“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程开发与建设思考

［摘 要］ 工程荷载是土木工程专业重要的基础知识，其工程荷载设计方法的正确与否直接关系到工程结构建造的安全性。然而，目前“工程结构荷载与可靠度设计原理”大多仅是国内研究生的专业基础课，该课程涉及“高等数学”“概率论与数理统计”“理论力学”和“材料力学”等课程的相关知识，在土木工程本科教学中开设该门课程的较少。针对该门课程在土木工程本科专业中开设的必要性，从课程教学体系建设，包括面授对象、教学目标、教学内容、教学方法和教材选择等方面进行全面探讨，并且针对课程教学建设的改革和创新等方面进行深入思考，以期推进土木工程专业的教学改革和完善人才培养模式，并有针对性地提出具体的改革措施和实践方法。

［关键词］ 工程荷载；可靠度；课程开发；课程建设

［基金项目］ 2023年度北京盈建科软件股份有限公司教育部产学合作协同育人项目“土木工程BIM施工教学实训基地建设”（230804699185006）

［作者简介］ 陈 宇（1987—），男，天津人，博士，中国民航大学交通科学与工程学院副教授，主要从事结构工程研究；黄 信（1983—），男，安徽六安人，博士，中国民航大学交通科学与工程学院教授，主要从事结构工程研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）27-0061-04 ［收稿日期］ 2023-09-20

引言

我国国土面积大、人口众多，住房和交通基础设施需求旺盛，这就促进了我国基础设施建设的发展。近十几年来，随着我国经济的快速发展，基础设施大规模建设，土木工程行业也踏入了蓬勃发展的快车道。随着我国土木工程行业的快速发展，土木工程结构设计的相关规范已从传统的安全系数法过渡到基于可靠度理论的概率极限状态设计法。1998年出台了国际标准《结构可靠性总原则》（ISO2394），2002年出台了考虑结构可靠度的欧洲新规范《结构设计基础》（EN1990：2002），2008年我国颁布了新国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008），这说明工程可靠度理论在工程结构设计中得到了具体应用。然而，“工程结构荷载与可靠度设计原理”目前大多仅是我国土木工程专业研究生的专业基础课程，本科生仅在“混凝土设计原理”“钢结构设计原理”“砌体结构设计原理”等课程中涉及“工程结构荷载与可靠度设计原理”的相关浅显知识内容。由于此方面知识在多个课程中分散，且多为简要介绍内容，缺乏系统的课程训练，导致本科生对该课程知识学习不系统、不扎实，理解不透彻，不利于后续相关专业课程的学习。

土木工程专业是一个实践性较强的专业，本科生毕业后大多从事设计、施工、监理和建设管理等土建类相关的工作。一方面，该行业的工作与行业的技术标准和规范密不可分，由于在本科教学中“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程的缺失，导致未来从事工程结构设计、施工、监理等工作的毕业生对工程荷载相关内容的概念理解不深入，工程能力明显不足，并且对荷载理解得不清楚，很容易导致工作中因荷载计算不准确而引发重大工程事故，造成不可估量的经济损失和社会影响。另一方面，在土木工程专业本科教学过程中，针对国家的行业规范标准开设相应的课程，将行业标准和规范贯穿于教学的始终，有利于提高学生的应用能力和复合型专业人才的培养［1-2］。因此，在新工科教育背景下，土木工程专业亟须针对国家的标准规范开设相应的理论课程，将课程理论与工程实践相结合，提高土木工程专业毕业生的工程能力。

基于此，本文从“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程在土木工程专业本科生教学开设的必要性出发，对课程教学体系建设从面授对象、教学目标、教学内容、教学方法和教材选择等方面进行全面探讨，并且针对课程教学建设的改革和创新等方面进行深入思考，以期完善土木工程专业人才培养课程体系，提出具体的教学改革措施和实践方法。

一、“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程开发的必要性

在土木工程专业中，我国的《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）等行业标准和规范始终指导着工程结构的设计、施工和验收工作等各个环节。因此，在土木工程专业培养中有必要开设一门与工程荷载相关的课程，使学生系统掌握土木工程专业相关的荷载规范标准、荷载计算方法和原理等方面的内容。另外，国家出台的《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）规范将工程设计方法从以往的以经验为主的安全系数法转换为可靠度理论的极限状态设计方法，并且可靠度设计理论是工程结构荷载和结构设计的理论基础。将理论与实践相结合的教学方式，有利于学生对规范的理解更加透彻［3-4］，对学生工程能力的提升具有重要作用。因此，针对土木工程专业本科生，有必要开设“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程。

二、“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程教学体系建设

“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程的总体目标是使学生系统掌握工程荷载和结构设计的原理与计算方法，对国家现行相关的行业标准规范初步掌握，使学生对工程荷载和可靠度理论在土木工程行业的应用与研究有较深入的理解，为学生后续的专业课程学习奠定基础，为学生未来从事相关的科学研究开阔视野。具体课程建设有以下几点。

（一）面授对象

“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程是在具备“高等数学”“概率论与数理统计”“理论力学”和“材料力学”等课程知识基础上的专业课程，同时该课程是“混凝土结构设计原理”“砌体结构设计原理”“工程结构抗震设计”“钢结构”“基础工程”等后续课程的学习基础，综合土木工程专业各专业课程的开设时间，本课程的开设应面向本科生第四学期的学习较为合理。

（二）教学目标

“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程的主要目标是学生通过课程的学习，掌握工程荷载和结构设计的计算原理与概率统计分析方法，使学生学会从随机概率分析的角度来处理力学和结构设计的问题，为学习专业课程和结构设计以及科学研究打下良好的基础，能够培养学生综合运用可靠度原理的知识去分析、解决实际工程问题。

（三）教学内容

“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程包含两部分内容，分为工程荷载和工程结构可靠度设计理论。主要介绍工程荷载计算和工程结构设计分析中的可靠度理论、方法和应用，具体内容包括荷载类型、重力、侧向力、风荷载、地震作用、其他作用、荷载的统计分析、结构抗力的统计分析、结构可靠度分析、结构概率可靠度设计法等内容。

（四）教学方法

“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程的知识主要是理论教学为主，根据教学内容的不同可采用讲解、回答问题、讨论、自学等多种教学方式，还可结合线上线下混合教学模式，让学生独自从网上搜集学习资料，自学了解并解决一些对他们感兴趣和有难度的问题，培养学生搜集、查阅资料以及综合分析资料的基本科研能力。

（五）教材选择

目前，同济大学、天津大学、哈尔滨工业大学等传统土木工程专业名校已开设了“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程，并且中国建筑工业出版社、武汉大学出版社、重庆大学出版社等已出版了多部相关教材［5-9］，其中李国强等［8］编著的《工程结构荷载与可靠度设计原理》教材为高校土木工程专业指导委员会规划推荐教材（经典精品系列教材），该教材系统涵盖了工程结构荷载和工程结构可靠度设计原理的知识内容，并且为了适应土木工程专业的发展需求，从1999年第一版出版历经三次改版，2016年已出第四版，教材内容与行业规范标准契合度高，因此该教材是土木工程本科专业较为合理的教学参考书。

三、“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程教学建设思考

“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程以理论知识为主，面向工程应用，需要学生有扎实的“高等数学”“概率论与数理统计”“理论力学”和“材料力学”等课程基础知识，同时本课程与土木工程行业的标准规范相结合，对工程应用的要求较高。因此，对于学生来说学习难度较大，这就要求授课教师要在教学方式和方法等方面进行改革调整。

（一）巩固基础知识，激发学生学习兴趣

学习工程荷载和结构设计的可靠度设计理论相关知识的最大难点是学生“高等数学”和“概率论与数理统计”等课程基础知识不扎实，因此教学设计中要在学习课程章节之前让学生先复习并练习相关“高等数学”和“概率论与数理统计”课程的知识点，同时注意讲授过程中强化学生的数学基础知识。另外，在讲授工程荷载和结构涉及的概率模型、可靠度指标、随机过程等物理意义问题时，需要结合“概率论与数理统计”课程的知识点进行详细讲解，这样既巩固了学生的数学基础知识，也使学生能够直观感受到“概率论与数理统计”在本专业工程实践中如何应用，有利于培养和提高学生对本课程的学习兴趣，激发学生主动学习的潜质，引导学生运用所学的基础理论知识解决专业问题的能力，进而提高学生的创新能力。

（二）调整教学内容，结合标准规范

“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程的知识与土木工程专业的标准规范密切相关，教师在讲授中结合相关的标准规范讲解有利于学生对知识的理解和应用。例如，在《工程结构荷载》章节中要结合《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）进行讲授。然而，国家行业规范标准会因行业的发展而更新，并且条文相对繁杂，这就要求授课教师要及时了解行业动态，调整知识内容，紧跟工程实际，增强工程素质。同时，授课教师要改变讲授方法，结合具体章节内容，可通过讨论、布置大作业等方式引导学生自主学习，从而掌握最新的知识和标准规范，培养学生解决工程问题的能力。

（三）发挥网络优势，开展混合式教学

第四学期的本科生刚刚完成基础知识，对专业知识了解不多，与土木工程专业的实际工程接触很少，因此教师在授课过程中须要强化学生对工程结构荷载和可靠度设计的实践能力。针对此方面问题，授课教师可利用虚拟仿真教学系统和BIM系统的信息量大且直观的特点，展示真实工程结构的设计建造过程，通过线上线下相结合的方式向学生讲授典型的工程结构荷载施加方法和可靠度设计的工程实例，将文字与图片、视频相配合，可在一定程度上增强学生的感性认识。网络教学和虚拟仿真平台是传统教学的有益补充，能够极大地提高教学质量，丰富学生的学习途径，这将有利于学生对“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程知识的掌握。

（四）善用工程软件，结合工程实际

学习土木工程专业，工程结构的设计通常通过结构计算软件来实现，但学生在学习软件操作之外，最重要的是对软件计算结果的分析，在“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程教学过程中要强调学生对软件设计结果进行思考分析，培养其分析问题和解决问题的能力。因此，可将本课程的知识点与结构设计软件中的应用相结合的方式进行讲授。例如，在课堂中演示“盈建科”结构设计软件在结构设计中体现工程结构荷载和结构可靠度设计的具体应用，并分析其对结构设计结果的影响，从而有利于学生对本门课程的理解更加透彻，提高学生的工程创新能力。

（五）优化考核方法，激励学生自主学习

“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程由于涉及数学基础知识较多，理论知识较难，学习难度大。传统的考勤、课后作业和期末考试打分方法虽然简单明了，但不利于激发学生自主学习兴趣，会导致数学基础知识较差的学生对本课程产生厌烦情绪，不利于课程的教学开展。结合本课程特点，宜采用课堂随测和大作业的方式进行考核，课堂随测的目的是使学生掌握课程的基本知识点，大作业宜采用理论知识结合行业标准规范的综合题型，分组进行，让学生自主查找学习作答，不仅有利于培养学生团结协作的精神，还可以使学生自主学习国家标准规范，提高学生的工程实践能力。

结语

土木工程专业本科教育中涵盖的专业课程有很大部分涉及结构设计方面的内容，然而工程荷载是结构设计中的重要组成部分，可靠度理论是目前工程结构设计方法的基础理论知识。因此，在本科教育中开设“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程势在必行。然而，由于本课程涉及数学基础知识较多，学生学习难度较大，授课教师应做好课程体系建设，在授课过程中要结合工程实际问题进行讲解，并善于运用现代化信息手段辅助教学，提高学生应用本课程的知识分析和解决土木工程领域问题的能力，为后续专业课程的学习奠定坚实理论基础。