影响“工程结构荷载与可靠度设计原理”教学效果的源性问题探析

张吉，冯骋，陶美竹

（贵州民族大学建筑工程学院，贵州 贵阳 550025）

0 前言

工程结构荷载与可靠度设计原理是一个交织多门课程、多个领域的综合课程，学生毕业后在工作岗位中经常会使用该门课程的知识与技能，是学生硬技能构建过程中重要的一环。评估工程结构通常会使用结构可靠度这一词语，其指的是在规定的时间和条件下，工程结构完成预定功能的概率，是工程结构可靠性的概率度量[1]。工程结构需要满足预期的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。工程结构是否可以顺利建成并完成预定功能，荷载是重要的考量因素。荷载是建筑结构设计的重要方面，也是工程设计需要解决的重要问题。但由于影响可靠性的各种因素存在着不确定性，如荷载、材料性能等的变异，计算模型的不完善，制作质量的差异等，而且这些影响因素是随机的[2-4]，因而工程结构完成预定功能的能力只能用概率度量。结构能够完成预定功能的概率，称为可靠概率。由此可见本课程涉及高等数学、线性代数、概率与数理统计、材料力学、结构力学等多门课程[5]。

工程结构荷载与可靠度设计原理教学平台建立具有重要意义。首先后疫情时代为疫情突发状况做好充分的教学准备。新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019，COVID-19)自 2019 年爆发，我国境内在2020年上半年出现不同时长停课现象，从世界范围来讲，其已具备大流行的特点。目前虽然国内疫情控制处于稳定状态，但不断出现变异的病毒变异株，让疫情走向变得更难以预测[6-8]，局部地区仍有小范围的疫情反复，在后疫情时代为课程做好充分准备是每个教师的职责。其次，工程结构荷载与可靠度设计原理教学效果与预期值差距较大。目前贵州民族大学工程结构荷载与可靠度设计原理采用的为传统教学模式，在疫情期间启动了应急模式完成了线上教学，但并未建立完整的适合本校学情的教学线上课程，最后使课程适合线上、线下教学模式。工程结构荷载与可靠度设计原理是一门房屋与桥梁工程专业课程，涉及的前导课程和后续课程较多，学生需要通过平台解决本课程与前导课程交织的基本概念及知识点之间的逻辑关系，线下需要教师对高频疑难问题做出统计并给出专业解答，上传至线上平台的服务器。

本文针对这一现象进行调研，并为后续平台设计目标——聚焦问题、激活旧知识、求证新知识、应用新领域、融会贯通做好准备。根据教学活动进行解析，参与人包括：教师、学生；任务：讲师通过一系列的方式和手段，将知识传递给学生。因此，调查问卷设计为两种，一种调查主体为教师，另一种调查主体为学生，分别从教学过程两个参与主体不同角度来解析评价问题。

本研究将问题从教师源性问题、学生源性问题、课程源性分析归纳。

1 教师源性的问题

教师源性问题主要包括三个方面，具体如下。

1.1 教师知识高精尖但广度不足

该课程团队共6人，硕士3人，博士3人，学历层次较高，但知识广度欠缺。教师自己在本科学习时，会学习储备大量土木专业必修课程、选修课程，进入硕士研究生学习时，开始分为不同研究方向，出现侧重，随着博士研究生的学习，教师开始从事更为具体化的科学研究方向，整个过程教师虽然知识深度增加，但知识广度逐渐变小。

1.2 教学方法单调

教师团队成员针对教学方法、教学心理学等知识了解不够深入。教师团队成员绝大部分是土木工程学校硕士、博士毕业后直接担任了教师的角色，课上大部分时间以教师为中心，以讲授法作为主要教学方法。本课程中“以教师为中心”的问题，与多数教学调查发现的现象存在一致性[9]。满堂灌的模式，使得学生参与度比较低，学生的注意力集中时间会明显缩短[10]。

1.3 教师对课程难度认识与学生存在差异

通过对访谈与微信对话开放平台收集数据进行分析后发现，教师对于知识点给予的难度系数与学生给出的难度系数存在较大差距，由于教师的知识结构体系与学生不同，其知识体系搭建得更加扎实、丰富，可以利用不同的知识对难点进行辅助理解，这也是师生难度系数差异产生的一个重要原因。难度认识不同会导致教师以自己定义出的难度系数授课，以致学生学习起来存在理解困难。

2 学生源性问题

学生源性问题主要包括三个方面，具体如下。

2.1 学习任务较重

学生需扎实学习掌握大学英语、思想政治公共课，以及贵州省情等地域、学校特色课程。除课堂学习外，还需要进行认识实习等现场实践环节的学习。课外时间被压缩得比较紧张。教师进行翻转课堂式教学时，布置的前导课程复习和基本概念的学习没有充足的时间去很好的执行。

2.2 主观能动性不足

学生大部分关于课前预习多是被迫式，教师没有布置，只有很少比例的同学愿意主动花时间去看，更多的同学是在等教师课堂上讲解。但是，由于涉及前导课程内容，同学们并不是很熟悉，教师授课时限制，在课堂并没有办法深入复习前导课程知识。

2.3 隐形逃课比例高时间长

由于智能手机的普及和4G、5G网络费用为绝大多数学生可承受范围，教师为提升效率，多采用教学平台、通讯软件等替代传统的点名。通常情况下，教师会建议购买一本教材，而教辅资料如《建筑结构荷载规范》[11]、《建筑结构可靠性设计统一标准》[12]与建筑构造做法相关的图集等，一般不再要求学生购买，直接推荐采用建标库APP或电子书进行查看。因此，学生常常可随身携带手机，为学生在课堂看视频、网络购物、打游戏提供了便利条件。根据调查，部分同学反映，课前预习不足，课程晦涩难懂时更容易造成隐形逃课[13-14]。若在课堂学习受阻，很大可能会导致学生转投虚拟世界，这也间接印证为什么更多是成绩不甚理想的同学喜欢在课堂打游戏，看视频、聊天等[15]。

3 课程源性问题

课程源性问题主要包括四个方面，具体如下。

3.1 本课程涉及交叉学科目较多

本课程涉及高等数学、线性代数、概率论与数理统计等数学课程，以及理论力学、材料力学、结构力学、土力学、流体力学等力学课程。在讲授土体对建筑物的荷载作用时，需用到主动、静止、被动土压力理论等土力学知识。在讲授风荷载时需利用流体力学伯努利方程理解风速与风压的关系。在讲授地震作用时，结合理论力学达朗伯原理与结构动力学知识，建立单自由度体系的平衡方程，采用高等数学中常系数非齐次二阶微分方程求解方法，结合杜哈梅（Duhamel）积分获得单自由度体系的地震响应。在讲解多自由度体系地震作用时，需采用线性代数知识，通过求矩阵特征值与特征向量，求得结构的周期与振型，利用振型矩阵的正交性可将多自由度体系刚度矩阵对角化，以实现耦合方程组的解耦，与最终通过结构力学与材料力学知识，得到结构的倾覆弯矩与构件内力等。获得单一工况的荷载效应后，设计时需与其他荷载进行组合，如地震作用与恒活组合，此时需采用概率与数理统计知识，根据既定失效概率pf（或可靠度指标β）等，确定基于结构概率可靠度设计的实用表达式，获得各工况效应的分项系数[16-17]。

除此之外，恒荷载计算时，需查阅建筑施工图中标注的图集构造做法，逐步分层计算各组成层的恒载值。地震作用计算时，是否考虑楼梯等，因地震作用与房屋建筑的刚度有关，而是否应考虑楼梯的刚度，又与楼梯是否设置滑动支座相关联，若能采用国家建筑标准设计图集（16G101-2）中滑动楼梯构造[18]，在地震作用计算中，可仅考虑楼梯的重力荷载代表值。

3.2 前导课程知识掌握程度欠缺

前导课程知识掌握欠缺第一体现在学生的成绩上。通过调取学生相关前导课程成绩发现，接近10%的学生成绩超过85分，30%～40%处于75分～85分之间，30%～40%处于65分～75分之间甚至有5%～10%的学生成绩低于60分。除此之外，通过试卷分析和任教课程教师访谈发现，试卷难度系数在近些年不断下调，尽管从成绩分布上没有显示学生知识掌握程度下滑，其本质是因为下调了难度系数。但工作岗位难度系数并未下调，也导致用工单位满意度调查并不是非常理想。

3.3 课程资源不足

教学视频多源于网络资源，视频数量不足，且并未根据本校学情进行修改，与本校学生的学情契合度不够。教学视频多为动画，非动画设计等专业的教师对于动画制作软件操作不熟，导致很多教师不愿制作教学视频，即使制作了教学视频多是PPT录制，而非真正地将抽象知识具体化，微观知识宏观化[19-20]。

考虑活荷载的随机性应做的不利布置设计，荷载组合时的互斥性，活荷载的折减等问题，对于在校的学生而言，均显得比较抽象，看书时所有的字都认识，但就是不能深入理解掌握。遇到特殊的荷载情形，学生缺乏解决实际问题的能力。如风荷载大小是与结构周期相关，如果在初始阶段设计的结构，经方案调整后，周期改变，应该再次反填周期通过迭代完成风荷载计算与后续设计，但大部分学生会忽略此问题，这也是作者在多年教学与毕业设计指导过程中，发现频次最多的问题之一。

3.4 课程学习监督机制较弱

首先大学多数课程没有课前预习任务，也几乎没有把课前预习完成情况纳入课程成绩考核的范围。其次课程参与度也几乎不纳入考核成绩，即使纳入比例很低，学生参与一两次提问就可以获得对应的分数，并没有显著提升学生的参与度。最后，教师很少布置任务，即使部分教师布置一些任务，但比例远低于50%，课后复习基本依赖学生的主观能动性。

通过本次调查和访谈清晰地了解教师、学生、课程资源三个方面问题所在，为后续工程结构荷载与可靠度设计原理课程WEB端平台建立、线上课程设计、课程整改、课程运行、监督等方面提供理论依据。从课前—课中—课后建立敦促机制，同时利用平台共享前沿知识，充分利用碎片时间，让学习减少受时间、空间限制[21-22]，学习过程遵循艾宾浩斯记忆遗忘曲线，真正地实现“以教师为中心”转变为在教师有效指导和监管下的“以学生为中心”。