了大量的課堂教學時間，無疑使本來學時就少的教學內容安排變得更為緊張。

2 課程教學改革與實踐

2.1 優(yōu)選教學內容，突出工程應用

研究生的教學活動旨在培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，最終要培養(yǎng)學生獨立進行科學研究的能力，而不應該像本科階段學習那樣通過大量詳細的算例講解課程內容。就本課程而言，應在理解結構可靠度分析的基本理論、方法基礎上，側重其算法的計算機實現(xiàn)及其工程應用，同時適當介紹當今結構可靠度理論研究的最新理論。根據(jù)土木工程研究生結構可靠度理論教學大綱要求以及學生所學的專業(yè)方向，對課程基本內容進行整合，設置課程內容分為三大模塊，見表2。從理論分析進而到工程應用，模塊間相互融合又相對獨立。授課過程中要求學生既要注意基本理論學習，又應結合所研究方向選擇不同的領域深入研究。對于從事結構抗震方向的學生，可選擇結構抗震動力可靠度的子課題開展研究，對于從事結構抗風方向的學生，可開展結構抗風動力可靠度的子課題研究。

表2 結構可靠度理論課程模塊格局

2.2 鞏固前導課程，培養(yǎng)學生興趣

學生前導課程學習不扎實是學習結構可靠度理論課程的最大障礙，在學習該課程之前或在講授過程中不時穿插復習前導課程的內容，幫助學生鞏固數(shù)學基礎知識。結構可靠度理論主要講授結構分析所涉及到的隨機變量，失效概率，可靠度等問題，這些都是概率論與數(shù)理統(tǒng)計的難點，大多數(shù)學生在學習數(shù)理統(tǒng)計時都沒有很好的掌握。在講授該課程時，可安排一定的學時復習與可靠度理論相關知識點，有利于學生對概率論與數(shù)理統(tǒng)計知識的理解和應用，有助于消除學生對結構可靠度學習的恐懼感，培養(yǎng)學生學習的興趣。學生有了興趣，學習就會由被動轉為主動，達到事半功倍的教學效果。

2.3 改革教學方式和考核方式

教學過程中，徹底改變“一支粉筆一本書”傳統(tǒng)的“單向”教學模式，轉變?yōu)椤半p向”的師生互動教學模式。通過增加課堂的互動環(huán)節(jié)，使學生很好的參與到課堂教學中來，激發(fā)學生學習積極性。積極采用多媒體教學與板書相結合的教學方式，一方面要充分利用多媒體教學課件，直觀表達傳動板書所不能表達的內容，減少單純板書消耗的寶貴學時；另一方面對重要公式和算例，還是要配合適當?shù)陌鍟蒲荩员苊鈱W生只記住結果，而忽略演算過程的細節(jié)。在課程考核方面，加大平時成績比例，考核內容可變?yōu)榘才乓蝗艘活}的大作業(yè)或小論文，通過整個教學過程的落實，更好考察學生理解和運用相關內容解決實際問題的能力。

2.4 強調和重視實踐環(huán)節(jié)

結構可靠度理論是一門實踐性和應用性很強的課程，如果授課教師只側重于理論和算法的講授，不要求學生運用算法解決實際問題，學生的實踐能力就得不到提高。正所謂“實踐是檢驗真理的唯一標準”，光“看”不“練”的結果往往只會培養(yǎng)出“半桶水”的學生。為達到學以致用的目的，2011年以來，在該課程教學過程中，增加了教學實踐要求。首先將選修學生分成幾個小組，根據(jù)學生自主選題和教師指定題目的方式，然后要求學生應用相關高級語言(比如 MATLAB，F(xiàn)ORTRAN,C++)或相關軟件完成規(guī)定的課外作業(yè)，最后在課堂上進行討論。學生在程序編寫或應用軟件過程中難免會遇到一些困難和問題，但正是在解決這些問題的過程中使學生提高自身分析問題和解決問題的能力。實踐證明，這種教學實踐激發(fā)了學生的創(chuàng)造性，教學效果明顯。比如2012級研究生，不少學生通過整理“中心點法[5]”、“驗算點 (JC) 法[5]”、“映射變換法[5]”和“蒙特卡羅法[5]”等結構可靠度分析方法的程序設計與開發(fā)，形成了若干篇較高質量的小論文，具備了一定的程序開發(fā)和撰寫科技論文的能力。

2.5 強化范例教學法在教學中的應用

范例教學在結構可靠度理論的算法思想講解中能發(fā)揮其無法比擬的優(yōu)勢。對可靠度理論中主要算法和一些抽象的概念，可以先從直觀意義或具體實例解釋著手，通過多舉工程實例，幫助學生理解相關的基本概念。例如，講解結構可靠度概念時，可結合《工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》GB 50513-2008，對于規(guī)定的時間，規(guī)定的條件定，完成不同的功能等特點深入理解可靠度的概念，同時介紹美國、歐洲和日本等國家關于目標可靠指標的不同。

3 結束語

研究生課程結構可靠度理論課程教學改革的措施是：優(yōu)選教學內容，突出工程應用；鞏固前導課程，培養(yǎng)學生興趣；改革教學方式和考核方式；強調和重視實踐環(huán)節(jié)；強化范例教學法在教學中的應用。教學實踐表明，該教學改革達到了預期效果。通過教學改革和相應的教學實踐，激發(fā)學生的學習熱情和積極性，提高學生應用可靠度理論分析和解決土木工程領域的結構分析能力，為學生學習后續(xù)專業(yè)課程和撰寫學位論文奠定堅實的理論基礎。

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