謝 楠

（北京交通大學土建學院，北京 100044）

荷載教學的研究性和實踐性探索

謝 楠

（北京交通大學土建學院，北京 100044）

針對當前荷載教學中存在的教與學的矛盾，從認知發(fā)現(xiàn)理論出發(fā)，進行了荷載教學的實踐性和研究性探索。根據“價值”、“學習”、“實踐”和“研究”的思路，制定了執(zhí)行大綱，組織學生親身完成身邊熟悉建筑的荷載調研。使學生深刻理解了荷載標準值制定的方式和方法，對其荷載的學習起到知識遷移的效果。

荷載教學；課程改革；研究性和實踐性教學；認知發(fā)現(xiàn)理論

結構在施工和使用過程中存在不確定性，不確定性或隨機性是結構設計中不可回避的問題?？沽?、荷載與設計方法是工程結構設計的三大核心要素，同荷載相比，抗力的隨機性要弱得多，設計方法更多根據作用在結構上荷載的不確定性而定。

荷載是工程結構設計的主要參數和設計依據，隨著施工條件、使用要求和使用環(huán)境的不同，作用在結構上的荷載種類繁多，特點各異，其中不確定性是眾多荷載最大的共同特點。在我國早年的教學中，有關荷載的內容大多分散在各個專業(yè)課上講授，由于課時所限，只能介紹荷載的取值計算，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生。

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

在設計和施工時，不恰當的荷載值，不是造成資金浪費，就是降低結構的安全度和適用性。目前，建筑結構設計中產生浪費的主要原因之一，就是對實際作用在建筑物上的荷載缺乏研究，在設計中往往以臆斷的方式來規(guī)定額外的附加荷載，使得所涉及的結構物過分笨重，從而引起建設資金的無謂浪費［1］。而有時由于對結構的實際使用情況了解不夠，采用的荷載值偏低，甚至忽略了個別荷載，造成所設計的結構不夠安全。

1998年，教育部頒布了新的大學本科專業(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整，將工程結構荷載和可靠度設計方法列為專業(yè)基礎課，使得原本分散在各個專業(yè)課的荷載部分的教學內容可以集中起來，系統(tǒng)講解，而荷載的教學占了本門課程的大部分學時。

荷載教學對本科學生的數學知識和專業(yè)基礎知識要求較高，課程內容偏重理論，教與學的矛盾較為突出。因此，有必要依據荷載教學的特點，進行課程改革的探索。

一、荷載教學中教與學的矛盾

（一）學生的知識積累不足

荷載教學的先修課程分為兩大類：一類是處理荷載隨機性的數學理論，包括概率論、數理統(tǒng)計、隨機過程的部分基礎知識和極值統(tǒng)計的部分內容；另一類是用于復雜荷載取值計算的力學類課程，包括結構力學、結構動力學、土力學等。

相對力學類課程而言，學生在隨機性數學理論方面的知識積累明顯不足。大多數荷載均不服從學生學過的正態(tài)分布，一些荷載的統(tǒng)計分布類型如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)二項隨機過程，還要求學生應對隨機過程的基礎知識有所了解，而隨機過程課程作為難度最大是一門隨機性數學課程，大多數高校只給博士研究生開設。另外，設計基準期內荷載最大值的統(tǒng)計分析，要用到極值統(tǒng)計的部分內容，而該門課程只有少數學校給博士研究生開設。

相對于國內大學，國外大學學生的知識積累則較為扎實，MIT專門開設了Uncertainty in Engineering課程，University of Michigan專門開設Statistical Methods for Data Analysis and Uncertainty Modeling，用較多的學時培養(yǎng)學生對不確定性的認識和處理方法。

自從學完概率論和數理統(tǒng)計后，我國土建專業(yè)的學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的課程，加之知識積累不夠，學生的學習遷移較為困難，教師講課吃力。

（二）實踐性和研究性不夠

荷載的代表值是根據荷載的統(tǒng)計特征制定的，而荷載的統(tǒng)計特征是通過實測和統(tǒng)計得到的。有了荷載的統(tǒng)計特，可以依據彈性范圍內荷載效應的變異系數和平均值系數等于荷載的對應值的原則，由理論計算得到荷載效應的統(tǒng)計特征。由此可以得出荷載是荷載效應的基礎，而荷載的概率模型和調查統(tǒng)計是荷載取值的根基，荷載代表值的制定過程具有很強的實踐性和研究性。

不同荷載的概率模型和調查統(tǒng)計方法各異，如何進行荷載的調查？如何根據調查結果得到荷載的統(tǒng)計特征？荷載的代表值是如何制定的？以上問題如果不講，而是讓學生查規(guī)范直接得到荷載代表值，則將永遠改變不了我國工程技術人員對實際荷載缺乏認識的現(xiàn)狀；如果講，按教學大綱的要求，只能講荷載規(guī)范的制定者的采樣和統(tǒng)計方法，理論講解過多，對于本身知識積累不足的學生來講，很難激發(fā)學習興趣。

荷載教學中最基本的理論和最基本的方法成為教學雙方最為棘手的“山芋”。

二、荷載教學研究性和實踐性探索

針對以上問題，依據認知發(fā)現(xiàn)理論，筆者嘗試了教學改革，進行了實踐性和研究性教學的探索。

（一）Bruner，J認知發(fā)現(xiàn)理論

Bruner，J的認知發(fā)現(xiàn)理論認為，教學應使學生理解基本結構，而基本結構除了指學科的基本知識結構外，還包括學習的態(tài)度和方法［2］。理解基本結構不但指掌握一般原理，還包括發(fā)展對待學習和調查研究、對待推測和預感、對待獨立解決難題的可能性等的態(tài)度。認知發(fā)現(xiàn)理論認為學習的最好刺激就是對所學材料的興趣，而不是具有功力色彩的外來目標。認知發(fā)現(xiàn)理論提倡發(fā)現(xiàn)學習，對于學生而言，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)包括親自獲得知識的一切行為和方法?？傊?，認知發(fā)現(xiàn)理論強調學習興趣，倡導調查研究，注重培養(yǎng)能力，這與我國重點大學的培養(yǎng)目標一致。

（二）實踐性和研究性教學的思路

面對上述教與學的矛盾，在有限的課時內，從強調興趣、倡導調研和培養(yǎng)能力方面的教育理念出發(fā)，培養(yǎng)學生對不確定性的認識和處理方法，理解荷載調查統(tǒng)計的方法和原理，筆者嘗試進行了凸顯實踐性和研究性教學，組織學生親身進行荷載的調研，并依據樣本數據完成荷載標準值的制定工作。

選擇學生熟悉的校園建筑如學生宿舍、圖書館和教學樓等，調查這些建筑的樓面活荷載，統(tǒng)計分析采樣數據。在研究實踐活動的期間，根據需要補充相關知識，并指導學生閱讀相關論文，以保證調研任務的順利完成，并期待荷載標準值制定的全過程調研對其它荷載的學習和認知起到遷移的作用。

教學思路分4個部分：

1.價值：明確課題研究的意義；

2.學習：包括基礎理論知識、專業(yè)知識和從事科學研究的基本技能；

3.實踐：調查校園建筑的樓面活荷載；

4.研究：對樣本進行統(tǒng)計分析，得出任意時點值和設計基準期最大值的統(tǒng)計特征，給出樓面活荷載的標準值。

（三）執(zhí)行大綱

本著循序漸進的原則，分別制定了面向學生的學習、實踐和研究3個部分執(zhí)行大綱。

在學習階段，具體完成以下任務：

1.課下復習概率論和數理統(tǒng)計的相關內容；

2.課堂上補充的隨機性數學的知識（對Weibull分布、極值I型分布、簡單的隨機過程和極值統(tǒng)計知識）；

3.課堂講授專業(yè)知識；

4.課下指導學生閱讀至少兩篇相關論文；

5.課下指導學生掌握用軟件對樣本數據進行統(tǒng)計分析的方法（計算均值和方差，繪制直方圖，初步判定分布類型，分布擬合檢驗）。

在實踐階段，具體完成以下任務：

1.每5～8人成立研究小組，以學生宿舍、圖書館和教學樓為調查對象；

2.在學習的基礎上，研究小組選擇一類調查對象，提出調查和研究方案，要求獨立樣本的數量不少于30個；

3.課下指導學生修改調研方案；

4.學生課下進行采樣。

在研究階段，具體完成以下任務：

1.統(tǒng)計分析永久性樓面活荷載的任意時點值和設計基準期內的最大值，給出統(tǒng)計特征；

2.統(tǒng)計分析臨時性樓面活荷載的任意時點值和設計基準期內的最大值，給出統(tǒng)計特征；

3.永久性樓面活荷載和臨時性樓面活荷載組合；

4.樓面活荷載標準值的確定；

5.與荷載規(guī)范中活荷載標準值進行對比。

（四）教學效果

上述執(zhí)行大綱在10周內完成，僅占據兩個課堂教學的課時，其余工作均在課下完成。學生的學習積極性很高，較好地理解了所補充的隨機性數學的知識和要求閱讀的論文；在荷載調查的過程中，不但積極主動，而且注重觀察，一些課題小組有了宿舍荷載與年級間存在相關性等新發(fā)現(xiàn)。實踐性和研究性教學過程中，學生從興趣出發(fā)，有目的性地學習，親自進行荷載的采樣，最后對樣本進行分析研究，已經對荷載的不確定性有了較深刻的認識，同時也掌握了不確定性的處理方法。

在課堂教學方面，同校園建筑樓面活荷載相近的荷載教學內容，在課堂上可以不講，學生通過自學可以完全掌握；其它荷載的教學內容，也容易理解。荷載部分學習遷移的目的基本達到。

三、結論

正確的荷載取值是保證土建工程安全、適用和經濟的前提，而和抗力部分的教學相比，荷載部分的教學還沒有許多有待提高的方面。筆者針對當前荷載教學中存在的教與學的矛盾，從認知發(fā)現(xiàn)理論出發(fā)，進行了荷載教學的實踐性和研究性教學的探索。根據“價值”、“學習”、“實踐”和“研究”的思路，制定了執(zhí)行大綱，組織學生親身完成身邊熟悉建筑的荷載調研。使學生深刻理解了樓面荷載標準值制定的方式和方法，對荷載的不確定性有了較深刻的認識，同時也掌握了不確定性的處理方法。而且對其它荷載的學習起到知識遷移的效果。

［1］ 曹振熙，曹普.建筑工程結構荷載學［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［M］.北京：首都師范大學出版社，2007.

［3］ 許成祥，何培玲.荷載與結構設計方法［M］.北京：北京大學出版社，2006.

［4］ 應惠清，朱大宇.大型超市樓面等效活荷載的確定［J］.結構工程師，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.荷載與結構設計方法課的設置矛盾與對策［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，主要從事結構設計理論和施工技術的研究。

（

劉雪春）