產(chǎn)教融合背景下“疲勞與斷裂”教學(xué)改革探索

楊曉光 李少林 齊紅宇 石多奇

［摘 要］ 通過(guò)對(duì)接航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的行業(yè)需求，虛實(shí)結(jié)合、產(chǎn)教融合，提出了北京航空航天大學(xué)研究生課程“疲勞與斷裂”的教學(xué)改革思路和方法。該措施進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)“疲勞與斷裂”課程理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)了學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，特別是解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，從而為實(shí)現(xiàn)“雙一流”專業(yè)建設(shè)目標(biāo)提供助力。同時(shí)，提出的產(chǎn)教融合培養(yǎng)模式與實(shí)踐范式具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，因此可以推廣至“斷裂力學(xué)”“蠕變力學(xué)”等課程的教學(xué)中。

［關(guān)鍵詞］ 航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)；疲勞與斷裂；產(chǎn)教融合；實(shí)踐能力

［基金項(xiàng)目］ 2021年度北京航空航天大學(xué)研究生教育與發(fā)展研究專項(xiàng)基金“基于產(chǎn)教融合的‘疲勞與斷裂課程教學(xué)改革研究”（JG20210408）

［作者簡(jiǎn)介］ 楊曉光（1962—），男，上海人，博士，北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究；李少林（1983—），男，湖南衡陽(yáng)人，博士，北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）14-0069-04［收稿日期］ 2022-04-25

引言

現(xiàn)代機(jī)械結(jié)構(gòu)（如飛機(jī)、船舶、汽車、動(dòng)力機(jī)械等）在服役過(guò)程中均承受著循環(huán)交變載荷的作用，疲勞斷裂是其主要的失效模式。因此，許多工程專業(yè)（如力學(xué)、機(jī)械、航空、土木、材料等）均開(kāi)設(shè)了疲勞強(qiáng)度學(xué)的相關(guān)課程。我校的航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)是一個(gè)培養(yǎng)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、研究、生產(chǎn)、運(yùn)行維護(hù)等方面工作的創(chuàng)新型高級(jí)工程技術(shù)人才的專業(yè)。眾所周知，疲勞是航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的主要故障和失效模式之一。因此，我校為航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)的研究生開(kāi)設(shè)了一門有關(guān)疲勞強(qiáng)度學(xué)的專業(yè)課，即“疲勞與斷裂”。

隨著航空航天科學(xué)科技的快速發(fā)展，工業(yè)部門對(duì)高等院校航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)研究生畢業(yè)生的綜合素質(zhì)、實(shí)踐和創(chuàng)新能力等提出了更高的要求。迄今，以壽命在役管理、損傷容限設(shè)計(jì)技術(shù)等為代表的疲勞強(qiáng)度學(xué)理論，使得“疲勞與斷裂”課程的基礎(chǔ)理論內(nèi)容、課程實(shí)踐手段等要求發(fā)生了巨大變化。工程實(shí)踐中的一些新的失效模式、新的現(xiàn)象、新的研究手段等，豐富了疲勞強(qiáng)度學(xué)的內(nèi)容，比如對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的疲勞強(qiáng)度學(xué)研究已成為一種不可避免的趨勢(shì)。在這種科技變革的新情況下，當(dāng)前“疲勞與斷裂”課程所采用的教學(xué)和培養(yǎng)模式，已無(wú)法完全滿足工業(yè)部門對(duì)學(xué)生能力的需要。

2017年12月5日，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見(jiàn)》，要求推動(dòng)學(xué)科專業(yè)建設(shè)與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)相適應(yīng)，推進(jìn)產(chǎn)教融合人才培養(yǎng)改革，促進(jìn)產(chǎn)教供需雙向?qū)樱?］。2019年3月國(guó)家發(fā)展改革委、教育部印發(fā)了《建設(shè)產(chǎn)教融合型企業(yè)實(shí)施辦法（試行）》，對(duì)高校開(kāi)展產(chǎn)教融合進(jìn)行了部署，為學(xué)校人才培養(yǎng)指明了方向［2］。國(guó)內(nèi)在借鑒國(guó)外培養(yǎng)模式的基礎(chǔ)上也提出了雙元制、工學(xué)交替等模式［3］。但是，在產(chǎn)教融合方面的探討和研究都是針對(duì)學(xué)科或?qū)W校等，尚未出現(xiàn)針對(duì)某一門具體課程提出教學(xué)改革措施。而我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，對(duì)于掌握“疲勞與斷裂”新知識(shí)的人才的需求是巨大的。因此，進(jìn)行“疲勞與斷裂”課程的改革具有一定的緊迫性。

本文擬從產(chǎn)教融合角度出發(fā)，結(jié)合時(shí)代的發(fā)展勢(shì)態(tài)，分析當(dāng)前行業(yè)對(duì)航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)的人才需求，尋求一種產(chǎn)教融合的疲勞強(qiáng)度課程教學(xué)體系，建立一種新的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式，最終提出我校研究生課程“疲勞與斷裂”的教學(xué)改革思路和方法。

一、當(dāng)前主要問(wèn)題分析

國(guó)內(nèi)不少工科院校都開(kāi)設(shè)了疲勞強(qiáng)度學(xué)的相關(guān)課程。這些課程對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐和進(jìn)一步學(xué)習(xí)深造具有重要作用。然而，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸出現(xiàn)教學(xué)模式與產(chǎn)業(yè)需求不匹配的問(wèn)題，因此，筆者對(duì)疲勞強(qiáng)度學(xué)相關(guān)課程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了研究和探討。

首先，教材是學(xué)生學(xué)習(xí)一門課程的最主要的參考資料。南京航空航天大學(xué)的胡緒騰［4］針對(duì)飛行器動(dòng)力工程專業(yè)的“結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂力學(xué)基礎(chǔ)”課程的教材選擇進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述和介紹。經(jīng)過(guò)對(duì)比和篩選，南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院暫時(shí)選擇了北京航空航天大學(xué)熊峻江教授主編的《飛行器結(jié)構(gòu)疲勞與壽命設(shè)計(jì)》。該書(shū)針對(duì)的是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞與斷裂問(wèn)題，相較于其他專業(yè)的疲勞與斷裂力學(xué)教材，這本書(shū)更加適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)專業(yè)的教學(xué)。

在教學(xué)改革中，學(xué)者根據(jù)專業(yè)實(shí)際和行業(yè)需求不斷地豐富教學(xué)內(nèi)容。同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院的方明霞等［5］針對(duì)材料力學(xué)中的疲勞問(wèn)題，提出利用在線平臺(tái)整合資源和拓展知識(shí)的教學(xué)模式。哈爾濱工程大學(xué)的馮國(guó)慶等［6］通過(guò)對(duì)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)方向?qū)W生所應(yīng)掌握的疲勞分析理論和方法的探討，初步構(gòu)建了船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的課程知識(shí)體系。王鐵慶等［7］通過(guò)對(duì)“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程中關(guān)于疲勞強(qiáng)度理論部分的內(nèi)容及其教學(xué)過(guò)程的探索和體會(huì)，提出了一種以便于學(xué)生快速理解概念為抓手的教學(xué)思路。

教學(xué)手段也是諸多學(xué)者一直探索和實(shí)踐的主要方向。西北工業(yè)大學(xué)的薛紅前等［8］針對(duì)研究生國(guó)際化教育以及國(guó)際交流能力提升的問(wèn)題，結(jié)合全英文課程“結(jié)構(gòu)材料疲勞與斷裂”的特點(diǎn)，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方法以及教學(xué)課件、講義等方面開(kāi)展了教學(xué)改革探索，提出了對(duì)該課程全英文教學(xué)的改革思路。中國(guó)民航大學(xué)的盧翔等［9］進(jìn)行了“飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與維修”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，滿足了本科生自主學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)的愿望。華東理工大學(xué)的安琦等［10］根據(jù)教學(xué)實(shí)踐，從疲勞設(shè)計(jì)部分內(nèi)容的教學(xué)邏輯構(gòu)建、材料的疲勞特性曲線教學(xué)方法、零件的疲勞曲線及安全系數(shù)計(jì)算的教學(xué)方法三個(gè)方面，系統(tǒng)分析了疲勞設(shè)計(jì)這部分內(nèi)容的教學(xué)思路、教學(xué)銜接過(guò)程和注意事項(xiàng)，并詳細(xì)闡述了上述內(nèi)容在教學(xué)過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

以上研究分別從教材、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段等方面對(duì)疲勞與斷裂相關(guān)課程進(jìn)行了探討，而且提出了具體的改革措施，研究成果有益于探索更好的教學(xué)模式改革方式。然而，綜觀近年的教學(xué)效果，還存在一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

（一）教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)實(shí)際脫節(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新技術(shù)、新手段、新設(shè)備等不斷涌現(xiàn)，而當(dāng)前的疲勞強(qiáng)度學(xué)教材未能跟上新技術(shù)的步伐。例如，時(shí)下工程實(shí)際中使用廣泛的原位測(cè)試技術(shù)、基于數(shù)據(jù)的疲勞分析方法等知識(shí)在教材中未能及時(shí)體現(xiàn)或體現(xiàn)較少，這勢(shì)必不利于學(xué)生掌握新知識(shí)，也無(wú)法順應(yīng)當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

（二）教學(xué)方法單調(diào)

高校教學(xué)多采用被動(dòng)的灌輸式教學(xué)，缺少學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和師生互動(dòng)。另外，不少學(xué)生并未真正對(duì)所學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生興趣，導(dǎo)致學(xué)生上課感覺(jué)就像在看電影，既不利于學(xué)生積極思考和主動(dòng)記錄，也不利于培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力。因此，有必要探索多維互動(dòng)的教學(xué)方法，比如問(wèn)題探究法、案例分析法和專題研究教學(xué)等。

（三）考核評(píng)價(jià)方法落伍

在考核評(píng)價(jià)的方式和標(biāo)準(zhǔn)上，疲勞強(qiáng)度學(xué)等相關(guān)課程評(píng)價(jià)的主要方式和標(biāo)準(zhǔn)還是平時(shí)表現(xiàn)與考試分?jǐn)?shù)，且絕大多數(shù)重視的是終結(jié)性評(píng)價(jià)，缺乏對(duì)教學(xué)過(guò)程的形成性評(píng)價(jià)。另外，評(píng)價(jià)考核內(nèi)容基本上是課堂上的教學(xué)內(nèi)容，缺少對(duì)于學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的綜合能力的評(píng)價(jià)。因此，有必要探索創(chuàng)新的多元化考核評(píng)價(jià)方法。

二、教學(xué)改革思路

本文擬根據(jù)“疲勞與斷裂”課程教學(xué)中的實(shí)際情況，探索出一系列切實(shí)可行的產(chǎn)教融合的教學(xué)模式。通過(guò)調(diào)研，在以下幾個(gè)方面做出一些探索。

（一）科學(xué)分析行業(yè)需求，進(jìn)一步加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的改革

調(diào)研和分析幾個(gè)典型院校的傳統(tǒng)力學(xué)課程產(chǎn)教融合教學(xué)現(xiàn)狀，提出針對(duì)性的建議；調(diào)研航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所和工程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展需求，對(duì)現(xiàn)有方向進(jìn)行改造；開(kāi)設(shè)熱機(jī)械疲勞、新型腐蝕疲勞、信息疲勞、智造疲勞等新的教學(xué)模塊；主動(dòng)布局?jǐn)?shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能硬件等新工科研究方向，形成“疲勞與斷裂”課程的新結(jié)構(gòu)。

（二）積極探索和構(gòu)建體現(xiàn)產(chǎn)教融合的教學(xué)模式

積極開(kāi)展校企合作，建立覆蓋思想政治理論課與專業(yè)課、課堂與行業(yè)的交叉課程體系和創(chuàng)新課程體系；積極采用案例教學(xué)法、演講教學(xué)法等，推進(jìn)“總師進(jìn)課堂”，讓行業(yè)一線專家通過(guò)授課、講座等形式參與到教學(xué)活動(dòng)中。

（三）以應(yīng)用和實(shí)操為抓手，建立多元化的考核方式

在傳統(tǒng)的考核方式的基礎(chǔ)上，探索創(chuàng)新的多元化考核類型。以“疲勞與斷裂”課程為例，學(xué)生的課程成績(jī)是由平時(shí)成績(jī)加上期中考核和期末考核成績(jī)構(gòu)成的，而期中考核和期末考核均是以試卷考試的方式進(jìn)行，總體來(lái)說(shuō)考核方法依然相對(duì)傳統(tǒng)和單一。在當(dāng)前考核方式的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)或維護(hù)方案作為考核依據(jù)，而且制定詳細(xì)、合理的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，使考核更加具體、科學(xué)和公平。

三、教學(xué)改革具體設(shè)計(jì)

在深度分析行業(yè)真正需求的基礎(chǔ)上，借鑒信息化和項(xiàng)目教學(xué)的設(shè)計(jì)方法，建立基于產(chǎn)教融合的“疲勞與斷裂”課程的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)”和“教”一體化的教學(xué)設(shè)計(jì)。該教學(xué)模式由項(xiàng)目導(dǎo)入、實(shí)施計(jì)劃和考核評(píng)價(jià)三個(gè)環(huán)節(jié)組成，其中產(chǎn)教融合貫穿了該教學(xué)模式的全過(guò)程。該教學(xué)模式的具體實(shí)施方案如下。

（一）在項(xiàng)目導(dǎo)入環(huán)節(jié)中，科學(xué)分析行業(yè)需求，進(jìn)一步加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的改革

第一，調(diào)研國(guó)內(nèi)院校的疲勞、斷裂等傳統(tǒng)力學(xué)課程，對(duì)其產(chǎn)教融合教學(xué)模式現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出針對(duì)性的建議，為教學(xué)改革的具體實(shí)施提供依據(jù)。第二，課程團(tuán)隊(duì)要主動(dòng)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所、生產(chǎn)企業(yè)、維修單位和用戶單位等廠所合作，建立互信協(xié)作關(guān)系。第三，積極調(diào)研廠所現(xiàn)役和在研型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求，開(kāi)設(shè)面向長(zhǎng)時(shí)服役發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)的“熱機(jī)械疲勞”、面向海洋服役發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)的“新型腐蝕疲勞”、面向發(fā)動(dòng)機(jī)制造需求的“制造中的疲勞問(wèn)題”等三個(gè)新的教學(xué)內(nèi)容。第四，瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能硬件等新工科在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用前景，探索在上述新工科中的疲勞強(qiáng)度學(xué)問(wèn)題，形成與之適應(yīng)的“疲勞與斷裂”課程新結(jié)構(gòu)，著力培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的人才。

（二）在實(shí)施計(jì)劃環(huán)節(jié)中，積極探索，構(gòu)建體現(xiàn)產(chǎn)教融合的教學(xué)模式

第一，收集航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)人物和典型案例為素材，培養(yǎng)學(xué)生空天報(bào)國(guó)、不忘初心的高尚情操。第二，讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析航空工業(yè)中的關(guān)鍵案例，提升關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的故事性和趣味性。比如，在講授應(yīng)力集中與抗疲勞設(shè)計(jì)的重要性時(shí)，可以考慮講述某外銷型WP6發(fā)動(dòng)機(jī)的失效案例，讓學(xué)生分析原因和提出改進(jìn)措施。在分析案例的過(guò)程中，需要學(xué)生充分運(yùn)用所學(xué)到的理論知識(shí)對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行分析，從而對(duì)課程理論基礎(chǔ)知識(shí)有更為深刻的理解和認(rèn)識(shí)。第三，邀請(qǐng)行業(yè)疲勞強(qiáng)度學(xué)方面的總師為學(xué)生授課，讓學(xué)生加深對(duì)行業(yè)需求現(xiàn)狀的了解，掌握第一線是如何運(yùn)用疲勞強(qiáng)度學(xué)知識(shí)的。

（三）在考核評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，以應(yīng)用和實(shí)操為抓手，創(chuàng)新多元化考核方式

第一，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所和工廠合作，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維修中的疲勞強(qiáng)度學(xué)問(wèn)題進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換為航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的疲勞強(qiáng)度學(xué)設(shè)計(jì)方案、基于疲勞強(qiáng)度學(xué)的運(yùn)行管理和修護(hù)方案設(shè)計(jì)等實(shí)踐問(wèn)題。第二，不再將考試或出勤作為評(píng)價(jià)學(xué)生的唯一標(biāo)準(zhǔn)，增加上述實(shí)踐問(wèn)題，注重實(shí)操能力的考核。第三，課程團(tuán)隊(duì)協(xié)商制訂詳細(xì)的評(píng)價(jià)方案，確定合理的和詳細(xì)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，明確不同考核方式在最終成績(jī)中的占比，使考核更加合理、公平和透明。

四、實(shí)踐效果及建議

將本文設(shè)計(jì)的教學(xué)改革模式在筆者所在學(xué)校的航空宇航推進(jìn)理論與工程研究生中進(jìn)行了初步實(shí)施，取得了良好的效果：（1）“疲勞與斷裂”課程的新結(jié)構(gòu)更加符合工程實(shí)際的需要，同時(shí)新知識(shí)的加入使得學(xué)生的學(xué)習(xí)和選課興趣得到了顯著提高，近兩年航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)研究生的選課人數(shù)提升了20%。（2）思想政治教育和總師進(jìn)課堂提升了研究生投身國(guó)防軍工實(shí)業(yè)的社會(huì)責(zé)任感和使命感，許多學(xué)生表示愿意從事本專業(yè)工作或在本專業(yè)繼續(xù)深造。（3）創(chuàng)新多元化的考核方式，在提高了研究生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的同時(shí)，也培養(yǎng)了其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)產(chǎn)教融合背景下的行業(yè)對(duì)航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)的人才需求，我校對(duì)“疲勞與斷裂”課程教學(xué)進(jìn)行了改革探索，融入新科技，強(qiáng)化產(chǎn)教融合，加強(qiáng)工程應(yīng)用和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，全面優(yōu)化“疲勞與斷裂”課程的教學(xué)模式。建立了覆蓋思想政治理論課與專業(yè)課、課堂與行業(yè)交叉的“疲勞與斷裂”課程知識(shí)體系，形成多元化的考核評(píng)價(jià)方法，有力地提升了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。本文提出的產(chǎn)教融合培養(yǎng)模式與實(shí)踐范式具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，因此可以推廣至“斷裂力學(xué)”“蠕變力學(xué)”等其他課程的教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)

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Abstract： In order to meet the industry demand for aero-engine strength design， combining virtuality and reality， and integrating “industry” and “education”， teaching reform ideas and methods for Fatigue and Fracture are proposed. It will improve students theoretical study， cultivate students ability to combine theory and practice， develop their ability to solve engineering problems， and effectively support the goal of double first-class professional construction. At the same time， the training mode and practice paradigm proposed in this paper can be extended to the teaching of other traditional courses such as fracture mechanics and creep mechanics， for it has strong expansibility.

Key words： aerospace propulsion theory and engineering; fatigue and fracture; integration of industry and education; practical ability