基于产业技术环节的案例式教学在《材料失效分析》课程中的应用

南 楠 冯继军 周天宏

（1.湖北汽车工业学院，湖北 十堰 442002；2.东风商用车技术中心，湖北 武汉 430056）3.武汉商学院，湖北 武汉 430056；

一、引言

工业中的失效分析主要分为机械零部件的失效分析和电子电路元器件的失效分析两大类，所涉及的领域十分广泛，如新材料和新制造工艺的探索、产品质量改进和事故仲裁等多个环节。其中，对于机械用途的金属部件而言，典型的失效形式有变形失效、断裂失效、腐蚀失效和磨损失效。其所运用的技术手段有一套标准化流程，通常涉及到痕迹分析、裂纹分析、断口分析等过程，其中所使用的检测设备也是高校教学和科研中所常用的，如扫描电子显微镜(SEM)、金相显微镜、显微硬度计及直读光谱仪等等。在校企合作的大背景下开展《材料失效分析》课程相关教科研的同时，与企业协同开展基于产业技术环节的案例式教学，不仅可以加深学生对课本理论知识的理解，对全套失效分析体系有更全面深入的认识，还可以增加实战经验，从而实现市场衔接，避免了学用脱节，符合培养应用技能型人才的目标要求。但是，工程材料领域包罗万象，教学和研究体系如果过于分散，会造成资源浪费、杂而不精，导致竞争力缺失。诸如十堰、襄阳和武汉经济技术开发区这样的地域以汽车零部件制造业为重点发展对象，对优化零部件制造工艺、改善产品质量有着迫切需求。因此，这些地区的高校可以在与汽车零部件企业合作开展教学和科研的过程中，将企业和用户反馈的典型失效零件和不合理工艺作为主要分析案例，所得研究结果既可以作为学生的课程设计结论又可以作为企业的重要参考依据。本文针对这门课程重点探讨教学过程中与企业的合作方式、理论与实践教学手段以及课程评价方法。

二、《材料失效分析》课程当前存在的问题

失效分析由于其专业性和重要性，从一项专业技术手段扩展为一个独立学科。虽然很多高校都开设了这门课，但由于这门课内容多、知识结构跨度大，学时有限，与企业的合作深度不够，教学目标缺乏实质性[1]。大多数情况下，教师仅是选取其他文献中的典型案例作为教学材料，让学生从头到尾研习一遍，或是在实验室条件下制造单一人工断口，让学生分析简单模式下的断裂。然而，单纯的理论教学或是既定形式化的实验操作都无法真正使学生掌握课程精髓，不能起到培养综合素质、提高实操水平的作用。失效分析是一个系统作业，真实工况下的断裂模式可能是多种多样的，这涉及到零件系统之间的相互作用，涉及到周围服役环境的复杂性，甚至涉及到所获得的断口残骸究竟是首断件还是肇事件的根本性问题[2]。这样身临其境的实战效果是无法仅仅通过课堂讲授或是人为制造就能达到的，必须基于真实的工程案例。但是，学校师生要想参与到切实的技术环节中并获得工程背景下的真实案例，与企业进行“真刀真枪”的技术研讨就必须依赖切实的、可相互信任的校企合作。

三、《材料失效分析》课程案例式教学的实施过程

（一）与企业的合作方式

学校需因地制宜，选择周边既需要技术攻关却又缺少独立研发中心的汽车零部件企业作为产学研合作基地，正好实现技术互补，甚至可以针对这些企业进行定向订单式培养[3]。若学校或失效件委托企业不具备失效分析网点资质，学校必须同时选择有资质的企业或机构进行合作，便于生成有专业效力的报告。学校可以聘请合作企业的质量部或技术部的专业人员担任本门课程的校外指导教师，同时校内教师可挂职合作企业，协助解决现场问题，扩充“双师型”教师队伍。根据企业的主要业务分布特点和学生的兴趣情况进行如图1所示的专题方向划分，既充分体现这门课程的专业性和趣味性，也便于学生进行系统性总结，提高了学习效果。无论是企业在生产过程中还是用户反馈环节都会暴露出大量失效问题，可作为该课程的实际案例供师生练手，并为相关的教学和科研提供了大量素材来源。在师生进行实际失效分析的同时，首先需要了解失效件的服役条件（环境变化、用户习惯等）并调查其失效背景，进而延伸至现场取证、工艺和设计理念分析等流程，不仅使学生更加了解企业、产品和市场，同时还起到认知实习的作用。

图1 汽车零部件失效分析案例方向划分

分析完毕并生成最终报告后，提交委托企业进行参考。对于特别重要的报告，可再次送交专业检测鉴定机构进行审核认证。反馈结果可作为学生本课程成绩的重要参考。企业和学校共同建立失效案例档案库，对企业的工艺改进和学校的教学科研都具有极高的价值。最终，利用高校资源成功实现了“本地送检、现场解决”的宗旨，为企业节省了宝贵的时间和样品外送成本。

（二）理论与实践教学方法

《材料失效分析》课程必须分为理论教学和实践教学两个部分。无论是理论还是实践，都必须基于企业项目环节的实际案例。理论教学方面，在校内除需要教授完整的逻辑分析理论（如故障树分析法（FTA法）、失效模式及后果分析法（FMEA法）等等）外，还可根据实际情况开设或选修基础的的材料学、力学、断口形貌学、热处理、成型课程，定期邀请不同企业专家展开专题培训。部分理化检验机构和拥有独立研发中心的企业会举办技能培训、职业资格认证和技术研讨会，选派指导教师和学生团队代表定期参加可作为理论教学环节的一部分。可以将这些不同专题的课程模块化，例如从材料种类上分可分为构件的疲劳分析、焊接件的失效分析、从失效形式上分可分为一次性断裂专题、疲劳开裂专题、腐蚀专题和磨损专题等，并设计对应的学分，学生可以根据自身兴趣选择。这些理论知识因大多数来源于企业研发过程或生产前沿，保证了所学内容的实用性和前瞻性。实践教学方面，除常规的仪器操作与分析手段演示外还应该鼓励基于实际项目或是初始案例的团队式探索[4,5]。授课教师不仅有校内老师还应该有合作企业的核心技术人员，共同对教学方式和具体的技术环节进行把控。传统的操作演示性教学会使学生产生依赖性，而基于产业技术环节的案例则具有未知性和挖掘价值，能够激发出学生的好奇心和求知欲，从主裂纹和裂纹源的判断到最终失效模式的认定，每一步都亲身体验，真实扮演“医生”和“侦探”的角色，不仅在实践中巩固并学习了理论、增长了实战经验，也获得了成就感，更加激发了学习兴趣。

（三）课程考核方式改进

课程的理论和实践部分的考核应采取独立计分的方式。理论部分仍以卷面考试的形式进行，而实践部分以基于实际技术环节的案例实操为主并以分析报告的形式考查。理论部分的卷面考试中，除基础知识考察外还应加入取材于成熟案例的线索分析题和综合设计题，在这些题目中可以给出现成的案例背景、工况条件、断口宏观形貌、SEM和金相组织显微图片，让学生按自己的见解直接写出结论，以此来重点检验对现有素材及证据的综合分析和临场判断能力。实践考核部分以企业提供的暂未解决的真实案例为基础，以一个学期为考察周期，让学生以团队合作的方式自行解决，并完成最终的分析报告。学期末将研究结果以课堂多媒体展示和口头报告的方式向教学团队展示，学生和老师针对报告中涉及的问题提问，报告者一一解答。最后由教学团队集体评议，确定成绩。不仅可以考查学生的文献调查、实验操作和逻辑推理能力，也能锻炼学生的团队合作和口头表达水平，兼有科研训练的作用。

四、结束语

本文结合以汽车产业为经济主体的区域内高校的自身特点提出了《材料失效分析》这门课程的研究重点应以汽车零部件分析为主，避免研究体系过于分散而造成的竞争力缺失。同时强调了要与企业进行协同教学，加强人员和业务合作，以便获得实际工程案例和实验资源，改善教学队伍结构。无论是教学过程还是课程考核都应该基于企业工程案例，更加真实地检验教学效果，有效提高学生的实践和知识运用能力。通过产业技术环节中的案例实战，既可以实现高校所需求的应用型、复合型人才培养目标，也能实现校企人才及设备资源的整合共享，助推当地汽车零部件产业发展。