摘要：“荷载与结构设计方法”是结构理论与数学理论的结合，主要介绍结构可靠度理论以及可靠度设计统一标准与现行设计规范的联系，它将为“钢筋混凝土结构”、“钢结构”等课程学习奠定基础。通过归纳当前“荷载与结构设计方法”教学中存在的问题，提出了改进措施。首先应引导学生重视并激发其学习兴趣，然后在教学上构建教学内容的知识连贯性和系统性，并且要特别注重概念阐释与原理讲解，最后课程成绩评定宜注重在对学生激励上。
关键词：结构设计方法；可靠度；教学方法；概念与原理
作者简介：张振浩（1980-），男，广西钦州人，长沙理工大学土木与建筑学院，讲师；杨伟军（1962-），男，湖南益阳人，长沙理工大学土木与建筑学院，教授。（湖南长沙410114）
基金项目：本文系长沙理工大学桥梁工程湖南省高校重点实验室开放基金资助项目（项目编号：09KA02）的研究成果之一。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）11-0078-02
一、“荷载与结构设计方法”课程特点及重要性
“荷载与结构设计方法”课程的教学对象是土木工程专业三年级本科学生，这是一门土木工程专业的专业基础课程，其先修课程是“概率论”、“数理统计”、“结构力学”等，学习了这门课程之后将为后续的“钢筋混凝土结构”、“结构设计原理”、“钢结构”等课程打下基础。
荷载与结构设计方法是结构理论与概率论、数理统计等数学理论相结合的一门新兴学科，重点介绍常用的结构可靠度计算和设计方法以及结构可靠度设计统一标准与现行设计规范的联系。[1]20世纪70年代以来，结构可靠度理论在工程结构领域进入实用阶段，许多国家都致力于建立结构可靠性理论为基础的结构设计规范体系。我国工程技术界非常重视结构可靠性问题，先后编制了《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-92）等多个统一标准。教学主要目的是使学生掌握结构可靠度理论及加深理解并运用好这些统一标准及相应的设计规范体系。
该门课程的教学重点包括：可靠性理论的一次二阶矩方法即近似概率法（水准Ⅱ），主要学习中心点法、验算点法；荷载及抗力的统计分析；结构可靠性设计，包括我国“统一标准”采用的设计可靠指标，实用设计表达式以及表达式中各分项系数（荷载分项系数、荷载组合系数、结构抗力分项系数、结构重要性系数）的确定原则方法；结构体系可靠度。全课程教学学时为16课时，教学安排如表1所示。可见，课时少、难度大而内容重要是这门课的特点，也是这门课程教学的最大突出矛盾。
二、“荷载与结构设计方法”教学存在的突出问题
1.重视程度不够
由于各种原因，有些高校在土木工程专业的课程设置上对“荷载与结构设计方法”这门课程的重视不够，教学课时曾一再被压缩。同时教学内容除了结构可靠度理论外，还增加了“荷载”这一块的内容，包括重力荷载、风荷载、地震荷载、土压力等，这使得可用于教授结构可靠度理论的学时更为减少。[2]另一方面，学生本身也对课程的重要性认识不够，普遍认为结构可靠度知识对今后工作的帮助不大，在工程实践中不需要用到“如此高深”的理论。因此，若非考研需要，一般的学生均对该课程兴趣不大，投入学习的时间也较少。此外，课程设置上该门课程学时及学分的减少，也潜移默化地使得学生认为该门课程不太重要。
2.课程内容难度较大
结构可靠理论在土木工程结构设计中处于“统领”的指导地位，由于所站的层次较高，结构可靠度理论的基本概念本身就比较抽象，尤其目前一般将这门课程安排在钢筋混凝土结构、结构设计原理等课程前学习，学生在对钢筋混凝土结构设计完全没有接触了解的情况下，理解结构可靠度基本概念较为困难，抓不住要领。其次，结构可靠度的计算方法也颇为复杂。虽然课程只要求学生掌握基本的一次二阶矩方法，但学生仍普遍感到很是吃力。中心点法相对而言概念较清楚、计算比较简单，学生基本能掌握，但该法仅是可靠度计算的初级方法。对于需要重点掌握的验算点法学生就感觉难度较大了。公式推导复杂，计算步骤繁多，而且需要重复迭代计算，这些困难往往让学生望而却步。因此学生概念理解模糊、对计算过程一头雾水颇为常见，学生对验算点法的学习仅仅是进行生搬硬套的模拟，没有理解公式的含义，更不去探究这样计算的原因。
3.相关知识环节脱节
“荷载与结构设计方法”是在概率论、数理统计、高等数学、结构力学等课程知识的基础上进行学习的。这些相关课程的有机融合是学习好结构可靠度理论的前提，若已学知识理解不深刻和掌握不牢固，学习这门课程就会遇到很大困难。学生感觉这门课程难学的一个重要原因就是相关知识环节的脱节。结构可靠度计算对数学基础要求较高，尤其对概率论、高等数学要有很好的掌握。如中心点法、验算点法的可靠指标计算公式推导中均用到多元函数的泰勒级数展开，而在高等数学中一般只是学习一元函数的泰勒级数展开，对二元函数的泰勒级数展开仅粗浅涉及，由于学生对这些相关数学知识掌握程度不够，造成知识脱节的现象，学习起来较为困难。此外，还有一重要原因是学习“荷载与结构设计方法”课程与学习高数、概率论等数学课程的时间间隔较大，往往间隔一两个学期，致使已学知识生疏，也存在着知识脱节的问题。
4.对规范较为陌生，掌握不够
熟悉规范是土木工程专业技术人员的基本素质，学习“荷载与结构设计方法”课程的目的之一就是加深学生对规范重要性的认识及对规范内容的理解。由于客观不确定性的存在，土木工程结构的安全设计实际上是受国家经济条件约束的风险决策过程，决策是要在结构初始建造费用和未来可能的倒塌损失之间进行权衡。而这通常就是由国家的结构设计规范来控制和实现的。自20世纪70年代以来，许多国家都致力于建立结构可靠性理论为基础的结构设计规范体系。我国也自1984年起先后完成了第一层次的工程结构设计可靠度统一标准和第二层次的建筑、公路、铁路、港口、水利等各领域工程结构可靠度设计统一标准的编制工作。[3]因此，掌握和理解结构构件可靠度计算和设计方法以及结构设计统一标准与现行设计规范的联系，是本课程的重要学习目的之一。但绝大多数学生对相关规范不闻不问，去图书馆查阅规范的学生相当少，更谈不上对规范内容进行联系学习与理解了。
5.不熟悉计算机编程语言
“荷载与结构设计方法”课程需要重点掌握的验算点法，其公式不仅数目较多，而且较为复杂，关键的是最终求解出可靠指标需要采用迭代计算的方法。因此，使用该方法计算可靠指标若能借助计算机编程计算，则会大大减小计算工作量，而且也会对方法本身有更深入的理解。虽然学生在二年级时一般均选修学习过C语言或Fortran语言，但学习不够深入，相当部分学生在计算机编程方面的训练较为欠缺，能够完整地编好程序并且调试通过的极少。虽然教学大纲中没有要求学生掌握语言编程计算可靠指标，但此类训练会让学生对可靠度计算方法的理解大大加深，同时可以培养学生熟练使用计算机的能力，这也是土木工程专业人员采用先进计算分析手段的体现。
三、主要解决措施
1.引导学生加强重视，激发学生学习兴趣
在当前高校学生课程压力普遍较大的情况下，增加课程学时是不切实际的。因此，要着重加强作为学习主体的学生对这门课程的重要性认识，让学生在课后能自主地投入更多的时间精力去学习。要向学生反复阐明土木工程结构设计的可靠度背景和结构设计所需要满足的可靠度要求，进而引导学生认识到可靠度理论是指导结构设计以及制订结构设计规范的基础性理论，在土木工程结构设计中占有指导性的重要地位。在引导学生认识课程重要性的同时，还应进一步激发学生的学习兴趣。如在讲可靠度理论之前花些时间介绍结构可靠度理论的研究发展历程，吸引学生的注意力，告诉学生结构可靠度理论目前为止还有哪些问题是没有解决的，激发起学生跃跃欲试的学习劲头。总之，在学生对这门课程的意义感到茫然的时候，教师也应加强重视，用细心、耐心和恒心来做好这门课程的教学工作。
2.构建教学内容的知识连贯性和系统性
由于“荷载与结构设计方法”与高等数学、概率论等课程具有密切的联系，为避免或减小学生由于相关数学知识脱节的问题，宜在开始教授可靠度理论前花两课时的时间来给学生复习并补充与可靠度理论密切相关的数学知识，使整个可靠度理论在教学内容上具有良好的知识连贯性与系统性。教学实践证明这一点很有必要，若一开始就进入可靠度理论，由于高数、概率论的学习时间间隔太久，即使是数学基础好的学生也会是一知半解。此外，在课堂上的数学知识复习和补充之后，还要注意布置一定量针对性的课后作业，让学生切实温故而知新，为学习可靠度理论打下良好基础。可靠度理论的学习，可以将相关知识连贯性、系统性地有机串联起来，这将促进学生对专业知识掌握的提高和升华，更培养了学生的学习能力。
3.要特别注重概念阐释与原理讲解
结构可靠度理论之所以难学，是因为概念抽象、计算原理复杂，因此在教学当中要特别注重概念的透彻阐释与原理的详细讲解。[4]概念的阐释除了让学生明白其内涵外，还要从其外延去讲解。如结构可靠性的概念，将其内涵阐述结构在规定时间内、在规定条件下完成预定功能的能力；同时还应足够宽广地、没有遗漏地对其外延进行描述，结构可靠性包括结构的安全性要求、适用性要求、耐久性要求。学生从概念的内涵和外延去理解，既全面又不抽象，较容易做到对概念的掌握全面而准确。[5]
结构可靠度计算方法是荷载与结构设计方法这门所要重点学习掌握的内容之一。但由于计算过程与计算原理均颇为复杂，所以学生学习起来特别吃力。以验算点法为例，一次计算过程就需要历经当量正态化、计算方向余弦、写出验算点坐标与可靠指标间的关系、求解可靠指标、由可靠指标求解验算点坐标新值等一系列步骤，应用的公式多达五、六个，而且需要重复以上计算流程若干次才能求得最终结果。不少学生对验算点法的学习就是照葫芦画瓢，由于对计算原理的不理解，所以即使是照着老师讲的计算步骤一步一步做，也都是生搬硬套，容易出错。由于计算过程步骤本身就比较复杂，加上课时限制，一些教师在教学上有重计算过程而轻原理讲解的现象。为了避免学生知其然而不知所以然的情况，教师应该加强计算原理的阐释，对所要使用的公式要详细地推导，虽然计算原理、公式推导更为复杂，但教师必须有足够的耐心和细心辅导学生。学生只有在理解了计算原理的情况下，才能真正掌握好验算点法。
4.课程成绩评定宜注重激励学生
课程学习成绩的评定是对学生基础理论知识掌握情况和分析解决问题能力的综合反映，同时也是激励学生更进一步学习的手段。对于这门课程理论较深较难掌握的情况，对学生学习成绩的评定更要讲究科学，对这门课宜采用“平时教学严，考核相对松”的方式。目前该门课的成绩评定一般采用平时成绩加考试成绩的综合评价办法，其中平时成绩占40%，考试成绩占60%。对于平时成绩，不能只根据考勤、课堂和课后作业的情况来打分，为鼓励学生采用计算机语言进行编程，通过手算进行比较加深对算法的理解，虽然教学大纲中没有此项要求，但凡进行了计算机编程练习的学生都应加分，调动其学习积极性。对于考试成绩的打分，也不宜过于严格苛刻，打出来的成绩应该是让学生体验到通过自己的努力学习所获得的成绩是肯定，而不是令人泄气的过低分数。这样对激发学生在课后甚至是课程结束后仍有意愿自主地去学习这门课程知识是有重要意义的，尽量达到整门课程教学效果的最优化。
四、结束语
在“荷载与结构设计方法”课程的教学实践中，针对发现的问题采用相应的改进措施，收到了较好的教学效果。学生自我获取知识的能力、分析解决问题的能力均得到了良好培养和不同程度的提高。学生反映课程的强化教学对后续课程“钢筋混凝土结构”、“结构设计原理”等有很大的帮助，本科毕业后继续攻读研究生的学生更是反映这门课程的学习对创新思维具有的重要意义。
在今后的“荷载与结构设计方法”课程教学中，应进一步注意到这门课程所具有的数学与力学相结合的特征，教师要充分认识到这种知识体系的结合性，基于这种认识并结合实际工程背景来讲解基本知识点和概念，给学生传授正确观念，更为深刻地理解结构可靠度的理论。同时教师还要紧跟学科发展的动态，这样才能始终站在学科发展的前沿，给学生传授最新的理论和知识。这对于提高本科教学水平，完善高校教学职能具有重大的意义。
参考文献：
[1]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.
[2]李富民,夏军武,杜健民,等.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.
[3]杨伟军.服役结构可靠度理论及其应用[M].长沙:中南工业大学出版社,2000.
[4]张小刚,林小嵩.适应大土木要求的荷载与结构设计方法知识点讲解研究[J].高等建筑教育,2006,15(4):74-78.
[5]张楚廷.高校教师教育教学技能[M].长沙:湖南人民出版社,2010.
（责任编辑：宋秀丽）