解社娟 陈玲莉 吴莹 陈振茂

[摘 要]以西安交通大学力学学科工程结构可靠性概论课程的教学改革为契机，以一位新任授课教师的视点，针对拓宽学生视野、提升课堂凝聚力的需求，从课程内容优化设置、教学模式探索改进、新任授课教师培养机制三方面，对西安交通大学力学学科的工程结构可靠性概论课程进行教学研究与探索，有效促进了西安交通大学力学专业课程的教学改革和教学效果提升。

[关键词]力学学科;结构可靠性;教学改革;新教师体会

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）11-0060-03

一、引言

西安交通大学力学学科入选了教育部“双一流”学科建设名单，在第四轮教育部学科评估中获评A类，和哈尔滨工业大学力学学科在全国高校力学学科中排名并列第三，力学专业作为学科的关键支撑获评教育部特色专业。这其中，完备的课程设置和丰富的课程建设成果对西安交通大学力学学科的发展起到了关键作用。西安交通大学力学专业设置有10门以上的力学专业课，包括：理论力学、材料力学、弹性力学、振动力学、实验力学、计算力学、流体力学、塑性力学、断裂力学等，同时也设置了多门特色专业课程，如工程结构可靠性，这些课程构成了完整的工程力学知识体系，有力支撑了力学特色专业人才培养。

在力学专业课程中，绝大多数课程理论是基于确定论理念，涉及的力学量均为确定量，不具有随机性。如理论力学中准确计算约束反力、材料力学中准确计算杆件的弯曲变形等均需要确定的载荷、材料和结构参数等[1]。为了完善学生处理实际工程问题的能力，完善其知识体系，西安交通大学（以下简称“我校”）力学学科增加了基于概率论描述评价结构安全的工程结构可靠性课程，让学生了解实际工程结构的失效和破坏都具有一定的随机性，即结构破坏须利用工程可靠性的知识进行评价和分析。该门课程是针对大学四年级上学期的学生开设的。考虑到这一课程的特点和开课时机，为拓宽学生视野、提升学生课堂凝聚力，通过教学改革和创新，适当调整教学模式、优化教学内容非常有必要。

本文介绍笔者针对工程结构可靠性概论课程教学和考核进行的一些改革和尝试。同时，从新任授课教师的视角，介绍西安交通大学航天航空学院对青年新任授课教师的培养机制，分析了青年教师健康快速成长的体会。论文对力学学科课程体系建设和教学效果的提高，以及青年授课教师的成长，具有一定的参考意义。

二、教学现状分析

（一）教学内容需进一步优化

目前，国内尚无专门针对力学学科学生的结构可靠性课程的合适教材。内容较完整的可靠性课程的教材有宋保维教授的《系统可靠性设计与分析》等，该教材由西北工业大学出版社出版，内容完善、翔实。但该教材缺少可靠性的数学基础部分，并且该教材在故障树章节内容后，用很大篇幅对电子产品可靠性设计与分析展开阐述，这部分对力学专业的学生来说是相对冗余的。国内目前现有的教材无法更好满足力学专业学生对结构可靠性知识体系全面掌握的需求。

（二）教学模式的相对单一

传统课堂用板书展现所讲授的知识内容，书写所需时间长，形式单调，一些复杂公式的逻辑关系不太能够清晰展现。

（三）一线授课教师队伍的年轻化

近年来，随着国内科研条件、科研设备的逐步完善，响应祖国的号召，大量海外留学青年人才陆续回国发展。高校教师队伍中年轻人才比例持续增加，平均年龄逐步下降，教师队伍的国际化水平和科研活力逐步提升。但相对应的，年轻教师缺少授课经验，虽在授课前进行了一定的岗前培训，但授课经验仍然不足，课堂掌控力有限，这导致课堂上学生走神等问题突出。因本门可靠性课程安排在大学四年级上学期，这时部分学生面临考研、就业等压力，课堂上学生的专注力不足等问题尤为严重。

三、教学研究与探索

针对以上本門可靠性课程的教学现状和问题，在教学过程中，课程组进行了广泛的教学研究与探索，采取了一系列改进措施，这些措施对拓宽学生视野、提升课堂凝聚力起到了积极的作用。

（一）优化课程内容

为了打破学生至今为止力学课程中的确定论的思想，本门课程授课中将基于概率论的可靠性思想贯穿于课程章节始末，并通过概念及力学结构分析例题不断强化。

在课程内容章节的安排上，结合国内教材和国外教材，合理优化安排章节内容。

第一章：绪论及可靠性基本概念，含可靠性工程的主要内容、重要性、可靠度、不可靠度、失效密度函数、风险、失效率、平均寿命、可靠寿命、中位寿命、寿命方差等基本概念。

第二章：可靠性数学基础，含概率论基础知识、不可靠度概率密度函数的几种典型分布（正态分布、指数分布、威布尔分布、对数正态分布、伽马分布等），以及可靠性数据的统计分析方法。

第三章：系统的可靠性，含串并联系统的可靠性、一般系统的可靠性（简化为串并联系统、基于条件概率的方法、系统结构函数-布尔代数、路集/割集的概念及求解方法）、可靠性设计（如何提高可靠度、可靠度提高和成本降低的综合考虑和措施）。

第四章：故障模式与可靠性分析，含竖向故障树/横向事件树的概念及绘制方法、故障树分析的基本过程、故障树定性分析、故障树定量分析以及底事件的重要度。

第五章：机械和工程结构可靠性分析，首先，含机械结构的损坏、可靠性分析基本模型、安全系数和可靠性因子的关系、可靠性因子的计算方法（一阶二次矩法和推广二次矩法等）、结构系统的可靠性评价;其次，在理论完善的基础上，针对理论力学和材料力学的典型题目，融入可靠性理念后课堂内进行应用分析。

第六章：维修性和可用性，含维护性和可用性的概念、单一系统的可用度分析、串联系统的可用度分析、并联系统的可用度分析、系统维护策略（事后维护、预防维护、部件更换等）。

第七章：可靠性知识在典型力学问题中的运用及案例分析。

鉴于目前还没有合适的中文教材，在授课过程中，教师可通过新型现代化通信手段（微信群、QQ群等）给学生发放自制的课程电子版讲义，供学生学习参考。并且，结合国内教材和国外教材，课程组正在筹划编撰适合于国内力学专业学生的更全面、更完整、更有针对性的结构可靠性课程的教材。

（二）融入多样化的教学模式和手段

1.有机结合PPT和板书

在授课形式上，将PPT和板书进行合理结合。公式推导部分，在PPT上展现的同时，用黑板重新推导一遍，便于理顺逻辑、引导学生思考、引起学生共鸣;其余概念和定义性的内容，主要用PPT展现。这样安排节省了大量板书书写概念文字的时间。如此，可以在有限的时间内讲解更多与课程内容相关的拓展知识，例如与系统可靠性设计相关的理论学术前沿;大型航天器、大飞机、核电站、ITER托卡马克聚变堆等国际重大装备中用到的可靠性相关的设计理念;校外科研院所、企事业等国内和国际知名社会单位对与该课程知识体系相关的人才需求状况等，以进一步帮助拓宽学生的知识面，开阔学生的视野，激发学生的学习兴趣。

2.进一步提升课堂的掌控力

教师对课堂的掌控能力与教学效果的好坏息息相关，值得每一位教师深入思考。在对所讲内容充分熟悉的基础上，对学生心理、思维活动状态的了解有助于教师提升课堂教学效果。如对课堂抬头率的实时观测，对走神学生、犯困学生、聊天学生、看手机学生的实时捕获，这些信息的掌握对教师及时调整讲课方式、提高学生注意力都有很大的帮助。因该课程设置在本科四年级上学期，部分学生此时正处于积极备战考研、积极规划寻找就业单位[2]的关键阶段，课堂出勤率、抬头率都存在一定问题，专心听课的学生比例不大。对此，笔者采取了一系列措施。

第一，为了充分调动学生的积极性，尽量挑个别学生在课程开始前5分钟来讲解自己的作业部分。

第二，设置课堂随机点名、随机提问环节，针对提问答不上来的学生，采取请其自行寻找能帮助他回答的同学的方式，这样有助于活跃课堂气氛，增强学生的注意力。也可增加学生交流环节，采用小范围讨论或点名式讨论，但要保证在讲课过程中至少每20分钟要和学生互动一次，以调动学生的积极性和参与性。

第三，对每堂课50分钟的课程内容进行合理安排。将相对枯燥的最核心、最重要、最难理解的知识点放在每堂课的开始的10—15分钟，这个时间段学生的注意力最集中，容易对重点知识消化和吸收。随后，安排更有趣味的知识扩展，防止学生走神。这样有助于实现在整个课堂中凝聚学生的注意力。

第四，针对大四的学生，学生即将读研或走向工作岗位，在课堂内容的安排上，可以考虑先讲校外企事业用人单位对本课程知识体系的需求，再引出知识点进行理论讲解，最后结合实践加强学生对知识点的掌握[3-5]。

最后，上课前可以适当认真准备一些问题，课间，课后让学生完成，这样可以知道学生的听课效果。课后提一些课程延伸问题，让部分学有余力的学生参与完成，这样可以促使学生思考，提高学生的兴趣。

3.增加实践过程

首先，在该课程中，专门设置一次现场课，现场集中讲解与课程内容相关的西安交通大学力学学科国家重点实验室的实验装备和科研方向，通过实验室现场授课的方式，将理论课的讲解与实践教学紧密结合[6-7]。其次，邀请与课程内容相关科研方向的硕士、博士生到课堂现身讲解科研细节和基础理论知识在科研中的运用，加强学生与学生之间的沟通与知识共享，这也间接借鉴了现代教学中翻转课堂的理念[8-11]。翻转课堂及混合式教学模式作为现代互联网新时期全新的教学理念，在今后的教学过程中会随着教师和学生的不断反馈、不断迭代更加丰富与完善。

（三）有效培养青年教师队伍

西安交通大学力学学科建立和完善了教师队伍的传帮带机制。首先，青年教师在授课之前，进行岗前培训;其次，进行一个学期的课程助教工作（随堂听课，学习讲课方法，学习批改作业，学习对学生考核方式的制定，学习批改试卷的各种规范等）;然后，在第一次开课时，还会配置一对一的辅导教师，辅导教师会进行整个学期的随堂听课，并在每次听课后给出详细的点评（包括知识点过渡是否连贯，重要知识点讲解是否清晰和准确，语速是否合适，音量是否合适，板书与PPT的结合是否到位等），青年教师也因此获得与辅导教师进行及时沟通的机会，不足之处能够得到及时反馈和记录，并在下节课中予以纠正和体现。这一系列的措施都快速提升了青年教师的授课能力，很好地保证了青年教师队伍的授课水平。

笔者是本科生授课的新教师，承担力学学科的理论力学和工程结构可靠性概论两门本科生课程。2019年是笔者给本科生授课的第二年，经过助教时期的学习和辅导教师的一对一跟踪辅导，笔者在课堂上得到了学生的一致认可和好评，教学效果95.2分（学校平均分为89分）。

四、结语

结构可靠性课程作为力学学科的一门专业基础课，对培养学生在关键结构部件的力学分析中的可靠性思想非常重要。随着高校青年教师队伍的逐步增加，青年教师的授课能力对高校大学生的知识和素质培养越来越重要。本文以西安交通大学力学学科工程结构可靠性概论课程的教学改革为契机，以一位新任授课教师的视点，从课程内容优化设置、教学模式探索改进、新任授课教师培养机制三方面，对西安交通大学力学学科的工程结构可靠性概论课程进行了教学研究与探索，给出了若干具有参考价值的建议。

致谢

本文特别感谢西安交通大学陈玲莉教授在教学过程中给予的诸多宝贵、细致的指导，以及新疆大学胡国玉副教授在论文撰写过程中给予的诸多宝贵的建议和指导。

[ 参 考 文 献 ]

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[3] 胡国玉，金阿芳，富荣昌.工科基础力学教学改革创新与实践[J].中國现代教育装备，2018（7）：38-39.

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[6] 邵永健，毛小勇，赵宝成，等.土木工程研究生实践创新能力培养模式的探索[J].大学教育，2020（3）：161-164.

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[责任编辑：陈 明]