工程结构可靠度分析课堂教学的 改革与实践

李会军 李宗利

摘    要：“工程结构可靠度分析”课程是钢筋混凝土结构、钢结构等专业课程的重要理论基础，涉及的概率与数理统计知识较多，具有逻辑性强、内容枯燥等特点，学生普遍感觉学习难度大。根据该门课程的特点与教学要求，文章分析了课堂教学中存在的主要问题及成因，然后从课程教学内容的优化、教学方式的改变等方面进行教学改革与实践。实践表明，改进的教学方法激发了学生的积极性与主动性，活跃了课堂氛围，提高了学生的可靠度软件应用能力及动手编程能力，增强了学生解决实际工程问题的能力。

关键词：可靠度理论;教学改革;教学方法;教学内容

中图分类号：G642.0        文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2019）03-0001-03

工程结构可靠度分析是土木工程、水利工程等专业的专业基础课程，其主要先修課程是概率论与数理统计、高等数学与结构力学等，该门课程是钢筋混凝土结构、钢结构与土力学等专业课程的重要理论基础。它主要阐述了结构可靠性的基本概念与原理、结构可靠度与失效概率的计算、作用和作用效应、结构和构件的抗力等。通过该门课程的学习使学生深入理解结构可靠度的基本概念与原理、掌握可靠度的常用计算方法（如FORM、MCM等）及熟练应用可靠度理论分析结构的安全性、适用性与耐久性等。

研究生课程是本科教育的延续与提升，高等专业课程可拓展研究生的专业视野，与日后的科学研究方向息息相关，可为科学研究奠定一定的基础[1]。大多数院校该门课程设置的教学学时为32课时，教学课时偏少，而教学内容涉及的数学知识较多、专业背景广，且理论抽象、难度大，教师与学生都会遇到两难的困境。在传统的教学模式当中，教师往往采取“填鸭式”的教学方法，学生只能被动地理解与记忆海量的理论公式。在一定程度上降低了教师授课的积极性，学生也往往缺乏学习热情与积极性，更有甚者产生畏惧心理，最终使得教学效果不甚理想，实现学生灵活运用所学可靠度知识去解决实际工程问题的目标难度较大。

基于此，针对工程结构可靠度分析课程教学中存在的主要问题与不足，笔者结合该门课程的教学经历与科研实践，从课程教学内容的优化、教学方式的改变及软件应用能力的培养等方面浅谈对本门课程的几点教学体会。

一、现存问题

（一）对课程的认识不足

因种种原因，有些高校在课程的设置上，对工程结构可靠度分析这门课程的重视程度不够，教学课时偏少[2]。该门课程的教学内容多且广，除了工程结构可靠度的基本理论之外，还包含了结构及构件的抗力、作用及作用效应等内容，其中作用（包括恒载、风载、地震作用和土压力等）涉及概率模型与统计分析，使得授课教师用于讲授可靠度理论的学时很紧张。再加上学生对该课程的重视程度不够，大多学生认为可靠度理论知识对今后的工作帮助并不大，在实际工程的设计中可能用不到可靠度理论内容。因此，不少学生对该门课程兴趣不大，投入的学习时间也相对比较少。而课程教学学时的减少也潜移默化地使学生认为该门课程不太重要。

（二）难度大致使学生学习兴趣不高

工程结构可靠度分析涉及概率论与数理统计、随机过程和模糊数学等知识，也涉及结构力学、钢筋混凝土结构、钢结构、土力学及工程结构抗震等专业基础知识。首先，教学内容多且难于理解的内容又不少，学时少得可怜，教师往往为了在既定的学时内完成教学内容，每一章理论知识的讲授只能浅尝辄止，很少有时间安排讨论课，只能采用传统的“填鸭式”教学。再者，因涉及数学知识面广，且难度较大，学生对随机事件、随机过程和模糊数学等知识的认识与理解不足[3]，学生的数学基础普遍不够扎实，大大降低了学生的学习兴趣与积极性。而这些内容却是工程结构可靠度分析课程的重要理论基础，在进行相关公式的推演、结构的可靠度及失效概率的计算过程中要经常使用到，故教师往往需花费不少时间重新讲授这些基础知识，致使教学效果不甚理想。

（三）理论教学与工程实践教学脱节

传统的工程结构可靠度分析课程中理论教学基本上占用了所有的课时，很少有时间训练学生的工程实践能力[4]，单纯的理论知识教学很难适应日后的工作需求。传统的教学往往注重研究生理论知识的掌握与理解，但在某种程度上忽略了培养学生解决实际工程问题的能力，使得教学与工程实践脱节。事实上，工程结构可靠度分析的一个重要特点是面向计算机和工程应用，工程结构可靠度分析的相关算法（FORM、MCM等）最终要通过编程（如Matlab、Fortran、VB或VC等）或应用现有可靠度计算软件在计算机上得以实现。学生只有通过系统的理论学习、编制程序和上机练习，才能真正理解与掌握相关可靠度理论算法。而目前工程结构可靠度分析课程教学大纲尚未安排上机实践教学环节，最终学生只是为了凑学分而学习，随着时间的推移，或许所学理论知识将被渐渐地淡忘，最终难以达到学以致用的效果与目的。

二、教学改革举措

（一）巩固数学基础课程，培养学生兴趣

学生的数学基础课程学习不扎实是学习工程结构可靠度分析课程的最大障碍，在学习课程章节（尤其是结构可靠度的计算）之前或在授课过程中应复习、练习概率论与数理统计和随机过程课程中的对应知识点，来强化学生的数学基础知识。工程结构可靠度分析主要讲授工程结构涉及的随机变量、失效概率、可靠度及其物理意义等问题，这些都是概率论与数理统计的难点。在讲授对应章节时，可安排必要的时间复习与巩固可靠度理论相关知识，这样利于学生对概率论与数理统计知识的理解与掌握，利于消除学生对工程结构可靠度分析学习的恐惧感，可培养和提高学生的学习兴趣，从而使得课堂教学达到事半功倍的效果。

（二）优选学习资料，优化教学内容

目前，适于工程结构可靠度理论硕士生课程教学的教材并不多，国内大多数高校工程结构可靠度分析课程采用的教材是由贡金鑫、魏巍巍编著的《工程结构可靠性设计原理》[5]，该教材内容的编排较为系统、全面，适于硕士生的学习。该教材主要内容如下：结构可靠性的基本概念和原理，结构可靠度的计算，结构上的作用和作用效应，结构及构件的抗力，结构可靠度校准及极限状态设计等。在后两章还补充了结构的稳健性与抗连续倒塌设计和既有结构的可靠性评估，目前这两部分内容是科研的热点问题，可为学生的科研工作提供参考、奠定基础。对于概率论、数理统计与随机过程等数学知识，可采用重点讲授与学生自学相结合的方式进行。在课堂讲解时应穿插国内外规范现状及发展趋势、科研最新进展，来开阔学生的学术视野。除此之外，可适当引入国外优秀参考书籍供学生学习[6-8]，笔者曾尝试在授课过程中选学部分章节内容，通过学习开阔了学生的视野，同时增加了学生的工程结构可靠度理论的英文词汇量，为学生日后阅读可靠度英文文献及撰写英文学术论文奠定了一定的基础。

（三）可靠度计算软件的充分利用

“工预善其事，必先利其器”，对于土木工程、水利工程等专业来说，分析和解决问题的能力显得尤为重要。目前结构的设计与分析和结构计算软件密不可分。软件的应用不但可以提高工作效率，而且能完成手算不可能实现的工作。具有扎实的理论功底确实很重要，但熟练掌握1—2个结构分析软件亦必不可少。工程结构可靠度分析是一门理论性和实践性很强的课程，若授课教师只侧重于可靠度理论的讲授，不要求学生运用所学可靠度求解算法去解决实际工程问题，学生的实践能力就不能得到有效的提高，学生对可靠度理论的理解也不够透彻。本课程学习的难点是结构可靠度的计算，如应用FORM、MCM等方法计算结构及构件的可靠度或失效概率，该部分内容数学运算多，手算甚为烦琐，须通过计算机完成。授课教师可拟定不同的题目供学生练习，要求学生应用高级语言（如MATLAB，VC、VB或FORTRAN）编制可靠度计算小程序或运用可靠度计算软件（如ANSYS、OpenSees等）来完成作业或课程论文。其中ANSYS提供了蒙特卡罗和响应面法可靠度分析模块，OpenSees提供了多种改进的FORM、MCM及MCCNIS等方法，通过现有程序的学习与操作可使学生快速掌握可靠度计算工具，增加学生的成就感，进一步提高学生的学习兴趣。学生在编制程序或应用现有软件过程中必定会遇到不少问题，在自学或教师的帮助下解决遇到问题的过程可提高学生发现问题与解决问题的能力。近两年国内出版了几本实用的可靠度参考书籍可供学生课后阅读与学习[9-11]，这些书籍包含大量的可靠度实用计算小程序（如一次二阶矩法、二次二阶矩法、二次四阶矩法、渐进积分法、响应面法和蒙特卡罗法等），为学生的学习与应用提供了方便。几本书均以Matlab软件为可靠度计算平台，该软件的语言具有简洁紧凑、实用方便灵活的特点，且该软件还提供了丰富的库函数避开了烦杂的子程序编写，使得编程人员得以从烦琐的程序代码中解放出来，这些优点极大地方便了可靠度程序的编制，授课教师可鼓励学生优先采用Matlab软件进行编程。实践证明，这种教学实践方式激发了学生的学习兴趣，培养了学生软件应用能力与解决实际工程问题的能力，提高了课堂教学效果。熟练掌握现有可靠度计算软件的操作技能，可以提高学生的编程能力，为他们日后的研究生选题乃至科学研究奠定扎实的基础。

（四）发挥多媒体、网络教学平台优势

因多数学生缺少与实际工程接触的机会，故需强化学生对结构可靠度理论的实践能力。如今授课教师大多使用多媒体与板书相结合的方式进行授课，授课教师可充分利用多媒体信息量大、直观的特点，向学生介绍一些典型的工程结构可靠度计算的实例，将文字与图片、视频相配合，可在一定程度上增强学生的感性认识。如今多数高校已建立了网络教学综合平台，网络教学综合平台是现代化教学手段的有益补充，授课教师可将教学课件、国内外工程结构可靠度相关文献上传于平台，供学生学习，也可在教学平台上进行答疑、布置作业等。网络教学综合平台是传统教学的有益补充，极大地提高了教学质量，丰富了学生的学习途径。

（五）结合科研最新动态，激发创新精神

硕士研究生的教学活动旨在培养学生的分析问题与解决问题的能力，培养学生的独立研究的能力。授课教师可根据结构可靠度理论的发展动态（尤其是新的可靠度计算方法及其改进方法）[12]，及时调整相应模块的知识结构，拓展学生的知识面。应在理解工程结构可靠度的基本理论基础之上，侧重各种算法的研究及其工程应用。教师利用实际工程案例增强学生的工程素质，将科研与工程实践引入至课堂教学当中，来提高教学效果。

三、结论

工程结构可靠度分析课程在土木工程、水利工程等专业中占有非常重要的地位，涉及的数学知识较多，逻辑性强，内容枯燥。优化教学内容，加强学生的软件使用能力及编程能力，强化典型实际工程案例，重视实践环节可有效改善教学效果，激发学生的学习兴趣、积极性与创造性，可提高学生解决实际工程问题的能力。笔者结合工程结构可靠度分析的教学与科研经历，对目前教学中存在的主要问题及其相应对策进行了探讨，希望对工程结构可靠度分析课程的教学有所裨益。

参考文献：

[1]孙卓.关于土木工程类硕士研究生培养的若干看法[J].中 山大学学报论丛，2006，（8）.

[2]杨世浩，齐甦.《工程结构可靠度》教学的实践与体会[J].教育教学论坛，2013，（35）.

[3]潘文军，吴辉琴，邹万杰.结构可靠度理论课程教学改革与实践[J].大众科技，2013，（12）.

[4]张振浩，杨伟军.“荷载与结构设计方法”课程教学方法研究[J].中国电力教育，2012，（11）.

[5]贡金鑫，魏巍巍.工程结构可靠性设计原理[M].北京：机工业出版社，2007：39-48.

[6]Alessandro Birolini.Reliability Engineering Theory and Practice：Sixth Edition[M].Berlin：Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2010：41-51.

[7]Seung-Kyum Choi，Ramana V.Grandhi，Robert A.Canfield. Reliability-based Structural Design[M].London：Springer-  Verlag London Limited，2007：81-97.

[8]O.Ditlevsen，H.O.Madsen.Structural Reliability Methods  [M].New York：John Wiley & Sons，Inc.，2005：57-73.

[9]張明，金峰.结构可靠度计算[M].北京：科学出版社，  2015：21-42.

[10]康崇禄.蒙特卡罗方法理论和应用[M].北京：科学出版  社，2015：56-74.

[11]李洪双，马远卓.结构可靠性分析与随机优化设计的统一方法[M].北京：国防工业出版社，2015：73-87.

[12]贡金鑫.工程结构可靠度计算方法[M].大连：大连理工大  学出版社，2003：234-250.