产教融合背景下“疲劳与断裂”教学改革探索

杨晓光 李少林 齐红宇 石多奇

［摘 要］ 通过对接航空发动机强度设计的行业需求，虚实结合、产教融合，提出了北京航空航天大学研究生课程“疲劳与断裂”的教学改革思路和方法。该措施进一步加深了学生对“疲劳与断裂”课程理论知识的理解，培养了学生理论与实践相结合的能力，特别是解决工程实际问题的能力，从而为实现“双一流”专业建设目标提供助力。同时，提出的产教融合培养模式与实践范式具有较强的扩展性，因此可以推广至“断裂力学”“蠕变力学”等课程的教学中。

［关键词］ 航空宇航推进理论与工程专业；疲劳与断裂；产教融合；实践能力

［基金项目］ 2021年度北京航空航天大学研究生教育与发展研究专项基金“基于产教融合的‘疲劳与断裂课程教学改革研究”（JG20210408）

［作者简介］ 杨晓光（1962—），男，上海人，博士，北京航空航天大学能源与动力工程学院教授，主要从事航空发动机结构强度研究；李少林（1983—），男，湖南衡阳人，博士，北京航空航天大学能源与动力工程学院副教授，主要从事航空发动机结构强度研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A［文章編号］ 1674-9324（2023）14-0069-04［收稿日期］ 2022-04-25

引言

现代机械结构（如飞机、船舶、汽车、动力机械等）在服役过程中均承受着循环交变载荷的作用，疲劳断裂是其主要的失效模式。因此，许多工程专业（如力学、机械、航空、土木、材料等）均开设了疲劳强度学的相关课程。我校的航空宇航推进理论与工程专业是一个培养航空燃气涡轮发动机设计、研究、生产、运行维护等方面工作的创新型高级工程技术人才的专业。众所周知，疲劳是航空发动机结构的主要故障和失效模式之一。因此，我校为航空宇航推进理论与工程专业的研究生开设了一门有关疲劳强度学的专业课，即“疲劳与断裂”。

随着航空航天科学科技的快速发展，工业部门对高等院校航空宇航推进理论与工程专业研究生毕业生的综合素质、实践和创新能力等提出了更高的要求。迄今，以寿命在役管理、损伤容限设计技术等为代表的疲劳强度学理论，使得“疲劳与断裂”课程的基础理论内容、课程实践手段等要求发生了巨大变化。工程实践中的一些新的失效模式、新的现象、新的研究手段等，丰富了疲劳强度学的内容，比如对数据驱动的疲劳强度学研究已成为一种不可避免的趋势。在这种科技变革的新情况下，当前“疲劳与断裂”课程所采用的教学和培养模式，已无法完全满足工业部门对学生能力的需要。

2017年12月5日，国务院办公厅印发了《关于深化产教融合的若干意见》，要求推动学科专业建设与产业转型升级相适应，推进产教融合人才培养改革，促进产教供需双向对接［1］。2019年3月国家发展改革委、教育部印发了《建设产教融合型企业实施办法（试行）》，对高校开展产教融合进行了部署，为学校人才培养指明了方向［2］。国内在借鉴国外培养模式的基础上也提出了双元制、工学交替等模式［3］。但是，在产教融合方面的探讨和研究都是针对学科或学校等，尚未出现针对某一门具体课程提出教学改革措施。而我国航空发动机工业正处于高速发展时期，对于掌握“疲劳与断裂”新知识的人才的需求是巨大的。因此，进行“疲劳与断裂”课程的改革具有一定的紧迫性。

本文拟从产教融合角度出发，结合时代的发展势态，分析当前行业对航空宇航推进理论与工程专业的人才需求，寻求一种产教融合的疲劳强度课程教学体系，建立一种新的应用型人才培养模式，最终提出我校研究生课程“疲劳与断裂”的教学改革思路和方法。

一、当前主要问题分析

国内不少工科院校都开设了疲劳强度学的相关课程。这些课程对学生的工程实践和进一步学习深造具有重要作用。然而，随着社会经济和科学技术的快速发展，逐渐出现教学模式与产业需求不匹配的问题，因此，笔者对疲劳强度学相关课程中存在的问题进行了研究和探讨。

首先，教材是学生学习一门课程的最主要的参考资料。南京航空航天大学的胡绪腾［4］针对飞行器动力工程专业的“结构疲劳与断裂力学基础”课程的教材选择进行了简要的阐述和介绍。经过对比和筛选，南京航空航天大学能源与动力学院暂时选择了北京航空航天大学熊峻江教授主编的《飞行器结构疲劳与寿命设计》。该书针对的是飞机结构的疲劳与断裂问题，相较于其他专业的疲劳与断裂力学教材，这本书更加适合航空发动机相关专业的教学。

在教学改革中，学者根据专业实际和行业需求不断地丰富教学内容。同济大学航空航天与力学学院的方明霞等［5］针对材料力学中的疲劳问题，提出利用在线平台整合资源和拓展知识的教学模式。哈尔滨工程大学的冯国庆等［6］通过对船舶与海洋工程结构力学方向学生所应掌握的疲劳分析理论和方法的探讨，初步构建了船舶与海洋工程结构疲劳强度的课程知识体系。王铁庆等［7］通过对“机械设计”课程中关于疲劳强度理论部分的内容及其教学过程的探索和体会，提出了一种以便于学生快速理解概念为抓手的教学思路。

教学手段也是诸多学者一直探索和实践的主要方向。西北工业大学的薛红前等［8］针对研究生国际化教育以及国际交流能力提升的问题，结合全英文课程“结构材料疲劳与断裂”的特点，从教学内容设计、教学方法以及教学课件、讲义等方面开展了教学改革探索，提出了对该课程全英文教学的改革思路。中国民航大学的卢翔等［9］进行了“飞机结构疲劳强度与维修”网络教学平台的开发应用，满足了本科生自主学习、个性化学习和协作学习的愿望。华东理工大学的安琦等［10］根据教学实践，从疲劳设计部分内容的教学逻辑构建、材料的疲劳特性曲线教学方法、零件的疲劳曲线及安全系数计算的教学方法三个方面，系统分析了疲劳设计这部分内容的教学思路、教学衔接过程和注意事项，并详细阐述了上述内容在教学过程中的注意事项。

以上研究分别从教材、教学内容和教学手段等方面对疲劳与断裂相关课程进行了探讨，而且提出了具体的改革措施，研究成果有益于探索更好的教学模式改革方式。然而，综观近年的教学效果，还存在一些问题，主要体现在以下三个方面。

（一）教学内容与行业实际脱节

随着科学技术的飞速发展，新技术、新手段、新设备等不断涌现，而当前的疲劳强度学教材未能跟上新技术的步伐。例如，时下工程实际中使用广泛的原位测试技术、基于数据的疲劳分析方法等知识在教材中未能及时体现或体现较少，这势必不利于学生掌握新知识，也无法顺应当前科学技术的发展。

（二）教学方法单调

高校教学多采用被动的灌输式教学，缺少学生主动学习和师生互动。另外，不少学生并未真正对所学内容产生兴趣，导致学生上课感觉就像在看电影，既不利于学生积极思考和主动记录，也不利于培养学生理论与实践相结合的能力。因此，有必要探索多维互动的教学方法，比如问题探究法、案例分析法和专题研究教学等。

（三）考核评价方法落伍

在考核评价的方式和标准上，疲劳强度学等相关课程评价的主要方式和标准还是平时表现与考试分数，且绝大多数重视的是终结性评价，缺乏对教学过程的形成性评价。另外，评价考核内容基本上是课堂上的教学内容，缺少对于学生运用理论知识解决工程实际问题的综合能力的评价。因此，有必要探索创新的多元化考核评价方法。

二、教学改革思路

本文拟根据“疲劳与断裂”课程教学中的实际情况，探索出一系列切实可行的产教融合的教学模式。通过调研，在以下几个方面做出一些探索。

（一）科学分析行业需求，进一步加强教学内容与教学方法的改革

调研和分析几个典型院校的传统力学课程产教融合教学现状，提出针对性的建议；调研航空发动机研究所和工程的结构强度设计技术的发展需求，对现有方向进行改造；开设热机械疲劳、新型腐蚀疲劳、信息疲劳、智造疲劳等新的教学模块；主动布局数据科学与大数据技术、智能硬件等新工科研究方向，形成“疲劳与断裂”课程的新结构。

（二）积极探索和构建体现产教融合的教学模式

积极开展校企合作，建立覆盖思想政治理论课与专业课、课堂与行业的交叉课程体系和创新课程体系；积极采用案例教学法、演讲教学法等，推进“总师进课堂”，让行业一线专家通过授课、讲座等形式参与到教学活动中。

（三）以应用和实操为抓手，建立多元化的考核方式

在传统的考核方式的基础上，探索创新的多元化考核类型。以“疲劳与断裂”课程为例，学生的课程成绩是由平时成绩加上期中考核和期末考核成绩构成的，而期中考核和期末考核均是以试卷考试的方式进行，总体来说考核方法依然相对传统和单一。在当前考核方式的基础上，将设计典型航空发动机或维护方案作为考核依据，而且制定详细、合理的评分标准，使考核更加具体、科学和公平。

三、教学改革具体设计

在深度分析行业真正需求的基础上，借鉴信息化和项目教学的设计方法，建立基于产教融合的“疲劳与断裂”课程的教学模式，实现“产”和“教”一体化的教学设计。该教学模式由项目导入、实施计划和考核评价三个环节组成，其中产教融合贯穿了该教学模式的全过程。该教学模式的具体实施方案如下。

（一）在项目导入环节中，科学分析行业需求，进一步加强教学内容与教学方法的改革

第一，调研国内院校的疲劳、断裂等传统力学课程，对其产教融合教学模式现状进行分析，提出针对性的建议，为教学改革的具体实施提供依据。第二，课程团队要主动与航空发动机研究所、生产企业、维修单位和用户单位等厂所合作，建立互信协作关系。第三，积极调研厂所现役和在研型号航空发动机结构强度的需求，开设面向长时服役发动机型号设计的“热机械疲劳”、面向海洋服役发动机型号设计的“新型腐蚀疲劳”、面向发动机制造需求的“制造中的疲劳问题”等三个新的教学内容。第四，瞄准数据科学与大数据技术、智能硬件等新工科在航空发动机中的应用前景，探索在上述新工科中的疲劳强度学问题，形成与之适应的“疲劳与断裂”课程新结构，着力培养具有创新能力、适应社会发展需要的人才。

（二）在实施计划环节中，积极探索，构建体现产教融合的教学模式

第一，收集航空发动机领域的先进人物和典型案例为素材，培养学生空天报国、不忘初心的高尚情操。第二，让学生学会分析航空工业中的关键案例，提升关键知识点的故事性和趣味性。比如，在讲授应力集中与抗疲劳设计的重要性时，可以考虑讲述某外销型WP6发动机的失效案例，让学生分析原因和提出改进措施。在分析案例的过程中，需要学生充分运用所学到的理论知识对实际案例进行分析，从而对课程理论基础知识有更为深刻的理解和认识。第三，邀请行业疲劳强度学方面的总师为学生授课，让学生加深对行业需求现状的了解，掌握第一线是如何运用疲劳强度学知识的。

（三）在考核评价环节，以应用和实操为抓手，创新多元化考核方式

第一，与航空发动机研究所和工厂合作，将航空发动机设计、运行和维修中的疲劳强度学问题进行合理的设计，转换为航空发动机零部件的疲劳强度学设计方案、基于疲劳強度学的运行管理和修护方案设计等实践问题。第二，不再将考试或出勤作为评价学生的唯一标准，增加上述实践问题，注重实操能力的考核。第三，课程团队协商制订详细的评价方案，确定合理的和详细的评分标准，明确不同考核方式在最终成绩中的占比，使考核更加合理、公平和透明。

四、实践效果及建议

将本文设计的教学改革模式在笔者所在学校的航空宇航推进理论与工程研究生中进行了初步实施，取得了良好的效果：（1）“疲劳与断裂”课程的新结构更加符合工程实际的需要，同时新知识的加入使得学生的学习和选课兴趣得到了显著提高，近两年航空宇航推进理论与工程专业研究生的选课人数提升了20%。（2）思想政治教育和总师进课堂提升了研究生投身国防军工实业的社会责任感和使命感，许多学生表示愿意从事本专业工作或在本专业继续深造。（3）创新多元化的考核方式，在提高了研究生实践能力和创新能力的同时，也培养了其严谨的科学态度。

結语

针对产教融合背景下的行业对航空宇航推进理论与工程专业的人才需求，我校对“疲劳与断裂”课程教学进行了改革探索，融入新科技，强化产教融合，加强工程应用和创新创业能力的培养，全面优化“疲劳与断裂”课程的教学模式。建立了覆盖思想政治理论课与专业课、课堂与行业交叉的“疲劳与断裂”课程知识体系，形成多元化的考核评价方法，有力地提升了学生的综合实践能力和创新能力。本文提出的产教融合培养模式与实践范式具有较强的扩展性，因此可以推广至“断裂力学”“蠕变力学”等其他课程的教学中。

参考文献

［1］国务院办公厅.关于深化产教融合的若干意见：国办发〔2017〕95号［A/OL］.（2017-12-19）［2022-02-27］.http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-12/19/content_5248564.htm.

［2］国家发改委、教育部印发《建设产教融合型企业实施办法（试行）》［A/OL］.（2019-04-03）［2021-02-27］.http：//www.gov.cn/xinwen/2019-04/03/content_5379379.htm.

［3］邢娜.国内外产教融合人才培养模式的经验与启示［J］.人才资源开发，2019（3）：39-40.

［4］胡绪腾.飞行器动力工程专业《结构疲劳与断裂力学基础》课程教学探讨［J］.科技信息，2012（8）：116.

［5］方明霞，陈洁.基于在线课程的材料力学疲劳问题教学内容拓展［J］.力学与实践，2020，42（5）：627-632.

［6］冯国庆，任慧龙，李辉.《船舶与海洋工程结构疲劳强度》研究生课程知识体系构建研究［J］.教育教学论坛，2015（30）：7-9.

［7］王铁庆，胡国田，寇小希，等.机械设计课程中关于疲劳强度理论教学的探讨［J］.机械设计，2019，36（S2）：52-54.

［8］薛红前，张贤杰.结构材料疲劳与断裂全英文课程教学改革与实践［J］.教育现代化，2019，6（A3）：56-57.

［9］卢翔，冯振宇，徐建新，等.飞机结构疲劳强度与维修课程教学改革与实践［J］.中国民航大学学报，2007（S1）：63-65.

［10］安琦，王建文.机械设计课程中“疲劳设计”部分的教学方法探讨［J］.化工高等教育，2015，32（1）：81-85.

Abstract： In order to meet the industry demand for aero-engine strength design， combining virtuality and reality， and integrating “industry” and “education”， teaching reform ideas and methods for Fatigue and Fracture are proposed. It will improve students theoretical study， cultivate students ability to combine theory and practice， develop their ability to solve engineering problems， and effectively support the goal of double first-class professional construction. At the same time， the training mode and practice paradigm proposed in this paper can be extended to the teaching of other traditional courses such as fracture mechanics and creep mechanics， for it has strong expansibility.

Key words： aerospace propulsion theory and engineering; fatigue and fracture; integration of industry and education; practical ability