“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程開發與建設思考

［摘 要］ 工程荷載是土木工程專業重要的基礎知識，其工程荷載設計方法的正確與否直接關系到工程結構建造的安全性。然而，目前“工程結構荷載與可靠度設計原理”大多僅是國內研究生的專業基礎課，該課程涉及“高等數學”“概率論與數理統計”“理論力學”和“材料力學”等課程的相關知識，在土木工程本科教學中開設該門課程的較少。針對該門課程在土木工程本科專業中開設的必要性，從課程教學體系建設，包括面授對象、教學目標、教學內容、教學方法和教材選擇等方面進行全面探討，并且針對課程教學建設的改革和創新等方面進行深入思考，以期推進土木工程專業的教學改革和完善人才培養模式，并有針對性地提出具體的改革措施和實踐方法。

［關鍵詞］ 工程荷載；可靠度；課程開發；課程建設

［基金項目］ 2023年度北京盈建科軟件股份有限公司教育部產學合作協同育人項目“土木工程BIM施工教學實訓基地建設”（230804699185006）

［作者簡介］ 陳 宇（1987—），男，天津人，博士，中國民航大學交通科學與工程學院副教授，主要從事結構工程研究；黃 信（1983—），男，安徽六安人，博士，中國民航大學交通科學與工程學院教授，主要從事結構工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）27-0061-04 ［收稿日期］ 2023-09-20

引言

我國國土面積大、人口眾多，住房和交通基礎設施需求旺盛，這就促進了我國基礎設施建設的發展。近十幾年來，隨著我國經濟的快速發展，基礎設施大規模建設，土木工程行業也踏入了蓬勃發展的快車道。隨著我國土木工程行業的快速發展，土木工程結構設計的相關規范已從傳統的安全系數法過渡到基于可靠度理論的概率極限狀態設計法。1998年出臺了國際標準《結構可靠性總原則》（ISO2394），2002年出臺了考慮結構可靠度的歐洲新規范《結構設計基礎》（EN1990：2002），2008年我國頒布了新國家標準《工程結構可靠性設計統一標準》（GB50153-2008），這說明工程可靠度理論在工程結構設計中得到了具體應用。然而，“工程結構荷載與可靠度設計原理”目前大多僅是我國土木工程專業研究生的專業基礎課程，本科生僅在“混凝土設計原理”“鋼結構設計原理”“砌體結構設計原理”等課程中涉及“工程結構荷載與可靠度設計原理”的相關淺顯知識內容。由于此方面知識在多個課程中分散，且多為簡要介紹內容，缺乏系統的課程訓練，導致本科生對該課程知識學習不系統、不扎實，理解不透徹，不利于后續相關專業課程的學習。

土木工程專業是一個實踐性較強的專業，本科生畢業后大多從事設計、施工、監理和建設管理等土建類相關的工作。一方面，該行業的工作與行業的技術標準和規范密不可分，由于在本科教學中“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程的缺失，導致未來從事工程結構設計、施工、監理等工作的畢業生對工程荷載相關內容的概念理解不深入，工程能力明顯不足，并且對荷載理解得不清楚，很容易導致工作中因荷載計算不準確而引發重大工程事故，造成不可估量的經濟損失和社會影響。另一方面，在土木工程專業本科教學過程中，針對國家的行業規范標準開設相應的課程，將行業標準和規范貫穿于教學的始終，有利于提高學生的應用能力和復合型專業人才的培養［1-2］。因此，在新工科教育背景下，土木工程專業亟須針對國家的標準規范開設相應的理論課程，將課程理論與工程實踐相結合，提高土木工程專業畢業生的工程能力。

基于此，本文從“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程在土木工程專業本科生教學開設的必要性出發，對課程教學體系建設從面授對象、教學目標、教學內容、教學方法和教材選擇等方面進行全面探討，并且針對課程教學建設的改革和創新等方面進行深入思考，以期完善土木工程專業人才培養課程體系，提出具體的教學改革措施和實踐方法。

一、“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程開發的必要性

在土木工程專業中，我國的《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）和《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）等行業標準和規范始終指導著工程結構的設計、施工和驗收工作等各個環節。因此，在土木工程專業培養中有必要開設一門與工程荷載相關的課程，使學生系統掌握土木工程專業相關的荷載規范標準、荷載計算方法和原理等方面的內容。另外，國家出臺的《工程結構可靠性設計統一標準》（GB50153-2008）規范將工程設計方法從以往的以經驗為主的安全系數法轉換為可靠度理論的極限狀態設計方法，并且可靠度設計理論是工程結構荷載和結構設計的理論基礎。將理論與實踐相結合的教學方式，有利于學生對規范的理解更加透徹［3-4］，對學生工程能力的提升具有重要作用。因此，針對土木工程專業本科生，有必要開設“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程。

二、“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程教學體系建設

“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程的總體目標是使學生系統掌握工程荷載和結構設計的原理與計算方法，對國家現行相關的行業標準規范初步掌握，使學生對工程荷載和可靠度理論在土木工程行業的應用與研究有較深入的理解，為學生后續的專業課程學習奠定基礎，為學生未來從事相關的科學研究開闊視野。具體課程建設有以下幾點。

（一）面授對象

“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程是在具備“高等數學”“概率論與數理統計”“理論力學”和“材料力學”等課程知識基礎上的專業課程，同時該課程是“混凝土結構設計原理”“砌體結構設計原理”“工程結構抗震設計”“鋼結構”“基礎工程”等后續課程的學習基礎，綜合土木工程專業各專業課程的開設時間，本課程的開設應面向本科生第四學期的學習較為合理。

（二）教學目標

“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程的主要目標是學生通過課程的學習，掌握工程荷載和結構設計的計算原理與概率統計分析方法，使學生學會從隨機概率分析的角度來處理力學和結構設計的問題，為學習專業課程和結構設計以及科學研究打下良好的基礎，能夠培養學生綜合運用可靠度原理的知識去分析、解決實際工程問題。

（三）教學內容

“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程包含兩部分內容，分為工程荷載和工程結構可靠度設計理論。主要介紹工程荷載計算和工程結構設計分析中的可靠度理論、方法和應用，具體內容包括荷載類型、重力、側向力、風荷載、地震作用、其他作用、荷載的統計分析、結構抗力的統計分析、結構可靠度分析、結構概率可靠度設計法等內容。

（四）教學方法

“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程的知識主要是理論教學為主，根據教學內容的不同可采用講解、回答問題、討論、自學等多種教學方式，還可結合線上線下混合教學模式，讓學生獨自從網上搜集學習資料，自學了解并解決一些對他們感興趣和有難度的問題，培養學生搜集、查閱資料以及綜合分析資料的基本科研能力。

（五）教材選擇

目前，同濟大學、天津大學、哈爾濱工業大學等傳統土木工程專業名校已開設了“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程，并且中國建筑工業出版社、武漢大學出版社、重慶大學出版社等已出版了多部相關教材［5-9］，其中李國強等［8］編著的《工程結構荷載與可靠度設計原理》教材為高校土木工程專業指導委員會規劃推薦教材（經典精品系列教材），該教材系統涵蓋了工程結構荷載和工程結構可靠度設計原理的知識內容，并且為了適應土木工程專業的發展需求，從1999年第一版出版歷經三次改版，2016年已出第四版，教材內容與行業規范標準契合度高，因此該教材是土木工程本科專業較為合理的教學參考書。

三、“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程教學建設思考

“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程以理論知識為主，面向工程應用，需要學生有扎實的“高等數學”“概率論與數理統計”“理論力學”和“材料力學”等課程基礎知識，同時本課程與土木工程行業的標準規范相結合，對工程應用的要求較高。因此，對于學生來說學習難度較大，這就要求授課教師要在教學方式和方法等方面進行改革調整。

（一）鞏固基礎知識，激發學生學習興趣

學習工程荷載和結構設計的可靠度設計理論相關知識的最大難點是學生“高等數學”和“概率論與數理統計”等課程基礎知識不扎實，因此教學設計中要在學習課程章節之前讓學生先復習并練習相關“高等數學”和“概率論與數理統計”課程的知識點，同時注意講授過程中強化學生的數學基礎知識。另外，在講授工程荷載和結構涉及的概率模型、可靠度指標、隨機過程等物理意義問題時，需要結合“概率論與數理統計”課程的知識點進行詳細講解，這樣既鞏固了學生的數學基礎知識，也使學生能夠直觀感受到“概率論與數理統計”在本專業工程實踐中如何應用，有利于培養和提高學生對本課程的學習興趣，激發學生主動學習的潛質，引導學生運用所學的基礎理論知識解決專業問題的能力，進而提高學生的創新能力。

（二）調整教學內容，結合標準規范

“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程的知識與土木工程專業的標準規范密切相關，教師在講授中結合相關的標準規范講解有利于學生對知識的理解和應用。例如，在《工程結構荷載》章節中要結合《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）進行講授。然而，國家行業規范標準會因行業的發展而更新，并且條文相對繁雜，這就要求授課教師要及時了解行業動態，調整知識內容，緊跟工程實際，增強工程素質。同時，授課教師要改變講授方法，結合具體章節內容，可通過討論、布置大作業等方式引導學生自主學習，從而掌握最新的知識和標準規范，培養學生解決工程問題的能力。

（三）發揮網絡優勢，開展混合式教學

第四學期的本科生剛剛完成基礎知識，對專業知識了解不多，與土木工程專業的實際工程接觸很少，因此教師在授課過程中須要強化學生對工程結構荷載和可靠度設計的實踐能力。針對此方面問題，授課教師可利用虛擬仿真教學系統和BIM系統的信息量大且直觀的特點，展示真實工程結構的設計建造過程，通過線上線下相結合的方式向學生講授典型的工程結構荷載施加方法和可靠度設計的工程實例，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。網絡教學和虛擬仿真平臺是傳統教學的有益補充，能夠極大地提高教學質量，豐富學生的學習途徑，這將有利于學生對“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程知識的掌握。

（四）善用工程軟件，結合工程實際

學習土木工程專業，工程結構的設計通常通過結構計算軟件來實現，但學生在學習軟件操作之外，最重要的是對軟件計算結果的分析，在“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程教學過程中要強調學生對軟件設計結果進行思考分析，培養其分析問題和解決問題的能力。因此，可將本課程的知識點與結構設計軟件中的應用相結合的方式進行講授。例如，在課堂中演示“盈建科”結構設計軟件在結構設計中體現工程結構荷載和結構可靠度設計的具體應用，并分析其對結構設計結果的影響，從而有利于學生對本門課程的理解更加透徹，提高學生的工程創新能力。

（五）優化考核方法，激勵學生自主學習

“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程由于涉及數學基礎知識較多，理論知識較難，學習難度大。傳統的考勤、課后作業和期末考試打分方法雖然簡單明了，但不利于激發學生自主學習興趣，會導致數學基礎知識較差的學生對本課程產生厭煩情緒，不利于課程的教學開展。結合本課程特點，宜采用課堂隨測和大作業的方式進行考核，課堂隨測的目的是使學生掌握課程的基本知識點，大作業宜采用理論知識結合行業標準規范的綜合題型，分組進行，讓學生自主查找學習作答，不僅有利于培養學生團結協作的精神，還可以使學生自主學習國家標準規范，提高學生的工程實踐能力。

結語

土木工程專業本科教育中涵蓋的專業課程有很大部分涉及結構設計方面的內容，然而工程荷載是結構設計中的重要組成部分，可靠度理論是目前工程結構設計方法的基礎理論知識。因此，在本科教育中開設“工程結構荷載與可靠度設計原理”課程勢在必行。然而，由于本課程涉及數學基礎知識較多，學生學習難度較大，授課教師應做好課程體系建設，在授課過程中要結合工程實際問題進行講解，并善于運用現代化信息手段輔助教學，提高學生應用本課程的知識分析和解決土木工程領域問題的能力，為后續專業課程的學習奠定堅實理論基礎。

參考文獻

［1］楊世浩，齊甦.《工程結構可靠度》教學的實踐與體會［J］.教育教學論壇，2013（35）：78-80.

［2］李紅豫，張研.技術標準和設計規范融入土木工程專業本科教學中的實踐：以《工程荷載與可靠度設計原理》課程為例［J］.科技視界，2018（5）：208-209.

［3］李會軍，李宗利.工程結構可靠度分析課堂教學的改革與實踐［J］.黑龍江教育（高教研究與評估版），2019（3）：1-3.

［4］潘文軍，吳輝琴，鄒萬杰.結構可靠度理論課程教學改革與實踐［J］.大眾科技，2013，15（172）：173-175.

［5］白國良，薛建陽，吳濤.工程荷載與可靠度設計原理［M］.北京：中國建筑工業出版社，2012：1-5.

［6］王汝恒，李正良.工程荷載與可靠度設計原理［M］.武漢：武漢大學出版社，2018：1-10.

［7］王輝，柳炳康，何若全.工程荷載與可靠度設計原理：第3版［M］.重慶：重慶大學出版社，2017：1-7.

［8］李國強，黃宏偉，吳迅，等.工程結構荷載與可靠度設計原理：第四版［M］.北京：中國建筑工業出版社，2016：1-5.

［9］何建，呂建福.工程荷載與可靠度設計原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2016：1-8.

Reflection on the Development and Construction of Engineering Load and Reliability

Design Principle

CHEN Yu， HUANG Xin

（School of Transportation Science and Engineering， Civil Aviation University of China，

Tianjin 300300， China）

Abstract： Engineering load is important basic knowledge in civil engineering， and the correctness of its engineering load design method is directly related to the safety of the construction of engineering structures. However， “Principles of Engineering Load and Reliability Design” is mostly a professional basic course for graduate students at present in China， which involves higher mathematics， probability theory and mathematical statistics， theoretical mechanics and mechanics of materials， etc.， and there are fewer undergraduates in civil engineering teaching to offer this course. For the necessity of this course in civil engineering undergraduate majors， from the course teaching construction system construction， including teaching object， teaching objectives， teaching content， teaching methods and teaching materials selection， the paper has made a comprehensive discussion. It has also made an in-depth thinking about the reform and innovation of course teaching construction， so as to promote the teaching reform of civilengineering and improve the talent training mode， providing specific measures and practice methods accordingly.

Key words： engineering load; reliability; curriculum development; curriculum construction