面向解决复杂工程问题的失效分析课程教学研究

赵子华　有移亮　张峥　吴素君　钟群鹏

摘要：《华盛顿协议》把解决复杂工程问题作为高等学校本科阶段工科教育的核心要求。参照工程教育认证标准，对失效分析课程中的复杂工程问题进行了阐述，并对教学内容和教学方法进行了探索和实践，以期丰富和完善材料科学与工程专业的本科工程教育课程体系。

关键词：复杂工程问题；失效分析；课程教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）17-0180-03

一、引言

在经济全球化、“中国制造2025”、创新驱动发展战略等背景下，高等工程教育要求培养具有国际化视野且能处理复杂工程问题的人才。2016年6月2日，中国成为第18个《华盛顿协议》正式成员，是我国工程教育国际化的重要标志。《中国工程教育专业认证协会工程教育认证标准》（2015版）进一步突出了本科阶段工科教育对解决复杂工程问题的要求，在12项“毕业要求”中，突出能力的指向是解决复杂工程问题。

虽然《中国工程教育专业认证协会工程教育认证标准》（2015版）界定了复杂工程问题的若干重要特征，但是在本科工程教学实践中如何理解“复杂工程问题”中的复杂性？如何培养学生解决复杂工程问题的能力？本文以北京航空航天大学材料科学与工程专业的工程专业课程——《失效分析》为例，对失效分析领域复杂工程问题的复杂性进行了探究，从课程内容设置和教学方法等方面探讨了学生“解决复杂工程问题”能力的培养和提升。

二、失效分析中的复杂工程问题

失效分析是一门新兴的综合性学科，它有两个基本特点：一是综合性，涉及多个科学领域和技术门类，呈现多学科的交叉性和边缘性；二是工程性，与国民经济发展紧密相关，社会效益显著。

失效的发生常常引起灾难性后果，准确判断失效模式、分析失效原因和研究失效机理、提出减少或防止类似事故再次发生的措施是失效分析的全过程。失效分析工作的工程应用背景面向的就是复杂工程问题，以下我们分别从失效分析对象的系统性、失效分析多学科多领域的交叉性、失效分析内涵的丰富性以及失效分析的工程伦理性等四个方面对失效分析之复杂性进行解读。

1.失效分析对象的系统性——纵向复杂性。失效分析的纵向复杂性体现在失效分析对象的系统性上，包含失效分析对象的全寿命周期性和外延性。失效分析面向的对象是失效件或失效系统，主要任务是找到失效的原因，这是一个从结果到原因的逆向分析过程。简单机电产品或单个零部件的失效会涉及到失效分析对象全寿命周期的各个阶段：设计、选材、加工、装配、使用。重大机电装备或复杂系统的失效原因分析不仅涉及关键零部件或分系统的全寿命周期各个阶段，还要考虑零部件或分系统之间在装配和使用过程中的干涉和交互作用。失效分析对象的系统性还体现在外延性上。分析失效原因，不仅要考虑失效分析对象全寿命周期各个阶段的技术状态，还要考虑失效分析对象所处的环境、相关的法律法规和人员等。

2.失效分析多学科多领域的交叉性——横向复杂性。失效分析的横向复杂性体现在失效分析的多学科多领域的交叉性上。失效对象具有广泛性，涉及不同领域、不同材料、不同结构等；失效原因具有不确定性，可能是设计不合理、可能是选材不合适、可能是工艺不恰当、可能是装配不匹配，也可能是使用不合规等；失效模式具有多样性，包括变形、断裂、腐蚀、磨损等。以上因素决定了失效分析具有多学科多领域交叉的特征，涉及材料学、力学、摩擦學、机械制造工艺学等多个技术学科领域。失效分析工作不仅是自然科学领域的技术分析，还包括前期失效证据信息的收集甄别、后期的管理提升等工作。因而，失效分析还涉及逻辑学、管理学等社会学科和边缘学科。

3.失效分析内涵的丰富性——深度复杂性。失效分析的深度复杂性体现在失效分析内涵的丰富性上，失效分析分为失效诊断、失效预测和失效预防等三个阶段层次，失效诊断又可分为失效模式诊断、失效原因诊断和失效机理诊断等三个深度层次。失效原因诊断是失效分析的主要任务之一。失效这一确定性的结果往往是多个原因在不同时间不同空间联合作用造成的，从结果到原因的分析方法具有内在的发散性。“动力大于抗力”是机电装备失效的原则判据，动力是机电装备材料和结构承受的外部载荷，抗力是机电装备材料和结构的内在强度指标。正常情况下，机电装备的动力小于抗力，而失效的发生，往往与“助力”有关。“三力”分析方法是失效分析的主要分析思路之一，三力即动力、抗力和助力。失效动力具有多场时空耦合性，以航空发动机涡轮叶片为例，其服役环境为高温、高压、高速、强氧化、强瞬变，承受多轴非线性动态机械应力、非均匀热应力、高温化学氧化的长时间联合作用。失效抗力要求材料和结构具有优良的综合性能，考核材料的指标不仅是单一的性能（Property），更是材料科学与工程四要素中的第四要素——服役性能（Performance），即材料和结构在服役环境或近服役环境下的强度和寿命表现。失效助力往往是被忽视或当前水平认知不足导致的，助力一方面会提高局部动力，另一方面会降低局部的抗力，往往具有隐密性和随机性。

4.失效分析的工程伦理性——社会复杂性。工程应用的目的是促进经济社会发展，造福人类，同时也应该考虑工程可能带来的不良影响。随着经济社会的发展，现代工程呈现出大规模、高参数、极端环境运行的特征，失效后果更加严重。从失效和失效分析预测预防的逆向角度去思考工程伦理性（工程伦理是阐述、分析工程活动与外界之间关系的实践伦理），视角独具。以核能利用工程为例，核能利用工程是人类取得的重大工程进展之一，从失效分析预测预防等方面来评估核能利用工程与环境、社会可持续发展的关系是一个重要课题。虽然核能利用工程的失效概率很低，但其失效后果可能会是灾难性的，美国三里岛核事故、苏联切尔诺贝利核灾难和日本福岛第一核电站事故等带来的严重后果至今尚未完全消除。我们要有工程风险意识，从失效概率、失效后果、失效预防等方面对工程进行风险评估。必要的情况下，为了环境和社会的可持续发展要放弃重大工程。人为因素是重大工程失效的主要原因之一，而人的知识水平、人文素养、即时情绪等具有很大的不可控性。应该从失效预防的角度去考虑人与工程的关系，努力降低重大工程的人为参与风险。

对于从事失效分析工作的人员要求，除了要有扎实的专业基础知识和较广的知识面、“医生的思路，侦探的技巧”、善于学习，还要实事求是、有强烈的社会责任感、遵守工程职业道德和规范。

三、失效分析课程“处理复杂工程问题”的教学

如何通过失效分析课程的教学，让学生理解复杂工程问题，学会处理复杂工程问题，进而提高解决复杂工程问题的能力？我们从教学内容和教学方法方面进行了尝试。

1.教学内容设置。失效分析课程的教学目的是融知识传授、能力培养和素质教育于一体，培养学生运用已有的基础知识去分析解决工程失效问题，提高学生的创新思维和创新能力，在分析解决问题的过程中提升专业素养和综合素质。教学内容包括四个层次：第一层次是“讲”，即失效分析知识、思路、程序、方法、理念的传授，主要包括失效模式、失效机理、失效诊断、失效预测和失效预防等基本概念、基础理论和基本原理的介绍以及常用分析技术和方法的概要讲授；第二层次是“析”，即经典案例解析，包括四个具有重大影响的国外失效案例（分别是英国“泰坦尼克号”游轮沉没事故、英国“彗星号”喷气客气坠毁事故、美国“哥伦比亚号”航天飞机爆炸事故、德国高速列车脱轨事故）和从我们承担或参与完成的近百项重大失效分析案例中精选出的四个案例（东方化工厂“6.27”事故、航空发动机涡轮叶片断裂事故、卫星发动机尾喷管失效事故、催化裂化装置轴流主风机断裂事故）；第三层次是“论”，即课堂讨论，学生查阅失效案例文献后在课堂上讲述案例并进行讨论；第四层次是“践”，即失效分析工程实践，与特色实验课《无损检测与失效分析》相结合，每五个学生组成一个小团队，开展简单的失效分析实践工作，内容包括受力分析、材料性能检验、断口分析、原因讨论等环节，最终按标准撰写失效分析报告。

2.教学方法。在教学方法上，根据其教学特点和基本规律，我们主要采取了专业教育和素质教育相结合、理论学习与工程实践相结合、启发式和互动式相结合、简单案例和复杂案例相结合、文献调研与课堂演讲相结合等多种教学方法和方式，提高学生对失效分析的兴趣，培养学生解决复杂工程问题的能力、创新能力和综合分析能力，从而使其毕业后工作具有较强的竞争能力、研发能力和适应能力。（1）专业教育和素质教育相结合。失效因素复杂多样，一般涉及“人、机、料、法、环、测”，故分析过程中既要专业，又要公正，给出的结果要让人信服、经得起验证。在讲解失效案例时，一方面强调专业知识的重要性，另一方面还强调人的基本素质和工作态度的重要性。通过一些重大失效案例迂回曲折的分析过程介绍，让学生意识到应具有高尚的职业道德和人格，教导学生注意科研素养和综合素质的提高和完善。（2）启发式和互动式相结合。理工科的本科生具有思考缜密和逻辑性强的思维特点，但工程应用的经验较少，因此在讲解具体失效案例时，通常采用启发式的讲解方式，先展示失效零部件的图形和图像，讲清工艺流程、使用材料、工程背景和存在问题，然后提出问题让学生思考，引导他们从设计、材料、制造、安装、检验、操作、维护、环境等方面考虑，学生理解后会提出了自己的看法和观点，再通过老师的分析，有效实现了师生间的互动和讨论，课堂气氛活跃，学生积极性高，训练了学生的分析能力、逻辑能力和探索能力。（3）理论学习与工程实践相结合。学以致用，是失效分析课程的最终目的。失效分析概念、方法、思路、程序、技術等的理论介绍是构架学生失效分析知识体系的基础，必不可少。为了使学生深入理解失效分析知识，深刻体会失效分析的特点，还需要“实践出真知”。我们选取有代表性的失效分析案例，以小组的形式开展失效分析工程实践，并结合特色实验“无损检测和失效分析”，让学生做一个全过程的失效分析，形成带签字格式的失效分析报告并进行答辩，接收大家的质疑。如此，可培养学生分析问题的能力、团队协作能力和沟通能力。（4）简单案例和复杂案例相结合。失效涉及面广，分析步骤多，除讲解简单案例的失效外，如单个零件的疲劳断裂失效过程，让学生了解分析的一般步骤和方法；更要系统介绍复杂案例的失效分析过程，如航空发动机涡轮叶片的失效分析，让学生懂得失效是由许多偶然因素相互作用后发生的必然事件，让学生懂得分析要精准、全面，思考问题要全方位、多角度，从而潜移默化地训练了学生的综合分析能力。（5）文献调研与课堂演讲相结合。为了提高学生的专业自学能力和外语阅读能力，我们除了细致讲解一些重要的专有名词的英文术语以帮助理解英文原版书内容外，还专门从国际期刊上下载不同失效案例的英文论文，让其根据原文在课外借助图书馆、网络等工具查阅相关文献，各自独立撰写有新意的读书报告和小论文，课堂上以开研讨会的形式让每位学生一一上台演讲。学生们就指定的失效分析论文介绍主要的内容，陈述自己的观点和看法，老师进行现场即时点评，提出一些相关问题让其回答，从而有效训练了学生的基本能力和反应能力。同时，针对有些英文论文存在的一些问题提出意见，让学生懂得从事科研必须要有批判和质疑精神，这样才会促进科技进步，创新能力和科研能力才会获得提升。

四、结束语

当前我国正在从制造大国向制造强国转变，在此历史进程中，国家需要一代有高度责任感有国际视野能处理复杂工程问题的工程师，这对我们的高等工程教育提出了新的要求。为了适应时代发展的要求，我国的工程教育专业认证工作也正在如火如荼地进行。失效分析是“复杂工程问题”的天然载体，在失效分析课程教学改革实践中，我们始终以提高学生“解决复杂工程问题”的能力为目标，循序渐进地让学生认识、理解并开始接触复杂的工程失效问题，继而学习并实践如何处理复杂工程失效问题，最终初步学会解决复杂工程失效问题的思路和方法。

参考文献：

[1]余寿文.工程教育评估与认证及其思考[J].高等工程教育研究，2015，（3）：1-6.

[2]周玲，马晓娜，孙艳丽，孙晓娟.工程教育，让世界更美好——2015年全面工程教育国际研讨会（TEE 2015）综述[J].高等工程教育研究，2015，（4）：27-35.