中國制造2025背景下電器可靠性技術教學案例設計*

王海濤 王景芹 趙靖英

河北工業大學省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室 天津 300401

0 引言

“中國制造2025”為中國制造業未來10年設計頂層規劃和路線圖，通過努力實現中國制造向中國創造、中國速度向中國質量、中國產品向中國品牌三大轉變。“中國制造2025”的基本方針：質量為先、人才為本[1-2]。

在我國，低壓電器的應用量大，發電設備產生的電能80%以上是通過低壓電器傳輸而消耗的。低壓電器需求量巨大，低壓電器廣泛應用于國民經濟各個行業，以及千家萬戶用電設備的控制與保護。低壓電器產品眾多，是電力系統的核心基礎零部件（元器件）。低壓電器產品的質量對電力系統的發展、安全運行起到至關重要的作用[3-4]。

低壓電器的應用范圍主要包括三大領域[3-4]：電力系統、居民住宅、新能源汽車。在電力系統中，每新增1萬千瓦發電容量，大約需要6～8萬件低壓電器設備。以最保守的8年更新壽命周期測算，目前我國配電網中低壓電器存量產品的年均更新需求在13.33億件。行業數據顯示，電子電器在新能源汽車中的價值約占到整車成本的9%左右，即一臺20萬元的新能源汽車，電子電器的價值約1.8萬元。在低壓電器行業貫徹落實“中國制造2025”的基本方針之一“質量為先”尤為重要。培養低壓電器可靠性方面的人才迫在眉睫。電器可靠性技術是電機與電器學科大三的核心專業課程，也是理論聯系實際的一道橋梁，在“中國制造2025”的背景下，電器可靠性技術課程的作用和意義凸顯。

1 電器可靠性技術課程介紹

河北工業大學在20世紀70年代就開拓了國內低壓電器可靠性研究領域，并首先開設了電器可靠性技術課程。電器可靠性技術課程是河北工業大學國家“雙一流”建設學科的工程實踐很強的特色專業課程。該課程以國家需求和前沿技術為引導，以科研成果和橫縱項目為驅動，開展問題導入—工程案例—科研反饋—創新思維式的特色教學模式，強調定量分析和工程實際相結合的教學模式[4-5]。

電器產品的質量應包括其技術性能指標和可靠性指標兩個方面，二者之間既有聯系又有區別。影響產品可靠性的因素很多，低壓電器產品可靠性工作基本內容框圖如圖1所示。

圖1 可靠性工作基本內容框圖

由圖1可以看出，可靠性工作包括：可靠性設計、可靠性制造、可靠性篩選、可靠性試驗、現場試驗和失效分析等環節。各個環節之間是相互關聯，相互影響的。圍繞電器可靠性工作的基本內容，電器可靠性技術課程開設教學模塊在表1中列出。

表1 電器可靠性技術主要教學模塊

2 電器可靠性技術教學案例設計

以電器可靠性技術課程的第3章“電器產品的可靠性抽樣”模塊為例，介紹“中國制造2025”背景下的教學案例設計內容。

2.1 教學案例設計目標

2）貫徹“中國制造2025”指導思想，以提質增效為中心。通過電器可靠性技術課程的學習，使學生具備低壓電器可靠性分析能力、解決低壓電器可靠性工程實際復雜問題的綜合能力與創新能力；幫助學生形成工程實踐意識，培養學生理論聯系實際的能力；使學生了解“實際復雜問題簡單化”的科學研究思想。

3）貫徹“中國制造2025”的基本方針之一——“質量為先”，堅持把質量作為建設制造強國的生命線，強化企業質量主體責任，加強質量技術攻關。建設質量監管體系、先進質量文化，走以質取勝的發展道路。通過電器可靠性技術課程的學習，使學生成為具備安全可靠的科學素養和創新意識的電氣工程領域的專業精英。低壓電器產品質量和可靠性工程問題與抽樣檢查方案緊密相關，通過低壓電器標準中抽樣檢查方案的實例分析，讓學生體會抽樣檢查理論及抽樣檢查方案的制訂對低壓電器產品質量評價與控制影響的工程理念。引導學生從質量角度、可靠性角度、使用者角度、生產者角度思考工程問題，提高解決工程實際問題的能力。培養學生的家國情懷、工匠精神和責任擔當[10-12]。

2.2 教學案例構思與課堂組織

2.2.1 問題導入

以低壓電器標準中四種抽樣檢查方案為例，將學生分為四組，每組計算一種抽樣檢查方案的接收概率，并畫出接收概率與不合格品率關系曲線。通過對比四種抽樣檢查方案接收概率與不合格品率關系曲線，引導學生思考哪種抽樣檢查方案更好。激發學生的興趣并引導學生了解確定低壓電器產品抽樣檢查方案的重要性。

2.2.2 工程思維

建立學生“實際問題歸納—實際問題簡化—提出解決思路—回歸實際問題”的工程思維；教會學生在理論和實踐基礎上的簡單化分析方法。引導學生認識抽樣檢查可能犯的兩類錯誤：把質量較好的一批產品誤判為不合格；把質量較差的一批產品誤判為合格。讓學生體驗到抽樣檢查方案對生產者風險率和使用者風險率影響的博弈關系，從盡量減少兩類錯誤出發，正確確定四個關鍵參數：p0，可接受的質量水平；α，生產者風險率；p1，不合格品率容限；β，使用者風險率。

2.2.3 解決問題的方法

通過講解根據四個參數或兩個參數確定抽樣檢查方案的意義，讓學生掌握四參數時查表確定抽樣檢查方案方法及兩參數時抽樣檢查方案的確定方法，認識各確定方法得到的抽樣檢查方案的適用性。根據p0、α值來確定抽樣檢查方案的方法是否重視了生產者風險，而未考慮使用者風險。根據p1、β值來確定抽樣檢查方案的方法是否重視了使用者利益，而未考慮生產者風險。

（7）雙魚宮亥次，攝訾神君，宰衛地并州分野。（《太上說玄天大聖真武本傳神呪妙經註》卷一，《中華道藏》30/534）

2.2.4 引入工程案例

引入我國“低壓電器質量抽樣檢查方案”工程案例，我國低壓電器標準中抽樣檢查方案為二次計數抽樣檢查方案（2,4,0,2,1）。從質量角度對我國低壓電器標準進行抽樣檢查方案的抽檢特性分析可知，當不合格品率達68%時，仍有10%的概率檢驗為合格，對生產者有利。再引導學生從可靠性角度進一步分析抽樣檢查方案的合理性，雖然試驗通過了，但產品的可靠度是不高的。從質量與可靠性兩個角度分析我國低壓電器抽樣檢查方案存在的不合理性，即不能保證產品的質量和可靠性，對生產者過于有利，而給用戶帶來了困難。在強化本節課程知識點的同時，培養學生學會利用可靠性特征量估計的知識分析問題。

2.2.5 工程案例回歸

針對我國“低壓電器質量抽樣檢查方案”對生產者過于有利的現狀，啟發學生從質量和可靠性兩個方面提出解決方案。從工程角度用數據說話，明確各個抽樣檢查方案的優缺點，并對所有抽樣檢查方案進行優選。我國低壓電器現有形式試驗抽樣方案抽取的樣品數太少，應適當增加抽樣數量。改進方案：（7,1），（10,2），（4,4,0,2,1）。

2.3 教學案例特色

2.3.1 真實性

突出理論教學與工程案例相結合的觀念，將工程案例引入課堂，讓學生直接參與解決工程中面臨的問題，樹立并不斷培養學生的工程意識，激發學生的求知欲。

2.3.2 實踐性

在對問題解決方案的剖析過程中，培養學生的可靠性理念，深入理解質量和可靠性的關系，融入抽樣檢查方案的生產者與使用者博弈理念，促進學生學以致用。

2.3.3 自主性

采用以學生為主體、教師為主導的啟發式、探究式教學方法，讓學生在不斷生疑—質疑—釋疑的過程中啟發思維、發展智力。采用正向和逆向思維分析問題，啟發學生創新性地找到問題解決的方式。

3 電器可靠性技術教學案例的實施

可靠性抽樣檢查模塊案例的實施過程分為3個部分：課前、課中和課后。課前主要是分析計算低壓電器標準中四種抽樣檢查方案，計算在各不合格頻率情況下的接收概率值，并繪制接收概率與不合格頻率之間的關系曲線圖；在“質量為先”的基本方針下，嘗試分析低壓電器產品質量與接收概率之間的關系。課中主要針對抽樣檢查方案的教學內容，分析四種抽樣檢查方案的優劣；明確抽檢特性曲線及四個參數意義——生產者與使用者利益的博弈；掌握抽樣檢查方案的確定方法；從質量與可靠性兩個角度分析我國低壓電器抽樣檢查方案的合理性。課后主要針對我國低壓電器標準中抽樣檢查方案對生產者過于有利的現狀，提出抽樣檢查方案的改進方法，并進行分析驗證。具體實施過程如表2所示。

表2 項目實施過程

4 結束語

本文以電器可靠性技術抽樣檢查模塊為例，介紹了在“中國制造2025”背景下的案例設計和實施過程。引導學生從質量角度、可靠性角度、使用者角度、生產者角度思考工程問題，提高解決工程實際問題的能力。加深學生對“中國制造2025”的基本方針——質量為先、人才為本的體會和理解。培養學生的家國情懷、工匠精神和責任擔當。