曹穎賽，耿蘇杰

（江蘇大學工業(yè)工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)稱為新工業(yè)革命的關(guān)鍵支撐和智能制造的重要基石。國家也在戰(zhàn)略層面突出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實現(xiàn)工業(yè)智能化發(fā)展、促進新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域深度融合以及形成全新工業(yè)生態(tài)等方面的重要作用。例如，國務(wù)院頒發(fā)的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》明確指出了數(shù)字經(jīng)濟對于近期國民經(jīng)濟發(fā)展的重要促進作用，并進一步明確了包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等在內(nèi)的七大數(shù)字經(jīng)濟重點產(chǎn)業(yè)；工信部印發(fā)的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021-2023年）》提出到2023年，工業(yè)企業(yè)及設(shè)備上云數(shù)量比2020年翻一番，打造3-5家有國際影響力的綜合型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、70個行業(yè)區(qū)域特色平臺、一批特定技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)型平臺，政府大力推動信息化與工業(yè)化的高水平融合[1]。

《可靠性與維修性工程》課程旨在為各類工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備提供綜合化、智能化的運行維護管理服務(wù)。在該類課程的教學改革探索方面，解社娟等[2]針對《工程結(jié)構(gòu)可靠性概論》課程進行了課程內(nèi)容優(yōu)化和教學模式革新等方面的探索。任敏等[3]針對半導體特色，對其可靠性工程課程進行了交互性和啟發(fā)性等方面的教學創(chuàng)新，旨在提升該課程的教學質(zhì)量。王攀等[4]針對《可靠性工程》課程對于力學專業(yè)背景的針對性欠缺問題，對該課程進行了混合教學模式改革。盧向軍等[5]為迎合《電子封裝可靠性》課程的地方產(chǎn)業(yè)化定位，對該課程實施了以研促教、以教帶研以及教研育人等形式的教學改革。雖然上述針對可靠性類課程的教學改革實踐能夠為當下的教學實踐產(chǎn)生積極的指引作用，但其都忽略了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”這一科技發(fā)展趨勢。作為新一代通信技術(shù)與工業(yè)制造領(lǐng)域的有機結(jié)合，以智慧物聯(lián)為特征的工業(yè)互聯(lián)技術(shù)深刻影響著工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的性能表征數(shù)據(jù)收集與處理分析方式，而傳統(tǒng)基于模型的設(shè)備可靠性建模技術(shù)與維修決策優(yōu)化方法勢必因設(shè)備運行數(shù)據(jù)獲取量的增加而呈現(xiàn)出一定的局限性，與此同時，伴隨著大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與人工智能算法的興起與快速發(fā)展，設(shè)備可靠性評估與維修策略設(shè)計等方面也隨之出現(xiàn)深度變革，過去以統(tǒng)計分布為理論基礎(chǔ)的可靠性分析方法勢必會影響與當下數(shù)據(jù)驅(qū)動模式的銜接性?？偨Y(jié)而言，目前《可靠性與維修性工程》課程中的知識框架體系難以適應(yīng)設(shè)備高生產(chǎn)效率的需要，亟須在課程大綱、教學內(nèi)容以及教學模式等方面進行革新，以在堅實該課程理論基礎(chǔ)的同時，增加課程的應(yīng)用可行性。

1 課程教學現(xiàn)狀分析

《可靠性與維修性工程》課程面向工業(yè)工程、安全工程以及機械工程等專業(yè)本科生，旨在從可靠性和維修性兩大主要方面介紹設(shè)備運維管理特點。具體地，從可靠性與維修性的基本概念出發(fā)，穿插可靠性試驗、故障與維修分布擬合優(yōu)度檢驗等內(nèi)容，并就基本理論的工程實用性和可行性進行詳細解析。課程系統(tǒng)性地融合了統(tǒng)計學、故障物理知識以及決策方法等核心理論，旨在使學生掌握系統(tǒng)可靠性分析與維修決策優(yōu)化方法的同時，系統(tǒng)化培養(yǎng)其設(shè)備運維管理技能并進一步了解設(shè)備運維管理的未來發(fā)展趨勢。不可回避的是，當前《可靠性與維修性工程》課程的教學實踐仍存在以下幾個待改進之處：

1.1 系統(tǒng)性教學目標缺乏

當前的教學框架對于“可靠性”和“維修性”兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系以及在設(shè)備運維管理方面的相互影響關(guān)系還需進一步梳理?？煽啃耘c維修性兩者并不是孤立存在的，兩者對于設(shè)備的健康狀態(tài)評估以及故障診斷與預(yù)測等環(huán)節(jié)相輔相成。除此之外，《可靠性與維修性工程》課程含有豐富的思政內(nèi)容，在當前的教學目標設(shè)定時還有待進一步突出?？煽啃耘c維修性共同決定著各類重大戰(zhàn)略裝備的運行有效性與經(jīng)濟性，在實際的設(shè)備運維管理實踐中必定存在著恪盡職守、精益求精的先進個人和集體，針對該類內(nèi)容的挖掘還需深入。

1.2 專業(yè)針對性欠缺

由于《可靠性與維修性工程》課程所面向的專業(yè)類型眾多，現(xiàn)有教學大綱、教學內(nèi)容以及作業(yè)形式等針對不同專業(yè)的個性化特征挖掘還有待加強。例如針對安全工程專業(yè)，可相應(yīng)地在故障樹分析和失效模式與影響分析等安全事故分析相關(guān)章節(jié)增加課時安排，并輔以相應(yīng)的工程實例具體闡述可靠性理論在安全工程方面的應(yīng)用。由于現(xiàn)代可靠性分析多起源電子產(chǎn)品，針對機械工程專業(yè)，則欠缺相應(yīng)的針對機械系統(tǒng)的可靠性分析內(nèi)容。

1.3 教學內(nèi)容難以充分銜接當前的科技發(fā)展特征

當前是大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時代，設(shè)備可靠性分析與維修策略設(shè)計時所依據(jù)的數(shù)據(jù)獲取方式、數(shù)據(jù)特征以及數(shù)據(jù)分析方法等都發(fā)生了顯著的變化，但在當前的教學框架仍基于傳統(tǒng)的可靠性分析思路，即在獲取足夠的壽命數(shù)據(jù)或運行過程數(shù)據(jù)對研究對象進行各類概率分布擬合，對于當前科技發(fā)展特征的捕捉精準性還有待進一步提高。對于當下科技熱點的疏忽容易造成學生在學校所學到的有關(guān)可靠性與維修性方面的理論知識與市場的現(xiàn)實需求脫節(jié)，進而影響畢業(yè)生的就業(yè)對口性。

1.4 教學手段單調(diào)

雖然《可靠性與維修性工程》課程具有一定的理論深度，并且需要學生掌握必要的公式推導能力，但當前教學實踐過分倚重于課本中的理論知識，且課堂教學多以教師講解為主，對于學生的學習積極性和主動性調(diào)動還有所欠缺。除此之外，《可靠性與維修性工程》課程的課后作業(yè)也以理論推導和算例分析居多，對于工程實際中切實存在的可靠性分析和維修決策優(yōu)化問題還需進一步挖掘和提煉，以在提升課程與工程實踐貼切程度的同時，增加課程的趣味性。

1.5 教學評價體系有待完善

作為教學質(zhì)量反饋的重要環(huán)節(jié)，教學評價是教學參與主體分別從各自角度出發(fā)，對所制定的教學大綱、所設(shè)計的教學內(nèi)容以及所運用的教學手段等進行效果評價。然而目前所采用的教學評價體系僅從課程內(nèi)容、教學方法、教學手段和教學效果等指標進行打分評估，對于教學內(nèi)容的時效性以及教學過程的整體體驗效果評價還有待進一步完善，尤其是以信息化與數(shù)字化為基本特征的人工智能技術(shù)日新月異，識別會為系統(tǒng)可靠性與維修決策優(yōu)化等技術(shù)帶來新的發(fā)展方向，而缺少上述方面的評價內(nèi)容終將難以與時代的發(fā)展保持協(xié)同關(guān)系，從而使課程教學效果大打折扣。

2 課程教學改革探索

根據(jù)《可靠性與維修性工程》課程特征以及當前的教學實踐現(xiàn)狀，本部分將從教學目標、課程結(jié)構(gòu)組成、教學內(nèi)容以及教學方式等方面探索該課程未來的發(fā)展方向。

2.1 系統(tǒng)化教學目標設(shè)定

考慮到“可靠性”和“維修性”對于產(chǎn)品全壽命周期運行效率和經(jīng)濟性的重要作用以及兩者之間的內(nèi)在相關(guān)性，課題組將《可靠性與維修性工程》課程的教學目標設(shè)定為：（1）掌握可靠性與維修性的基本概念以及數(shù)學表征形式；（2）掌握典型系統(tǒng)的可靠性建模方法并熟悉其實施流程；（3）掌握維修決策的優(yōu)化方法；（4）能夠運用系統(tǒng)工程的思想全面而綜合地規(guī)劃設(shè)備的運行與維護活動；（5）了解設(shè)備運維管理的前沿技術(shù)。

2.2 考慮專業(yè)個性化特征的課程內(nèi)容優(yōu)化

雖然《可靠性與維修性工程》課程對眾多專業(yè)不可或缺，但對不同專業(yè)的側(cè)重點各有差異，因此需要針對各個不同專業(yè)進行個性化的課程內(nèi)容（包括：教學大綱、講授方式以及課后作業(yè)等）設(shè)計。例如，對于工業(yè)工程專業(yè)，《可靠性與維修性工程》課程內(nèi)容將側(cè)重于“廣”，即在可靠性分析的基礎(chǔ)上增加可靠性預(yù)計與分配、可靠性試驗以及可靠性增長等內(nèi)容，以拓寬該專業(yè)學生的認知視角。與此同時，針對該專業(yè)的課后作業(yè)則以案例分析為主，從而培養(yǎng)其系統(tǒng)性分析問題、統(tǒng)籌規(guī)劃相關(guān)運維活動的能力。在課程作業(yè)方面，根據(jù)課程內(nèi)容特點可適當安排小組作業(yè)，即以教學內(nèi)容相關(guān)的工程實例為主題，要求小組成員協(xié)作完成規(guī)定的任務(wù)以及結(jié)果匯報等內(nèi)容，以此培養(yǎng)學生的團隊合作意識。

對于機械工程以及電氣自動化等專業(yè)，由于該類專業(yè)具有明確的應(yīng)用對象，在課程內(nèi)容規(guī)劃時可側(cè)重于相關(guān)專業(yè)所聚焦的研究內(nèi)容，比如針對機械工程專業(yè)可將可靠性與維修性分析重點聚焦在典型機械機構(gòu)方面，并從其故障特征入手，講解其可靠性分析流程、針對性維修策略設(shè)計及其優(yōu)化方法等。對于電氣自動化專業(yè)則側(cè)重于電子產(chǎn)品的可靠性分析方法以及針對其失效特征的更換型的維修策略設(shè)計等方面。

2.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下的教學內(nèi)容優(yōu)化

作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支撐，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)備運維管理方面同樣發(fā)揮著不可或缺的作用。雖然《可靠性與維修性工程》的先修課程已部分涵蓋了上述兩項關(guān)鍵技術(shù)，但其在設(shè)備可靠性分析與維修決策優(yōu)化等方面的具體仍需在《可靠性與維修性工程》課程中進一步強調(diào)，以突出上述技術(shù)在設(shè)備運維管理方面的突出革新作用。優(yōu)化的教學內(nèi)容具體包括：（1）可靠性與維修性概述方面，在講解可靠性與維修性傳統(tǒng)概念的同時，結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下的設(shè)備運維管理實際，引入設(shè)備健康狀態(tài)評估概念，從而綜合可靠性與維修性的涵蓋方面。（2）可靠性與維修性數(shù)學基礎(chǔ)方面，在傳統(tǒng)概率分布的基礎(chǔ)上，增加數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)部分，以概括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下設(shè)備可靠性分析與維修決策的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)以及方法支撐。

2.4 豐富教學手段

由于《可靠性與維修性工程》課程要求學生扎實掌握理論知識的同時還需具備足夠的實踐操作能力，因此該課程綜合性較強，也由此決定了該課程須同時注重理論知識講授、公式推導以及實踐應(yīng)用等方面。對此，課題組將在豐富課程教學資源的基礎(chǔ)上，采用互動式教學模式與虛擬仿真[6]相結(jié)合的方法，調(diào)動學生對于該課程的學習積極性并引導其通過課前預(yù)習、課中討論和課后鞏固等方式進行自主探究式學習。其中，在教學資源方面，課題組通過搜尋國內(nèi)外知名可靠性分析與維修決策優(yōu)化工程案例，以使學生在了解課本中可靠性與維修性基本概念與分析方法等基礎(chǔ)上，對其應(yīng)用過程擁有較直觀的認識，并且上述資料也可以作為學生課前自主學習的重要內(nèi)容。與此同時，針對課程的課上講解部分，教師還可以適當構(gòu)造開放式的問題情景，進一步引導學生進行發(fā)散性思維。考慮到在講解數(shù)據(jù)驅(qū)動部分時，足量設(shè)備運行數(shù)據(jù)獲取具有一定操作難度，課程將充分利用虛擬仿真技術(shù)在使學生掌握相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的同時，明確其在設(shè)備可靠性分析與維修決策等方面的具體應(yīng)用。以《可靠性與維修性工程》課程的“故障失效模式與影響性分析（Failure Mode and Effect Analysis,FMEA）”為例，由于該部分屬于定性與定量相結(jié)合內(nèi)容，在針對該部分的定性內(nèi)容時可選擇以工程應(yīng)用領(lǐng)域中的“風力發(fā)電機組”為分析對象進行展開。首先在該對象重要性方面，可結(jié)合其在當下能源轉(zhuǎn)型以及“碳中和”“碳達峰”等國家戰(zhàn)略方面的突出地位，描述其運行可靠性的重要作用；接著在該類設(shè)備運行收據(jù)收集方面可根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實施特點，強調(diào)新一代通信技術(shù)與該類設(shè)備的制造和運營等過程的深度融合，并從人、機、物以及系統(tǒng)等方面全面收集設(shè)備的運行信息。在潛在故障模式識別與影響性分析方面，可從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化等闡述分析模式與方法已由過去基于模型的方法或數(shù)據(jù)驅(qū)動方法轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗亩嗑S驅(qū)動的智能型分析模式。進一步地，還可基于AnyLogic情景仿真優(yōu)勢，以可視化的形式展現(xiàn)所聚焦對象的故障產(chǎn)生過程以及其影響方面。

2.5 針對性教學活動設(shè)計

作為教學的重要組成單元，教學活動旨在通過多形式引導學生課前對教學內(nèi)容進行預(yù)習、課堂中能夠就講授內(nèi)容展開交流研討并能在課后對已學習內(nèi)容進行強化吸收等?？紤]到《可靠性與維修性工程》課程的多學科交融特點，將針對性的教學活動設(shè)計如下：

2.5.1 課前進行開放式問題引導

結(jié)合即將展開的教學內(nèi)容，在講授前通過提出在現(xiàn)實工程實踐中所面臨的瓶頸問題的形式，引導學生進行開放式思考，并根據(jù)自身的知識儲備與思考邏輯設(shè)計相關(guān)問題的解決方案。然后，在課堂講授過程中通過逐個分析各個解決方案的優(yōu)劣特點，自然地引入相關(guān)教學內(nèi)容的實施特點與潛在的使用效果等。以《可靠性與維修性工程》課程的“故障樹分析”部分為例，在課前可拋出“某復(fù)雜機電系統(tǒng)發(fā)生故障后的責任追溯問題”，即如何確定系統(tǒng)的組成單元與系統(tǒng)級故障/失效事件的關(guān)聯(lián)性。課堂中可從學生給出的解決方案中選取代表性的方案，并從定性分析與定量分析兩方面闡述方案的優(yōu)點與不足，進而因素故障樹工具兼具定性分析與定量測度的優(yōu)勢，從而提升學生對該類分析工具的學習熱情。

2.5.2 課堂中的分組式研討設(shè)計

在引入所講授的課程主題之后，接下來就是深入淺出式地將課程內(nèi)容進行梳理與學習。在此，可以通過分組研討的形式由學生自主地總結(jié)所學習方法的特征。本部分仍以《可靠性與維修性工程》課程的“故障樹分析”部分為例，針對“某復(fù)雜機電系統(tǒng)發(fā)生故障后的責任追溯問題”，可安排一部分學生以可視化的形式（即故障樹）展現(xiàn)該系統(tǒng)與其組成單元之間的故障影響關(guān)系，即該組學生重點分析故障樹在定性分析方面的結(jié)構(gòu)化表征優(yōu)勢；針對另外一部分學生可以分組的形式完成該復(fù)雜機電系統(tǒng)故障概率測算以及組成單元各類重要性測度等內(nèi)容，從而提出故障樹在定量測度系統(tǒng)組成單元薄弱程度方面的作用。最后，通過綜合分析各個不同組別所完成的內(nèi)容，歸納總結(jié)出故障樹在分析復(fù)雜系統(tǒng)可靠性方面的全面性與有效性等特征，從而培養(yǎng)學生學會用系統(tǒng)化的角度分析可靠性相關(guān)問題。

3 課程教學改革保障

《可靠性與維修性工程》課程教學改革效果的全力保障需要輔以相應(yīng)的教學評價活動，并在評價內(nèi)容、評價形式以及評價結(jié)果反饋等方面進行詳細設(shè)計。本研究將針對上述教學改革的評價內(nèi)容設(shè)定為：學生對所接收到的教學內(nèi)容與其所學專業(yè)的契合程度、學生對教師給予的課前學習資源的利用效率、學生對教師組織的小組研討和課程設(shè)計等形式的滿意程度、學生對虛擬仿真平臺的使用滿意程度、教師對學生非課堂學習活動的參與積極性評價以及教師對學生整門課程的總評成績等。通過綜合基于上述多元化課程評價體系的評價結(jié)果，可以進一步確定《可靠性與維修性工程》課程未來的持續(xù)改進舉措，以不斷提高課程的教學質(zhì)量水平以及學生的受歡迎程度。