摘要：“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”是結(jié)構(gòu)理論與數(shù)學(xué)理論的結(jié)合，主要介紹結(jié)構(gòu)可靠度理論以及可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的聯(lián)系，它將為“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”、“鋼結(jié)構(gòu)”等課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。通過歸納當(dāng)前“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”教學(xué)中存在的問題，提出了改進(jìn)措施。首先應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生重視并激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，然后在教學(xué)上構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容的知識連貫性和系統(tǒng)性，并且要特別注重概念闡釋與原理講解，最后課程成績評定宜注重在對學(xué)生激勵上。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；可靠度；教學(xué)方法；概念與原理

作者簡介：張振浩（1980-），男，廣西欽州人，長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，講師；楊偉軍（1962-），男，湖南益陽人，長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，教授。（湖南長沙410114）

基金項目：本文系長沙理工大學(xué)橋梁工程湖南省高校重點實驗室開放基金資助項目（項目編號：09KA02）的研究成果之一。

中圖分類號：G642#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）11-0078-02

一、“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”課程特點及重要性

“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”課程的教學(xué)對象是土木工程專業(yè)三年級本科學(xué)生，這是一門土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其先修課程是“概率論”、“數(shù)理統(tǒng)計”、“結(jié)構(gòu)力學(xué)”等，學(xué)習(xí)了這門課程之后將為后續(xù)的“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”、“結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”、“鋼結(jié)構(gòu)”等課程打下基礎(chǔ)。

荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是結(jié)構(gòu)理論與概率論、數(shù)理統(tǒng)計等數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的一門新興學(xué)科，重點介紹常用的結(jié)構(gòu)可靠度計算和設(shè)計方法以及結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的聯(lián)系。[1]20世紀(jì)70年代以來，結(jié)構(gòu)可靠度理論在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域進(jìn)入實用階段，許多國家都致力于建立結(jié)構(gòu)可靠性理論為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系。我國工程技術(shù)界非常重視結(jié)構(gòu)可靠性問題，先后編制了《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50153-92）等多個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)主要目的是使學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)可靠度理論及加深理解并運用好這些統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范體系。

該門課程的教學(xué)重點包括：可靠性理論的一次二階矩方法即近似概率法（水準(zhǔn)Ⅱ），主要學(xué)習(xí)中心點法、驗算點法；荷載及抗力的統(tǒng)計分析；結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計，包括我國“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”采用的設(shè)計可靠指標(biāo)，實用設(shè)計表達(dá)式以及表達(dá)式中各分項系數(shù)（荷載分項系數(shù)、荷載組合系數(shù)、結(jié)構(gòu)抗力分項系數(shù)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）的確定原則方法；結(jié)構(gòu)體系可靠度。全課程教學(xué)學(xué)時為16課時，教學(xué)安排如表1所示。可見，課時少、難度大而內(nèi)容重要是這門課的特點，也是這門課程教學(xué)的最大突出矛盾。

二、“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”教學(xué)存在的突出問題

1.重視程度不夠

由于各種原因，有些高校在土木工程專業(yè)的課程設(shè)置上對“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”這門課程的重視不夠，教學(xué)課時曾一再被壓縮。同時教學(xué)內(nèi)容除了結(jié)構(gòu)可靠度理論外，還增加了“荷載”這一塊的內(nèi)容，包括重力荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、土壓力等，這使得可用于教授結(jié)構(gòu)可靠度理論的學(xué)時更為減少。[2]另一方面，學(xué)生本身也對課程的重要性認(rèn)識不夠，普遍認(rèn)為結(jié)構(gòu)可靠度知識對今后工作的幫助不大，在工程實踐中不需要用到“如此高深”的理論。因此，若非考研需要，一般的學(xué)生均對該課程興趣不大，投入學(xué)習(xí)的時間也較少。此外，課程設(shè)置上該門課程學(xué)時及學(xué)分的減少，也潛移默化地使得學(xué)生認(rèn)為該門課程不太重要。

2.課程內(nèi)容難度較大

結(jié)構(gòu)可靠理論在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中處于“統(tǒng)領(lǐng)”的指導(dǎo)地位，由于所站的層次較高，結(jié)構(gòu)可靠度理論的基本概念本身就比較抽象，尤其目前一般將這門課程安排在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理等課程前學(xué)習(xí)，學(xué)生在對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計完全沒有接觸了解的情況下，理解結(jié)構(gòu)可靠度基本概念較為困難，抓不住要領(lǐng)。其次，結(jié)構(gòu)可靠度的計算方法也頗為復(fù)雜。雖然課程只要求學(xué)生掌握基本的一次二階矩方法，但學(xué)生仍普遍感到很是吃力。中心點法相對而言概念較清楚、計算比較簡單，學(xué)生基本能掌握，但該法僅是可靠度計算的初級方法。對于需要重點掌握的驗算點法學(xué)生就感覺難度較大了。公式推導(dǎo)復(fù)雜，計算步驟繁多，而且需要重復(fù)迭代計算，這些困難往往讓學(xué)生望而卻步。因此學(xué)生概念理解模糊、對計算過程一頭霧水頗為常見，學(xué)生對驗算點法的學(xué)習(xí)僅僅是進(jìn)行生搬硬套的模擬，沒有理解公式的含義，更不去探究這樣計算的原因。

3.相關(guān)知識環(huán)節(jié)脫節(jié)

“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”是在概率論、數(shù)理統(tǒng)計、高等數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行學(xué)習(xí)的。這些相關(guān)課程的有機(jī)融合是學(xué)習(xí)好結(jié)構(gòu)可靠度理論的前提，若已學(xué)知識理解不深刻和掌握不牢固，學(xué)習(xí)這門課程就會遇到很大困難。學(xué)生感覺這門課程難學(xué)的一個重要原因就是相關(guān)知識環(huán)節(jié)的脫節(jié)。結(jié)構(gòu)可靠度計算對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，尤其對概率論、高等數(shù)學(xué)要有很好的掌握。如中心點法、驗算點法的可靠指標(biāo)計算公式推導(dǎo)中均用到多元函數(shù)的泰勒級數(shù)展開，而在高等數(shù)學(xué)中一般只是學(xué)習(xí)一元函數(shù)的泰勒級數(shù)展開，對二元函數(shù)的泰勒級數(shù)展開僅粗淺涉及，由于學(xué)生對這些相關(guān)數(shù)學(xué)知識掌握程度不夠，造成知識脫節(jié)的現(xiàn)象，學(xué)習(xí)起來較為困難。此外，還有一重要原因是學(xué)習(xí)“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”課程與學(xué)習(xí)高數(shù)、概率論等數(shù)學(xué)課程的時間間隔較大，往往間隔一兩個學(xué)期，致使已學(xué)知識生疏，也存在著知識脫節(jié)的問題。

4.對規(guī)范較為陌生，掌握不夠

熟悉規(guī)范是土木工程專業(yè)技術(shù)人員的基本素質(zhì)，學(xué)習(xí)“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”課程的目的之一就是加深學(xué)生對規(guī)范重要性的認(rèn)識及對規(guī)范內(nèi)容的理解。由于客觀不確定性的存在，土木工程結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計實際上是受國家經(jīng)濟(jì)條件約束的風(fēng)險決策過程，決策是要在結(jié)構(gòu)初始建造費用和未來可能的倒塌損失之間進(jìn)行權(quán)衡。而這通常就是由國家的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范來控制和實現(xiàn)的。自20世紀(jì)70年代以來，許多國家都致力于建立結(jié)構(gòu)可靠性理論為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系。我國也自1984年起先后完成了第一層次的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和第二層次的建筑、公路、鐵路、港口、水利等各領(lǐng)域工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。[3]因此，掌握和理解結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度計算和設(shè)計方法以及結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的聯(lián)系，是本課程的重要學(xué)習(xí)目的之一。但絕大多數(shù)學(xué)生對相關(guān)規(guī)范不聞不問，去圖書館查閱規(guī)范的學(xué)生相當(dāng)少，更談不上對規(guī)范內(nèi)容進(jìn)行聯(lián)系學(xué)習(xí)與理解了。

5.不熟悉計算機(jī)編程語言

“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”課程需要重點掌握的驗算點法，其公式不僅數(shù)目較多，而且較為復(fù)雜，關(guān)鍵的是最終求解出可靠指標(biāo)需要采用迭代計算的方法。因此，使用該方法計算可靠指標(biāo)若能借助計算機(jī)編程計算，則會大大減小計算工作量，而且也會對方法本身有更深入的理解。雖然學(xué)生在二年級時一般均選修學(xué)習(xí)過C語言或Fortran語言，但學(xué)習(xí)不夠深入，相當(dāng)部分學(xué)生在計算機(jī)編程方面的訓(xùn)練較為欠缺，能夠完整地編好程序并且調(diào)試通過的極少。雖然教學(xué)大綱中沒有要求學(xué)生掌握語言編程計算可靠指標(biāo)，但此類訓(xùn)練會讓學(xué)生對可靠度計算方法的理解大大加深，同時可以培養(yǎng)學(xué)生熟練使用計算機(jī)的能力，這也是土木工程專業(yè)人員采用先進(jìn)計算分析手段的體現(xiàn)。

三、主要解決措施

1.引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)重視，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在當(dāng)前高校學(xué)生課程壓力普遍較大的情況下，增加課程學(xué)時是不切實際的。因此，要著重加強(qiáng)作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生對這門課程的重要性認(rèn)識，讓學(xué)生在課后能自主地投入更多的時間精力去學(xué)習(xí)。要向?qū)W生反復(fù)闡明土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠度背景和結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要滿足的可靠度要求，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到可靠度理論是指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制訂結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)性理論，在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中占有指導(dǎo)性的重要地位。在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識課程重要性的同時，還應(yīng)進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如在講可靠度理論之前花些時間介紹結(jié)構(gòu)可靠度理論的研究發(fā)展歷程，吸引學(xué)生的注意力，告訴學(xué)生結(jié)構(gòu)可靠度理論目前為止還有哪些問題是沒有解決的，激發(fā)起學(xué)生躍躍欲試的學(xué)習(xí)勁頭?？傊?，在學(xué)生對這門課程的意義感到茫然的時候，教師也應(yīng)加強(qiáng)重視，用細(xì)心、耐心和恒心來做好這門課程的教學(xué)工作。

2.構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容的知識連貫性和系統(tǒng)性

由于“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”與高等數(shù)學(xué)、概率論等課程具有密切的聯(lián)系，為避免或減小學(xué)生由于相關(guān)數(shù)學(xué)知識脫節(jié)的問題，宜在開始教授可靠度理論前花兩課時的時間來給學(xué)生復(fù)習(xí)并補充與可靠度理論密切相關(guān)的數(shù)學(xué)知識，使整個可靠度理論在教學(xué)內(nèi)容上具有良好的知識連貫性與系統(tǒng)性。教學(xué)實踐證明這一點很有必要，若一開始就進(jìn)入可靠度理論，由于高數(shù)、概率論的學(xué)習(xí)時間間隔太久，即使是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好的學(xué)生也會是一知半解。此外，在課堂上的數(shù)學(xué)知識復(fù)習(xí)和補充之后，還要注意布置一定量針對性的課后作業(yè)，讓學(xué)生切實溫故而知新，為學(xué)習(xí)可靠度理論打下良好基礎(chǔ)?？煽慷壤碚摰膶W(xué)習(xí)，可以將相關(guān)知識連貫性、系統(tǒng)性地有機(jī)串聯(lián)起來，這將促進(jìn)學(xué)生對專業(yè)知識掌握的提高和升華，更培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

3.要特別注重概念闡釋與原理講解

結(jié)構(gòu)可靠度理論之所以難學(xué)，是因為概念抽象、計算原理復(fù)雜，因此在教學(xué)當(dāng)中要特別注重概念的透徹闡釋與原理的詳細(xì)講解。[4]概念的闡釋除了讓學(xué)生明白其內(nèi)涵外，還要從其外延去講解。如結(jié)構(gòu)可靠性的概念，將其內(nèi)涵闡述結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)、在規(guī)定條件下完成預(yù)定功能的能力；同時還應(yīng)足夠?qū)拸V地、沒有遺漏地對其外延進(jìn)行描述，結(jié)構(gòu)可靠性包括結(jié)構(gòu)的安全性要求、適用性要求、耐久性要求。學(xué)生從概念的內(nèi)涵和外延去理解，既全面又不抽象，較容易做到對概念的掌握全面而準(zhǔn)確。[5]

結(jié)構(gòu)可靠度計算方法是荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法這門所要重點學(xué)習(xí)掌握的內(nèi)容之一。但由于計算過程與計算原理均頗為復(fù)雜，所以學(xué)生學(xué)習(xí)起來特別吃力。以驗算點法為例，一次計算過程就需要歷經(jīng)當(dāng)量正態(tài)化、計算方向余弦、寫出驗算點坐標(biāo)與可靠指標(biāo)間的關(guān)系、求解可靠指標(biāo)、由可靠指標(biāo)求解驗算點坐標(biāo)新值等一系列步驟，應(yīng)用的公式多達(dá)五、六個，而且需要重復(fù)以上計算流程若干次才能求得最終結(jié)果。不少學(xué)生對驗算點法的學(xué)習(xí)就是照葫蘆畫瓢，由于對計算原理的不理解，所以即使是照著老師講的計算步驟一步一步做，也都是生搬硬套，容易出錯。由于計算過程步驟本身就比較復(fù)雜，加上課時限制，一些教師在教學(xué)上有重計算過程而輕原理講解的現(xiàn)象。為了避免學(xué)生知其然而不知所以然的情況，教師應(yīng)該加強(qiáng)計算原理的闡釋，對所要使用的公式要詳細(xì)地推導(dǎo)，雖然計算原理、公式推導(dǎo)更為復(fù)雜，但教師必須有足夠的耐心和細(xì)心輔導(dǎo)學(xué)生。學(xué)生只有在理解了計算原理的情況下，才能真正掌握好驗算點法。

4.課程成績評定宜注重激勵學(xué)生

課程學(xué)習(xí)成績的評定是對學(xué)生基礎(chǔ)理論知識掌握情況和分析解決問題能力的綜合反映，同時也是激勵學(xué)生更進(jìn)一步學(xué)習(xí)的手段。對于這門課程理論較深較難掌握的情況，對學(xué)生學(xué)習(xí)成績的評定更要講究科學(xué)，對這門課宜采用“平時教學(xué)嚴(yán)，考核相對松”的方式。目前該門課的成績評定一般采用平時成績加考試成績的綜合評價辦法，其中平時成績占40%，考試成績占60%。對于平時成績，不能只根據(jù)考勤、課堂和課后作業(yè)的情況來打分，為鼓勵學(xué)生采用計算機(jī)語言進(jìn)行編程，通過手算進(jìn)行比較加深對算法的理解，雖然教學(xué)大綱中沒有此項要求，但凡進(jìn)行了計算機(jī)編程練習(xí)的學(xué)生都應(yīng)加分，調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性。對于考試成績的打分，也不宜過于嚴(yán)格苛刻，打出來的成績應(yīng)該是讓學(xué)生體驗到通過自己的努力學(xué)習(xí)所獲得的成績是肯定，而不是令人泄氣的過低分?jǐn)?shù)。這樣對激發(fā)學(xué)生在課后甚至是課程結(jié)束后仍有意愿自主地去學(xué)習(xí)這門課程知識是有重要意義的，盡量達(dá)到整門課程教學(xué)效果的最優(yōu)化。

四、結(jié)束語

在“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”課程的教學(xué)實踐中，針對發(fā)現(xiàn)的問題采用相應(yīng)的改進(jìn)措施，收到了較好的教學(xué)效果。學(xué)生自我獲取知識的能力、分析解決問題的能力均得到了良好培養(yǎng)和不同程度的提高。學(xué)生反映課程的強(qiáng)化教學(xué)對后續(xù)課程“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”、“結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”等有很大的幫助，本科畢業(yè)后繼續(xù)攻讀研究生的學(xué)生更是反映這門課程的學(xué)習(xí)對創(chuàng)新思維具有的重要意義。

在今后的“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”課程教學(xué)中，應(yīng)進(jìn)一步注意到這門課程所具有的數(shù)學(xué)與力學(xué)相結(jié)合的特征，教師要充分認(rèn)識到這種知識體系的結(jié)合性，基于這種認(rèn)識并結(jié)合實際工程背景來講解基本知識點和概念，給學(xué)生傳授正確觀念，更為深刻地理解結(jié)構(gòu)可靠度的理論。同時教師還要緊跟學(xué)科發(fā)展的動態(tài)，這樣才能始終站在學(xué)科發(fā)展的前沿，給學(xué)生傳授最新的理論和知識。這對于提高本科教學(xué)水平，完善高校教學(xué)職能具有重大的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]許成祥，何培玲.荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[M].北京:北京大學(xué)出版社，2006.

[2]李富民，夏軍武，杜健民，等.荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法課的設(shè)置矛盾與對策[J].高等建筑教育，2007，16(3):75-78.

[3]楊偉軍.服役結(jié)構(gòu)可靠度理論及其應(yīng)用[M].長沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[4]張小剛，林小嵩.適應(yīng)大土木要求的荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法知識點講解研究[J].高等建筑教育，2006，15(4):74-78.

[5]張楚廷.高校教師教育教學(xué)技能[M].長沙:湖南人民出版社，2010.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）