可靠性物理基礎研究性教學探索與實踐

摘" 要：在建設創新型國家的大背景下，為培養具有創新意識和創新能力的可靠性人才，教學團隊引入研究性教學的教學理念、教學模式和評價體系，對現有可靠性物理基礎課程進行了改革。文章全面分析了可靠性物理基礎課程在課程內容、講授模式以及評價體系上存在的問題；借鑒研究性教學方法，優化了課程內容，將翻轉教學和以問題為導向的教學方法引入可靠性物理基礎教學，對現有課程存在的問題進行了改革。課程實踐表明，課程改革后，學生學習積極性、參與度明顯提高，動手能力、創新能力得到了顯著鍛煉，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：研究性教學；可靠性物理；教學改革

中圖分類號：G640" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2023）02-0037-04

一、研究背景

當前，在科學技術的引導和推動下，人類正經歷著從工業社會向知識社會的演變。在此背景下，我國正朝著加強自主創新、提高創新能力和建設創新型國家的方向邁進［1］。建設創新型國家需要培養創新型人才，而培養創新型人才的一個重要手段在于創新教學模式。2005年教育部《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中指出，“積極推進研究性教學，提高大學生的創新能力”［1］。2010年，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年，中指出高等教育要“倡導啟發式、探究式、討論式、參與式教學，幫助學生學會學習”［2］。此后，研究性教學這種新穎的教學理念被逐漸推廣，許多學者對研究性教學的教學內涵、教學方式、方法及評價體系進行了探索與實踐［3-12］。為響應新時代國家和北京航空航天大學培養創新型人才的號召，北京航空航天大學可靠性與系統工程學院教學團隊將研究性教學的教學理念、教學方法、評價體系引入可靠性物理基礎教學中，為學生營造寬松、自由的學習環境，全面提升學生的研究意識、研究能力、思維能力和創新能力。

可靠性物理基礎是北京航空航天大學可靠性與系統工程學院開設的研究生課程，已入選“十四五”專業核心基礎課建設。該課程涉及可靠性、材料學、力學、物理、化學、摩擦學等諸多學科綜合知識，在可靠性學科中處于基礎核心地位。該課程主要介紹可靠性物理學研究和工程應用的基本方法和途徑，旨在培養學生從事可靠性物理、可靠性分析、失效分析相關工作的能力和素養。但是，教學團隊在可靠性物理基礎的教學過程中，發現了很多與培養創新型可靠性人才不相適應的問題。為適應國家需求，培養具有創新能力的可靠性人才，需要引入研究性教學，對現有可靠性物理基礎課程進行改革。

二、可靠性物理基礎課程教學中存在的問題

經過多年的教學實踐，教學團隊發現目前的可靠性物理基礎課程存在以下幾個問題：

（一）課程內容繁多，實踐環節少，感受不深刻

目前，可靠性物理基礎課程學時為48學時，課程力圖從產品故障根因的角度，剖析產品常見的故障機理，如固體斷裂、材料/結構的疲勞、金屬腐蝕、應力腐蝕、表面磨損、材料蠕變等機理的形成及演變機制；重點講述這些機理的形成原理以及與可靠性指標（失效時間、可靠度等）的定量關系；以此為基礎闡述本課程在產品可靠性設計改進和故障預測中的應用。由于授課內容繁雜、學時有限，課堂授課以理論講授為主，較少涉及實踐環節。

課程教學中，學生只是被動地機械記憶課堂所授知識，難以直觀接觸具體的失效機理，對課程涉及的失效機理也僅有理性認識，缺乏感性認知，更難以體會到相關知識在實際工程中的如何應用。

（二）講授模式以教師教授為主，學生參與度低

目前可靠性物理基礎課程的講授模式依然以教師講授為主，屬于傳統的“填鴨式”或“滿堂灌式”的單向知識輸出。這種模式的優點在于能夠強化知識的傳授，但也嚴重限制了學生創造性思維能力的培養，學生只是被動地接受知識，逐漸失去對課程的興趣。這也就導致了教師與學生互動少，課堂氣氛沉悶，學生課堂參與度、積極性低。教師無法通過課堂檢驗學生對當堂知識的掌握情況，顯著降低了教學效率。

（三）課程評價注重結果，評價方法單一

當前可靠性物理課程評價依照傳統的教學評價方法，主要以考勤和期末考試成績為主，考核方式較為單一。這種考核方式偏向于結果性評價，忽略了對學生學習過程的評價，不能反映學生創造性運用知識的能力，也不能全面反映學生掌握知識的情況。在這種評價思想的影響下，學生更注重自己的最終考試成績，而不注重學習過程，導致一些學生存在“考前猛學，考后猛忘”的情況，與課程的初衷乃至培養創新型人才的初衷不符合。事實上，有效的教學要求教師在教學過程中關注學生的學習進度，關心學生獲得的“無形成果”，如研究方向的探索、自主學習興趣的挖掘、合作意識的培養等讓學生終身受益的能力。〓

三、研究性教學在可靠性物理基礎上的實踐

研究性教學是一種讓學生在教師組織指導下獨立學習、自主實踐的教學方法，以尊重學生個性發展為宗旨，以改革學生被動地、機械地接受知識的教育模式為重點，營造開放的學習環境，為學生提供多渠道獲取知識的方法，將學到的知識綜合應用于實踐，最后形成對知識主動式探索的習慣。針對上述可靠性物理基礎課程存在的問題，本研究結合研究性教學的教學理念，重構了可靠性物理基礎課程的授課內容、授課形式及課程評價體系，充分調動學生的學習積極性，培養學生的研究意識、研究能力、思維能力和創新能力。

（一）理論聯系實際，去繁從簡，優化授課內容

針對以往可靠性物理基礎課程存在的課程內容繁雜、理論性較強，與可靠性脫節、實際工程脫節，缺乏實踐活動的問題，課程進行了如下改革。

一是結合此前學生對于教學內容的理解情況，對課程中的知識點進行整體的梳理與重構，針對性地刪除了可靠性物理基礎中理論性強，晦澀難懂，但與實際工程問題關聯弱的內容，增加了各失效機理與可靠性指標關系的內容，讓學生更清晰地理解各失效機理及其與可靠性的關系，而不是一味死記各失效機理的詳細內容。譬如刪減了腐蝕微觀機理的相關內容，新增了較為實用的可靠性物理-失效時間模型和可靠性物理與設計，重點介紹典型失效機理的失效時間模型和預防失效的產品設計方法。

二是在課程中引入大量工程實踐和科研案例。在每個單元開始前，教師會以實際工程失效案例或主題視頻的形式引出研究對象。以某副機翼機械備份作動器功能轉換閥壽命預計為例。通過轉換閥失效模式分析、失效模型建立、失效壽命評估與驗證、產品設計改進，再現產品失效分析、改進全流程，生動地展現可靠性物理基礎在產品設計改進和故障預測中的應用；在斷裂部分以美國自由輪沉沒事故調查視頻為引子，闡述斷裂的危害及預防斷裂的必要性，進而介紹斷裂的概念、特點、起裂條件及預防斷裂失效的手段，從問題的角度出發有效激發學生的學習興趣和積極性。

三是開展各可靠性物理試驗。課程通過設置各類豐富有趣的試驗，讓學生跳出書本，真實感受不同失效模式的失效過程、失效特征及失效機理。從而對各失效機理有更直觀、深刻的認識，在鍛煉學生動手實踐能力、鞏固課堂所學理論知識的同時，提高學生學習、研究的積極性。例如為讓學生能夠體驗真實的科研過程環境，課程在中期增設了疲勞試驗課，學生在教師指導下了解并掌握相關儀器的使用方法、疲勞試驗設計方法、試驗數據處理方法、試驗數據分析方法等。在疲勞試驗過程中，學生能夠觀察到疲勞裂紋萌生、擴展乃至失效的全過程，從而對復雜的金屬疲勞失效機理有更直觀、更深刻的認識。

（二）以問題為導向，翻轉課堂，提高學生參與度

研究性教學提倡在教學過程中為學生創設一種類似于科學研究的情境和途徑，指導學生從現實生活中選擇和確定與學科相關的專題進行研究［3，5］。從這一理念出發，課程改變了以往以教師講授為主的教學模式，主要包括以下兩種講授形式。

一是以問題為導向的教學模式，從實際工程失效案例出發，在教師引領下，讓學生提出問題、分析問題、研究問題和解決問題。傳統的可靠性物理教學在課程設置方面，涵蓋學科方向過多，且過于強調課程體系的完整性，對學生的主體性關注不夠。以問題為導向的教學模式既強調學生的認知主體作用，又不忽視教師的指導作用，教師是學生學習的幫助者、促進者，而不僅僅是知識的傳授者與灌輸者；學生是知識加工的主體，應主動參與學習，而不是外部刺激的被動接受者或被灌輸的對象。以問題為導向的教學模式是一種既重視學習結果又重視學習過程的教學方法。學生的學習活動不僅僅是被動地聽課和讀書，而是在以解決相關學科問題為目的的激勵下，積極主動地計劃、安排并管理自己的學習活動［13］。如介紹疲勞相關知識時，從英國彗星號客機失事事故講起，按照彗星號事故介紹、彗星號失效分析，形成彗星號事故分析報告、彗星號后續預防失效手段的主線脈絡，由淺入深，層層遞進，講解金屬疲勞的概念、特點、疲勞壽命預測方法和預防疲勞破壞手段。

二是采取翻轉課堂的教學模式。在傳統的教學活動中，教師是課堂授課的權威，教學活動大多是以教師為中心來開展。研究性教學與傳統教學相比，教師的角色發生了重大變化，對教學活動的開展起指導性作用，即在教學過程中起組織者作用，并在各個階段給予學生合適的指導，在課程的全過程中與學生一起進行研究、反思與評價。在研究性教學中，翻轉課堂就是一種典型的教學模式，已經被成功應用到多個教改實踐中［14-16］。在這種教學模式下，教師從傳統課堂中的知識傳授者轉變為學習的促進者和指導者［14］。教師不再占用課堂時間來講授知識，而著重于師生之間和學生之間的互動，包括答疑解惑、合作探究、完成學業等，通俗地講就是教師與學生互換身份。不僅為學生提供了自主學習、自主思考、相互交流的機會和平臺，還有效提高了課堂上學生的參與度。具體實踐流程為：課前由教師布置任務，學生自由分組，在課前或課外可以通過互聯網、圖書館等優質教育資源自主學習，不再單純依賴授課教師教授知識，最后形成研究報告并在課堂上進行匯報。以某企業鋰離子電池失效分析為例，學生按照4—6人一組的編制，自由分組，自由分工，課下自由學習，自由探討，得出結論并以課堂匯報的形式展示結果。教師從研究方法選擇、分析過程完整性、結論合理性及匯報完整性、清晰性等幾個方面與學生共同探討，總結匯報得失，進一步鍛煉學生學習能力、研究能力、展示匯報及團結協作能力。

（三）以學生為主體，全程化、多樣化的考評方式

研究性教學評價體系相較于傳統評價體系更加多元、科學。其評價目標由單一性向綜合性轉變，突出對學生既有知識的創造性運用、加工和組合能力評價；評價方法由“一考定全局”向全程評價；評價標準由學生發展本位轉移；評價模式由單一、封閉向多元、開放轉變［3，6］。針對以往可靠性物理基礎課程評價體系較單一、無法全方面反映學生知識掌握情況的問題，課程借鑒了研究性教學評價體系，建立了可靠性物理基礎課程評價體系。學生評價不再只關注學生對知識掌握情況的考察，更關注對學生獨立發現問題、獨立思考、運用所學知識解決實際工程，科研問題能力的考察。新評價方法除了課堂出勤考核和期末考試，還包含了課堂活躍程度、小組課堂展示效果、實踐積極程度等。評價主體由單一教師主體向多元化評價主體轉變，包括教師評價、組內評價、組間評價、學生自評等。

四、 結語

在現今知識經濟時代，國家創新能力是決定一個國家能否在世界民族之林中屹立不倒的關鍵因素。創新離不開人才，創新人才的培養需要創新教育，實施高等學校創新教育是歷史所趨。針對新時代培養創新型人才的需求，本文將研究性教學的理念、方法和評價模式引入到可靠性物理基礎教學中，對以往的可靠性物理基礎課程進行了改革。實踐表明，研究性教學的引進起到了積極作用。學生的課堂參與度、積極性、研究意識和研究能力得到顯著提高。改革后的課程也得到了普遍好評，選課人數顯著增加。接下來教學團隊將總結本次改革的得失，進一步優化授課內容和授課形式，為培養具備研究意識、研究能力和創新能力的可靠性人才提供參考。

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（責任編輯：鄒宇銘）