荷载教学的研究性和实践性探索

谢 楠

（北京交通大学土建学院，北京 100044）

荷载教学的研究性和实践性探索

谢 楠

（北京交通大学土建学院，北京 100044）

针对当前荷载教学中存在的教与学的矛盾，从认知发现理论出发，进行了荷载教学的实践性和研究性探索。根据“价值”、“学习”、“实践”和“研究”的思路，制定了执行大纲，组织学生亲身完成身边熟悉建筑的荷载调研。使学生深刻理解了荷载标准值制定的方式和方法，对其荷载的学习起到知识迁移的效果。

荷载教学；课程改革；研究性和实践性教学；认知发现理论

结构在施工和使用过程中存在不确定性，不确定性或随机性是结构设计中不可回避的问题。抗力、荷载与设计方法是工程结构设计的三大核心要素，同荷载相比，抗力的随机性要弱得多，设计方法更多根据作用在结构上荷载的不确定性而定。

荷载是工程结构设计的主要参数和设计依据，随着施工条件、使用要求和使用环境的不同，作用在结构上的荷载种类繁多，特点各异，其中不确定性是众多荷载最大的共同特点。在我国早年的教学中，有关荷载的内容大多分散在各个专业课上讲授，由于课时所限，只能介绍荷载的取值计算，无法将荷载的不确定性和荷载代表值的确定方法传授给学生。

我国抗力的教学已形成较为科学的体系，而荷载的教学与之相比，则差距较大，以至于学生在校时对结构施工和使用过程中存在的不确定性认识不深；毕业后更多依靠荷载规范，对于设计和施工中的实际荷载缺乏认识，一旦实际情况超出规范的适用范围，则不知如何合理地确定荷载的取值。

在设计和施工时，不恰当的荷载值，不是造成资金浪费，就是降低结构的安全度和适用性。目前，建筑结构设计中产生浪费的主要原因之一，就是对实际作用在建筑物上的荷载缺乏研究，在设计中往往以臆断的方式来规定额外的附加荷载，使得所涉及的结构物过分笨重，从而引起建设资金的无谓浪费［1］。而有时由于对结构的实际使用情况了解不够，采用的荷载值偏低，甚至忽略了个别荷载，造成所设计的结构不够安全。

1998年，教育部颁布了新的大学本科专业目录，将原建筑工程专业、交通土建专业等合并拓宽成土木工程专业。课程体系也随之做了调整，将工程结构荷载和可靠度设计方法列为专业基础课，使得原本分散在各个专业课的荷载部分的教学内容可以集中起来，系统讲解，而荷载的教学占了本门课程的大部分学时。

荷载教学对本科学生的数学知识和专业基础知识要求较高，课程内容偏重理论，教与学的矛盾较为突出。因此，有必要依据荷载教学的特点，进行课程改革的探索。

一、荷载教学中教与学的矛盾

（一）学生的知识积累不足

荷载教学的先修课程分为两大类：一类是处理荷载随机性的数学理论，包括概率论、数理统计、随机过程的部分基础知识和极值统计的部分内容；另一类是用于复杂荷载取值计算的力学类课程，包括结构力学、结构动力学、土力学等。

相对力学类课程而言，学生在随机性数学理论方面的知识积累明显不足。大多数荷载均不服从学生学过的正态分布，一些荷载的统计分布类型如Weibull分布和极值I型分布等，在概率论中均不做讲解；由于荷载的概率模型为平稳二项随机过程，还要求学生应对随机过程的基础知识有所了解，而随机过程课程作为难度最大是一门随机性数学课程，大多数高校只给博士研究生开设。另外，设计基准期内荷载最大值的统计分析，要用到极值统计的部分内容，而该门课程只有少数学校给博士研究生开设。

相对于国内大学，国外大学学生的知识积累则较为扎实，MIT专门开设了Uncertainty in Engineering课程，University of Michigan专门开设Statistical Methods for Data Analysis and Uncertainty Modeling，用较多的学时培养学生对不确定性的认识和处理方法。

自从学完概率论和数理统计后，我国土建专业的学生基本上没有上过涉及不确定性的课程，几乎没有在头脑中建立施工和使用过程中存在不确定性的这一概念，面对以不确定性为基调的课程，加之知识积累不够，学生的学习迁移较为困难，教师讲课吃力。

（二）实践性和研究性不够

荷载的代表值是根据荷载的统计特征制定的，而荷载的统计特征是通过实测和统计得到的。有了荷载的统计特，可以依据弹性范围内荷载效应的变异系数和平均值系数等于荷载的对应值的原则，由理论计算得到荷载效应的统计特征。由此可以得出荷载是荷载效应的基础，而荷载的概率模型和调查统计是荷载取值的根基，荷载代表值的制定过程具有很强的实践性和研究性。

不同荷载的概率模型和调查统计方法各异，如何进行荷载的调查？如何根据调查结果得到荷载的统计特征？荷载的代表值是如何制定的？以上问题如果不讲，而是让学生查规范直接得到荷载代表值，则将永远改变不了我国工程技术人员对实际荷载缺乏认识的现状；如果讲，按教学大纲的要求，只能讲荷载规范的制定者的采样和统计方法，理论讲解过多，对于本身知识积累不足的学生来讲，很难激发学习兴趣。

荷载教学中最基本的理论和最基本的方法成为教学双方最为棘手的“山芋”。

二、荷载教学研究性和实践性探索

针对以上问题，依据认知发现理论，笔者尝试了教学改革，进行了实践性和研究性教学的探索。

（一）Bruner，J认知发现理论

Bruner，J的认知发现理论认为，教学应使学生理解基本结构，而基本结构除了指学科的基本知识结构外，还包括学习的态度和方法［2］。理解基本结构不但指掌握一般原理，还包括发展对待学习和调查研究、对待推测和预感、对待独立解决难题的可能性等的态度。认知发现理论认为学习的最好刺激就是对所学材料的兴趣，而不是具有功力色彩的外来目标。认知发现理论提倡发现学习，对于学生而言，发现并不限于那种寻求人类尚未知晓事物的行为，正确地说，发现包括亲自获得知识的一切行为和方法。总之，认知发现理论强调学习兴趣，倡导调查研究，注重培养能力，这与我国重点大学的培养目标一致。

（二）实践性和研究性教学的思路

面对上述教与学的矛盾，在有限的课时内，从强调兴趣、倡导调研和培养能力方面的教育理念出发，培养学生对不确定性的认识和处理方法，理解荷载调查统计的方法和原理，笔者尝试进行了凸显实践性和研究性教学，组织学生亲身进行荷载的调研，并依据样本数据完成荷载标准值的制定工作。

选择学生熟悉的校园建筑如学生宿舍、图书馆和教学楼等，调查这些建筑的楼面活荷载，统计分析采样数据。在研究实践活动的期间，根据需要补充相关知识，并指导学生阅读相关论文，以保证调研任务的顺利完成，并期待荷载标准值制定的全过程调研对其它荷载的学习和认知起到迁移的作用。

教学思路分4个部分：

1.价值：明确课题研究的意义；

2.学习：包括基础理论知识、专业知识和从事科学研究的基本技能；

3.实践：调查校园建筑的楼面活荷载；

4.研究：对样本进行统计分析，得出任意时点值和设计基准期最大值的统计特征，给出楼面活荷载的标准值。

（三）执行大纲

本着循序渐进的原则，分别制定了面向学生的学习、实践和研究3个部分执行大纲。

在学习阶段，具体完成以下任务：

1.课下复习概率论和数理统计的相关内容；

2.课堂上补充的随机性数学的知识（对Weibull分布、极值I型分布、简单的随机过程和极值统计知识）；

3.课堂讲授专业知识；

4.课下指导学生阅读至少两篇相关论文；

5.课下指导学生掌握用软件对样本数据进行统计分析的方法（计算均值和方差，绘制直方图，初步判定分布类型，分布拟合检验）。

在实践阶段，具体完成以下任务：

1.每5～8人成立研究小组，以学生宿舍、图书馆和教学楼为调查对象；

2.在学习的基础上，研究小组选择一类调查对象，提出调查和研究方案，要求独立样本的数量不少于30个；

3.课下指导学生修改调研方案；

4.学生课下进行采样。

在研究阶段，具体完成以下任务：

1.统计分析永久性楼面活荷载的任意时点值和设计基准期内的最大值，给出统计特征；

2.统计分析临时性楼面活荷载的任意时点值和设计基准期内的最大值，给出统计特征；

3.永久性楼面活荷载和临时性楼面活荷载组合；

4.楼面活荷载标准值的确定；

5.与荷载规范中活荷载标准值进行对比。

（四）教学效果

上述执行大纲在10周内完成，仅占据两个课堂教学的课时，其余工作均在课下完成。学生的学习积极性很高，较好地理解了所补充的随机性数学的知识和要求阅读的论文；在荷载调查的过程中，不但积极主动，而且注重观察，一些课题小组有了宿舍荷载与年级间存在相关性等新发现。实践性和研究性教学过程中，学生从兴趣出发，有目的性地学习，亲自进行荷载的采样，最后对样本进行分析研究，已经对荷载的不确定性有了较深刻的认识，同时也掌握了不确定性的处理方法。

在课堂教学方面，同校园建筑楼面活荷载相近的荷载教学内容，在课堂上可以不讲，学生通过自学可以完全掌握；其它荷载的教学内容，也容易理解。荷载部分学习迁移的目的基本达到。

三、结论

正确的荷载取值是保证土建工程安全、适用和经济的前提，而和抗力部分的教学相比，荷载部分的教学还没有许多有待提高的方面。笔者针对当前荷载教学中存在的教与学的矛盾，从认知发现理论出发，进行了荷载教学的实践性和研究性教学的探索。根据“价值”、“学习”、“实践”和“研究”的思路，制定了执行大纲，组织学生亲身完成身边熟悉建筑的荷载调研。使学生深刻理解了楼面荷载标准值制定的方式和方法，对荷载的不确定性有了较深刻的认识，同时也掌握了不确定性的处理方法。而且对其它荷载的学习起到知识迁移的效果。

［1］ 曹振熙，曹普.建筑工程结构荷载学［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［2］ 朱文彬，赵淑文.高等教育心理学［M］.北京：首都师范大学出版社，2007.

［3］ 许成祥，何培玲.荷载与结构设计方法［M］.北京：北京大学出版社，2006.

［4］ 应惠清，朱大宇.大型超市楼面等效活荷载的确定［J］.结构工程师，2004，20（4）：18－19.

［5］ Alfredo H－S Ang，Wilson H Tang.Probability Concepts in Engineering Planning and Design［M］.John Wiley ＆Sons Inc，1984.

［6］ 李富民，夏军武，常鸿飞.荷载与结构设计方法课的设置矛盾与对策［J］.高等建筑教育，2007，16（3）：75－78.

Research and practical exploration in load teaching

XIE Nan
（School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

A research and practical exploration is given to resolve the contradictions between teachers and students in load teaching based on Bruner＇s Theory of Cognitive Discovery.An idea focusing on value，learning，practice and research is proposed and an implementation outline is made.The students are organized to investigate and research the live load acting on the floors of buildings in campus.In this way，they not only undergone the determination process of characteristic value of live load all by themselves，but also they are easy to understand the developing method of other loads.

load teaching；curriculum reform；research and practical teaching；Theory of Cognitive Discovery

Tu 3－4

A

1008－6927（2011）03－0359－03

2011－04－16

谢 楠（1965－），女，湖南人，博士，副教授，主要从事结构设计理论和施工技术的研究。

（

刘雪春）