探究式小班教学在“可靠性工程”课程的探索

刘 宇，凌 丹，李彦锋

（电子科技大学 机械电子工程学院 成都 611731）

探究式小班教学在“可靠性工程”课程的探索

刘 宇，凌 丹，李彦锋

（电子科技大学 机械电子工程学院 成都 611731）

针对电子科技大学2015年全面启动的“探究式小班教学”本科教学重大改革，探讨了工业工程专业“可靠性工程”课程的探究式小班教学改革的基本思路，详细介绍了对该课程探究式小班教学过程的设计和具体实施方案。实践证明，“可靠性工程”课程的探究式小班教学在激发学生学习主动性，培养学生研究性学习能力和知识综合运用能力，挖掘优秀学生科研潜力等方面收效显著，实现了小班教学从形式到内涵的改变。

探究式小班教学；可靠性工程；教学模式改革；研究性学习；工业工程

小班教学是大学本科教育走向精英教育所必须迈进的重要一步［1-5］。为了改变大学教育“以教为中心”的陈旧模式，电子科技大学自2015年春季起全面启动了“探究式小班教学”本科教学重大改革，通过“以学为中心”的教学模式转变，提升教学效果和人才培养质量。在授课规模上，“探究式小班教学”将传统大班（60人以上）授课方式转变为“大班授课（60人以下）”+“小班研讨（30人以下）”或“小班授课（30人以下）”+“小班研讨（30人以下）”两种形式，提高课堂教学的互动性，让学生全方位地融入课程学习。在培养模式上，强调教学过程中的研究性、探究式和启发式，激发学生的求知动力与探索精神，培养学生的批判性思维与创新能力。在学业评价方式上，打破传统的仅依赖于期中和期末考试的总结性评价，重视学习过程，大幅度地增加学习过程中的形成性评价。

“可靠性工程”作为工业工程专业的核心课程入选首批“探究式小班教学”试点课程。我们对“可靠性工程”课程教学模式进行了较大改革，对探究式小班教学过程进行了规划和设计，在学业评价方式上做了调整，在激发学生学习主动性、注重实践性、培养学生研究性学习能力和知识综合运用能力以及挖掘优秀学生科研潜力等方面做了探索和尝试，让学生全方位地融入课程学习，逐步改变学生的学习习惯和思维方式，培养学生研究性学习能力和创新性思维，实现探究式小班教学从形式到内涵的改变。

1 课程基本情况

1.1 开设课程的意义

随着工业现代化步伐加速，现代制造系统和工业产品正朝着大型化、精密化、智能化方向迅速发展，工程系统和产品结构与功能越复杂，其发生失效的可能性就越大。发达国家在经历了第二次世界大战以后，对可靠性问题非常重视，将可靠性工作贯穿于产品的全寿命周期。我国可靠性研究和工程应用起步相对较晚，但近年来随着我国重大装备和重要工程研制中频繁暴露出严重的可靠性问题，对工程系统和产品可靠性的重视程度也大大提高，亟待将可靠性技术推广和普及应用在工业生产和管理中［6-10］。

电子科技大学机械电子工程学院在可靠性领域长期开展基础理论探索和工程应用研究，取得了突出的研究成果，形成了较强的学科优势，建立了杰出的科研团队和强大的师资力量。结合学院在可靠性学科方面的优势和平台，以及近年来工业界对具备可靠性知识人才的迫切需求，为工业工程专业大三本科生开设了“可靠性工程”课程，作为该专业的一门重要核心课程。该课程是以系统工程的观点和方法论为立足点，介绍如何对工程系统与产品在全寿命过程中失效现象及发生概率进行分析、评估、试验和控制，从而提高工程系统和产品的可靠性，降低失效发生概率，是一门融和了数学、工程和管理等多方面知识的综合性课程［1，7］。

1.2 课程教学内容和目标

由于“可靠性工程”课程面向工业工程专业本科生开设，因此教学内容上更注重从系统工程的角度上让学生对可靠性有较全面的认识。“可靠性工程”课程在教学内容上主要设置了以下几个部分:①可靠性定义和常用可靠性指标；②可靠性数据分析方法；③系统可靠性建模和可靠度计算方法；④故障树分析；⑤故障模式影响和危害性分析；⑥系统可靠性设计；⑦可靠性试验；⑧维修性和可用度等。课程教材选用了美国戴顿大学（University of Dayton）Charles E.Ebeling教授编写的《An Introduction to Reliability and Maintainability Engineering》一书，采用双语教学。预期通过本课程的学习，能使学生掌握工程系统和产品的可靠性建模、分析和评估的基本理论和方法，培养学生应用所学的方法解决工程实际问题的能力，能熟练运用可靠性分析软件、统计软件等工具软件对工程系统和产品的可靠性进行分析，对其可靠性进行建模、评估和优化。

2 探究式小班教学过程设计

可靠性是一门综合性很强的学科，涵盖的学科和应用领域也非常广泛。同时，可靠性学科具有较强的工程应用背景和实践性，立足于发现和解决实际工程系统和产品的可靠性问题。因此，在“可靠性工程”课程教学过程中，不能仅停留在推导数学公式和演绎数学模型上，除了要学生牢牢掌握可靠性的基本概念以及建模、分析和计算方法，还要重点让学生深刻理解可靠性数学模型的本质和物理意义，更要强调学生能将可靠性方法应用于解决实际工程问题。

根据学校对探究式小班教学改革的基本思想，“可靠性工程”课程尝试性地对教学过程进行了设计，将课程40个学时分配到以下3种教学形式中:①课堂讲授型教学（24学时）；②课程综合设计答辩（8学时）；③前沿主题讨论（8学时）。其中，课堂讲授型教学将着重给学生讲解可靠性基本概念和思想，剖析难点和重点，夯实基础知识，从而引导和启发学生深入学习。课程综合设计答辩则是要求学生在综合运用所学知识，分组完成两个综合课程设计并进行小班（每30个学生划分为一个小班）分组答辩。前沿主题讨论将安排部分学习能力强的学生对课程讲授以外的可靠性前沿知识自学，或参与任课教师的科研课题研究，最终以报告形式进行小班答辩。

通过上述教学形式，将传统课堂讲授的单一学习模式转变为学生主动思考、自主学习和深入探究的多元模式，让学生全方位融入课程学习，激发学生求知动力和探索精神，从而培养学生研究型学习能力和创新思维。本节将详细介绍“可靠性工程”课程在探究式小班教学中的若干举措。

2.1 打破沉默、激发学生主动性

为了在教学过程中充分调动学生的积极性，改变传统课堂上教师单一讲授、学生灌输式学习的教学模式，形成师生互动和学生讨论良好氛围，打破仅依赖于期中和期末考试的总结性评价方法，“可靠性工程”课程在考核和评价方式上做出了调整，即重视学习过程，增加学习过程中的形成性评价。课程最终成绩由3部分构成:①期末考试卷面成绩（占50）；②综合课程设计成绩（占40）；③参与课堂讨论成绩（占10%）。其中，期末考试以考查学生对可靠性分析等基本方法掌握程度为主；综合课程设计成绩采取学生相互评分方式，由其他同学根据每个课程设计小组两次答辩情况进行评判；参与课堂讨论成绩由任课教师和助教根据每个同学在课堂教学、综合课程设计和答辩，以及前沿主题讨论过程中主动提问和回答问题情况决定。这种评价方式要求每个选课学生都必须完全融入课程学习和教学互动。实践表明，通过这种评价方式能逐渐打破课堂教学“一言堂”的局面，在优秀学生的熏陶下，绝大部分学生在课程各个环节中能打破沉默，积极参与问题的讨论和交流，学生主动性和课堂教学参与度得到了有效地提高。

2.2 夯实基础、注重实践

“可靠性工程”课程在讲授可靠性指标、可靠性数据分析以及系统可靠性建模和可靠度计算等内容时，对概率论、随机过程和数理统计方面的数学基础知识要求较高，这些数学基础知识也是工业工程专业学生所必须熟练掌握的。因此，在工业工程专业培养方案中，将“概率论与数理统计”和“应用随机过程”课程作为“可靠性工程”课程的先修课。与此同时，为了充分利用有限的课堂讲授学时（24个学时）给学生传授新知识点，要求学生在开课的前三周课后自行温习“概率论与数理统计”和“应用随机过程”两门课程的部分相关内容，任课老师设计相关习题和课堂提问帮助学生回顾已学知识点，这些习题和提问稍加变换就能与可靠性基本概念和分析方法相关联。例如，计算服从某种特定分布（如指数分布、对数正态分布）的随机变量大于某个给定值的概率，若将某类产品的寿命视为上述问题中的随机变量，则所计算的概率便表示该类产品在某一时刻的可靠度；“应用随机过程”课程中的连续时间马尔可夫模型能与备份系统可靠模型建立关联。要求学生课程前期温习数学基础知识，一方面能巩固和夯实学生的数学基础，有助于理解新的知识点；另一方面，避免了在有限课时中对已学知识点的重复讲述。

在课程讲授中，突出重点和难点，重心放在剖析基本原理、解决问题的基本思路上，以启发式讲授为主。除了对关键公式推导和演绎要做重点讲解以外，还应讲解其本质、内涵和物理意义。例如，在讲解产品寿命服从指数分布的情况时，除了推导其相关可靠性指标外，还应该详细地解释这类产品失效规律的“无记忆性”或“损伤不累积”的本质特征；以电路失效为例，阐明产品中元件的物理结构并非等价于元件在可靠性模型中的结构。当学生对基本概念和方法熟悉后，引导和启发学生进行深入学习与思考。例如，在系统可靠性建模部分，任课老师重点讲解串、并联系统和齐次k-out-ofn:G系统的可靠性建模的基本原理，以此为基础，启发学生推导和演绎混联系统、k-out-of-n:F系统和非齐次k-out-of-n:G系统的可靠性模型。

此外，在教学过程中应注重理论与方法的实践性。在课堂讲授过程中，以汽车、发动机、电子产品、生产系统等学生比较熟悉的对象为案例进行知识点的讲解。在课程综合设计中，所提供的题目也主要来自于实际的科研项目和工程需求。例如，课程综合设计之一“柴油发动机关键部件失效数据分析”，其数据来源于我国某知名柴油机研制企业的售后服务点，包含了上万条柴油机的维修和保养记录，能让学生对真实的可靠性数据有非常直观的认识，也能调动其兴趣。又如，在介绍故障树分析时，以“笔记本无法正常开机”和“自行车骑不动”等学生非常熟悉的现象，讲解故障树建立和分析方法，其收效更好。

2.3 强调知识综合运用、培养学生研究性学习和交流能力

综合运用所学专业知识解决问题是培养学生研究性学习能力的有效手段。在“可靠性工程”课程探究式小班教学中，学生要求自由组成三人小组，每组在规定的日期前完成两个课程综合设计题目并参加两次课程综合设计答辩。综合课程设计题目由任课教师和助教共同拟定，在开课前期发布。课程设计内容均需要学生综合运用本专业的两门以上课程的知识。如课程设计“柴油发动机关键部件失效数据分析”，要求学生首先熟悉柴油机和关键部件结构与功能，根据柴油机关键部件的售后维修记录分析其不同失效模式的潜在规律，发现部件易失效的薄弱环节。学生需要借助数理统计、试验设计等相关专业知识完成该课程设计。在课程设计“复杂系统的可靠性优化设计”中，要求学生综合运用工程经济、运筹学、工程优化等相关知识建立系统可靠性设计决策模型，并选用优化算法对模型进行求解。此外，可供学生选择的题目还有“产品性能退化数据分析和寿命预测”和“基于仿真的复杂系统可靠性分析”等。每个小组所拿到的数据和要解决的问题存在一定区别，以避免课程设计过程中的抄袭现象。

学生在完成这些课程设计过程中往往需要查阅相关文献、自行学习相关的工具软件（如Minitab、SPSS、R等）和利用 Matlab、C语言编程实现算法，从而培养学生研究性学习能力。在课程设计“复杂系统的可靠性优化设计”中，常规的优化算法很难有效求解其优化模型，绝大部分学生会选择自学和编程实现遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等更有效的智能优化方法对问题进行求解，甚至有不少学生尝试对这些优化算法进行改进以提高计算效率。

综合课程设计的评价方式采取了小组答辩方式。在答辩过程中，每个小组成员要介绍自己在该综合课程设计中的分工和主要贡献。答辩的评分标准不仅包括课程设计完成质量，还涉及对答辩陈述和幻灯片的评价。在这种互动的答辩过程中，学生能对比发现自己在答辩中的不足表现，有助于提高学生的表达和交流能力。

2.4 触摸学科前沿、挖掘优质学生科研潜力

与传统大班教学相比，小班教学的另一个优点在于任课教师能关注到每个学生的特点和个性，从而因材施教，增加授课内容的深度和灵活度，并发现具有科研潜力的优质学生。在“可靠性工程”课程的探究式小班教学过程中，任课教师将根据前4～5周学生课程学习情况和感兴趣程度，遴选出4～6位优秀学生对可靠性学科的一些前沿性问题开展调研。比如动态故障树分析、模糊故障树分析、多状态系统的可靠度计算、考虑失效相关的可靠性建模、产品预防性维修决策、产品保修策略和基于贝叶斯的可靠度分析等课堂教学以外的内容。每个学生选择一个主题，任课教师给学生提供部分参考资料作为引导，学生要求查阅相关文献（尤其是英文文献）进行深入了解，并且定期向任课教师或助教汇报进展和讨论疑问，对所选择的前沿主题的研究现状进行归纳和总结，并实现部分方法。在课程结束前2周，将安排8学时的前沿主题讨论环节，这一部分优秀学生将以报告形式给其他同学讲解和讨论这些前沿主题，包括方法的基本原理和实施步骤等，并回答同学的问题。

除此以外，依托学院可靠性科研团队平台，让优秀学生参与科研团队的可靠性相关课题，如国家重大科技专项、国家自然科学基金等，以高水平科研促进人才培养，挖掘优质学生的科研潜力，培养精英人才。学生开展的科研工作和取得的阶段性成果将在课程结束前以报告形式呈现给其他同学。

被遴选出参加前沿主题讨论或参与科研课题的学生将直接获得参与课堂讨论成绩。在这种培养机制下，目前已有3名优秀本科生在可靠性领域国际顶级期刊中发表SCI论文3篇。经过近一学期的科研训练，绝大部分学生愿意选择在即将开始的大四毕业设计中继续对这些前沿主题或科研课题进行深入探究。

3 结束语

课程结束后，电子科技大学教务处对选课学生进行了匿名问卷调查，问卷内容包括对探究式小班教学形式和内容的满意程度、与传统单一讲授型教学模式的对比、师生互动、学习主动性调动、知识点掌握等内容，共收到问卷反馈59份，其中，对该课程探究式小班教学总体评价为“非常满意”和“满意”占93.2，对该课程继续开设探究式小班教学的支持率达到98.3。由此可见，“可靠性工程”课程探究式小班教学取得了令人满意的效果，达到了激发学生融入课程学习和主动求知的目的，培养了学生研究性学习能力与创新思维。

在未来课程探究式小班教学建设中，我们将尝试邀请工业界从事可靠性技术专家和管理人员加入课程的教学和讨论中，为学生了解和学习可靠性知识提供更多元化的平台和机会。

［1］朱红，马莉萍，熊煜.“大班授课、小班研讨”教学模式效果研究［J］.中国高教研究，2016（1）:42-47.

［2］孙燕君，卢晓东.小班研讨课教学:本科精英教育的核心元素——以北京大学为例［J］.中国大学教学，2012（8）:16-19.

［3］黄建欢，张亚斌，祝树金.小班讨论的组织模式和教学效果——响应学生需求的视角［J］.大学教育科学，2015（152）:44-48.

［4］周杭霞，雷凌，刘砚秋，等.“大班授课、小班讨论”研究性教学模式探讨［J］.计算机教育，2015（8）: 16-17，39.

［5］于璐，秦少华.西方经济学课程教学改革——基于四川大学“大班授课，小班研讨”教学改革的总结［J］.科教导刊，2015（3）:85-87.

［6］陶俊勇，任志乾，陈循.美国马里兰大学可靠性工程专业与课程体系建设浅析［J］.高等教育研究学报，2009，32（1）:51-53.

［7］孙权，龚时雨，朱志伟.美国马里兰大学可靠性工程教育的研究与借鉴［J］.高等教育研究学报，2000，23（3）:38，96-97.

［8］李海庆，黄洪钟，袁容，等.《可靠性工程》课程研究型教学的探讨和实践［J］.实验科学与技术，2012，10（3）:135-137.

［9］武红霞，刘竹丽.机械专业“可靠性工程”课程教学方法研究与实践［J］.机械管理开发，2011（120）:168-169.

［10］张建平，徐达成，王琛，等.机械可靠性工程课程教学模式的设计与创新［J］.新课程研究，2014（4）:42-44.

Study on Research and Discussion-oriented Small-class Teaching in the Course of Reliability Engineering

LIU Yu，LING Dan，LI Yanfeng
（School of Mechatronics Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Since 2015，University of Electronic Science and Technology of China has lunched the Research and Discussion-oriented Small-class Teaching program.In this paper，we discuss our primary ideas in the revolution of small-class teaching and the means we adopted in the course of reliability engineering.We found that the new teaching pattern can incent college students to learn the knowledge by them，to conduct some preliminary research works，and to utilize their various professional knowledge jointly.The research capability of excellent students has been improved as well.Our end-goal，that to foster elite college students，has been achieved.

research and discussion-oriented teaching；reliability engineering；education revolution；research-oriented learning；industrial engineering

G482

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.001

2016-04-18；修改日期：2016-05-19

电子科技大学探究式小班教学课程建设基金（2015XBJX0013）

刘 宇（1982-），男，博士，教授，主要从事复杂系统可靠性的研究。