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(wèn)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(duì)失效分析課程中的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行了闡述，并對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了探索和實(shí)踐，以期豐富和完善材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的本科工程教育課程體系。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問(wèn)題；失效分析；課程教學(xué)

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

一、引言

在經(jīng)濟(jì)全球化、“中國(guó)制造2025”、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略等背景下，高等工程教育要求培養(yǎng)具有國(guó)際化視野且能處理復(fù)雜工程問(wèn)題的人才。2016年6月2日，中國(guó)成為第18個(gè)《華盛頓協(xié)議》正式成員，是我國(guó)工程教育國(guó)際化的重要標(biāo)志?！吨袊?guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)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(duì)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的要求，在12項(xiàng)“畢業(yè)要求”中，突出能力的指向是解決復(fù)雜工程問(wèn)題。

雖然《中國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》（2015版）界定了復(fù)雜工程問(wèn)題的若干重要特征，但是在本科工程教學(xué)實(shí)踐中如何理解“復(fù)雜工程問(wèn)題”中的復(fù)雜性？如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)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(zhuān)業(yè)的工程專(zhuān)業(yè)課程——《失效分析》為例，對(duì)失效分析領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)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(wèn)題”能力的培養(yǎng)和提升。

二、失效分析中的復(fù)雜工程問(wèn)題

失效分析是一門(mén)新興的綜合性學(xué)科，它有兩個(gè)基本特點(diǎn)：一是綜合性，涉及多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域和技術(shù)門(mén)類(lèi)，呈現(xiàn)多學(xué)科的交叉性和邊緣性；二是工程性，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展緊密相關(guān)，社會(huì)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(lèi)似事故再次發(fā)生的措施是失效分析的全過(guò)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(wèn)題，以下我們分別從失效分析對(duì)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(gè)方面對(duì)失效分析之復(fù)雜性進(jìn)行解讀。

1.失效分析對(duì)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(duì)象的系統(tǒng)性上，包含失效分析對(duì)象的全壽命周期性和外延性。失效分析面向的對(duì)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(gè)從結(jié)果到原因的逆向分析過(guò)程。簡(jiǎn)單機(jī)電產(chǎn)品或單個(gè)零部件的失效會(huì)涉及到失效分析對(duì)象全壽命周期的各個(gè)階段：設(shè)計(jì)、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(gè)階段，還要考慮零部件或分系統(tǒng)之間在裝配和使用過(guò)程中的干涉和交互作用。失效分析對(duì)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(duì)象全壽命周期各個(gè)階段的技術(shù)狀態(tài)，還要考慮失效分析對(duì)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(duì)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(jì)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(gè)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(huì)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(cè)和失效預(yù)防等三個(gè)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(gè)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(gè)原因在不同時(shí)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(dòng)力大于抗力”是機(jī)電裝備失效的原則判據(jù)，動(dòng)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(dòng)力小于抗力，而失效的發(fā)生，往往與“助力”有關(guān)?！叭Α狈治龇椒ㄊ鞘Х治龅闹饕治鏊悸分唬磩?dòng)力、抗力和助力。失效動(dòng)力具有多場(chǎng)時(shí)空耦合性，以航空發(fā)動(dòng)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(xiàn)性動(dòng)態(tài)機(jī)械應(yīng)力、非均勻熱應(yīng)力、高溫化學(xué)氧化的長(zhǎng)時(shí)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(huì)提高局部動(dòng)力，另一方面會(huì)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(huì)復(fù)雜性。工程應(yīng)用的目的是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，造福人類(lèi)，同時(shí)也應(yīng)該考慮工程可能帶來(lái)的不良影響。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(yùn)行的特征，失效后果更加嚴(yán)重。從失效和失效分析預(yù)測(cè)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(dòng)與外界之間關(guān)系的實(shí)踐倫理），視角獨(dú)具。以核能利用工程為例，核能利用工程是人類(lèi)取得的重大工程進(jìn)展之一，從失效分析預(yù)測(cè)預(yù)防等方面來(lái)評(píng)估核能利用工程與環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系是一個(gè)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(huì)是災(zāi)難性的，美國(guó)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(lái)的嚴(yán)重后果至今尚未完全消除。我們要有工程風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，從失效概率、失效后果、失效預(yù)防等方面對(duì)工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。必要的情況下，為了環(huán)境和社會(huì)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(shí)水平、人文素養(yǎng)、即時(shí)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(xiǎn)。

對(duì)于從事失效分析工作的人員要求，除了要有扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和較廣的知識(shí)面、“醫(yī)生的思路，偵探的技巧”、善于學(xué)習(xí)，還要實(shí)事求是、有強(qiáng)烈的社會(huì)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(wèn)題”的教學(xué)

如何通過(guò)失效分析課程的教學(xué)，讓學(xué)生理解復(fù)雜工程問(wèn)題，學(xué)會(huì)處理復(fù)雜工程問(wèn)題，進(jìn)而提高解決復(fù)雜工程問(wèn)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(shí)傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育于一體，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用已有的基礎(chǔ)知識(shí)去分析解決工程失效問(wèn)題，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，在分析解決問(wèn)題的過(guò)程中提升專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)。教學(xué)內(nèi)容包括四個(gè)層次：第一層次是“講”，即失效分析知識(shí)、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(cè)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(gè)具有重大影響的國(guó)外失效案例（分別是英國(guó)“泰坦尼克號(hào)”游輪沉沒(méi)事故、英國(guó)“彗星號(hào)”噴氣客氣墜毀事故、美國(guó)“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)爆炸事故、德國(guó)高速列車(chē)脫軌事故）和從我們承擔(dān)或參與完成的近百項(xiàng)重大失效分析案例中精選出的四個(gè)案例（東方化工廠(chǎng)“6.27”事故、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片斷裂事故、衛(wèi)星發(fā)動(dòng)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(shí)踐，與特色實(shí)驗(yàn)課《無(wú)損檢測(cè)與失效分析》相結(jié)合，每五個(gè)學(xué)生組成一個(gè)小團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展簡(jiǎn)單的失效分析實(shí)踐工作，內(nèi)容包括受力分析、材料性能檢驗(yàn)、斷口分析、原因討論等環(huán)節(jié)，最終按標(biāo)準(zhǔn)撰寫(xiě)失效分析報(bào)告。

2.教學(xué)方法。在教學(xué)方法上，根據(jù)其教學(xué)特點(diǎn)和基本規(guī)律，我們主要采取了專(zhuān)業(yè)教育和素質(zhì)教育相結(jié)合、理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐相結(jié)合、啟發(fā)式和互動(dòng)式相結(jié)合、簡(jiǎn)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(duì)失效分析的興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)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(jìng)爭(zhēng)能力、研發(fā)能力和適應(yīng)能力。（1）專(zhuān)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(cè)”，故分析過(guò)程中既要專(zhuān)業(yè)，又要公正，給出的結(jié)果要讓人信服、經(jīng)得起驗(yàn)證。在講解失效案例時(shí)，一方面強(qiáng)調(diào)專(zhuān)業(yè)知識(shí)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(guò)一些重大失效案例迂回曲折的分析過(guò)程介紹，讓學(xué)生意識(shí)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(dòng)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(diǎn)，但工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)較少，因此在講解具體失效案例時(shí)，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(wèn)題，然后提出問(wèn)題讓學(xué)生思考，引導(dǎo)他們從設(shè)計(jì)、材料、制造、安裝、檢驗(yàn)、操作、維護(hù)、環(huán)境等方面考慮，學(xué)生理解后會(huì)提出了自己的看法和觀(guān)點(diǎn)，再通過(guò)老師的分析，有效實(shí)現(xiàn)了師生間的互動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)，深刻體會(huì)失效分析的特點(diǎn)，還需要“實(shí)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(kāi)展失效分析工程實(shí)踐，并結(jié)合特色實(shí)驗(yàn)“無(wú)損檢測(cè)和失效分析”，讓學(xué)生做一個(gè)全過(guò)程的失效分析，形成帶簽字格式的失效分析報(bào)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(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和溝通能力。（4）簡(jiǎn)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(jiǎn)單案例的失效外，如單個(gè)零件的疲勞斷裂失效過(guò)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(guò)程，如航空發(fā)動(dòng)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(wèn)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(zhuān)業(yè)自學(xué)能力和外語(yǔ)閱讀能力，我們除了細(xì)致講解一些重要的專(zhuān)有名詞的英文術(shù)語(yǔ)以幫助理解英文原版書(shū)內(nèi)容外，還專(zhuān)門(mén)從國(guó)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(shū)館、網(wǎng)絡(luò)等工具查閱相關(guān)文獻(xiàn)，各自獨(dú)立撰寫(xiě)有新意的讀書(shū)報(bào)告和小論文，課堂上以開(kāi)研討會(huì)的形式讓每位學(xué)生一一上臺(tái)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(guān)點(diǎn)和看法，老師進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)點(diǎn)評(píng)，提出一些相關(guān)問(wèn)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(shí)，針對(duì)有些英文論文存在的一些問(wèn)題提出意見(jiàn)，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(huì)促進(jìn)科技進(jìn)步，創(chuàng)新能力和科研能力才會(huì)獲得提升。

四、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)正在從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，在此歷史進(jìn)程中，國(guó)家需要一代有高度責(zé)任感有國(guó)際視野能處理復(fù)雜工程問(wèn)題的工程師，這對(duì)我們的高等工程教育提出了新的要求。為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求，我國(guó)的工程教育專(zhuān)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(wèn)題”的天然載體，在失效分析課程教學(xué)改革實(shí)踐中，我們始終以提高學(xué)生“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力為目標(biāo)，循序漸進(jìn)地讓學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解并開(kāi)始接觸復(fù)雜的工程失效問(wèn)題，繼而學(xué)習(xí)并實(shí)踐如何處理復(fù)雜工程失效問(wèn)題，最終初步學(xué)會(huì)解決復(fù)雜工程失效問(wèn)題的思路和方法。

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