《失效分析》課程教學與實驗環節的改革

康學勤，孫 智

（中國礦業大學，江蘇 徐州 221116）

《失效分析》課程教學與實驗環節的改革

康學勤，孫 智

（中國礦業大學，江蘇 徐州 221116）

國內外失效分析差距較大，對于失效分析人才的培養是高校失效分析教育工作者重中之重的任務，本文著重闡述了《失效分析》課程教學內容、試驗設計及教學方法的改革，使學生具備失效分析理念、提升失效分析工作者技術水平。

失效分析；教學改革；研討式教學

材料失效分析在近代材料科學與工程的發展史上占有極為重要的地位。可以說材料科學的發展史就是一部失效分析史。材料是用來制造各種產品的，它的突破往往成為技術進步的先導，而產品的失效分析又回過來促進材料的發展。近年來我國部分高校相繼開設《失效分析》課程，越來越多的人投入到失效分析行列的大軍中。隨著經濟和社會的發展，尤其是國外保險行業的進入，設備的保險必將成為保險行業的重要領域，在這一領域中需要大量優秀的失效分析人員，因此對于失效分析人員的培養成為工科高校一項重要的任務。目前高校對于從事失效分析人員的創新能力和實踐能力方面的培養仍然達不到社會的需求，尤其是保險行業中對失效分析人員的期望。故需對《失效分析》課程及失效分析人員的培養模式進行探討和思考。

一、失效分析教育國內外現狀

在國外很早就建立了比較完善的失效分析中心。德國的失效分析中心主要是各州建立的材料檢驗中心，西德的十一個州共有523個材料檢測中心，這些檢測中心承擔全國的失效分析任務。德國的工科大學也建有自己的材料檢驗中心，由于資源優勢其失效分析在國際上也處于領先地位，是失效分析的權威單位。例如，斯圖加特大學的材料檢驗中心，它的主要任務是負責電站，特別是核電站、壓力容器及管道的安全可靠性問題。在日本，技術材料技術研究所和產業安全研究所是國家設立的失效分析機構，同時日本的企業，如日立、新日鐵、三菱和三井等公司有自己專門的研究機構。在美國政府、公司及大學設立的失效分析機構遍布全國各個部門。當然這些國家的失效分析機構與其失效分析方面人才的培養是分不開的。在國外各工科院校不但開設了失效分析課程，還設立自己的失效分析機構，學生在大學階段不但學習了失效分析的課程，還能夠參與各結構的失效分析任務，掌握了失效分析工作所要求的知識和技能。同時各工科院校對在職職工有計劃地進行技術培訓。像斯圖加特大學、加州大學、華盛頓大學和里海大學，他們不但承擔著學生基礎知識和技能培訓的任務，還承擔著公路和橋梁方面的失效工作。

在國內，早期我國的機械行業處于仿制-研究階段，失效分析工作只是為生產中的問題提供一些資訊，并沒有得到足夠的重視，也沒有統一的組織形式。1980年在中國機械工程學會的領導下，在北京召開了全國第一次機械裝備失效分析經驗交流會。1983年，我國將失效分析課程列為工課院校材料與工程類專業教學計劃中的必修課程，在清華大學、浙江大學等著名高校還將失效分析列為機械類學生或工科類學生的選修課或研究生課程，使我國的失效分析隊伍逐步形成。但是由于起步較晚，我國的失效分析工作者無論在專業程度、組織形式方面，還是在技術水平及所采取的手段方面，都還有待于進一步提高。

中國礦業大學自90年代起，開設與失效分析相關的課程，先后開設過《機械零件失效分析》、《材料失效分析》和《失效分析》等課程，完成《機械零件失效分析》（朱敦倫，周漢民，強穎懷編著）和《失效分析——基礎與應用》等教材的編著。開設對象主要為原來的金屬熱處理和現在材料學院的材料科學與工程及材料成型及控制專業。2008版教學大綱將該課程設為研討類課程，這就要求該課程的講授不僅僅是在課堂上用圖片講授一些失效分析的實例，更要求學生參與到失效零件的失效分析過程中去，這就對我們的教學條件提出了更高的要求。

二、失效分析課程教學與實驗環節的改革與實驗

失效分析是綜合利用材料科學相關專業知識，并著重從金屬學、力學、機械工程學及化學的角度出發，講述金屬材料及其制作件因設計、選材、加工、處理、裝配及使用過程中所發生的早期失效行為，分析其宏觀形貌特征、微觀機制、影響因素及防止方法等，在教學過程中要實現這樣的目的，我們就要使用新的教學模式、教學理念和教學方法。由于失效分析的教學與現場結合緊密，應該對課程的試驗環節提出更高的目標。以往課堂講授的方式已經很難滿足當今社會對失效分析人才的要求。當今社會需要我們培養多層次、多規格的應用型失效分析人員，如何進行這些人才的培養是失效分析高校教育中最重要的任務。

過背北京航空航天大學率先開展了失效分析方面人才的培養及課程的改革，借鑒這些經驗，根據我們學校自身的特點，中國礦業大學材料科學與工程學院從教學體系和實驗環節兩個方面進行了改革。

（一）教學體系的改革

在傳統的中國高校教學模式中，教師和教材是整個教學的中心，教學過程中教師關注的是向學生講解了哪些知識，對學生潛能和創新能力的挖掘卻被忽視，最終的結果就是學生學到了知識，但是卻不知道如何應用這些知識。為了培養學生獨自解決問題的能力，結合學校的現有資源我們在教學方法上使用原有的案例教學，同時在案例的講授過程中使用研討的方式進行案例的介紹。研討式教學過程能夠充分調動學生學習的積極性和主動性，在課程內容的選取上，我們重點講授和討論實際生產過程中的問題。

1.增設實驗課程。《失效分析》課程試驗的開設，不僅能夠較深學生對基本理論和技術的理解，還能夠培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。工程技術中實際問題的解決必須要求學生具有全面的、綜合的能力，因此強化學生綜合能力的培養尤為重要。在《失效分析》課程中開設試驗可以使學生綜合運用大學四年所學的知識解決生產現場遇到的問題，全面提高學生解決實際問題的能力。

目前，我國《失效分析》課程中基本沒有開設實驗課程。原有的案例教學方式也是教師根據以往的失效實例進行講解和介紹，學生也只是停留在某個零件的失效分析思路上，往往沒有自己的思路。《失效分析》課程實驗的開設，采用“學生為主體，教師為主導”的教學模式，讓學生根據實際的失效零件和自己所學的知識，提出自己的分析思路，利用各種分析手段，最終解決實際問題，充分調動學生的積極性。學生針對失效的零件，綜合運用所學的基礎理論知識及技能進行分析，根據分析結果提出失效分析方案。學生根據自己的實驗方案，設計相關試驗進行研究。這一過程不但強化了學生的綜合實踐能力，還培養了學生的科研創新能力，通過這一過程還培養了學生發現問題、分析問題及解決問題的能力。失效分析進行過程中，各個步驟相互關聯，任一環節的失誤都將影響最終的分析結果，因此這一過程還能培養學生嚴謹的科學態度，為學生今后從事科研工作或者實際生產問題的解決打下了良好的基礎。

2.案例、問題、項目和課題的研討式教學。工科教育中大一與大二主要進行的是基礎知識的講解，大三及大四進入專業課程的學習后，除了知識的介紹還應對學生的思維能力、創新能力及分析能力進行培養，由于工科大學生最終面向的是工廠及企業，所以還要注重對他們利用所學知識解決實際問題能力的培養。

著名教育家杜威曾經說過：最好的教學，就是牢牢記住學校教材和實際經驗二者相互聯系的必要性，使學生養成一種態度，習慣于尋找這兩方面的接觸點和相互的聯系。在這種思想的指引下，課堂上教師的教學內容可以包含典型的案例、科研項目及課題中的問題，對于這些問題教師通過研討的方式提出，有些問題可以組織學生在課堂上進行討論，有些問題可以讓學生在課下查閱相關的資料后，分析問題，然后進行課堂討論，最終找出解決問題的方案。由于這些問題大多是與工廠企業結合，問題解決的同時也使學生具備了實際的工作技能，同時還能培養學生團隊合作以及相互交流的能力。

3.根據學校環境，創辦有自身特色的失效分析課程。在保證《失效分析》課程教學的同時，由于我校開設該課程有近三十年的歷史，形成了自己的鮮明特色。中國礦業大學材料科學與工程專業的前身是金屬熱處理專業，因此原有《失效分析》的內容主要側重于金屬材料，尤其是煤礦機械在熱處理過程中的失效。在2004年材料學院成立后，在原有專業的基礎上相繼開設了材料成型、高分子材料及無機非金屬專業，因此《失效分析》的內容也根據不同專業相繼擴展到鑄、鍛、焊及機加工過程中零件的失效，電子元器件的失效以及人工關節材料的失效等。

（二）實驗環節的改革

以往的《失效分析》課程沒有開設相應的實驗課，主要是通過授課教師案例的講授或者其他課程的實驗環節獲得基本的實驗技能。在教學過程中由于學時的限制和實驗條件的不足，任課教師只是簡單的介紹一些常用的實驗手段和實驗步驟，使學生缺乏感性的認識，往往出現上課的時候學生聽的非常明白，而到實際應用時不知如何下手的狀況。根據這種現象，在新版的教學計劃中，《失效分析》課程開設了三個實驗課程，培養學生自己動手及解決實際問題的能力。

1.以實驗為核心，建立認識、認知、升華的實驗體系。基于培養學生發現問題、分析問題及解決問題能力培養的目標，《失效分析》課程開設了三個實驗。第一個實驗為失效分析故障樹的建樹與應用，采用手工分析和計算機繪制故障樹圖的方式完成實驗；第二個實驗為失效分析基本方法中的宏觀分析法，通過實際失效件及其斷口的宏觀分析；第三個實驗為具體零件的失效分析，采用各種實驗方法，分析零件失效的原因。通過這樣的三個實驗，讓學生在學習過程中逐步建立起對失效分析的認識、認知和升華的實驗體系。

加強實驗內容的綜合性，采用具體的失效零件，讓學生根據失效模式提出問題，根據問題設計實驗步驟，充分調動學生學習的積極性和主動性。

2.以實際問題為核心，建立綜合性的實驗教學體系。將《失效分析》實驗課與生產實際聯系起來，學生在學習基礎理論知識及技能的同時，由于接觸了大量的現場問題，也可以大大提高工科大學生的實踐能力。由于開放性的教學體系和實驗過程，也培養了學生的創新能力。失效分析實驗中所用零件均來自工廠企業失效的零件，其失效過程復雜，其失效原因的分析具有很強的探索性和研究性，由于這些失效零件來自于現場實際，分析具有針對性，分析過程中學生不僅能了零件的使用環境，而且能了解零件的選材、加工、使用以及維護過程。這樣的實驗過程激發了學生的學習興趣，能夠使學生積極的思考，發揮自己的聰明才智，尋找機械零件失效的原因。通過這一過程的鍛煉，學生的科研能力得到提高，也學會了失效分析的方法。

3.以生產實際為核心，建立實驗基地。《失效分析》是一門實用性很強的課程，這就要求學生具有很強的理論聯系實際的能力。失效分析實踐教學體系的建立要求我國高校與工廠企業要有緊密的聯系，由于大部分工廠企業對失效分析不夠重視，導致高校與企業脫鉤，高校失效分析工作的實踐教學環節薄弱的現象。雖然之前我們也做過大量的失效分析案例，但是分析過程往往是破壞性的，并沒有留下太多資料，這就要求我們在以后的分析過程中，在保證分析質量的同時，盡量留下較多的失效零件，給失效分析課程提供更多的實驗素材，建立《失效分析》課程的實驗基地。

三、結束語

《失效分析》課程建設尤其是該門課程研討式的授課方式還有很多不完善的地方需要探討和完善。在今后的教學過程中，我們應該借鑒和總結國內外相關課程的授課模式，并大膽的改革與創新。通過對教學與實驗環節的改革，能夠提高材料專業本科生的實踐與創新能力，能夠在工作中獨當一面，解決今后工作和學習中遇到的難題。

[1]師昌緒.新型材料與材料科學[M].北京：科學出版社，1988.

[2]孫智，江利，應鵬展.失效分析-基礎與應用[M].北京：機械工業出版社，2005.

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[4]康學勤，孫智，李曉伋.低頻率下波紋管膨脹節腐蝕疲勞行為模擬[J].壓力容器，2008，25，（9）.

G642.0

A

1674-9324（2014）40-0273-03

中國礦業大學教師改革研究計劃項目，中央高校基本科研業務費專項資金（2013XK07）。

康學勤（1978-），男，山東莘縣人，講師，博士，碩導，從事本科教學及失效分析研究，中國礦業大學百佳本科教學教師，中國礦業大學教書育人先進個人，中國礦業大學青年教師講課比賽獲獎者；孫智（1962-），男，山東諸城人，院長，教授，博士，博導，從事本科教學及金屬成型加工方面的研究。