工程結構可靠性概論教學研究與探索

解社娟 陳玲莉 吳瑩 陳振茂

[摘 要]以西安交通大學力學學科工程結構可靠性概論課程的教學改革為契機，以一位新任授課教師的視點，針對拓寬學生視野、提升課堂凝聚力的需求，從課程內容優化設置、教學模式探索改進、新任授課教師培養機制三方面，對西安交通大學力學學科的工程結構可靠性概論課程進行教學研究與探索，有效促進了西安交通大學力學專業課程的教學改革和教學效果提升。

[關鍵詞]力學學科;結構可靠性;教學改革;新教師體會

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）11-0060-03

一、引言

西安交通大學力學學科入選了教育部“雙一流”學科建設名單，在第四輪教育部學科評估中獲評A類，和哈爾濱工業大學力學學科在全國高校力學學科中排名并列第三，力學專業作為學科的關鍵支撐獲評教育部特色專業。這其中，完備的課程設置和豐富的課程建設成果對西安交通大學力學學科的發展起到了關鍵作用。西安交通大學力學專業設置有10門以上的力學專業課，包括：理論力學、材料力學、彈性力學、振動力學、實驗力學、計算力學、流體力學、塑性力學、斷裂力學等，同時也設置了多門特色專業課程，如工程結構可靠性，這些課程構成了完整的工程力學知識體系，有力支撐了力學特色專業人才培養。

在力學專業課程中，絕大多數課程理論是基于確定論理念，涉及的力學量均為確定量，不具有隨機性。如理論力學中準確計算約束反力、材料力學中準確計算桿件的彎曲變形等均需要確定的載荷、材料和結構參數等[1]。為了完善學生處理實際工程問題的能力，完善其知識體系，西安交通大學（以下簡稱“我?！保┝W學科增加了基于概率論描述評價結構安全的工程結構可靠性課程，讓學生了解實際工程結構的失效和破壞都具有一定的隨機性，即結構破壞須利用工程可靠性的知識進行評價和分析。該門課程是針對大學四年級上學期的學生開設的?？紤]到這一課程的特點和開課時機，為拓寬學生視野、提升學生課堂凝聚力，通過教學改革和創新，適當調整教學模式、優化教學內容非常有必要。

本文介紹筆者針對工程結構可靠性概論課程教學和考核進行的一些改革和嘗試。同時，從新任授課教師的視角，介紹西安交通大學航天航空學院對青年新任授課教師的培養機制，分析了青年教師健康快速成長的體會。論文對力學學科課程體系建設和教學效果的提高，以及青年授課教師的成長，具有一定的參考意義。

二、教學現狀分析

（一）教學內容需進一步優化

目前，國內尚無專門針對力學學科學生的結構可靠性課程的合適教材。內容較完整的可靠性課程的教材有宋保維教授的《系統可靠性設計與分析》等，該教材由西北工業大學出版社出版，內容完善、翔實。但該教材缺少可靠性的數學基礎部分，并且該教材在故障樹章節內容后，用很大篇幅對電子產品可靠性設計與分析展開闡述，這部分對力學專業的學生來說是相對冗余的。國內目前現有的教材無法更好滿足力學專業學生對結構可靠性知識體系全面掌握的需求。

（二）教學模式的相對單一

傳統課堂用板書展現所講授的知識內容，書寫所需時間長，形式單調，一些復雜公式的邏輯關系不太能夠清晰展現。

（三）一線授課教師隊伍的年輕化

近年來，隨著國內科研條件、科研設備的逐步完善，響應祖國的號召，大量海外留學青年人才陸續回國發展。高校教師隊伍中年輕人才比例持續增加，平均年齡逐步下降，教師隊伍的國際化水平和科研活力逐步提升。但相對應的，年輕教師缺少授課經驗，雖在授課前進行了一定的崗前培訓，但授課經驗仍然不足，課堂掌控力有限，這導致課堂上學生走神等問題突出。因本門可靠性課程安排在大學四年級上學期，這時部分學生面臨考研、就業等壓力，課堂上學生的專注力不足等問題尤為嚴重。

三、教學研究與探索

針對以上本門可靠性課程的教學現狀和問題，在教學過程中，課程組進行了廣泛的教學研究與探索，采取了一系列改進措施，這些措施對拓寬學生視野、提升課堂凝聚力起到了積極的作用。

（一）優化課程內容

為了打破學生至今為止力學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始末，并通過概念及力學結構分析例題不斷強化。

在課程內容章節的安排上，結合國內教材和國外教材，合理優化安排章節內容。

第一章：緒論及可靠性基本概念，含可靠性工程的主要內容、重要性、可靠度、不可靠度、失效密度函數、風險、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：可靠性數學基礎，含概率論基礎知識、不可靠度概率密度函數的幾種典型分布（正態分布、指數分布、威布爾分布、對數正態分布、伽馬分布等），以及可靠性數據的統計分析方法。

第三章：系統的可靠性，含串并聯系統的可靠性、一般系統的可靠性（簡化為串并聯系統、基于條件概率的方法、系統結構函數-布爾代數、路集/割集的概念及求解方法）、可靠性設計（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：機械和工程結構可靠性分析，首先，含機械結構的損壞、可靠性分析基本模型、安全系數和可靠性因子的關系、可靠性因子的計算方法（一階二次矩法和推廣二次矩法等）、結構系統的可靠性評價;其次，在理論完善的基礎上，針對理論力學和材料力學的典型題目，融入可靠性理念后課堂內進行應用分析。

第六章：維修性和可用性，含維護性和可用性的概念、單一系統的可用度分析、串聯系統的可用度分析、并聯系統的可用度分析、系統維護策略（事后維護、預防維護、部件更換等）。

第七章：可靠性知識在典型力學問題中的運用及案例分析。

鑒于目前還沒有合適的中文教材，在授課過程中，教師可通過新型現代化通信手段（微信群、QQ群等）給學生發放自制的課程電子版講義，供學生學習參考。并且，結合國內教材和國外教材，課程組正在籌劃編撰適合于國內力學專業學生的更全面、更完整、更有針對性的結構可靠性課程的教材。

（二）融入多樣化的教學模式和手段

1.有機結合PPT和板書

在授課形式上，將PPT和板書進行合理結合。公式推導部分，在PPT上展現的同時，用黑板重新推導一遍，便于理順邏輯、引導學生思考、引起學生共鳴;其余概念和定義性的內容，主要用PPT展現。這樣安排節省了大量板書書寫概念文字的時間。如此，可以在有限的時間內講解更多與課程內容相關的拓展知識，例如與系統可靠性設計相關的理論學術前沿;大型航天器、大飛機、核電站、ITER托卡馬克聚變堆等國際重大裝備中用到的可靠性相關的設計理念;校外科研院所、企事業等國內和國際知名社會單位對與該課程知識體系相關的人才需求狀況等，以進一步幫助拓寬學生的知識面，開闊學生的視野，激發學生的學習興趣。

2.進一步提升課堂的掌控力

教師對課堂的掌控能力與教學效果的好壞息息相關，值得每一位教師深入思考。在對所講內容充分熟悉的基礎上，對學生心理、思維活動狀態的了解有助于教師提升課堂教學效果。如對課堂抬頭率的實時觀測，對走神學生、犯困學生、聊天學生、看手機學生的實時捕獲，這些信息的掌握對教師及時調整講課方式、提高學生注意力都有很大的幫助。因該課程設置在本科四年級上學期，部分學生此時正處于積極備戰考研、積極規劃尋找就業單位[2]的關鍵階段，課堂出勤率、抬頭率都存在一定問題，專心聽課的學生比例不大。對此，筆者采取了一系列措施。

第一，為了充分調動學生的積極性，盡量挑個別學生在課程開始前5分鐘來講解自己的作業部分。

第二，設置課堂隨機點名、隨機提問環節，針對提問答不上來的學生，采取請其自行尋找能幫助他回答的同學的方式，這樣有助于活躍課堂氣氛，增強學生的注意力。也可增加學生交流環節，采用小范圍討論或點名式討論，但要保證在講課過程中至少每20分鐘要和學生互動一次，以調動學生的積極性和參與性。

第三，對每堂課50分鐘的課程內容進行合理安排。將相對枯燥的最核心、最重要、最難理解的知識點放在每堂課的開始的10—15分鐘，這個時間段學生的注意力最集中，容易對重點知識消化和吸收。隨后，安排更有趣味的知識擴展，防止學生走神。這樣有助于實現在整個課堂中凝聚學生的注意力。

第四，針對大四的學生，學生即將讀研或走向工作崗位，在課堂內容的安排上，可以考慮先講校外企事業用人單位對本課程知識體系的需求，再引出知識點進行理論講解，最后結合實踐加強學生對知識點的掌握[3-5]。

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

3.增加實踐過程

首先，在該課程中，專門設置一次現場課，現場集中講解與課程內容相關的西安交通大學力學學科國家重點實驗室的實驗裝備和科研方向，通過實驗室現場授課的方式，將理論課的講解與實踐教學緊密結合[6-7]。其次，邀請與課程內容相關科研方向的碩士、博士生到課堂現身講解科研細節和基礎理論知識在科研中的運用，加強學生與學生之間的溝通與知識共享，這也間接借鑒了現代教學中翻轉課堂的理念[8-11]。翻轉課堂及混合式教學模式作為現代互聯網新時期全新的教學理念，在今后的教學過程中會隨著教師和學生的不斷反饋、不斷迭代更加豐富與完善。

（三）有效培養青年教師隊伍

西安交通大學力學學科建立和完善了教師隊伍的傳幫帶機制。首先，青年教師在授課之前，進行崗前培訓;其次，進行一個學期的課程助教工作（隨堂聽課，學習講課方法，學習批改作業，學習對學生考核方式的制定，學習批改試卷的各種規范等）;然后，在第一次開課時，還會配置一對一的輔導教師，輔導教師會進行整個學期的隨堂聽課，并在每次聽課后給出詳細的點評（包括知識點過渡是否連貫，重要知識點講解是否清晰和準確，語速是否合適，音量是否合適，板書與PPT的結合是否到位等），青年教師也因此獲得與輔導教師進行及時溝通的機會，不足之處能夠得到及時反饋和記錄，并在下節課中予以糾正和體現。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伍的授課水平。

筆者是本科生授課的新教師，承擔力學學科的理論力學和工程結構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，經過助教時期的學習和輔導教師的一對一跟蹤輔導，筆者在課堂上得到了學生的一致認可和好評，教學效果95.2分（學校平均分為89分）。

四、結語

結構可靠性課程作為力學學科的一門專業基礎課，對培養學生在關鍵結構部件的力學分析中的可靠性思想非常重要。隨著高校青年教師隊伍的逐步增加，青年教師的授課能力對高校大學生的知識和素質培養越來越重要。本文以西安交通大學力學學科工程結構可靠性概論課程的教學改革為契機，以一位新任授課教師的視點，從課程內容優化設置、教學模式探索改進、新任授課教師培養機制三方面，對西安交通大學力學學科的工程結構可靠性概論課程進行了教學研究與探索，給出了若干具有參考價值的建議。

致謝

本文特別感謝西安交通大學陳玲莉教授在教學過程中給予的諸多寶貴、細致的指導，以及新疆大學胡國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。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：陳 明]