面向力学专业背景的可靠性工程课程混合教学模式改革探索

2022-05-22王攀李磊周长聪魏鹏飞王元生

高教学刊 2022年14期

王攀李磊周长聪魏鹏飞王元生

摘要：面向力学专业的可靠性工程课程，文章综合分析课程教学现状和特点，提出从优化教学内容、提升教学手段、挖掘思政元素等三方面，对力学专业的可靠性工程课程进行教学模式改革研究与探索。在建设结合力学专业背景的课程教学内容的基础上，研究基于翻转课堂的可靠性工程课程教学方法，同时将融合可靠性专业知识的课程思政元素贯穿于教学过程中，提升可靠性工程课程教学质量，为工科院校的专业课程改革提供参考。

关键词：可靠性工程;教学改革;翻转课堂;课程思政

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）14-0126-04

Abstract： For the reliability engineering course of mechanics major， this paper comprehensively analyzes the present situation and characteristics of this course. To reform the teaching mode of reliability engineering course， three aspects are proposed， including optimizing the teaching content， improving the teaching means， excavating the ideological and political elements. Based on constructing the teaching content combined with the background of mechanics major， this paper studies the teaching method of flipping classroom， and runs through the ideological and political studies which integrates reliability professional knowledge in the teaching process. This improves the teaching quality of reliability engineering course and provides reference for the teaching reform of technical universities.

Keywords： Reliability Engineering; teaching reform; flipping classroom; the ideological and political education in all courses

质量是制造业的生命，是制造业强大的主要标志[1]。党中央、国务院印发《关于开展质量提升行动的指导意见》中提出实施质量强国战略，推动我国进入“质量时代”。面对强国战略下的科技革命与產业变革，教育部积极推进新工科建设，深入系统地开展新工科研究和实践。可靠性工程作为一门多学科交叉又相互渗透的学科，在产品研制、生产与管理中具有极其重要的作用，为保障产品质量提供理论基础，是推动产品质量提升的重要动力[2]。

由于航空事故经济损失大、人员致死率高，可靠性问题始终是航空界高度关注并全力研究的课题。面向西北工业大学的行业特色，可靠性工程课程对培养从事航空装备设计人员的可靠性设计思想，提升装备安全水平，减少事故意义重大。目前，可靠性工程已经作为西北工业大学力学、航空宇航科学与技术等多个一流学科的特色专业课程，完善了一流学科的培养体系，有力支撑了高水平人才的培养和一流学科建设。该课程系统讲授可靠性工程的理论方法，重点围绕可靠性基础理论、可靠性分析、设计方法等内容开展教学，培养学生从事可靠性工程相关工作的能力和素养。然而，目前在可靠性工程课程的教学过程中仍然存在着教学内容与专业背景结合不紧密、教学手段单一、思政素材挖掘不深等问题，亟需开展课程内容优化和教学手段改革，因此本项目主要针对可靠性工程课程面临的新形势，从教学方法、教学内容等方面进行改革建设的探索，为进一步提升教学效果和人才培养质量提供支撑。

一、课程教学现状分析

作为力学学科的重要专业特色课程，可靠性工程课程融合了系统科学、统计学和故障物理（力学、材料学、机械学等），从不确定性的视角出发，让学生认识到工程结构破坏中的随机性，同时又为学生提供解决复杂工程可靠性问题的系统化分析方法。然而，在当前的教学实践中，可靠性工程课程仍存在以下几方面问题：

（一）与专业背景结合不紧密，课程教学内容需要优化

目前，西北工业大学工程力学专业采用的教材为刘岚岚等主编的《可靠性工程基础》[3]国家级规划教材，该教材内容完善、翔实。由于可靠性工程是由电子产品的可靠性发展而来，所以该教材不可避免地用很大篇幅对电子产品可靠性设计与分析展开阐述。但针对力学专业学生，课程内容的设置与专业背景结合不够紧密的问题较为突出，尤其对于故障树分析等章节的实例难以激发学生兴趣，并且对于工程力学专业关注的机械结构可靠性方面内容设置较为简单，导致与材料力学、理论力学等专业核心课程衔接不够，因此目前面向工程力学专业学生的可靠性工程教学内容需要进一步优化。

（二）重“教”轻“学”，教学手段单一

可靠性问题往往表现为安全事故，具有丰富的案例背景，在教学过程中需要结合具体工程案例进行讲解，尤其是对失效模式和影响分析、故障树分析等章节需要学生熟悉问题的工程背景，这就要求学生对所讲解的实际工程问题课前有充分的了解[4]。但目前针对力学专业的可靠性工程教学实践过程中，一方面课程案例电子资源还比较匮乏，另一方面所采用的教学手段单一，导致可靠性工程课程教学以教师为中心，讲授方式重“教”轻“学”，难以激发学生的主动性，影响教学效果。因此需要建立结合工程力学专业背景的可靠性工程案例电子资源，在此基础上采用翻转课堂等教学手段提升教学效果。

（三）结合可靠性专业知识的思政元素挖掘不深

可靠性问题经常引发重大安全事故并带来严重的社会危害。从可靠性工程发展历程看，可靠性与制造强国、质量强国、科技创新等重大战略息息相关，并且在培养创新精神、工匠精神等方面涌现出许多典型事迹，因此在可靠性工程中蕴含着丰富的思政元素[5]。例如，2006年在安徽广德发生的空警-200预警机坠毁事件中，为了测试其性能，40多位专家搭乘这架飞机进行飞行测试，但由于防冰系统故障导致机上人员全部罹难。此类案例能够激发学生的爱国情怀，培养学生的创新精神和奉献精神，提升学生对课程内容的认同感。因此，在可靠性工程的教学过程中，应深入挖掘教学内容背后的思政元素，探讨建立融合可靠性专业知识和思政元素的教学方法。

二、可靠性工程的混合教学模式改革探索

（一）面向力学专业背景的教学内容优化

可靠性工程目前的教学内容主要包括可靠性概论、系统可靠性模型、可靠性预计和分配、失效模式和影响分析、故障树分析、结构可靠性设计等章节，融入了可靠性基本概念、可靠性数学基础、系统可靠性、结构可靠性等方面的知识。而面向力学专业背景，各部分教学内容还需进行优化。

（1）可靠性基本概念方面，加强对于可靠性概念的引入，将经典案例贯穿于可靠性发展历史中，强调可靠性在航空、航天产品设计中的重要性以及可靠性工程多学科交叉融合的特征，激发学生对于可靠性工程兴趣和学习热情。

（2）可靠性数学基础方面，重点突出概率分布及其特征量等概率论基础知识，注重结合力学基本问题对概率分布函数、概率密度函数、可靠度等特征量的关系进行推导。补充统计相关的基础数学知识，为后续结构可靠性及可靠性评估等章节奠定基础。

（3）系统可靠性方面，目前存在的主要问题表现在失效模式和影响分析等章节的内容管理科学思想较强，往往需要结合工程一线设计人员对产品的认识和经验开展分析。因此在教学过程中通常依靠工程案例驱动学生对概念和分析步骤的理解，这就要求教学内容中的案例能够激发学生主动学习的兴趣。但是目前针对力学专业的学生，所使用教材中的案例与专业背景结合不够紧密，尽管教学实践过程中补充了部分针对专业背景的案例，但还难以贯穿系统可靠性分析各章节。因此在系统可靠性的教学内容方面，应注重以学生感兴趣的工程问题为导向，贯穿系统可靠性分析的教学内容，将具体概念和分析步骤融入工程问题中，引导学生对抽象概念和管理科学思想的理解。

（4）结构可靠性方面，目前的教学内容主要基于应力-强度干涉模型对机械结构的可靠性分析与设计进行讲解，能够达到一般专业对结构可靠性的教学要求。但是针对力学专业学生，结构可靠性是其学习和科研生活中较为关注的问题[6]，因此应该加强对结构可靠性内容的设置，补充可靠性分析方法、可靠性试验评估等基础内容，形成具有力学专业特色的可靠性教学内容。对于力学专业，通过增加结构可靠性方面的教学内容，一方面能够加强与材料力学、结构力学等专业核心课程的衔接，另一方面能够为学生提供更为坚实的可靠性理论基础。

（二）基于翻转课堂的教学方法

基于翻转课堂的教学方法是目前教学模式改革的热点，并且已经成功应用到许多课程教学实践中，取得了良好的教学效果[7-9]。本文将基于翻转课堂的教学方法，开展可靠性工程课程的教学设计与实践探索，重点面向与工程问题结合紧密的故障模式和影响分析、故障树分析等章节，以典型可靠性工程案例为牵引，形成学生课前自主学习、课上问题交流与专题研讨的教学方法。同时，建立以能力为本的综合性考核评价指标，形成可靠性工程课程的混合考核评价模式。下面将结合飞机襟翼系统，从教学资源设计、教学活动设计、考核评价模式等方面探讨可靠性工程课程的翻转课堂教学方法。

1. 教学资源设计

教师给学生课前看的文字材料或多媒体材料是否引起学生的兴趣，是否能得到好的学习效果，是翻转课堂教学方法的关键因素[7]。因此应当面向力学专业背景，建设可靠性工程典型案例的电子资源，融入可靠性关键知识的“问题链”，以学生为主体，以“问题链”为牵引，引导学生主动思考、凝练问题。

以飞机襟翼系统的可靠性问题为例设计教学电子资源，通过中国西北航空WH2119航班、西班牙航空5022号航班等襟翼故障引起的空难事件，说明可靠性差所导致的灾难性后果，突出可靠性工程的重要性，形成事故分析的“问题链”。以“问题链”为牵引，将对问题的分析与讨论融入教学资源中，引导学生循序渐进开展学习。如图1所示，通过事故原因分析，说明襟翼失效导致飞机升力不足，进而引导学生回顾升力对于飞行安全的作用;对于襟翼系统失效原因的分析，首先需要通过对襟翼系统的介绍，如图2所示，让学生对分析对象的构成和功能有所了解（FMECA学习的预备知识），进而说明各个系统故障对襟翼功能的影响[10]。面向力学专业背景，在覆盖襟翼系统故障的基础上，重点针对机械系统故障等开展系统可靠性分析的学习内容讲解，引导学生开展失效模式和影响分析、故障树分析等知识的学习。同时，针对机械系统中的零部件失效，挖掘失效物理背后的力学原理，进而为后续开展结构可靠性的学习奠定基础。可以看到，襟翼系统的可靠性教学案例，一方面可以结合专业背景充分地引导学生对学习内容的理解，另一方面也打通了各个章节之间的联系，尤其是构建了系统可靠性和结构可靠性之间的桥梁。

2. 教學活动设计

课堂教学是翻转课堂教学设计的重要环节，学生通过课前对教学资源的学习，可以带着自己的理解和问题在课堂上进行交流研讨，实现知识的内化。因此，在课堂教学活动的设计中，应当注重引导学生表达观点、研讨问题，同时完成对课程知识点的梳理与重构，实现教学内容的翻转。具体的教学活动设计如下：

（1）专题研讨与问题交流

结合课前教学资源中的“问题链”，以小组讨论、专题汇报等形式引导学生主动表达对问题的认识与思考，阐述对课程内容的理解。教师针对学生提出的问题进行归纳，通过分组讨论的形式在学生中形成对问题“再认识”，同时进一步对问题进行解答和提炼，引导学生对问题进行“再理解”。

（2）教学内容梳理与重构

结合学生对教学内容的理解情况，教师需要对知识点进行梳理和重构，加强对学习薄弱环节的解答，防止主动学习不牢靠、不全面。通过对教学内容的系统化重构，可以形成与学生自主学习的交叉互补，在以学生为主体的同时进一步激发学生对课程内容的理解。

（3）核心知识强化与运用

结合案例资源，对核心知识进行强化，加深学生对关键问题的理解。通过拓展应用背景，激发学生对知识的迁移和运用，如对飞机的液压系统、起落架系统等开展可靠性分析。

3. 考核评价模式

对于翻转课堂的教学内容，以学生能力素质的考核为重点，构建针对案例研讨、专题报告和集中考试的混合考核评价模式。结合课程内容体系，明确每个单项的考核要点和比重，突出全程化、多元化的考核特点。例如，针对失效模式和影响分析章节的考核，可以针对飞机的不同系统，通过学生自主选题开展专题报告的形式进行考核，注重对问题的系统思维、知识点覆盖、关键问题思考等方面的考察，强化学生能力培养的鲜明导向。

（三）融合可靠性专业知识的思政教学方法

围绕教育教学改革和课程思政建设，剖析可靠性工程课程中蕴含的丰富思政教育元素，分析思政教育与专业知识有机结合的可行途径，探讨建立融合可靠性专业知识和思政元素的教学方法，实现知识传授与价值引领有机融合[5]。通过可靠性学科发展过程的科学事迹案例，深入剖析典型案例背后思政元素，突出可靠性与制造强国、质量强国等国家重大规划的关系，引导学生感悟典型案例背后的蕴含的家国情怀、责任担当等精神，提升学生对可靠性工程课程的认同感和学习热情。

对于可靠性思政教学内容的挖掘，一方面，结合我国载人航天工程、大飞机、航空发动机等重大专项，对可靠性发展历程中涌现出的知名专家学者的事迹进行分析，突出他们为科学发展、提升国家竞争力做出的贡献。例如，作为我国系统工程理论与应用研究的创导人，钱学森先生特别重视可靠性技术，多次提出“变动统计学”及“小样本变动统计学”理论，为航天军工系统建立了一套科学的可靠性设计方法。另一方面，从广泛关注的重大事故（如上文所述空警-200空难事件）中总结经验教训，激发学生感悟科学发展背后的牺牲和奉献精神，引导学生了解可靠性工程的重要性。例如，2017年，承载万千国人期待的中国重型火箭长征5号遥二运载火箭发射失利。国防科工局发布信息显示称，根据分析仿真计算及地面试验结果，故障原因为芯一级液氢液氧发动机一分机涡轮排气装置在复杂热力环境下，局部结构发生异常，发动机推力瞬时大幅下降，致使发射任务失利。这个案例对于力学专业学生尤其具有启发意义，不仅激发了学生对于专业知识的学习热情，同时突出了结构可靠性对于重大型号的重要作用。在课堂教学中，应当将结合可靠性专业知识的思政元素贯穿于课程教学内容中，通过主动引导、交流互动等方式，潜移默化地提升学生的爱国情怀与科学素养。

三、结束语

可靠性工程作为力学学科的重要专业课程，服务于国家重大工程和型号。本文通过对可靠性工程的教学模式改革，加强了课程教学内容与力学专业背景的紧密结合，形成了以学生为本的翻转课堂教学方法，并且将可靠性工程丰富的思政元素融入于课堂教学中，能够进一步激发学生的学习热情，提升教学质量。后续将根据教学效果，进一步完善本课程的案例建设，改进教学方法，更好地践行立德树人的教学宗旨。

参考文献：

[1]“制造质量强国战略研究”课题组.制造质量强国战略[J].中国工程科学，2015，17（7）：24-28.

[2]康锐，张叔农.可靠性工程基础[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3]刘岚岚，刘品.可靠性工程基础[M].北京：中国质检出版社，2014.

[4]尹丽萍，方鹏亚，刘攀.新工科背景下系统可靠性课程设计教学改革研究[J].科教文汇（中旬刊），2020（12）：87-88.

[5]苏春，陈斌.课程思政的素材挖掘、内容组织与教学实践——以《系统可靠性分析与设计》课程为例[J].东南大学学报（哲学社会科学版），2019，21（S2）：145-148.

[6]解杜鹃，陈玲莉，吴莹，等.工程结构可靠性概论教学研究与探索[J].大学教育，2020（11）：60-62.

[7]张金磊，王颖，张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志，2013（4）：46-51.

[8]任博，崔利杰，孙静娟，等.翻转课堂教学模式实践与思考[J].高等教育研究学报，2017，40（4）：56-60.

[9]劉艳斐.“翻转课堂”教学应用研究——以《报编实务》课程教学为例[D].西安：陕西师范大学，2014.

[10]孙海龙，郭书祥，贾永安.某型飞机襟翼系统可靠性分析[J].空军工程大学学报，2006，7（4）：8-10.

基金项目：西北工业大学教育教学改革研究项目“工程力学实践教学改革研究与探索”（2021JGY19）;西北工业大学本科专业建设项目“可靠性工程基础”（无编号）