结构可靠度理论课程教学改革与实践

潘文军 吴辉琴 邹万杰

（广西科技大学土木建筑工程学院，广西 柳州 545006）

“结构可靠度理论”是结构工程专业硕士研究生学位课程的专业技术基础必修课，主要介绍结构分析中的可靠度理论、方法和应用。通过该课程内容的学习，使学生掌握结构可靠的基本概念、理论、方法以及应用结构可靠理论判断分析在役结构的安全、适用及耐久性能；同时，提高学生应用所学知识提高编程能力，培养学生的逻辑思维能力和解决实际问题的能力，为后续专业课程学习、学位论文选题乃至科学研究打下坚实的基础。

“结构可靠度理论”课程理论性强，涉及教学内容多且都比较抽象，而安排课时（40课时）又很少，因此，无论是教师的“教”，还是学生的“学”，都是两面难的问题。该课程的传统教学模式，往往是教师“填鸭式”式的讲解教学大纲要求的理论知识，学生被动的理解和记忆一些基本公式，然后通过照搬算例来应付一下课程考试。因此，就教师而言，一定程度上打击了教师授课的积极性，而对于学生来说，往往缺乏学习热情和兴趣，甚至产生恐惧感，根本达不到让学生灵活运用所学知识去分析问题和解决问题的预期目标。基于此，本文针对结构可靠度理论课程教学存在的问题，对该课程的教学改革进行了探索。

1 结构可靠度理论课程教学中存在的问题

1.1 教学内容多，学时少的矛盾突出

结构可靠度理论是基于结构的不确定性展开的结构分析，所涉及的内容包括了与不确定性处理有关的概率论、数理统计、随机过程和模糊数学等数学基础知识和与结构分析有关的结构力学，混凝土设计原理，结构抗震等专业基础知识。广西科技大学研究生课程“结构可靠度理论”教学大纲2006年开始制定，2008年和2009年作了两次调整，目前该课程教学大纲的教学内容涵盖了上述两大部分内容，建议分配学时仅为40学时（2012年以前和以后，1学时分别为45分钟和40分钟），见表1。由表1可知，在该课程教学过程中，教学内容多而且都是非常难理解的内容，而分配学时却少得可怜。授课教师往往为了在规定学时内完成既定的教学内容，只能将学时花费在理论知识的讲授中，极少安排讨论课，演变成了实实在在的“填鸭式”教学。

1.2 前导课程不扎实

结构可靠度分析实质是将概率论、数理统计、随机过程和模糊数学等数学基础应用于结构分析。学生的数学基础和结构知识将直接关系到该课程的教学效果。虽然学生都经历了研究生入学时的“高等数学”考试，对高等数学、线性代数和概率论与数理统计等还有一定的印象，但由于这些数学概念多，难度大，学生们对随机事件，随机变量的数学特征，样本及其分布等知识的认识和理解不深，甚至印象模糊，尤其是随机过程和模糊数学，多数学生基本不熟悉甚至没接触过。而对于结构力学、混凝土设计原理和结构抗震理论等相关课程，学生的专业水平也参差不齐，部分跨专业学生甚至未系统学习这些专业课程。然而，这些内容是结构可靠度理论课程的重要基础，在进行公式推演和算例分析过程中使用频率很高，因此，授课教师往往需要花费大量的时间重新讲解这些知识，致使教学效果不理想。

1.3 理论教学与实践教学脱节[1-4]

由于学时限制，授课教师一般多专注于理论知识的讲解，实践教学环节很少甚至没有。事实上，结构可靠度理论的一个显著特点应当是面向计算机和工程应用，结构可靠分析的相关算法最终要通过编程或应用数学软件在计算机上实现。学生通过系统理论学习、编程和上机操作，才能真正理解和掌握相关算法，切实体会到它的实用性。然而目前“结构可靠度理论”课程教学大纲根本没有安排课内实践环节，未能检验出学生的动手编写程序的能力。结果是学生只为拿了该课程学分而学习，但没有达到学以致用的效果。

1.4 考核方式单一

2012年以前的结构可靠度理论课程考试都采用开卷考试，最终评定成绩=70%考试成绩+30%平时小作业成绩。这种考核方式很难全面反映学生的学习状况，部分平时课堂学习与讨论都表现很好的学生往往因为考试时发挥失常而得分较低，而一些平时表现平平的学生可能投机取巧考出高分。因此，这种考核方式对于不善于考试的学生显然不太公平，有可能会挫伤始终努力学习的学生的积极性。

1.5 现代多媒体教学手段运用不够

结构可靠度理论课程教学中有大量的数学公式推导和演算过程，要完成相应的教学内容，需要大量的学时进行讲解。多年来，我校强调数学、力学等推演性很强的课程不宜采用多媒体教学，因此要求授课教师尽可能采用板书方式进行此类课程的教学。殊不知，板书教学耗费了大量的课堂教学时间，无疑使本来学时就少的教学内容安排变得更为紧张。

2 课程教学改革与实践

2.1 优选教学内容，突出工程应用

研究生的教学活动旨在培养学生分析问题和解决问题的能力，最终要培养学生独立进行科学研究的能力，而不应该像本科阶段学习那样通过大量详细的算例讲解课程内容。就本课程而言，应在理解结构可靠度分析的基本理论、方法基础上，侧重其算法的计算机实现及其工程应用，同时适当介绍当今结构可靠度理论研究的最新理论。根据土木工程研究生结构可靠度理论教学大纲要求以及学生所学的专业方向，对课程基本内容进行整合，设置课程内容分为三大模块，见表2。从理论分析进而到工程应用，模块间相互融合又相对独立。授课过程中要求学生既要注意基本理论学习，又应结合所研究方向选择不同的领域深入研究。对于从事结构抗震方向的学生，可选择结构抗震动力可靠度的子课题开展研究，对于从事结构抗风方向的学生，可开展结构抗风动力可靠度的子课题研究。

表2 结构可靠度理论课程模块格局

2.2 巩固前导课程，培养学生兴趣

学生前导课程学习不扎实是学习结构可靠度理论课程的最大障碍，在学习该课程之前或在讲授过程中不时穿插复习前导课程的内容，帮助学生巩固数学基础知识。结构可靠度理论主要讲授结构分析所涉及到的随机变量，失效概率，可靠度等问题，这些都是概率论与数理统计的难点，大多数学生在学习数理统计时都没有很好的掌握。在讲授该课程时，可安排一定的学时复习与可靠度理论相关知识点，有利于学生对概率论与数理统计知识的理解和应用，有助于消除学生对结构可靠度学习的恐惧感，培养学生学习的兴趣。学生有了兴趣，学习就会由被动转为主动，达到事半功倍的教学效果。

2.3 改革教学方式和考核方式

教学过程中，彻底改变“一支粉笔一本书”传统的“单向”教学模式，转变为“双向”的师生互动教学模式。通过增加课堂的互动环节，使学生很好的参与到课堂教学中来，激发学生学习积极性。积极采用多媒体教学与板书相结合的教学方式，一方面要充分利用多媒体教学课件，直观表达传动板书所不能表达的内容，减少单纯板书消耗的宝贵学时；另一方面对重要公式和算例，还是要配合适当的板书推演，以避免学生只记住结果，而忽略演算过程的细节。在课程考核方面，加大平时成绩比例，考核内容可变为安排一人一题的大作业或小论文，通过整个教学过程的落实，更好考察学生理解和运用相关内容解决实际问题的能力。

2.4 强调和重视实践环节

结构可靠度理论是一门实践性和应用性很强的课程，如果授课教师只侧重于理论和算法的讲授，不要求学生运用算法解决实际问题，学生的实践能力就得不到提高。正所谓“实践是检验真理的唯一标准”，光“看”不“练”的结果往往只会培养出“半桶水”的学生。为达到学以致用的目的，2011年以来，在该课程教学过程中，增加了教学实践要求。首先将选修学生分成几个小组，根据学生自主选题和教师指定题目的方式，然后要求学生应用相关高级语言(比如 MATLAB，FORTRAN,C++)或相关软件完成规定的课外作业，最后在课堂上进行讨论。学生在程序编写或应用软件过程中难免会遇到一些困难和问题，但正是在解决这些问题的过程中使学生提高自身分析问题和解决问题的能力。实践证明，这种教学实践激发了学生的创造性，教学效果明显。比如2012级研究生，不少学生通过整理“中心点法[5]”、“验算点 (JC) 法[5]”、“映射变换法[5]”和“蒙特卡罗法[5]”等结构可靠度分析方法的程序设计与开发，形成了若干篇较高质量的小论文，具备了一定的程序开发和撰写科技论文的能力。

2.5 强化范例教学法在教学中的应用

范例教学在结构可靠度理论的算法思想讲解中能发挥其无法比拟的优势。对可靠度理论中主要算法和一些抽象的概念，可以先从直观意义或具体实例解释着手，通过多举工程实例，帮助学生理解相关的基本概念。例如，讲解结构可靠度概念时，可结合《工程结构可靠度设计统一标准》GB 50513-2008，对于规定的时间，规定的条件定，完成不同的功能等特点深入理解可靠度的概念，同时介绍美国、欧洲和日本等国家关于目标可靠指标的不同。

3 结束语

研究生课程结构可靠度理论课程教学改革的措施是：优选教学内容，突出工程应用；巩固前导课程，培养学生兴趣；改革教学方式和考核方式；强调和重视实践环节；强化范例教学法在教学中的应用。教学实践表明，该教学改革达到了预期效果。通过教学改革和相应的教学实践，激发学生的学习热情和积极性，提高学生应用可靠度理论分析和解决土木工程领域的结构分析能力，为学生学习后续专业课程和撰写学位论文奠定坚实的理论基础。

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