新工科研究生教學探索與實踐
——以“保障性分析技術”課程為例

郭霖瀚，比 譯，康 銳，馬小兵，梁幫龍

（北京航空航天大學 可靠性與系統(tǒng)工程學院，北京 100191）

引言

2015年，國務院印發(fā)《中國制造2025》，將“質量為先”列為建設制造強國戰(zhàn)略的重要指導思想之一，提出質量是建設制造強國的生命線，要加強可靠性設計、實驗與驗證技術開發(fā)應用，使航空航天裝備等重點領域產品的性能穩(wěn)定性、質量可靠性、環(huán)境適應性、使用壽命等指標達到國際同類產品先進水平［1］。同年，飛行器質量與可靠性專業(yè)被列為新工科專業(yè)。

2018年9月17日，教育部、工業(yè)和信息化部及中國工程院聯(lián)合發(fā)布了《關于加快建設發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》，對工程人才培養(yǎng)提出新的要求，要求大學的理工科應加強探索工程教育的新理念、新模式和新方法，能夠在未來培養(yǎng)出適應和引領新一輪科技革命和產業(yè)變革的卓越工程師，以適應和推動新技術、新產業(yè)、新經濟發(fā)展［2］。而工科研究生是高層次工程人才，是未來新技術產業(yè)發(fā)展的中堅力量，如何使研究生具備成長為卓越工程師的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新素質，是新工科建設亟須破解的重要問題之一［3-6］。這就需要在新工科研究生課程教學中，著力調整教學方式方法，更加注重學生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新素質培養(yǎng)，使研究生在畢業(yè)走向工作崗位后能夠并跑和領跑新產品研發(fā)。

飛行器質量與可靠性專業(yè)一直是北京航空航天大學可靠性與系統(tǒng)工程學院重點建設專業(yè)，學院在新工科建設契機下，站在新的歷史起點，從本科專業(yè)核心通識課到研究生專業(yè)理論核心課，開展了一系列教學改革工作。2018年，“保障性分析技術”課程作為學院研究生專業(yè)理論核心課得到了校研究生院精品課建設支持。在飛行器質量與可靠性工科專業(yè)建設背景下，該精品課堅持新工科建設指導思想，結合專業(yè)理論與知識，借助課程教學平臺，對研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式做出了一些有益的探索和嘗試。

本文分析了在新工科專業(yè)建設的必然要求下，“保障性分析技術”課程的新工科內涵和特點，緊貼裝備研制過程的實際創(chuàng)新型工程人才需要，結合課程特色研究了新工科研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式，介紹了課程建設過程中的實踐方法，并闡述了關于研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的思考。

一、“保障性分析技術”課程新工科內涵分析

（一）“保障性分析技術”課程新工科發(fā)展特點

保障性是裝備的設計特性和計劃的保障資源能夠滿足裝備執(zhí)行任務要求的能力，裝備在設計過程中，通過執(zhí)行保障性分析，才能將保證裝備必須具備的滿足任務執(zhí)行要求的能力轉化為裝備的設計要求和設計指標，并把這些設計要求和設計指標細化分解落實到裝備各個層次的功能產品和維護保障資源的設計上。裝備保障性工程主要圍繞對裝備故障的處置及準備工作保持或恢復裝備設計所賦予的性能。在裝備設計過程中，只有有效開展保障性分析工作，才能保證裝備“召之即來、來之能戰(zhàn)”。掌握保障性分析技術的人才是在裝備研制過程中有效開展保障性工作的首要前提，對具備保障性分析知識的專業(yè)人才的培養(yǎng)就成為國家裝備建設戰(zhàn)略中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

隨著裝備建設的發(fā)展由原來的跟跑到現(xiàn)在的并跑，甚至實現(xiàn)在一些領域的領跑，裝備保障模式也由粗放式保障轉向精準化保障，由信息化保障轉向智能化保障，由事后保障轉向事前保障。裝備保障模式轉變的需求也催生了裝備保障性分析技術由原來的定性分析技術為主向定量分析轉變，基于數(shù)據的分析技術向基于模型的分析技術轉變，面向過程的分析技術向面向預測和優(yōu)化的分析技術轉變。新技術需求的涌現(xiàn)使“保障性分析技術”課程知識體系融入了新工科的新知識體系特色。

由于前人未曾涉足的新裝備設計任務越來越多，缺乏可借鑒的成熟的技術方法，加之故障的隨機性，導致裝備保障性分析中存在大量的不確定性因素，保障性工程師面臨大量的創(chuàng)新性問題，無法遵循固化流程的設計方法有效解決這些新問題。這些新問題的解決對保障性工程師的創(chuàng)新能力提出了極高的要求。在裝備設計過程中，新問題的解決需求促使“保障性分析技術”課程培養(yǎng)模式融入了新工科的創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式。

（二）“保障性分析技術”課程新工科建設需求

“保障性分析技術”課程一直是北京航空航天大學可靠性與系統(tǒng)工程學院系統(tǒng)工程專業(yè)學術型研究生核心專業(yè)課，為裝備研制一線輸送了近15屆裝備保障性工程專業(yè)方向碩士和博士研究生，為國家裝備建設做出了巨大貢獻。裝備研制需求是“保障性分析技術”課程新工科建設的直接動力，由前述裝備保障性工程的新需求特點看，目前裝備保障性方向人才培養(yǎng)主要存在三個問題：一是原有課程知識體系不能滿足課程新工科知識體系要求，二是原有培養(yǎng)模式不能與課程新工科培養(yǎng)模式相契合，三是原有課程缺乏解決復雜工程問題的創(chuàng)新性實踐訓練。恰逢新工科建設契機，對這三個問題的思考和解決成了課程新工科建設發(fā)展的需求。

1.新工科知識體系需要?！氨Ｕ闲苑治黾夹g”課程原有的知識體系更多是圍繞定性分析方法，用于確定裝備維修保障需求的修復性和預防性維修工作項目的方法，主要從裝備的故障模式分析入手，圍繞導致裝備發(fā)生故障的定性因素，通過補償或消除裝備故障或潛在故障影響的邏輯主線確定適合和有效的維修工作，進而通過確定滿足這些維修工作執(zhí)行條件的保障資源需求形成裝備保障方案。這種以定性分析為主的知識體系不能滿足裝備精準保障的設計需求，無法準確預防裝備故障的發(fā)生，也不能滿足裝備保障智能化的發(fā)展需要，故需要建設“保障性分析技術”新工科知識體系以滿足日新月異的裝備設計中的新技術需求。

2.新工科培養(yǎng)模式需要?！氨Ｕ闲苑治黾夹g”課程原有培養(yǎng)模式更多以課堂知識講授為主，講授內容主要圍繞國軍標認證相應的流程和方法。但這些流程方法相對固化，培養(yǎng)方式相對單一，培養(yǎng)出的研究生在面對工作中的既有問題時具有較強的工作能力，而面對工作中的創(chuàng)新性問題時往往缺乏有效的解決手段，不能拿出有針對性的解決方案，因此，原有培養(yǎng)模式無法滿足裝備建設發(fā)展中技術領跑的發(fā)展趨勢，需要建設“保障性分析技術”課程新工科培養(yǎng)模式，培養(yǎng)領跑裝備設計開發(fā)的創(chuàng)新型技術領軍人才。

3.新工科創(chuàng)新性實踐需要?！氨Ｕ闲苑治黾夹g”課程原有教學大綱中缺乏注重學生動手能力培養(yǎng)的實踐訓練環(huán)節(jié)。工程中為降低新技術風險，新方法和新技術必須加以驗證才能在裝備設計和制造過程中實施。為滿足裝備研制過程中的新技術驗證需要，新工科要求下的“保障性分析技術”課程實踐不僅需要增加課程的實踐教學環(huán)節(jié)，而且要增加創(chuàng)新性實踐環(huán)節(jié)，從而提升學生在解決復雜工程問題時新方法與新技術的應用能力。

二、“保障性分析技術”課程新工科建設初探

（一）“保障性分析技術”課程新工科知識體系構建

“保障性分析技術”課程新工科知識體系的形成路徑主要來自該學科領域科研項目的成果積累，從近十五年積累的課題研究成果中，不斷汲取新知識沉淀到課程教學中。這些科研項目主要分為四類：第一類是基礎研究項目，主要是基金類項目，這類項目成果通常是針對抽象復雜可修系統(tǒng)的新理論和新方法；第二類是應用基礎類科研項目，這類項目成果通常是針對某類裝備的新方法和新技術；第三類是應用類科研項目，這類項目通常對象類型有明確限定和范圍，新技術和新方法通常相對成熟；第四類是工程型號類項目，這類項目研究對象具體，新方法或新技術有物化的軟硬件工具或國軍標支撐。從這四類項目積累的模型庫中，形成保障要求量化、預防性及預計性維修決策、保障資源預測及關鍵保障資源與優(yōu)化、修理級別優(yōu)化、保障性仿真評估等新知識體系。

同時，要引導學生收集社會上發(fā)生的與裝備保障有關的熱點問題，如共享單車、波音737 Max800型飛機空難事故等，或者是學生熟悉的家用或辦公設備，融入分析這些經典案例與新熱點案例，形成課程的新工科知識體系，如圖1所示。

圖1 課程知識體系

（二）“保障性分析技術”課程新工科教學模式探索

針對學生在保障性分析設計中缺乏對創(chuàng)新性問題系統(tǒng)有效解決能力問題，引導學生根據已經掌握的基礎知識自主篩選研究對象，教師根據對象的特點牽引啟發(fā)其中有價值的需求問題，再要求學生結合學習到的新建模知識與教師團隊共同探討問題解決方案，并在課程搭建實驗平臺對結論進行實驗驗證，形成研究對象自主篩選、需求問題牽引啟發(fā)、建模知識課堂講習、解決方案共同探討、理論驗證仿真分析的五位一體的研究型教學模式，著重培養(yǎng)學生解決創(chuàng)新性問題的能力。

在多輪教學實踐中，一方面，將這五點串成一條通識創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主線，促使學生在自主選題或導向性選題的解決過程中能夠熟練運用創(chuàng)新思維方式和創(chuàng)新問題解決方法；另一方面，結合課程新知識體系，分別在這五點上結合經典問題推行創(chuàng)新性問題解決范式，讓學生在教學培養(yǎng)環(huán)節(jié)形成持續(xù)學習新技術的能力和習慣，形成保障性分析技術新工科專業(yè)創(chuàng)新能力，如圖2所示。

圖2 課程培養(yǎng)模式

（三）“保障性分析技術”課程新工科教學實踐平臺

針對課程缺乏實踐環(huán)節(jié)的問題，搭建了自主研發(fā)的保障性仿真實驗教學平臺，包括保障性仿真實驗工具、保障性評估工具及仿真數(shù)據庫。以保障性仿真基礎實驗為抓手，引入針對新問題的提高性實驗，針對在保障性方向開題的研究生設立自主實驗以提升其創(chuàng)新實踐能力，同時每輪次課程完成后擴充新實驗，促使學生在經典問題實驗驗證的基礎上，可以融合自主或導向性收集的新問題，在教師的啟發(fā)下，自主開展新仿真實驗研究，不斷提升開放式教學實驗平臺的教學質量，有效發(fā)揮課程的新工科教學平臺的創(chuàng)新實踐作用。

仿真實驗教學平臺是省部級科研項目的技術成果之一，于2015年11月完成了成果鑒定，達到國內領先水平。該成果應用于課程實踐教學環(huán)節(jié)中，極大地提升了學生對復雜可修系統(tǒng)通用特性定量關系的認知水平，增強了學生解決復雜可修系統(tǒng)保障性工程問題的實踐能力。

結語

新工科建設給工科研究生教育注入了新的發(fā)展動力，本文以北京航空航天大學“保障性分析技術”課程為例，立足于系統(tǒng)工程學科的發(fā)展背景，結合國家《中國制造2025》規(guī)劃對裝備質量建設提出的新要求，分析了課程在新工科契機下的新工科特征和建設需求，介紹了課程新工科建設的一些初步嘗試，包括構建來自不同層次科研項目成果的新工科知識體系、探索具有鮮明新工科特色的五位一體研究型教學模式，以及搭建新工科教學創(chuàng)新實踐仿真實驗平臺，并通過多輪次教學實踐驗證了課程新工科建設成果對研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎性和支撐性作用。