方宏遠+李健

摘要：《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》是高等學(xué)校土木工程、交通運輸工程、水利工程、地質(zhì)工程等專業(yè)研究生重要專業(yè)課程之一。針對目前該課程授課時學(xué)生專業(yè)分布廣、知識背景差距較大的問題，本文從課程內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段三個方面提出了教學(xué)實踐過程中的一些心得體會和建議。

關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)反分析；教學(xué)實踐；心得體會

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）16-0227-02

隨著我國經(jīng)濟實力的不斷增強，我國交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進入高速發(fā)展時期。目前我國已建成各類水庫87873座，江河堤防29.41萬公里，公路410.64萬公里，鐵路9.3萬公里，橋梁68.94萬座，隧道為8522處。但由于設(shè)計、施工等原因，這些基礎(chǔ)設(shè)施在建成不久后就出現(xiàn)各種各樣的質(zhì)量問題。傳統(tǒng)方法一般采用鉆芯取樣的手段進行質(zhì)量檢測，這種方法會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定損傷，且檢測結(jié)果不具有代表性。近年來，通過聲、光、電磁、彈性波等手段的無損檢測方法逐漸推廣應(yīng)用，通過對接收信號進行反分析，可以了解結(jié)構(gòu)質(zhì)量情況。我校為了使土木、交通、水利等工程學(xué)科研究生能夠緊跟國內(nèi)外研究熱點，掌握工程檢測領(lǐng)域最新的理論與方法，在我校巖土工程、道路與鐵道工程、水工結(jié)構(gòu)工程等相關(guān)專業(yè)開設(shè)了《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程。這門課程除了給學(xué)生講授工程結(jié)構(gòu)反分析的基本原理和方法，還將培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)研究和工程實踐的能力。然而，由于授課學(xué)時有限（僅有32個學(xué)時），但課程需要講授的內(nèi)容卻很多，若全面講解時間不允許，且容易造成學(xué)生感覺滿堂灌，產(chǎn)生煩躁情緒，不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，由于研究生專業(yè)比較分散，雖然同屬大工程學(xué)科，但專業(yè)背景各不相同，而該課程的綜合性很強、涉及面廣，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)這門課程較為吃力。針對這些問題，筆者結(jié)合《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程講授過程中的一些心得體會，對這門課程的課程內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)手段提出一些建議。

一、課程內(nèi)容方面[1]

1.精簡課程內(nèi)容，刪去其他課程中已經(jīng)介紹過的內(nèi)容?！豆こ探Y(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程講授的方法主要包括兩大類：一類是傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法，包括單純形法、共軛梯度法、最小二乘法等；另一類是現(xiàn)代智能優(yōu)化算法，主要包括模擬退火算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、粒子群算法、蟻群算法等。面對種類如此繁多的優(yōu)化方法和有限的課程時間（研究生專業(yè)課學(xué)時數(shù)僅為32學(xué)時），如何讓學(xué)生既能初步了解各類優(yōu)化方法的基本原理，又能掌握其在工程結(jié)構(gòu)反分析中的應(yīng)用是一個關(guān)鍵問題。要想解決這一問題，就必須對課程內(nèi)容進行刪減，其中，由于傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法的求解思路和基本原理在專業(yè)基礎(chǔ)課《優(yōu)化算法》這門課程中已經(jīng)進行過講解，因此在本課程中不再對這些方法的基本原理進行講解，著重講解各類優(yōu)化算法的求解過程以及優(yōu)缺點，讓學(xué)生掌握如何利用各類優(yōu)化算法解決不同類型的工程實際問題。

2.突出重點問題，要在課堂上講解工程實踐中應(yīng)用最為廣泛的方法。這門課程需講授的內(nèi)容很多，包括多種傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法和現(xiàn)代智能優(yōu)化算法。目前，將傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法應(yīng)用于實際實踐已經(jīng)有上百年，這些方法雖然能夠解決一部分實際工程問題，但其收斂精度和收斂速度受初值影響較大，也就是說當(dāng)參數(shù)選取范圍不合適時，算法容易發(fā)散，因此，這類方法目前在工程實踐中應(yīng)用不多。所以，本課程僅用4個學(xué)時的時間對傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法進行一下簡單的介紹，讓學(xué)生了解傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法的種類以及優(yōu)缺點，并以系統(tǒng)識別算法為例，向?qū)W生講述如何利用該算法解決工程實際問題。本課程的重點是向?qū)W生講解當(dāng)前工程實踐中普遍應(yīng)用的各類智能優(yōu)化算法，包括遺傳算法、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模擬退火算法等，通過對這些智能優(yōu)化算法原理的講解，讓學(xué)生了解不同種類優(yōu)化算法的求解過程。

3.緊跟學(xué)科前沿，給學(xué)生講授最新的科研成果。隨著現(xiàn)代智能仿真技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，各種智能算法層出不窮，這就要求學(xué)生需掌握的知識和信息也越來越多。因此，這門課程除了要求學(xué)生掌握遺傳算法、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等已經(jīng)比較成熟的智能優(yōu)化算法外，還需要了解一些最新提出的智能優(yōu)化算法。比如，根據(jù)果蠅覓食過程受到啟發(fā)提出的果蠅算法，由螢火蟲閃爍行為受到啟發(fā)提出的螢火蟲算法等，這些新方法的介紹非常有利于拓寬學(xué)生的視野，增加學(xué)生的知識面。此外，本課程中還會講授一些專家學(xué)者對于遺傳算法、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的改進技術(shù)，教導(dǎo)學(xué)生如何在科學(xué)研究的過程中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，有利于提高學(xué)生的科研能力，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)。

二、教學(xué)方法方面[2-5]

1.由實際工程入手，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。無論是傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法還是現(xiàn)代智能優(yōu)化算法，其原理多為復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，傳統(tǒng)教學(xué)方法多從算法基本原理入手向?qū)W生講授，學(xué)生聽課感覺枯燥乏味，不知所云，提不起興趣。本課程從工程實踐入手，首先向?qū)W生介紹一個個的工程案例，讓學(xué)生了解掌握該方法能夠干什么，從而極大地提升的學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和學(xué)習(xí)興趣。例如，在講解粒子群優(yōu)化算法時，首先給學(xué)生介紹了我國道路厚度檢測技術(shù)的現(xiàn)狀，即傳統(tǒng)方法采用鉆芯取樣進行檢測，檢測速度慢，且破壞路面結(jié)構(gòu)，而目前普遍采用探地雷達對路面結(jié)構(gòu)層厚度進行無損檢測，通過對探地雷達回波信號進行反演分析，可以準(zhǔn)確獲得路面結(jié)構(gòu)層厚度；然后講解如何利用粒子群算法對路面實測探地雷達信號進行反演分析，最后對粒子群算法在路面結(jié)構(gòu)層厚度分析中的精度和效率進行總結(jié)。而在講解蟻群算法時，則是通過一個利用蟻群算法反演分析路面結(jié)構(gòu)層模量的實際例子進行講解。通過不同工程實際問題引出不同智能優(yōu)化算法的講課模式，使學(xué)生首先了解所學(xué)知識在實際工程中的應(yīng)用范圍，可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性。

2.設(shè)立興趣小組，令學(xué)生熟練掌握一種工程結(jié)構(gòu)反分析方法。工程結(jié)構(gòu)反分析這門課程將會詳細講授多種優(yōu)化算法，但對于某個學(xué)生而言，并不需要其掌握所有的優(yōu)化方法，只需熟練掌握某一種方法，并可以利用該方法解決具體實際問題，對于其他方法，了解其基本原理即可。因此，在這門課程緒論部分講授完畢后，將學(xué)生分為若干個興趣小組，一組3～5人，每個小組針對某一種算法展開研究，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣加入不同的小組。這樣，每一個小組內(nèi)部，學(xué)生的研究方向都相同，可以有針對性地閱讀一些文獻，并進行相互交流，從而深入了解該算法原理以及在不同工程問題中的應(yīng)用方法。endprint

3.采用課程設(shè)計的方式進行考核，注重培養(yǎng)學(xué)生解決工程實踐問題的能力。以往工程結(jié)構(gòu)反分析這門課程考試一般采用閉卷考試形式，即由任課教師統(tǒng)一出一張試卷，題目多為論述各種算法的基本原理，使用范圍，求解步驟等，通過這種形式學(xué)生雖然能夠掌握這些算法的基本原理和求解過程，但卻不能將該方法應(yīng)用于解決實際問題。因此，我們將這門課程考試形式改為課程設(shè)計，由任課老師選取一個或者幾個實際工程問題，讓已經(jīng)建立的不同算法興趣小組分別采用自己小組研究的算法解決這些實際工程問題，鍛煉學(xué)生的實際動手能力。此外，這門課程的試卷批改方式也有所創(chuàng)新，學(xué)生的課程設(shè)計完成后不再由任課老師統(tǒng)一批改并打分，而是由每個興趣小組制作課程設(shè)計匯報PPT，并從小組中推選出一位代表，到講臺上為全班同學(xué)進行講解，任課老師和其他組的同學(xué)在講臺下對其成果進行點評和打分，如果遇到不明白的問題，還將現(xiàn)場提問。采用這種模式可以增加學(xué)生與任課教師之間以及學(xué)生與學(xué)生之間的交流互動，活躍課堂氣氛，不僅可以增進學(xué)生老師之間的感情，還可以鍛煉學(xué)生的語言表達能力，提高研究生的綜合素質(zhì)。

三、目前教學(xué)過程中普遍采用多媒體教學(xué)[6]

這種教學(xué)方法可以令學(xué)生更加生動和直觀地了解所學(xué)課程的相關(guān)內(nèi)容。但由于《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程牽扯到一些理論公式推導(dǎo)，如果這部分內(nèi)容完全采用PPT進行講解，講課速度過快，學(xué)生難以理解。因此，本課程采用板書與PPT相結(jié)合的方式進行授課，即對于工程背景等內(nèi)容采用多媒體進行講授，對于優(yōu)化算法中的理論公式推導(dǎo)，采用板書的形式，帶領(lǐng)學(xué)生一步一步進行演算，給予學(xué)生充分的時間消化知識，理解概念，同時也增加了課堂教學(xué)的靈活性。

《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程在土木工程、交通運輸工程、水利工程等學(xué)科研究生教育中占有重要的地位，它主要應(yīng)用于解決實際工程問題。為了適應(yīng)現(xiàn)代工程安全檢測需要，針對《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門課程的課程內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段中存在的問題和不足，提出了自己的心得和建議。該課程在巖土工程、道路橋梁工程、水工結(jié)構(gòu)工程專業(yè)教學(xué)中表明，學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)情況，解決工程實際問題的能力都得到了較大提升。本文對《工程結(jié)構(gòu)反分析理論》這門研究生課程的改革和教學(xué)實踐，希望能為其他高校相關(guān)學(xué)科教學(xué)實踐提供些思路。

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