《失效分析》课程教学与实验环节的改革

2014-02-02康学勤

教育教学论坛 2014年40期

关键词：失效分析中国矿业大学实验

康学勤，孙智

（中国矿业大学，江苏徐州 221116）

《失效分析》课程教学与实验环节的改革

康学勤，孙智

（中国矿业大学，江苏徐州 221116）

国内外失效分析差距较大，对于失效分析人才的培养是高校失效分析教育工作者重中之重的任务，本文着重阐述了《失效分析》课程教学内容、试验设计及教学方法的改革，使学生具备失效分析理念、提升失效分析工作者技术水平。

失效分析；教学改革；研讨式教学

材料失效分析在近代材料科学与工程的发展史上占有极为重要的地位。可以说材料科学的发展史就是一部失效分析史。材料是用来制造各种产品的，它的突破往往成为技术进步的先导，而产品的失效分析又回过来促进材料的发展。近年来我国部分高校相继开设《失效分析》课程，越来越多的人投入到失效分析行列的大军中。随着经济和社会的发展，尤其是国外保险行业的进入，设备的保险必将成为保险行业的重要领域，在这一领域中需要大量优秀的失效分析人员，因此对于失效分析人员的培养成为工科高校一项重要的任务。目前高校对于从事失效分析人员的创新能力和实践能力方面的培养仍然达不到社会的需求，尤其是保险行业中对失效分析人员的期望。故需对《失效分析》课程及失效分析人员的培养模式进行探讨和思考。

一、失效分析教育国内外现状

在国外很早就建立了比较完善的失效分析中心。德国的失效分析中心主要是各州建立的材料检验中心，西德的十一个州共有523个材料检测中心，这些检测中心承担全国的失效分析任务。德国的工科大学也建有自己的材料检验中心，由于资源优势其失效分析在国际上也处于领先地位，是失效分析的权威单位。例如，斯图加特大学的材料检验中心，它的主要任务是负责电站，特别是核电站、压力容器及管道的安全可靠性问题。在日本，技术材料技术研究所和产业安全研究所是国家设立的失效分析机构，同时日本的企业，如日立、新日铁、三菱和三井等公司有自己专门的研究机构。在美国政府、公司及大学设立的失效分析机构遍布全国各个部门。当然这些国家的失效分析机构与其失效分析方面人才的培养是分不开的。在国外各工科院校不但开设了失效分析课程，还设立自己的失效分析机构，学生在大学阶段不但学习了失效分析的课程，还能够参与各结构的失效分析任务，掌握了失效分析工作所要求的知识和技能。同时各工科院校对在职职工有计划地进行技术培训。像斯图加特大学、加州大学、华盛顿大学和里海大学，他们不但承担着学生基础知识和技能培训的任务，还承担着公路和桥梁方面的失效工作。

在国内，早期我国的机械行业处于仿制-研究阶段，失效分析工作只是为生产中的问题提供一些资讯，并没有得到足够的重视，也没有统一的组织形式。1980年在中国机械工程学会的领导下，在北京召开了全国第一次机械装备失效分析经验交流会。1983年，我国将失效分析课程列为工课院校材料与工程类专业教学计划中的必修课程，在清华大学、浙江大学等著名高校还将失效分析列为机械类学生或工科类学生的选修课或研究生课程，使我国的失效分析队伍逐步形成。但是由于起步较晚，我国的失效分析工作者无论在专业程度、组织形式方面，还是在技术水平及所采取的手段方面，都还有待于进一步提高。

中国矿业大学自90年代起，开设与失效分析相关的课程，先后开设过《机械零件失效分析》、《材料失效分析》和《失效分析》等课程，完成《机械零件失效分析》（朱敦伦，周汉民，强颖怀编著）和《失效分析——基础与应用》等教材的编著。开设对象主要为原来的金属热处理和现在材料学院的材料科学与工程及材料成型及控制专业。2008版教学大纲将该课程设为研讨类课程，这就要求该课程的讲授不仅仅是在课堂上用图片讲授一些失效分析的实例，更要求学生参与到失效零件的失效分析过程中去，这就对我们的教学条件提出了更高的要求。

二、失效分析课程教学与实验环节的改革与实验

失效分析是综合利用材料科学相关专业知识，并着重从金属学、力学、机械工程学及化学的角度出发，讲述金属材料及其制作件因设计、选材、加工、处理、装配及使用过程中所发生的早期失效行为，分析其宏观形貌特征、微观机制、影响因素及防止方法等，在教学过程中要实现这样的目的，我们就要使用新的教学模式、教学理念和教学方法。由于失效分析的教学与现场结合紧密，应该对课程的试验环节提出更高的目标。以往课堂讲授的方式已经很难满足当今社会对失效分析人才的要求。当今社会需要我们培养多层次、多规格的应用型失效分析人员，如何进行这些人才的培养是失效分析高校教育中最重要的任务。

过背北京航空航天大学率先开展了失效分析方面人才的培养及课程的改革，借鉴这些经验，根据我们学校自身的特点，中国矿业大学材料科学与工程学院从教学体系和实验环节两个方面进行了改革。

（一）教学体系的改革

在传统的中国高校教学模式中，教师和教材是整个教学的中心，教学过程中教师关注的是向学生讲解了哪些知识，对学生潜能和创新能力的挖掘却被忽视，最终的结果就是学生学到了知识，但是却不知道如何应用这些知识。为了培养学生独自解决问题的能力，结合学校的现有资源我们在教学方法上使用原有的案例教学，同时在案例的讲授过程中使用研讨的方式进行案例的介绍。研讨式教学过程能够充分调动学生学习的积极性和主动性，在课程内容的选取上，我们重点讲授和讨论实际生产过程中的问题。

1.增设实验课程。《失效分析》课程试验的开设，不仅能够较深学生对基本理论和技术的理解，还能够培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。工程技术中实际问题的解决必须要求学生具有全面的、综合的能力，因此强化学生综合能力的培养尤为重要。在《失效分析》课程中开设试验可以使学生综合运用大学四年所学的知识解决生产现场遇到的问题，全面提高学生解决实际问题的能力。

目前，我国《失效分析》课程中基本没有开设实验课程。原有的案例教学方式也是教师根据以往的失效实例进行讲解和介绍，学生也只是停留在某个零件的失效分析思路上，往往没有自己的思路。《失效分析》课程实验的开设，采用“学生为主体，教师为主导”的教学模式，让学生根据实际的失效零件和自己所学的知识，提出自己的分析思路，利用各种分析手段，最终解决实际问题，充分调动学生的积极性。学生针对失效的零件，综合运用所学的基础理论知识及技能进行分析，根据分析结果提出失效分析方案。学生根据自己的实验方案，设计相关试验进行研究。这一过程不但强化了学生的综合实践能力，还培养了学生的科研创新能力，通过这一过程还培养了学生发现问题、分析问题及解决问题的能力。失效分析进行过程中，各个步骤相互关联，任一环节的失误都将影响最终的分析结果，因此这一过程还能培养学生严谨的科学态度，为学生今后从事科研工作或者实际生产问题的解决打下了良好的基础。

2.案例、问题、项目和课题的研讨式教学。工科教育中大一与大二主要进行的是基础知识的讲解，大三及大四进入专业课程的学习后，除了知识的介绍还应对学生的思维能力、创新能力及分析能力进行培养，由于工科大学生最终面向的是工厂及企业，所以还要注重对他们利用所学知识解决实际问题能力的培养。

著名教育家杜威曾经说过：最好的教学，就是牢牢记住学校教材和实际经验二者相互联系的必要性，使学生养成一种态度，习惯于寻找这两方面的接触点和相互的联系。在这种思想的指引下，课堂上教师的教学内容可以包含典型的案例、科研项目及课题中的问题，对于这些问题教师通过研讨的方式提出，有些问题可以组织学生在课堂上进行讨论，有些问题可以让学生在课下查阅相关的资料后，分析问题，然后进行课堂讨论，最终找出解决问题的方案。由于这些问题大多是与工厂企业结合，问题解决的同时也使学生具备了实际的工作技能，同时还能培养学生团队合作以及相互交流的能力。

3.根据学校环境，创办有自身特色的失效分析课程。在保证《失效分析》课程教学的同时，由于我校开设该课程有近三十年的历史，形成了自己的鲜明特色。中国矿业大学材料科学与工程专业的前身是金属热处理专业，因此原有《失效分析》的内容主要侧重于金属材料，尤其是煤矿机械在热处理过程中的失效。在2004年材料学院成立后，在原有专业的基础上相继开设了材料成型、高分子材料及无机非金属专业，因此《失效分析》的内容也根据不同专业相继扩展到铸、锻、焊及机加工过程中零件的失效，电子元器件的失效以及人工关节材料的失效等。

（二）实验环节的改革

以往的《失效分析》课程没有开设相应的实验课，主要是通过授课教师案例的讲授或者其他课程的实验环节获得基本的实验技能。在教学过程中由于学时的限制和实验条件的不足，任课教师只是简单的介绍一些常用的实验手段和实验步骤，使学生缺乏感性的认识，往往出现上课的时候学生听的非常明白，而到实际应用时不知如何下手的状况。根据这种现象，在新版的教学计划中，《失效分析》课程开设了三个实验课程，培养学生自己动手及解决实际问题的能力。

1.以实验为核心，建立认识、认知、升华的实验体系。基于培养学生发现问题、分析问题及解决问题能力培养的目标，《失效分析》课程开设了三个实验。第一个实验为失效分析故障树的建树与应用，采用手工分析和计算机绘制故障树图的方式完成实验；第二个实验为失效分析基本方法中的宏观分析法，通过实际失效件及其断口的宏观分析；第三个实验为具体零件的失效分析，采用各种实验方法，分析零件失效的原因。通过这样的三个实验，让学生在学习过程中逐步建立起对失效分析的认识、认知和升华的实验体系。

加强实验内容的综合性，采用具体的失效零件，让学生根据失效模式提出问题，根据问题设计实验步骤，充分调动学生学习的积极性和主动性。

2.以实际问题为核心，建立综合性的实验教学体系。将《失效分析》实验课与生产实际联系起来，学生在学习基础理论知识及技能的同时，由于接触了大量的现场问题，也可以大大提高工科大学生的实践能力。由于开放性的教学体系和实验过程，也培养了学生的创新能力。失效分析实验中所用零件均来自工厂企业失效的零件，其失效过程复杂，其失效原因的分析具有很强的探索性和研究性，由于这些失效零件来自于现场实际，分析具有针对性，分析过程中学生不仅能了零件的使用环境，而且能了解零件的选材、加工、使用以及维护过程。这样的实验过程激发了学生的学习兴趣，能够使学生积极的思考，发挥自己的聪明才智，寻找机械零件失效的原因。通过这一过程的锻炼，学生的科研能力得到提高，也学会了失效分析的方法。

3.以生产实际为核心，建立实验基地。《失效分析》是一门实用性很强的课程，这就要求学生具有很强的理论联系实际的能力。失效分析实践教学体系的建立要求我国高校与工厂企业要有紧密的联系，由于大部分工厂企业对失效分析不够重视，导致高校与企业脱钩，高校失效分析工作的实践教学环节薄弱的现象。虽然之前我们也做过大量的失效分析案例，但是分析过程往往是破坏性的，并没有留下太多资料，这就要求我们在以后的分析过程中，在保证分析质量的同时，尽量留下较多的失效零件，给失效分析课程提供更多的实验素材，建立《失效分析》课程的实验基地。