機械可靠性工程課程教學模式的設計與創新

摘要：文章提出了機械可靠性工程應當在結合學校特色背景的條件下，講解可靠性的主要知識點，設計理論與實踐結合的課程教學模式，從而激發學生的學習興趣，建立教學與科研相結合的創新模式來發散研究生的科研思維，優化考核模式來培養學生研究解決實踐問題的科研能力，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：機械可靠性工程；教學模式；設計與創新；電力特色；科研思維

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2014）11-0042-02

作者簡介：張建平，男，博士后，教授，研究方向為風力發電、壽命預測與可靠性分析、電磁除塵及儲能技術；徐達成：男，碩士研究生，研究方向為電磁除塵；王琛：女，碩士研究生，研究方向為壽命預測與可靠性分析；方芳，女，碩士研究生，研究方向為材料性能仿真；吳懋亮，男，博士，副教授，研究方向為快速成型加工技術及應用、質子交換膜燃料電池的結構和優化設計。

基金項目：本文系上海市優秀學科帶頭人計劃“節能LED照明燈失效機理及加速壽命測試系統的研究與應用”（B類）項目（編號：13XD1425200）、上海市科學技術委員會項目“大容量儲能鈉硫電池關鍵部件機械性能及其工藝參數優化的研究”（編號：11160500600、11dz2281700、09DJ1400204）、上海市教育委員會科研創新項目“磁場和擴散荷電對ESP中PM2.5捕集效率影響的機理研究”（編號：14ZZ154、13ZZ130）、上海市科委部分地方院校能力建設項目（編號：13160501000）、上海電力學院能機學院“十二五”內涵建設（編號：“085”工程）的科研成果。

可靠性是指產品或系統在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力，它是公認的現代工業產品四大質量指標（性能、可靠性、經濟性、安全性）之一。可靠性工程利用概率數學理論分析各種不確定的實際因素對產品質量及性能的影響，用概率來定量表述產品可以完成預定功能的可能性。[1]隨著現代科學技術的快速發展，現代機電裝備的性能、精度和復雜程度的要求越來越高，工作條件和維修條件也更加嚴酷，對其可靠程度提出了越來越高的要求。因此，開展可靠性工程的科目學習對于機械學科的研究生來說刻不容緩。

上海電力學院（以下簡稱“我校”）將機械可靠性工程作為動力機械及工程專業研究生的學習課程，不僅需要研究生掌握必要的可靠性知識，還需要提高科研應用能力。但是，這門課程的傳統教學模式以“滿堂灌”的理論講述為主，不但難以激發學習興趣，而且難以將課本知識真正應用到科研實踐中去。深化高等學校教育體制改革在十八大報告中被再次重申，作為高等教育重頭戲的研究生教育更亟待變革，以提高高等教育整體教學質量。[2]因此，本文就如何提高可靠性工程的教學質量而進行了教學模式上的設計與創新，提出了如何在我校電力特色背景的條件下發揮學科專業特長，并將課本理論知識與生產實踐、科研項目相結合，調動學生學習的主動性，培養研究生解決電力生產實際問題的創新能力，同時通過優化的考核方式來合理地反映學生對書本知識點的掌握及其應用的科研能力。

一、設計具有電力特色的課程教學模式，深化了學生的專業知識

機電一體化技術發展的狀況標志著一個國家機械電子科學技術的發展水平，因此，發展機電一體化技術是發展我國機械電子科學技術的必經之路，也是振興我國機械電子工業的主攻方向。機電一體化覆蓋了機械優化設計、傳感器檢測技術、機械可靠性工程等相關課程，而機械可靠性工程這門課程對于動力機械及工程碩士點的研究生培養而言是十分重要的。目前，機械可靠性工程涵蓋了可靠性理論基礎、機械系統可靠性設計、可靠性試驗等教學內容，很少涉及電力與節能可靠性方面的內容，如光伏發電、風力發電、節能LED等。我校作為一所具有電力特色的高等院校，如何將機械可靠性工程與學校電力特色結合在一起，成為這門研究生課程設計教學模式的關鍵。

我校經過多次調研，選用了《機械可靠性工程》作為上課教材，[3]主要包括典型機械零件可靠性設計、電子產品可靠性設計與分析、系統可靠性模型與可靠性分配，以及可靠性試驗等方面的知識點。在實際教學過程中，將課本知識與電力行業的實際應用相結合，在主要介紹典型機械零件的可靠性分析的基礎上，講解了將可靠性工程的重要知識點如何應用到電力設備與節能產品的可靠性分析上，如汽輪機的疲勞壽命預測、風力機葉片的優化設計與安全運行、節能LED產品的加速壽命預測等。此外，對系統可靠性模型與可靠性分配、故障模式影響分析的內容進行簡單介紹。這種教學模式不僅結合我校的電力特色，而且深化了研究生電力方面的專業知識，為將來的就業打下了良好的基礎。

二、設計理論與實踐結合的課程教學模式，激發了學生的學習興趣

縱觀現在的大學課堂，大多數學生為了考試而學習，應試教育的思想已經深深地印在了莘莘學子的腦海中。很多工科研究生由于課程內容理論性強、缺乏實踐環節，而失去了課程學習的主動性和興趣。如何改善教學模式、調動學生對課程的學習興趣，是當今教學改革的重點。對于機械可靠性工程課程，涉及的理論公式較多、推理較復雜，使得學生學習遇到一定程度的困難。而將這門課程的知識點與具有電力背景的實踐相結合，不但將知識點更生動地展現在學生面前，而且促進了學生對知識點的理解和應用。

理論與實踐相結合是將課本知識應用到生產實踐中去，以生產實例活靈活現地呈現在學生面前，使得學生更透徹地掌握和理解書本中的理論知識。對于機械可靠性工程這門課程，許多的參數分布和可靠性設計模型等知識點，由于其本身僅限于文字和公式的表述，很難讓學生理解為什么需要學習這些知識、電力生產實踐中其具體的應用是什么。在實際教學過程中，本課程目前將可靠性設計與風力機葉片相結合，將概率分布函數與儲能材料性能相結合，將可靠性試驗與真空熒光顯示器（VFD）、有機發光顯示器（OLED）、節能LED燈具加速壽命試驗相結合，使學生更能理解這些知識點及其如何應用的同時，節約了教學資源，取得了很好的教學效果。

以這門課程中的可靠性中常用的概率分布、可靠度計算、壽命試驗等與節能LED燈具的加速壽命試驗相結合為例，來說明理論與實踐結合的積極作用。學校和企業的合作具有明顯的優勢和互補性，我校在可靠性理論和壽命試驗方面具有較深的基礎，而企業具有實踐應用能力，校企雙方共同搭建了節能LED燈具加速壽命試驗測試系統，見圖1。理論與實踐的結合不僅促進了學校產學研合作教育發展，而且推動了機械學科建設。我校教師及研究生積極參與合作企業的技術瓶頸的攻關，不僅幫助企業解決了生產實踐問題，同時將工程應用中的先進技術及時引入課堂教學和教材，提高了學校的教育改革和教學質量，調動了研究生參與科學研究、教學產生實踐的積極性和創造性。

三、建立教學與科研相結合的創新模式，發散了學生的科研思維

理論知識并不是為了學會而學習，最終目的是要將其運用到實際中去解決問題，更深層的目標是將學習掌握的知識與科研探索相結合，在理論與方法上有所創新。然而，目前的教學存在一個普遍問題：理論知識雖然都已經熟練掌握，但所學知識點與科研存在斷層，導致了研究生的科研思維沒有被建立。因此，在機械可靠性工程的教學過程中，在體現電力特色的同時要充分結合最新的科研進展，使研究生深入理解理論知識在近年來的實際應用情況，讓學生熟練掌握理論知識的同時充分結合科研項目的實施，激發科研熱忱，發散科研思維。

在機械可靠性工程這門課程中，概率分布、分布參數的估計、機械可靠性設計和可靠性試驗等知識點都與科研項目研究技術內容緊密相關。在教學過程中，實現了將可靠性設計方法與海上風力機葉片氣彈耦合作用下動力穩定性的研究項目相結合，將不同的分布參數估計與VFD加速壽命試驗項目相結合，將材料力學特性參數與儲能鈉硫電池保溫箱的設計與研發項目相結合，每個結合點都以兩學分的專題講座形式進行講解，使得學生掌握了課本知識在科研領域的實際應用要點，為以后的科研工作打下了良好的基礎。

以威布爾分布參數估計與VFD加速壽命試驗項目相結合為例，來說明教學與科研相結合的必要性。我校通過和相關企業的合作，以VFD為研究對象，開展了四組恒定應力加速壽命試驗，并用威布爾函數描述VFD壽命分布，利用最小二乘法估計威布爾參數，完成了試驗數據的統計分析，其數據統計曲線見圖2。[4]通過講解這種來源于課本并應用于科研項目的知識點，啟發了學生如何將理論知識應用到科研項目中以解決企業技術瓶頸問題的思考，使學生逐步建立了科研的思維能力，提高了研究生科研的潛力。

四、建立考核方式的創新模式，提高了學生的應用能力 傳統的上課模式大多限于教師課堂的授課，學生以聽為主，師生交流并不多，難以提高學生的應用能力。傳統的考核模式是以最后的考試成績定高低，這使很多學生本身并沒有掌握如何應用所學的知識，只為了考試而學習。機械可靠性工程作為我校動力機械及工程碩士點的研究生課程，不僅需要學生掌握課本上的知識，而且要學生開拓思維去解決書本知識的實際應用問題。因此，如何提出本課程新穎的考核方式是提高學生學習和應用能力的方法之一。本課程通過采用完成課后習題、課堂講解專題、完成大型作業的模式對學生進行考核，通過分值分別占20%、30%和50%來計算學生的總評成績，這樣僥幸獲得高分的機會大大減少，從而使得學生的應用能力得到大幅度提高。

對于課后習題的考核，每章教學完成后要求學生完成一些課后習題。習題不僅覆蓋了傳統的題型，而且涵蓋了具有電力特色且與書本知識相關的開放性題型，需要學生自己去調研，這樣既可巧妙地運用相關知識點，也能激發出學生的學習興趣。

對于課堂講解專題的考核，學生會被安排上講臺講解利用本課程的知識點結合電力工程實踐或科研項目背景的專題。通過查找文獻資料，將自己的理解加入其中，完成一個實例分析的專題報告。通過自己在課堂上的講解和教師的指點，不僅更充分地理解和掌握了所學的知識，還提高了學習能力與科研應用能力。

對于期末的大型作業考核，給學生布置20道有關電力行業可靠性工程方面的題目，通過自行選題撰寫一篇不少于5000字的文獻報告，學生可結合課程知識點并通過文獻調研，以及所在課題組科研項目來完成。這種考核方式不僅使學生更能深入理解書本的理論知識，使所學的知識與實際應用融會貫通，同時提高了科研工作的積極性，提升了解決實際問題的能力。

通過本課程的教學不僅需要結合我校電力特色使研究生掌握相關專業知識，更重要的是鍛煉他們如何利用課本知識去解決實際科研問題的能力。通過上述分析得出如下結論：①結合我校電力特色的背景，按照教學大綱介紹重點章節的同時，講解了如何將可靠性工程的重要知識點應用到電力和節能可靠性領域，在有限的學時內使學習到的知識更加實用，獲得了良好的教學效果；②理論與實踐結合的教學模式，可以更加生動形象地將知識點展現在學生面前，提高了學生的學習興趣，以及對生產實踐問題的理解與應用能力，同時在實踐中獲得的技術要點豐富了課堂教學；③教學與科研相結合不但使學生學會了如何利用課堂知識解決科研實際問題，而且提高了研究生的科研應用能力，發散了科研思維；④本課程采用課后習題、課堂專題、大型作業的創新模式對學生進行成績考核，不僅使總評成績客觀地看出學生對于課本知識的理解和應用情況，而且實際地反映出學生解決生產實踐問題的科研能力。

參考文獻：

[1]龐志鋒，姚云峰.機械可靠性工程研究體系及發展方向[J].河北工業科技，2013，30（4）.

[2]張建平，等.動力機械強度與振動課程教學模式的研究和實踐[J].新課程研究（中旬刊），2013，（8）.

[3]郝靜如.機械可靠性工程[M].北京：國防工業出版社，2008.

[4]張建平，王睿韜.威布爾分布下VFD恒定應力加速壽命試驗與統計分析[J].液晶與顯示，2010，25（2）.

（編輯：易繼斌）