新工科研究生教学探索与实践——以“保障性分析技术”课程为例

郭霖瀚，比 译，康 锐，马小兵，梁帮龙

（北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191）

引言

2015年，国务院印发《中国制造2025》，将“质量为先”列为建设制造强国战略的重要指导思想之一，提出质量是建设制造强国的生命线，要加强可靠性设计、实验与验证技术开发应用，使航空航天装备等重点领域产品的性能稳定性、质量可靠性、环境适应性、使用寿命等指标达到国际同类产品先进水平［1］。同年，飞行器质量与可靠性专业被列为新工科专业。

2018年9月17日，教育部、工业和信息化部及中国工程院联合发布了《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》，对工程人才培养提出新的要求，要求大学的理工科应加强探索工程教育的新理念、新模式和新方法，能够在未来培养出适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程师，以适应和推动新技术、新产业、新经济发展［2］。而工科研究生是高层次工程人才，是未来新技术产业发展的中坚力量，如何使研究生具备成长为卓越工程师的创新能力和创新素质，是新工科建设亟须破解的重要问题之一［3-6］。这就需要在新工科研究生课程教学中，着力调整教学方式方法，更加注重学生的创新能力和创新素质培养，使研究生在毕业走向工作岗位后能够并跑和领跑新产品研发。

飞行器质量与可靠性专业一直是北京航空航天大学可靠性与系统工程学院重点建设专业，学院在新工科建设契机下，站在新的历史起点，从本科专业核心通识课到研究生专业理论核心课，开展了一系列教学改革工作。2018年，“保障性分析技术”课程作为学院研究生专业理论核心课得到了校研究生院精品课建设支持。在飞行器质量与可靠性工科专业建设背景下，该精品课坚持新工科建设指导思想，结合专业理论与知识，借助课程教学平台，对研究生创新能力培养方式做出了一些有益的探索和尝试。

本文分析了在新工科专业建设的必然要求下，“保障性分析技术”课程的新工科内涵和特点，紧贴装备研制过程的实际创新型工程人才需要，结合课程特色研究了新工科研究生创新能力培养方式，介绍了课程建设过程中的实践方法，并阐述了关于研究生创新能力培养的思考。

一、“保障性分析技术”课程新工科内涵分析

（一）“保障性分析技术”课程新工科发展特点

保障性是装备的设计特性和计划的保障资源能够满足装备执行任务要求的能力，装备在设计过程中，通过执行保障性分析，才能将保证装备必须具备的满足任务执行要求的能力转化为装备的设计要求和设计指标，并把这些设计要求和设计指标细化分解落实到装备各个层次的功能产品和维护保障资源的设计上。装备保障性工程主要围绕对装备故障的处置及准备工作保持或恢复装备设计所赋予的性能。在装备设计过程中，只有有效开展保障性分析工作，才能保证装备“召之即来、来之能战”。掌握保障性分析技术的人才是在装备研制过程中有效开展保障性工作的首要前提，对具备保障性分析知识的专业人才的培养就成为国家装备建设战略中必不可少的重要环节。

随着装备建设的发展由原来的跟跑到现在的并跑，甚至实现在一些领域的领跑，装备保障模式也由粗放式保障转向精准化保障，由信息化保障转向智能化保障，由事后保障转向事前保障。装备保障模式转变的需求也催生了装备保障性分析技术由原来的定性分析技术为主向定量分析转变，基于数据的分析技术向基于模型的分析技术转变，面向过程的分析技术向面向预测和优化的分析技术转变。新技术需求的涌现使“保障性分析技术”课程知识体系融入了新工科的新知识体系特色。

由于前人未曾涉足的新装备设计任务越来越多，缺乏可借鉴的成熟的技术方法，加之故障的随机性，导致装备保障性分析中存在大量的不确定性因素，保障性工程师面临大量的创新性问题，无法遵循固化流程的设计方法有效解决这些新问题。这些新问题的解决对保障性工程师的创新能力提出了极高的要求。在装备设计过程中，新问题的解决需求促使“保障性分析技术”课程培养模式融入了新工科的创新人才培养新模式。

（二）“保障性分析技术”课程新工科建设需求

“保障性分析技术”课程一直是北京航空航天大学可靠性与系统工程学院系统工程专业学术型研究生核心专业课，为装备研制一线输送了近15届装备保障性工程专业方向硕士和博士研究生，为国家装备建设做出了巨大贡献。装备研制需求是“保障性分析技术”课程新工科建设的直接动力，由前述装备保障性工程的新需求特点看，目前装备保障性方向人才培养主要存在三个问题：一是原有课程知识体系不能满足课程新工科知识体系要求，二是原有培养模式不能与课程新工科培养模式相契合，三是原有课程缺乏解决复杂工程问题的创新性实践训练。恰逢新工科建设契机，对这三个问题的思考和解决成了课程新工科建设发展的需求。

1.新工科知识体系需要。“保障性分析技术”课程原有的知识体系更多是围绕定性分析方法，用于确定装备维修保障需求的修复性和预防性维修工作项目的方法，主要从装备的故障模式分析入手，围绕导致装备发生故障的定性因素，通过补偿或消除装备故障或潜在故障影响的逻辑主线确定适合和有效的维修工作，进而通过确定满足这些维修工作执行条件的保障资源需求形成装备保障方案。这种以定性分析为主的知识体系不能满足装备精准保障的设计需求，无法准确预防装备故障的发生，也不能满足装备保障智能化的发展需要，故需要建设“保障性分析技术”新工科知识体系以满足日新月异的装备设计中的新技术需求。

2.新工科培养模式需要。“保障性分析技术”课程原有培养模式更多以课堂知识讲授为主，讲授内容主要围绕国军标认证相应的流程和方法。但这些流程方法相对固化，培养方式相对单一，培养出的研究生在面对工作中的既有问题时具有较强的工作能力，而面对工作中的创新性问题时往往缺乏有效的解决手段，不能拿出有针对性的解决方案，因此，原有培养模式无法满足装备建设发展中技术领跑的发展趋势，需要建设“保障性分析技术”课程新工科培养模式，培养领跑装备设计开发的创新型技术领军人才。

3.新工科创新性实践需要。“保障性分析技术”课程原有教学大纲中缺乏注重学生动手能力培养的实践训练环节。工程中为降低新技术风险，新方法和新技术必须加以验证才能在装备设计和制造过程中实施。为满足装备研制过程中的新技术验证需要，新工科要求下的“保障性分析技术”课程实践不仅需要增加课程的实践教学环节，而且要增加创新性实践环节，从而提升学生在解决复杂工程问题时新方法与新技术的应用能力。

二、“保障性分析技术”课程新工科建设初探

（一）“保障性分析技术”课程新工科知识体系构建

“保障性分析技术”课程新工科知识体系的形成路径主要来自该学科领域科研项目的成果积累，从近十五年积累的课题研究成果中，不断汲取新知识沉淀到课程教学中。这些科研项目主要分为四类：第一类是基础研究项目，主要是基金类项目，这类项目成果通常是针对抽象复杂可修系统的新理论和新方法；第二类是应用基础类科研项目，这类项目成果通常是针对某类装备的新方法和新技术；第三类是应用类科研项目，这类项目通常对象类型有明确限定和范围，新技术和新方法通常相对成熟；第四类是工程型号类项目，这类项目研究对象具体，新方法或新技术有物化的软硬件工具或国军标支撑。从这四类项目积累的模型库中，形成保障要求量化、预防性及预计性维修决策、保障资源预测及关键保障资源与优化、修理级别优化、保障性仿真评估等新知识体系。

同时，要引导学生收集社会上发生的与装备保障有关的热点问题，如共享单车、波音737 Max800型飞机空难事故等，或者是学生熟悉的家用或办公设备，融入分析这些经典案例与新热点案例，形成课程的新工科知识体系，如图1所示。

图1 课程知识体系

（二）“保障性分析技术”课程新工科教学模式探索

针对学生在保障性分析设计中缺乏对创新性问题系统有效解决能力问题，引导学生根据已经掌握的基础知识自主筛选研究对象，教师根据对象的特点牵引启发其中有价值的需求问题，再要求学生结合学习到的新建模知识与教师团队共同探讨问题解决方案，并在课程搭建实验平台对结论进行实验验证，形成研究对象自主筛选、需求问题牵引启发、建模知识课堂讲习、解决方案共同探讨、理论验证仿真分析的五位一体的研究型教学模式，着重培养学生解决创新性问题的能力。

在多轮教学实践中，一方面，将这五点串成一条通识创新能力培养的主线，促使学生在自主选题或导向性选题的解决过程中能够熟练运用创新思维方式和创新问题解决方法；另一方面，结合课程新知识体系，分别在这五点上结合经典问题推行创新性问题解决范式，让学生在教学培养环节形成持续学习新技术的能力和习惯，形成保障性分析技术新工科专业创新能力，如图2所示。

图2 课程培养模式

（三）“保障性分析技术”课程新工科教学实践平台

针对课程缺乏实践环节的问题，搭建了自主研发的保障性仿真实验教学平台，包括保障性仿真实验工具、保障性评估工具及仿真数据库。以保障性仿真基础实验为抓手，引入针对新问题的提高性实验，针对在保障性方向开题的研究生设立自主实验以提升其创新实践能力，同时每轮次课程完成后扩充新实验，促使学生在经典问题实验验证的基础上，可以融合自主或导向性收集的新问题，在教师的启发下，自主开展新仿真实验研究，不断提升开放式教学实验平台的教学质量，有效发挥课程的新工科教学平台的创新实践作用。

仿真实验教学平台是省部级科研项目的技术成果之一，于2015年11月完成了成果鉴定，达到国内领先水平。该成果应用于课程实践教学环节中，极大地提升了学生对复杂可修系统通用特性定量关系的认知水平，增强了学生解决复杂可修系统保障性工程问题的实践能力。

结语

新工科建设给工科研究生教育注入了新的发展动力，本文以北京航空航天大学“保障性分析技术”课程为例，立足于系统工程学科的发展背景，结合国家《中国制造2025》规划对装备质量建设提出的新要求，分析了课程在新工科契机下的新工科特征和建设需求，介绍了课程新工科建设的一些初步尝试，包括构建来自不同层次科研项目成果的新工科知识体系、探索具有鲜明新工科特色的五位一体研究型教学模式，以及搭建新工科教学创新实践仿真实验平台，并通过多轮次教学实践验证了课程新工科建设成果对研究生创新能力培养的基础性和支撑性作用。