荷載教學(xué)的研究性和實(shí)踐性探索

謝 楠

（北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京 100044）

荷載教學(xué)的研究性和實(shí)踐性探索

謝 楠

（北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京 100044）

針對當(dāng)前荷載教學(xué)中存在的教與學(xué)的矛盾，從認(rèn)知發(fā)現(xiàn)理論出發(fā)，進(jìn)行了荷載教學(xué)的實(shí)踐性和研究性探索。根據(jù)“價(jià)值”、“學(xué)習(xí)”、“實(shí)踐”和“研究”的思路，制定了執(zhí)行大綱，組織學(xué)生親身完成身邊熟悉建筑的荷載調(diào)研。使學(xué)生深刻理解了荷載標(biāo)準(zhǔn)值制定的方式和方法，對其荷載的學(xué)習(xí)起到知識(shí)遷移的效果。

荷載教學(xué)；課程改革；研究性和實(shí)踐性教學(xué)；認(rèn)知發(fā)現(xiàn)理論

結(jié)構(gòu)在施工和使用過程中存在不確定性，不確定性或隨機(jī)性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可回避的問題?？沽?、荷載與設(shè)計(jì)方法是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三大核心要素，同荷載相比，抗力的隨機(jī)性要弱得多，設(shè)計(jì)方法更多根據(jù)作用在結(jié)構(gòu)上荷載的不確定性而定。

荷載是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)和設(shè)計(jì)依據(jù)，隨著施工條件、使用要求和使用環(huán)境的不同，作用在結(jié)構(gòu)上的荷載種類繁多，特點(diǎn)各異，其中不確定性是眾多荷載最大的共同特點(diǎn)。在我國早年的教學(xué)中，有關(guān)荷載的內(nèi)容大多分散在各個(gè)專業(yè)課上講授，由于課時(shí)所限，只能介紹荷載的取值計(jì)算，無法將荷載的不確定性和荷載代表值的確定方法傳授給學(xué)生。

我國抗力的教學(xué)已形成較為科學(xué)的體系，而荷載的教學(xué)與之相比，則差距較大，以至于學(xué)生在校時(shí)對結(jié)構(gòu)施工和使用過程中存在的不確定性認(rèn)識(shí)不深；畢業(yè)后更多依靠荷載規(guī)范，對于設(shè)計(jì)和施工中的實(shí)際荷載缺乏認(rèn)識(shí)，一旦實(shí)際情況超出規(guī)范的適用范圍，則不知如何合理地確定荷載的取值。

在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，不恰當(dāng)?shù)暮奢d值，不是造成資金浪費(fèi)，就是降低結(jié)構(gòu)的安全度和適用性。目前，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中產(chǎn)生浪費(fèi)的主要原因之一，就是對實(shí)際作用在建筑物上的荷載缺乏研究，在設(shè)計(jì)中往往以臆斷的方式來規(guī)定額外的附加荷載，使得所涉及的結(jié)構(gòu)物過分笨重，從而引起建設(shè)資金的無謂浪費(fèi)［1］。而有時(shí)由于對結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用情況了解不夠，采用的荷載值偏低，甚至忽略了個(gè)別荷載，造成所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不夠安全。

1998年，教育部頒布了新的大學(xué)本科專業(yè)目錄，將原建筑工程專業(yè)、交通土建專業(yè)等合并拓寬成土木工程專業(yè)。課程體系也隨之做了調(diào)整，將工程結(jié)構(gòu)荷載和可靠度設(shè)計(jì)方法列為專業(yè)基礎(chǔ)課，使得原本分散在各個(gè)專業(yè)課的荷載部分的教學(xué)內(nèi)容可以集中起來，系統(tǒng)講解，而荷載的教學(xué)占了本門課程的大部分學(xué)時(shí)。

荷載教學(xué)對本科學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)和專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)要求較高，課程內(nèi)容偏重理論，教與學(xué)的矛盾較為突出。因此，有必要依據(jù)荷載教學(xué)的特點(diǎn)，進(jìn)行課程改革的探索。

一、荷載教學(xué)中教與學(xué)的矛盾

（一）學(xué)生的知識(shí)積累不足

荷載教學(xué)的先修課程分為兩大類：一類是處理荷載隨機(jī)性的數(shù)學(xué)理論，包括概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程的部分基礎(chǔ)知識(shí)和極值統(tǒng)計(jì)的部分內(nèi)容；另一類是用于復(fù)雜荷載取值計(jì)算的力學(xué)類課程，包括結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、土力學(xué)等。

相對力學(xué)類課程而言，學(xué)生在隨機(jī)性數(shù)學(xué)理論方面的知識(shí)積累明顯不足。大多數(shù)荷載均不服從學(xué)生學(xué)過的正態(tài)分布，一些荷載的統(tǒng)計(jì)分布類型如Weibull分布和極值I型分布等，在概率論中均不做講解；由于荷載的概率模型為平穩(wěn)二項(xiàng)隨機(jī)過程，還要求學(xué)生應(yīng)對隨機(jī)過程的基礎(chǔ)知識(shí)有所了解，而隨機(jī)過程課程作為難度最大是一門隨機(jī)性數(shù)學(xué)課程，大多數(shù)高校只給博士研究生開設(shè)。另外，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載最大值的統(tǒng)計(jì)分析，要用到極值統(tǒng)計(jì)的部分內(nèi)容，而該門課程只有少數(shù)學(xué)校給博士研究生開設(shè)。

相對于國內(nèi)大學(xué)，國外大學(xué)學(xué)生的知識(shí)積累則較為扎實(shí)，MIT專門開設(shè)了Uncertainty in Engineering課程，University of Michigan專門開設(shè)Statistical Methods for Data Analysis and Uncertainty Modeling，用較多的學(xué)時(shí)培養(yǎng)學(xué)生對不確定性的認(rèn)識(shí)和處理方法。

自從學(xué)完概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)后，我國土建專業(yè)的學(xué)生基本上沒有上過涉及不確定性的課程，幾乎沒有在頭腦中建立施工和使用過程中存在不確定性的這一概念，面對以不確定性為基調(diào)的課程，加之知識(shí)積累不夠，學(xué)生的學(xué)習(xí)遷移較為困難，教師講課吃力。

（二）實(shí)踐性和研究性不夠

荷載的代表值是根據(jù)荷載的統(tǒng)計(jì)特征制定的，而荷載的統(tǒng)計(jì)特征是通過實(shí)測和統(tǒng)計(jì)得到的。有了荷載的統(tǒng)計(jì)特，可以依據(jù)彈性范圍內(nèi)荷載效應(yīng)的變異系數(shù)和平均值系數(shù)等于荷載的對應(yīng)值的原則，由理論計(jì)算得到荷載效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征。由此可以得出荷載是荷載效應(yīng)的基礎(chǔ)，而荷載的概率模型和調(diào)查統(tǒng)計(jì)是荷載取值的根基，荷載代表值的制定過程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和研究性。

不同荷載的概率模型和調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法各異，如何進(jìn)行荷載的調(diào)查？如何根據(jù)調(diào)查結(jié)果得到荷載的統(tǒng)計(jì)特征？荷載的代表值是如何制定的？以上問題如果不講，而是讓學(xué)生查規(guī)范直接得到荷載代表值，則將永遠(yuǎn)改變不了我國工程技術(shù)人員對實(shí)際荷載缺乏認(rèn)識(shí)的現(xiàn)狀；如果講，按教學(xué)大綱的要求，只能講荷載規(guī)范的制定者的采樣和統(tǒng)計(jì)方法，理論講解過多，對于本身知識(shí)積累不足的學(xué)生來講，很難激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

荷載教學(xué)中最基本的理論和最基本的方法成為教學(xué)雙方最為棘手的“山芋”。

二、荷載教學(xué)研究性和實(shí)踐性探索

針對以上問題，依據(jù)認(rèn)知發(fā)現(xiàn)理論，筆者嘗試了教學(xué)改革，進(jìn)行了實(shí)踐性和研究性教學(xué)的探索。

（一）Bruner，J認(rèn)知發(fā)現(xiàn)理論

Bruner，J的認(rèn)知發(fā)現(xiàn)理論認(rèn)為，教學(xué)應(yīng)使學(xué)生理解基本結(jié)構(gòu)，而基本結(jié)構(gòu)除了指學(xué)科的基本知識(shí)結(jié)構(gòu)外，還包括學(xué)習(xí)的態(tài)度和方法［2］。理解基本結(jié)構(gòu)不但指掌握一般原理，還包括發(fā)展對待學(xué)習(xí)和調(diào)查研究、對待推測和預(yù)感、對待獨(dú)立解決難題的可能性等的態(tài)度。認(rèn)知發(fā)現(xiàn)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)的最好刺激就是對所學(xué)材料的興趣，而不是具有功力色彩的外來目標(biāo)。認(rèn)知發(fā)現(xiàn)理論提倡發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)，對于學(xué)生而言，發(fā)現(xiàn)并不限于那種尋求人類尚未知曉事物的行為，正確地說，發(fā)現(xiàn)包括親自獲得知識(shí)的一切行為和方法?？傊?，認(rèn)知發(fā)現(xiàn)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)興趣，倡導(dǎo)調(diào)查研究，注重培養(yǎng)能力，這與我國重點(diǎn)大學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)一致。

（二）實(shí)踐性和研究性教學(xué)的思路

面對上述教與學(xué)的矛盾，在有限的課時(shí)內(nèi)，從強(qiáng)調(diào)興趣、倡導(dǎo)調(diào)研和培養(yǎng)能力方面的教育理念出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生對不確定性的認(rèn)識(shí)和處理方法，理解荷載調(diào)查統(tǒng)計(jì)的方法和原理，筆者嘗試進(jìn)行了凸顯實(shí)踐性和研究性教學(xué)，組織學(xué)生親身進(jìn)行荷載的調(diào)研，并依據(jù)樣本數(shù)據(jù)完成荷載標(biāo)準(zhǔn)值的制定工作。

選擇學(xué)生熟悉的校園建筑如學(xué)生宿舍、圖書館和教學(xué)樓等，調(diào)查這些建筑的樓面活荷載，統(tǒng)計(jì)分析采樣數(shù)據(jù)。在研究實(shí)踐活動(dòng)的期間，根據(jù)需要補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)，并指導(dǎo)學(xué)生閱讀相關(guān)論文，以保證調(diào)研任務(wù)的順利完成，并期待荷載標(biāo)準(zhǔn)值制定的全過程調(diào)研對其它荷載的學(xué)習(xí)和認(rèn)知起到遷移的作用。

教學(xué)思路分4個(gè)部分：

1.價(jià)值：明確課題研究的意義；

2.學(xué)習(xí)：包括基礎(chǔ)理論知識(shí)、專業(yè)知識(shí)和從事科學(xué)研究的基本技能；

3.實(shí)踐：調(diào)查校園建筑的樓面活荷載；

4.研究：對樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出任意時(shí)點(diǎn)值和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期最大值的統(tǒng)計(jì)特征，給出樓面活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。

（三）執(zhí)行大綱

本著循序漸進(jìn)的原則，分別制定了面向?qū)W生的學(xué)習(xí)、實(shí)踐和研究3個(gè)部分執(zhí)行大綱。

在學(xué)習(xí)階段，具體完成以下任務(wù)：

1.課下復(fù)習(xí)概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容；

2.課堂上補(bǔ)充的隨機(jī)性數(shù)學(xué)的知識(shí)（對Weibull分布、極值I型分布、簡單的隨機(jī)過程和極值統(tǒng)計(jì)知識(shí)）；

3.課堂講授專業(yè)知識(shí)；

4.課下指導(dǎo)學(xué)生閱讀至少兩篇相關(guān)論文；

5.課下指導(dǎo)學(xué)生掌握用軟件對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法（計(jì)算均值和方差，繪制直方圖，初步判定分布類型，分布擬合檢驗(yàn)）。

在實(shí)踐階段，具體完成以下任務(wù)：

1.每5～8人成立研究小組，以學(xué)生宿舍、圖書館和教學(xué)樓為調(diào)查對象；

2.在學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，研究小組選擇一類調(diào)查對象，提出調(diào)查和研究方案，要求獨(dú)立樣本的數(shù)量不少于30個(gè)；

3.課下指導(dǎo)學(xué)生修改調(diào)研方案；

4.學(xué)生課下進(jìn)行采樣。

在研究階段，具體完成以下任務(wù)：

1.統(tǒng)計(jì)分析永久性樓面活荷載的任意時(shí)點(diǎn)值和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的最大值，給出統(tǒng)計(jì)特征；

2.統(tǒng)計(jì)分析臨時(shí)性樓面活荷載的任意時(shí)點(diǎn)值和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的最大值，給出統(tǒng)計(jì)特征；

3.永久性樓面活荷載和臨時(shí)性樓面活荷載組合；

4.樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值的確定；

5.與荷載規(guī)范中活荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比。

（四）教學(xué)效果

上述執(zhí)行大綱在10周內(nèi)完成，僅占據(jù)兩個(gè)課堂教學(xué)的課時(shí)，其余工作均在課下完成。學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性很高，較好地理解了所補(bǔ)充的隨機(jī)性數(shù)學(xué)的知識(shí)和要求閱讀的論文；在荷載調(diào)查的過程中，不但積極主動(dòng)，而且注重觀察，一些課題小組有了宿舍荷載與年級(jí)間存在相關(guān)性等新發(fā)現(xiàn)。實(shí)踐性和研究性教學(xué)過程中，學(xué)生從興趣出發(fā)，有目的性地學(xué)習(xí)，親自進(jìn)行荷載的采樣，最后對樣本進(jìn)行分析研究，已經(jīng)對荷載的不確定性有了較深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也掌握了不確定性的處理方法。

在課堂教學(xué)方面，同校園建筑樓面活荷載相近的荷載教學(xué)內(nèi)容，在課堂上可以不講，學(xué)生通過自學(xué)可以完全掌握；其它荷載的教學(xué)內(nèi)容，也容易理解。荷載部分學(xué)習(xí)遷移的目的基本達(dá)到。

三、結(jié)論

正確的荷載取值是保證土建工程安全、適用和經(jīng)濟(jì)的前提，而和抗力部分的教學(xué)相比，荷載部分的教學(xué)還沒有許多有待提高的方面。筆者針對當(dāng)前荷載教學(xué)中存在的教與學(xué)的矛盾，從認(rèn)知發(fā)現(xiàn)理論出發(fā)，進(jìn)行了荷載教學(xué)的實(shí)踐性和研究性教學(xué)的探索。根據(jù)“價(jià)值”、“學(xué)習(xí)”、“實(shí)踐”和“研究”的思路，制定了執(zhí)行大綱，組織學(xué)生親身完成身邊熟悉建筑的荷載調(diào)研。使學(xué)生深刻理解了樓面荷載標(biāo)準(zhǔn)值制定的方式和方法，對荷載的不確定性有了較深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也掌握了不確定性的處理方法。而且對其它荷載的學(xué)習(xí)起到知識(shí)遷移的效果。

［1］ 曹振熙，曹普.建筑工程結(jié)構(gòu)荷載學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［2］ 朱文彬，趙淑文.高等教育心理學(xué)［M］.北京：首都師范大學(xué)出版社，2007.

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

［4］ 應(yīng)惠清，朱大宇.大型超市樓面等效活荷載的確定［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2004，20（4）：18－19.

［5］ Alfredo H－S Ang，Wilson H Tang.Probability Concepts in Engineering Planning and Design［M］.John Wiley ＆Sons Inc，1984.

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

Research and practical exploration in load teaching

XIE Nan
（School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

A research and practical exploration is given to resolve the contradictions between teachers and students in load teaching based on Bruner＇s Theory of Cognitive Discovery.An idea focusing on value，learning，practice and research is proposed and an implementation outline is made.The students are organized to investigate and research the live load acting on the floors of buildings in campus.In this way，they not only undergone the determination process of characteristic value of live load all by themselves，but also they are easy to understand the developing method of other loads.

load teaching；curriculum reform；research and practical teaching；Theory of Cognitive Discovery

Tu 3－4

A

1008－6927（2011）03－0359－03

2011－04－16

謝 楠（1965－），女，湖南人，博士，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)的研究。

（

劉雪春）