研究生教育课程《工程结构反分析理论》的教学实践及体会

方宏远+李健

摘要：《工程结构反分析理论》是高等学校土木工程、交通运输工程、水利工程、地质工程等专业研究生重要专业课程之一。针对目前该课程授课时学生专业分布广、知识背景差距较大的问题，本文从课程内容、教学方法、教学手段三个方面提出了教学实践过程中的一些心得体会和建议。

关键词：工程结构反分析；教学实践；心得体会

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）16-0227-02

随着我国经济实力的不断增强，我国交通、水利等基础设施建设进入高速发展时期。目前我国已建成各类水库87873座，江河堤防29.41万公里，公路410.64万公里，铁路9.3万公里，桥梁68.94万座，隧道为8522处。但由于设计、施工等原因，这些基础设施在建成不久后就出现各种各样的质量问题。传统方法一般采用钻芯取样的手段进行质量检测，这种方法会对结构产生一定损伤，且检测结果不具有代表性。近年来，通过声、光、电磁、弹性波等手段的无损检测方法逐渐推广应用，通过对接收信号进行反分析，可以了解结构质量情况。我校为了使土木、交通、水利等工程学科研究生能够紧跟国内外研究热点，掌握工程检测领域最新的理论与方法，在我校岩土工程、道路与铁道工程、水工结构工程等相关专业开设了《工程结构反分析理论》这门课程。这门课程除了给学生讲授工程结构反分析的基本原理和方法，还将培养学生从事科学研究和工程实践的能力。然而，由于授课学时有限（仅有32个学时），但课程需要讲授的内容却很多，若全面讲解时间不允许，且容易造成学生感觉满堂灌，产生烦躁情绪，不易激发学生的学习兴趣。此外，由于研究生专业比较分散，虽然同属大工程学科，但专业背景各不相同，而该课程的综合性很强、涉及面广，学生普遍反映学习这门课程较为吃力。针对这些问题，笔者结合《工程结构反分析理论》这门课程讲授过程中的一些心得体会，对这门课程的课程内容、教学方法以及教学手段提出一些建议。

一、课程内容方面[1]

1.精简课程内容，删去其他课程中已经介绍过的内容。《工程结构反分析理论》这门课程讲授的方法主要包括两大类：一类是传统经典优化算法，包括单纯形法、共轭梯度法、最小二乘法等；另一类是现代智能优化算法，主要包括模拟退火算法、遗传算法、神经网络算法、粒子群算法、蚁群算法等。面对种类如此繁多的优化方法和有限的课程时间（研究生专业课学时数仅为32学时），如何让学生既能初步了解各类优化方法的基本原理，又能掌握其在工程结构反分析中的应用是一个关键问题。要想解决这一问题，就必须对课程内容进行删减，其中，由于传统经典优化算法的求解思路和基本原理在专业基础课《优化算法》这门课程中已经进行过讲解，因此在本课程中不再对这些方法的基本原理进行讲解，着重讲解各类优化算法的求解过程以及优缺点，让学生掌握如何利用各类优化算法解决不同类型的工程实际问题。

2.突出重点问题，要在课堂上讲解工程实践中应用最为广泛的方法。这门课程需讲授的内容很多，包括多种传统经典优化算法和现代智能优化算法。目前，将传统经典优化算法应用于实际实践已经有上百年，这些方法虽然能够解决一部分实际工程问题，但其收敛精度和收敛速度受初值影响较大，也就是说当参数选取范围不合适时，算法容易发散，因此，这类方法目前在工程实践中应用不多。所以，本课程仅用4个学时的时间对传统经典优化算法进行一下简单的介绍，让学生了解传统经典优化算法的种类以及优缺点，并以系统识别算法为例，向学生讲述如何利用该算法解决工程实际问题。本课程的重点是向学生讲解当前工程实践中普遍应用的各类智能优化算法，包括遗传算法、粒子群算法、神经网络算法、模拟退火算法等，通过对这些智能优化算法原理的讲解，让学生了解不同种类优化算法的求解过程。

3.紧跟学科前沿，给学生讲授最新的科研成果。随着现代智能仿真技术和计算机技术的快速发展，各种智能算法层出不穷，这就要求学生需掌握的知识和信息也越来越多。因此，这门课程除了要求学生掌握遗传算法、粒子群算法、神经网络算法等已经比较成熟的智能优化算法外，还需要了解一些最新提出的智能优化算法。比如，根据果蝇觅食过程受到启发提出的果蝇算法，由萤火虫闪烁行为受到启发提出的萤火虫算法等，这些新方法的介绍非常有利于拓宽学生的视野，增加学生的知识面。此外，本课程中还会讲授一些专家学者对于遗传算法、粒子群算法、神经网络算法的改进技术，教导学生如何在科学研究的过程中发现问题并解决问题，有利于提高学生的科研能力，培养学生的科研素质。

二、教学方法方面[2-5]

1.由实际工程入手，增强学生的学习兴趣。无论是传统经典优化算法还是现代智能优化算法，其原理多为复杂的数学推导，传统教学方法多从算法基本原理入手向学生讲授，学生听课感觉枯燥乏味，不知所云，提不起兴趣。本课程从工程实践入手，首先向学生介绍一个个的工程案例，让学生了解掌握该方法能够干什么，从而极大地提升的学生的学习动力和学习兴趣。例如，在讲解粒子群优化算法时，首先给学生介绍了我国道路厚度检测技术的现状，即传统方法采用钻芯取样进行检测，检测速度慢，且破坏路面结构，而目前普遍采用探地雷达对路面结构层厚度进行无损检测，通过对探地雷达回波信号进行反演分析，可以准确获得路面结构层厚度；然后讲解如何利用粒子群算法对路面实测探地雷达信号进行反演分析，最后对粒子群算法在路面结构层厚度分析中的精度和效率进行总结。而在讲解蚁群算法时，则是通过一个利用蚁群算法反演分析路面结构层模量的实际例子进行讲解。通过不同工程实际问题引出不同智能优化算法的讲课模式，使学生首先了解所学知识在实际工程中的应用范围，可以有效地提高学生的学习兴趣和主观能动性。

2.设立兴趣小组，令学生熟练掌握一种工程结构反分析方法。工程结构反分析这门课程将会详细讲授多种优化算法，但对于某个学生而言，并不需要其掌握所有的优化方法，只需熟练掌握某一种方法，并可以利用该方法解决具体实际问题，对于其他方法，了解其基本原理即可。因此，在这门课程绪论部分讲授完毕后，将学生分为若干个兴趣小组，一组3～5人，每个小组针对某一种算法展开研究，学生可根据自己的兴趣加入不同的小组。这样，每一个小组内部，学生的研究方向都相同，可以有针对性地阅读一些文献，并进行相互交流，从而深入了解该算法原理以及在不同工程问题中的应用方法。endprint

3.采用课程设计的方式进行考核，注重培养学生解决工程实践问题的能力。以往工程结构反分析这门课程考试一般采用闭卷考试形式，即由任课教师统一出一张试卷，题目多为论述各种算法的基本原理，使用范围，求解步骤等，通过这种形式学生虽然能够掌握这些算法的基本原理和求解过程，但却不能将该方法应用于解决实际问题。因此，我们将这门课程考试形式改为课程设计，由任课老师选取一个或者几个实际工程问题，让已经建立的不同算法兴趣小组分别采用自己小组研究的算法解决这些实际工程问题，锻炼学生的实际动手能力。此外，这门课程的试卷批改方式也有所创新，学生的课程设计完成后不再由任课老师统一批改并打分，而是由每个兴趣小组制作课程设计汇报PPT，并从小组中推选出一位代表，到讲台上为全班同学进行讲解，任课老师和其他组的同学在讲台下对其成果进行点评和打分，如果遇到不明白的问题，还将现场提问。采用这种模式可以增加学生与任课教师之间以及学生与学生之间的交流互动，活跃课堂气氛，不仅可以增进学生老师之间的感情，还可以锻炼学生的语言表达能力，提高研究生的综合素质。

三、目前教学过程中普遍采用多媒体教学[6]

这种教学方法可以令学生更加生动和直观地了解所学课程的相关内容。但由于《工程结构反分析理论》这门课程牵扯到一些理论公式推导，如果这部分内容完全采用PPT进行讲解，讲课速度过快，学生难以理解。因此，本课程采用板书与PPT相结合的方式进行授课，即对于工程背景等内容采用多媒体进行讲授，对于优化算法中的理论公式推导，采用板书的形式，带领学生一步一步进行演算，给予学生充分的时间消化知识，理解概念，同时也增加了课堂教学的灵活性。

《工程结构反分析理论》这门课程在土木工程、交通运输工程、水利工程等学科研究生教育中占有重要的地位，它主要应用于解决实际工程问题。为了适应现代工程安全检测需要，针对《工程结构反分析理论》这门课程的课程内容、教学方法和教学手段中存在的问题和不足，提出了自己的心得和建议。该课程在岩土工程、道路桥梁工程、水工结构工程专业教学中表明，学生理论知识学习情况，解决工程实际问题的能力都得到了较大提升。本文对《工程结构反分析理论》这门研究生课程的改革和教学实践，希望能为其他高校相关学科教学实践提供些思路。

参考文献：

[1]张佳楠.《分析化学》在专科教育课程中的教学实践及体会[J].教育教学论坛，2013，（22）：105-106.

[2]屈亚媛.小组学习法在大学英语教学中的应用——英语报刊阅读课教学实践体会[M].疯狂英语（教师版），2012，（3）：59-61.

[3]陈瑜，姜晓华.论工科课堂教学[J].长春理工大学学报（社会科学版），2005，1（4）：107-108.

[4]乔培，高岭.多媒体教学在高校的发展与应用探究[J].中国教育信息化，2010，（9）：50-54.

[5]吴建松，秦跃平，杨小彬，刘伟.《工程热力学与传热学》教学内容和方法的优化与实践[J].中国电力教育，2014，（23）：41-43.

[6]冷伍明.基础工程可靠度分析与设计理论[M].长沙：中南大学出版社，2000.endprint