面向解決復(fù)雜工程問題的失效分析課程教學(xué)研究

趙子華　有移亮　張崢　吳素君　鐘群鵬

摘要：《華盛頓協(xié)議》把解決復(fù)雜工程問題作為高等學(xué)校本科階段工科教育的核心要求。參照工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，對失效分析課程中的復(fù)雜工程問題進(jìn)行了闡述，并對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了探索和實踐，以期豐富和完善材料科學(xué)與工程專業(yè)的本科工程教育課程體系。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問題；失效分析；課程教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0180-03

一、引言

在經(jīng)濟(jì)全球化、“中國制造2025”、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略等背景下，高等工程教育要求培養(yǎng)具有國際化視野且能處理復(fù)雜工程問題的人才。2016年6月2日，中國成為第18個《華盛頓協(xié)議》正式成員，是我國工程教育國際化的重要標(biāo)志。《中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》（2015版）進(jìn)一步突出了本科階段工科教育對解決復(fù)雜工程問題的要求，在12項“畢業(yè)要求”中，突出能力的指向是解決復(fù)雜工程問題。

雖然《中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》（2015版）界定了復(fù)雜工程問題的若干重要特征，但是在本科工程教學(xué)實踐中如何理解“復(fù)雜工程問題”中的復(fù)雜性？如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力？本文以北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的工程專業(yè)課程——《失效分析》為例，對失效分析領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的復(fù)雜性進(jìn)行了探究，從課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)方法等方面探討了學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”能力的培養(yǎng)和提升。

二、失效分析中的復(fù)雜工程問題

失效分析是一門新興的綜合性學(xué)科，它有兩個基本特點：一是綜合性，涉及多個科學(xué)領(lǐng)域和技術(shù)門類，呈現(xiàn)多學(xué)科的交叉性和邊緣性；二是工程性，與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展緊密相關(guān)，社會效益顯著。

失效的發(fā)生常常引起災(zāi)難性后果，準(zhǔn)確判斷失效模式、分析失效原因和研究失效機(jī)理、提出減少或防止類似事故再次發(fā)生的措施是失效分析的全過程。失效分析工作的工程應(yīng)用背景面向的就是復(fù)雜工程問題，以下我們分別從失效分析對象的系統(tǒng)性、失效分析多學(xué)科多領(lǐng)域的交叉性、失效分析內(nèi)涵的豐富性以及失效分析的工程倫理性等四個方面對失效分析之復(fù)雜性進(jìn)行解讀。

1.失效分析對象的系統(tǒng)性——縱向復(fù)雜性。失效分析的縱向復(fù)雜性體現(xiàn)在失效分析對象的系統(tǒng)性上，包含失效分析對象的全壽命周期性和外延性。失效分析面向的對象是失效件或失效系統(tǒng)，主要任務(wù)是找到失效的原因，這是一個從結(jié)果到原因的逆向分析過程。簡單機(jī)電產(chǎn)品或單個零部件的失效會涉及到失效分析對象全壽命周期的各個階段：設(shè)計、選材、加工、裝配、使用。重大機(jī)電裝備或復(fù)雜系統(tǒng)的失效原因分析不僅涉及關(guān)鍵零部件或分系統(tǒng)的全壽命周期各個階段，還要考慮零部件或分系統(tǒng)之間在裝配和使用過程中的干涉和交互作用。失效分析對象的系統(tǒng)性還體現(xiàn)在外延性上。分析失效原因，不僅要考慮失效分析對象全壽命周期各個階段的技術(shù)狀態(tài)，還要考慮失效分析對象所處的環(huán)境、相關(guān)的法律法規(guī)和人員等。

2.失效分析多學(xué)科多領(lǐng)域的交叉性——橫向復(fù)雜性。失效分析的橫向復(fù)雜性體現(xiàn)在失效分析的多學(xué)科多領(lǐng)域的交叉性上。失效對象具有廣泛性，涉及不同領(lǐng)域、不同材料、不同結(jié)構(gòu)等；失效原因具有不確定性，可能是設(shè)計不合理、可能是選材不合適、可能是工藝不恰當(dāng)、可能是裝配不匹配，也可能是使用不合規(guī)等；失效模式具有多樣性，包括變形、斷裂、腐蝕、磨損等。以上因素決定了失效分析具有多學(xué)科多領(lǐng)域交叉的特征，涉及材料學(xué)、力學(xué)、摩擦學(xué)、機(jī)械制造工藝學(xué)等多個技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域。失效分析工作不僅是自然科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)分析，還包括前期失效證據(jù)信息的收集甄別、后期的管理提升等工作。因而，失效分析還涉及邏輯學(xué)、管理學(xué)等社會學(xué)科和邊緣學(xué)科。

3.失效分析內(nèi)涵的豐富性——深度復(fù)雜性。失效分析的深度復(fù)雜性體現(xiàn)在失效分析內(nèi)涵的豐富性上，失效分析分為失效診斷、失效預(yù)測和失效預(yù)防等三個階段層次，失效診斷又可分為失效模式診斷、失效原因診斷和失效機(jī)理診斷等三個深度層次。失效原因診斷是失效分析的主要任務(wù)之一。失效這一確定性的結(jié)果往往是多個原因在不同時間不同空間聯(lián)合作用造成的，從結(jié)果到原因的分析方法具有內(nèi)在的發(fā)散性。“動力大于抗力”是機(jī)電裝備失效的原則判據(jù)，動力是機(jī)電裝備材料和結(jié)構(gòu)承受的外部載荷，抗力是機(jī)電裝備材料和結(jié)構(gòu)的內(nèi)在強(qiáng)度指標(biāo)。正常情況下，機(jī)電裝備的動力小于抗力，而失效的發(fā)生，往往與“助力”有關(guān)。“三力”分析方法是失效分析的主要分析思路之一，三力即動力、抗力和助力。失效動力具有多場時空耦合性，以航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片為例，其服役環(huán)境為高溫、高壓、高速、強(qiáng)氧化、強(qiáng)瞬變，承受多軸非線性動態(tài)機(jī)械應(yīng)力、非均勻熱應(yīng)力、高溫化學(xué)氧化的長時間聯(lián)合作用。失效抗力要求材料和結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的綜合性能，考核材料的指標(biāo)不僅是單一的性能（Property），更是材料科學(xué)與工程四要素中的第四要素——服役性能（Performance），即材料和結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境或近服役環(huán)境下的強(qiáng)度和壽命表現(xiàn)。失效助力往往是被忽視或當(dāng)前水平認(rèn)知不足導(dǎo)致的，助力一方面會提高局部動力，另一方面會降低局部的抗力，往往具有隱密性和隨機(jī)性。

4.失效分析的工程倫理性——社會復(fù)雜性。工程應(yīng)用的目的是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，造福人類，同時也應(yīng)該考慮工程可能帶來的不良影響。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，現(xiàn)代工程呈現(xiàn)出大規(guī)模、高參數(shù)、極端環(huán)境運行的特征，失效后果更加嚴(yán)重。從失效和失效分析預(yù)測預(yù)防的逆向角度去思考工程倫理性（工程倫理是闡述、分析工程活動與外界之間關(guān)系的實踐倫理），視角獨具。以核能利用工程為例，核能利用工程是人類取得的重大工程進(jìn)展之一，從失效分析預(yù)測預(yù)防等方面來評估核能利用工程與環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系是一個重要課題。雖然核能利用工程的失效概率很低，但其失效后果可能會是災(zāi)難性的，美國三里島核事故、蘇聯(lián)切爾諾貝利核災(zāi)難和日本福島第一核電站事故等帶來的嚴(yán)重后果至今尚未完全消除。我們要有工程風(fēng)險意識，從失效概率、失效后果、失效預(yù)防等方面對工程進(jìn)行風(fēng)險評估。必要的情況下，為了環(huán)境和社會的可持續(xù)發(fā)展要放棄重大工程。人為因素是重大工程失效的主要原因之一，而人的知識水平、人文素養(yǎng)、即時情緒等具有很大的不可控性。應(yīng)該從失效預(yù)防的角度去考慮人與工程的關(guān)系，努力降低重大工程的人為參與風(fēng)險。

對于從事失效分析工作的人員要求，除了要有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識和較廣的知識面、“醫(yī)生的思路，偵探的技巧”、善于學(xué)習(xí)，還要實事求是、有強(qiáng)烈的社會責(zé)任感、遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范。

三、失效分析課程“處理復(fù)雜工程問題”的教學(xué)

如何通過失效分析課程的教學(xué)，讓學(xué)生理解復(fù)雜工程問題，學(xué)會處理復(fù)雜工程問題，進(jìn)而提高解決復(fù)雜工程問題的能力？我們從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法方面進(jìn)行了嘗試。

1.教學(xué)內(nèi)容設(shè)置。失效分析課程的教學(xué)目的是融知識傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育于一體，培養(yǎng)學(xué)生運用已有的基礎(chǔ)知識去分析解決工程失效問題，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，在分析解決問題的過程中提升專業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)。教學(xué)內(nèi)容包括四個層次：第一層次是“講”，即失效分析知識、思路、程序、方法、理念的傳授，主要包括失效模式、失效機(jī)理、失效診斷、失效預(yù)測和失效預(yù)防等基本概念、基礎(chǔ)理論和基本原理的介紹以及常用分析技術(shù)和方法的概要講授；第二層次是“析”，即經(jīng)典案例解析，包括四個具有重大影響的國外失效案例（分別是英國“泰坦尼克號”游輪沉沒事故、英國“彗星號”噴氣客氣墜毀事故、美國“哥倫比亞號”航天飛機(jī)爆炸事故、德國高速列車脫軌事故）和從我們承擔(dān)或參與完成的近百項重大失效分析案例中精選出的四個案例（東方化工廠“6.27”事故、航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片斷裂事故、衛(wèi)星發(fā)動機(jī)尾噴管失效事故、催化裂化裝置軸流主風(fēng)機(jī)斷裂事故）；第三層次是“論”，即課堂討論，學(xué)生查閱失效案例文獻(xiàn)后在課堂上講述案例并進(jìn)行討論；第四層次是“踐”，即失效分析工程實踐，與特色實驗課《無損檢測與失效分析》相結(jié)合，每五個學(xué)生組成一個小團(tuán)隊，開展簡單的失效分析實踐工作，內(nèi)容包括受力分析、材料性能檢驗、斷口分析、原因討論等環(huán)節(jié)，最終按標(biāo)準(zhǔn)撰寫失效分析報告。

2.教學(xué)方法。在教學(xué)方法上，根據(jù)其教學(xué)特點和基本規(guī)律，我們主要采取了專業(yè)教育和素質(zhì)教育相結(jié)合、理論學(xué)習(xí)與工程實踐相結(jié)合、啟發(fā)式和互動式相結(jié)合、簡單案例和復(fù)雜案例相結(jié)合、文獻(xiàn)調(diào)研與課堂演講相結(jié)合等多種教學(xué)方法和方式，提高學(xué)生對失效分析的興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力、創(chuàng)新能力和綜合分析能力，從而使其畢業(yè)后工作具有較強(qiáng)的競爭能力、研發(fā)能力和適應(yīng)能力。（1）專業(yè)教育和素質(zhì)教育相結(jié)合。失效因素復(fù)雜多樣，一般涉及“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”，故分析過程中既要專業(yè)，又要公正，給出的結(jié)果要讓人信服、經(jīng)得起驗證。在講解失效案例時，一方面強(qiáng)調(diào)專業(yè)知識的重要性，另一方面還強(qiáng)調(diào)人的基本素質(zhì)和工作態(tài)度的重要性。通過一些重大失效案例迂回曲折的分析過程介紹，讓學(xué)生意識到應(yīng)具有高尚的職業(yè)道德和人格，教導(dǎo)學(xué)生注意科研素養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高和完善。（2）啟發(fā)式和互動式相結(jié)合。理工科的本科生具有思考縝密和邏輯性強(qiáng)的思維特點，但工程應(yīng)用的經(jīng)驗較少，因此在講解具體失效案例時，通常采用啟發(fā)式的講解方式，先展示失效零部件的圖形和圖像，講清工藝流程、使用材料、工程背景和存在問題，然后提出問題讓學(xué)生思考，引導(dǎo)他們從設(shè)計、材料、制造、安裝、檢驗、操作、維護(hù)、環(huán)境等方面考慮，學(xué)生理解后會提出了自己的看法和觀點，再通過老師的分析，有效實現(xiàn)了師生間的互動和討論，課堂氣氛活躍，學(xué)生積極性高，訓(xùn)練了學(xué)生的分析能力、邏輯能力和探索能力。（3）理論學(xué)習(xí)與工程實踐相結(jié)合。學(xué)以致用，是失效分析課程的最終目的。失效分析概念、方法、思路、程序、技術(shù)等的理論介紹是構(gòu)架學(xué)生失效分析知識體系的基礎(chǔ)，必不可少。為了使學(xué)生深入理解失效分析知識，深刻體會失效分析的特點，還需要“實踐出真知”。我們選取有代表性的失效分析案例，以小組的形式開展失效分析工程實踐，并結(jié)合特色實驗“無損檢測和失效分析”，讓學(xué)生做一個全過程的失效分析，形成帶簽字格式的失效分析報告并進(jìn)行答辯，接收大家的質(zhì)疑。如此，可培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和溝通能力。（4）簡單案例和復(fù)雜案例相結(jié)合。失效涉及面廣，分析步驟多，除講解簡單案例的失效外，如單個零件的疲勞斷裂失效過程，讓學(xué)生了解分析的一般步驟和方法；更要系統(tǒng)介紹復(fù)雜案例的失效分析過程，如航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的失效分析，讓學(xué)生懂得失效是由許多偶然因素相互作用后發(fā)生的必然事件，讓學(xué)生懂得分析要精準(zhǔn)、全面，思考問題要全方位、多角度，從而潛移默化地訓(xùn)練了學(xué)生的綜合分析能力。（5）文獻(xiàn)調(diào)研與課堂演講相結(jié)合。為了提高學(xué)生的專業(yè)自學(xué)能力和外語閱讀能力，我們除了細(xì)致講解一些重要的專有名詞的英文術(shù)語以幫助理解英文原版書內(nèi)容外，還專門從國際期刊上下載不同失效案例的英文論文，讓其根據(jù)原文在課外借助圖書館、網(wǎng)絡(luò)等工具查閱相關(guān)文獻(xiàn)，各自獨立撰寫有新意的讀書報告和小論文，課堂上以開研討會的形式讓每位學(xué)生一一上臺演講。學(xué)生們就指定的失效分析論文介紹主要的內(nèi)容，陳述自己的觀點和看法，老師進(jìn)行現(xiàn)場即時點評，提出一些相關(guān)問題讓其回答，從而有效訓(xùn)練了學(xué)生的基本能力和反應(yīng)能力。同時，針對有些英文論文存在的一些問題提出意見，讓學(xué)生懂得從事科研必須要有批判和質(zhì)疑精神，這樣才會促進(jìn)科技進(jìn)步，創(chuàng)新能力和科研能力才會獲得提升。

四、結(jié)束語

當(dāng)前我國正在從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，在此歷史進(jìn)程中，國家需要一代有高度責(zé)任感有國際視野能處理復(fù)雜工程問題的工程師，這對我們的高等工程教育提出了新的要求。為了適應(yīng)時代發(fā)展的要求，我國的工程教育專業(yè)認(rèn)證工作也正在如火如荼地進(jìn)行。失效分析是“復(fù)雜工程問題”的天然載體，在失效分析課程教學(xué)改革實踐中，我們始終以提高學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”的能力為目標(biāo)，循序漸進(jìn)地讓學(xué)生認(rèn)識、理解并開始接觸復(fù)雜的工程失效問題，繼而學(xué)習(xí)并實踐如何處理復(fù)雜工程失效問題，最終初步學(xué)會解決復(fù)雜工程失效問題的思路和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]余壽文.工程教育評估與認(rèn)證及其思考[J].高等工程教育研究，2015，（3）：1-6.

[2]周玲，馬曉娜，孫艷麗，孫曉娟.工程教育，讓世界更美好——2015年全面工程教育國際研討會（TEE 2015）綜述[J].高等工程教育研究，2015，（4）：27-35.