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摘要：文章首先分析了三航专业研究生课程“可靠性工程”教学现状，然后提出了三航专业研究生课程 “可靠性工程”教学改革路径，包括课程联动促进交叉融合、实践教学培养系统工程思维、产学研协作打 破壁垒等。
关键词：可靠性工程教学,三航专业,研究生课程
可靠性工程是一门相对年轻的学科， 其起源和发 展具有典型的行业特征。二战时期，德、美等军事装备 均出现了非战斗折损率过高的问题， 有的由于未对系 统级可靠性进行评估引起，有的则由服役环境的复杂、 多变引起， 这些问题促使战后欧美强国对武器装备可 靠性展开研究， 并逐渐形成了现在可靠性工程中的系 统可靠性理论、可靠性数学、可靠性试验等重要分支， 相关技术的发展在战后又服务于其国民经济发展，极 大提高了家电、汽车等工业产品的附加值，并促进了这 些行业的蓬勃发展。20 世纪 50 年代，由美国国防部牵 头，联合军方、工业部门及学术界组成了著名的电子设 备可靠性咨询委员会(AGREE)，并于 1957 年发布了 著名的《军用电子设备可靠性》研究报告，形成了具有 组织性和系统性的可靠性工程理论、分析与设计方法、 试验技术和管理程序研究， 现有的可靠性工程教学内 容大多诞生于该时期[1]。我国关于可靠性工程的系统性 研究诞生于 20 世纪 70 年代， 通过从国外系统性地引 入可靠性技术和试验方法，促使我国航空电子、运载火 箭等有关装备的可靠性不断提高。目前，经过半个多世 纪的发展， 可靠性工程在理论研究和工程实践上都取 得了巨大进展，已经形成了一门完善的学科，且在高端 制造和高端装备发展中扮演着重要角色。
从狭义上讲，可靠性的定义为产品在规定条件下 和规定时间内完成规定功能的能力; 从广义上讲，则 包含了可靠性、维修性、保障性、测试行、安全性、环境 适应性(六性) 等方面的内容，因此涉及装备全寿命周 期的各个阶段 。随着我国由制造大国向制造强国迈 进，与高端制造和高端国防装备有关的质量与可靠性 问题逐渐突显，故包括航空、航天、航海(三航) 在内的 装备和高端制造行业对可靠性专业人才的需求日益突显 。例如，《中国制造 2025 蓝皮书(2018)》指出，“针 对重点行业，组织攻克一批长期困扰产品质量提升的 关键共性质量技术，加强可靠性设计、试验与验证技 术开发应用”;“大力提高国防装备质量可靠性， 增强 国防装备实战能力”[2]。与此同时，工信部发布的《产业 关键共性技术发展指南(2017 年)》将“工程机械产品 试验检测与可靠性技术”列为亟待攻破的共性技术， 强调了可靠性基础知识库研究的必要性和紧迫性[3]。 以航空工业为例，经过几十年发展，我国民机和军机 均已实现自主知识产权， 然而以新舟 60 起落架故障 为代表的质量与可靠性问题成了航空工业发展的主 要短板之一 。随着 C919 等飞机加入世界商用航空竞 争行列，大力推进民用航空可靠性技术的发展被公认 为是提高民机产品核心竞争力的必由之路。
与上述需求形成鲜明对比的是我国可靠性工程 专业人才培养，特别是研究生层次的高端跨领域复合 型人才培养严重滞后于高端制造业(半导体、机器人、 增材制造、民机等) 和高端武器装备(高超声速飞行 器、可回收航天器等) 的发展。尽管各三航装备主机厂 所大多成立了与可靠性有关的“四性室”或“六性室”， 然而基本都未形成以质量和可靠性为驱动的正向设 计体系 。从近年来三航领域主机厂所招聘需求来看， 社会对可靠性工程领域高端人才的需求旺盛，但受制 于人才培养和课程设置与行业需求的脱节，造成了人 才供需不匹配的问题。
笔者以在西北工业大学(以下简称“我校”)开展 “可靠性工程”研究生课程教学的经历和经验为例，探 究课程建设和可靠性人才培养过程中遇到的瓶颈，在 此基础上论述已经或正在开展的教学改革探索，以及 形成“四位一体”的教学改革思路，为培养以三航专业为代表的可进行高端制造和高端装备可靠性研究的 应用复合型人才提供思路。
一、三航专业研究生课程“可靠性工程”教学现状
欧美发达国家高校已经广泛开展了可靠性工程 专业人才的培养，如美国马里兰大学通过可靠性工程 专业学科建设，培养了大量可靠性专门人才，形成了 完善的可靠性工程专业研究生课程体系[4];笔者曾任 职的德国汉诺威大学风险与可靠性研究所开设了“风 险与可靠性”“随机振动”等一系列可靠性领域研究生 课程，为德国工业界培养了一批可靠性专门人才 。 国 内多位学者也开展了“可靠性工程”课程体系或教材 建设方面的尝试，如李镇等[5]研究了该课程的本科教 学内容优化及探究式教学方法;张兴媛等[6]探究了“可 靠性工程”课程的教学内容、教学条件和教学方法的 建设;李海庆等[7]针对该课程研究和实践了研究型教 学方案和教学模式;梁开武等[8]对该课程的教学内容 整合及教材建设进行了实践。上述教改探索大多针对 本科层次开展，且基本面向非国防专业。
笔者自 2016 年以来在我校开展了针对本科和研 究生的“可靠性工程”课程教学，在德期间辅助开展了 汉诺威大学“风险与可靠性”课程教学，基于此，结合 多年教学经验及上述国内学者开展该课程教学改革 的实践经验，发现与国外工科强校相比，国内高校在 “可靠性工程”课程建设方面普遍存在以下共性问题。
(一)未形成合理完善的专业课程体系
“可靠性工程”是一门完备的学科课程，是典型的 系统工程课程，涉及的理论、方法和实践具有典型的多 学科交叉融合特征。从产品全寿命周期视角理解该系 统工程涉及的内容如图 1 所示。可靠性贯穿一个产品 的全寿命周期，涉及的内容可以分为“可靠性工程”和 “可靠性售后”两个阶段。本课程关注“可靠性工程”，该 部分内容又包括“可靠性分析与设计”及“维修性与保 障性”，前者涉及系统可用性分析、任务就绪分析、可靠 性建模与分析、可靠性设计与分配、可靠性(增长、鉴定 等) 试验、可靠性试验数据分析等内容，同时涉及“多元 统计”“随机过程”“多物理场模拟”“随机模拟”“贝叶 斯统计推断”“机器学习”等课程内容[9];后者涉及“数 值优化”“随机过程”“机器学习”等课程内容，可见该 课程内容均具有典型的多学科交叉特性 。然而绝大多 数“可靠性工程”课程大纲均指出，该课程的先修课程 仅为“高等数学”和“概率论与数理统计”。由于相关课 程知识的缺失导致学生无法触及“可靠性工程”科学前沿，这与培养跨领域复合型研究人才的目标不相匹配。 此外，受到课时限制(一般为 32~48 学时)，教师无法在 有限的课时内补充相关知识，且与其余课程形成了“割 裂感”，没有形成合理完善的专业课程体系。
(二)教学内容与行业脱节
“可靠性工程”这一课程的诞生是受武器装备发 展驱动的，具有典型的行业特色 。比如，我校作为我国 唯一的以同时发展航空、航天、航海工程教育和科学 研究为特色的全国重点大学，长期为三航领域输送高 质量人才，形成了著名的“西工大现象”。其中，动力与 能源学院每年为国家培养了大批航空发动机人才。然 而现有课程内容多限于可靠性基础理论，缺乏以三航 装备为背景的应用案例教学和实践教学，且教学形式 以主讲教师课堂教学为主，缺乏与行业的联系，导致 学生在学习后无法了解“可靠性工程”这门课程的知 识究竟能够解决哪些行业问题。
除了上述两个问题，现有教学方案还存在思政素 材、课外教学内容、可靠性学术前沿内容匮乏等问题， 需要在课程改革中一并解决。
二、三航专业研究生课程“可靠性工程”教学改 革路径
三航专业研究生课程“可靠性工程”以国防装备 为背景，对可靠性工程涉及的基本理论方法(包括可 靠性工程数学基础、可靠性分析的基本方法、可靠性 设计与分配、可靠性试验、维修性与保障性等) 进行系 统性讲解，并通过大量工程实例讲解将理论知识与共 性技术融会贯通，从而培养具备装备及其元部件可靠 性与寿命评估、设计及试验数据分析的能力，以及具 有装备全寿命周期可靠性设计思维，并能进行开创性 可靠性学术研究的高层次三航人才 。为达到上述目 标，本文提出了如图 2 所示的“四位一体”的教学改革 与实践方案，具体的改革方法和策略如下。
(一)课程联动促进交叉融合
由图 2 可知，在课时无法扩充的前提下，为破解 “可靠性工程”教学中未形成合理完善的专业课程体 系的难题，可采用课程联动促进交叉融合的思路，其 基本思想如下：通过与基础类研究生课程任课教师协 作，将“可靠性工程”中的数学基础内容融入教学，形 成交叉融合和互补; 通过与三航专业类课程协作，将 可靠性设计的相关思想作为前沿渗透到教学内容中， 形成互补机制。
具体来讲，前期通过与应用统计课程群协作[10] ， 在“多元统计分析”“随机过程”“时间序列分析” “机器学习”等专业基础课程中加入可靠性数学的 相关知识，这样一方面可增强学生对基础类课程的 学习兴趣，另 一方面能做好课程衔接，将“可靠性工 程”中的可靠性数学基础内容由 6 学时压缩为 1 ~ 2 学时。例如，在“随机过程”课程教学中，教师讲授离 散型随机过程(如马尔科夫链) 时，以系统可靠性评 估和可修系统的更新理论中的马尔可夫模型，以及 结构可靠性分析中的“ 马 尔 科 夫 链 蒙 特 卡 洛 抽 样 (MCMC) ”方法作为案例进行讲解，不仅能加深学生 对马尔可夫随机过程的理解， 还能开阔学生的思 维，使其明确在学术研究中如何灵活运用这些方法 和算法;在“时间序列分析”课程授课中，以时变可 靠性分析作为案例进行讲解，可使学生明确随机时 间序列分析的典型应用;在“机器学习”课程中，以 神经网络 、支持向量机 、高斯过程回归等内容在结 构和复杂系统可靠性中的应用作为案例进行讲解 ， 可丰富课程内容，并有效减小“可靠性工程”教学难度;在“多元统计分析”课程中，融入小数据下高可 信可靠性评估的不确定性量化的国际学术前沿内 容，可开阔学生的学术视野，与“可靠性工程”课程 的学术前沿教学形成呼应。
此外，通过与“飞行器结构设计”“飞行器自控原 理”等专业类课程进行沟通，拟将可靠性设计思想和 基于不确定性量化的稳健设计思想融入课程教学，可 使学生在结构设计方面破除传统以安全系数为依据 的确定性设计思维， 让其具备以可靠性/稳健性为目 标/约束的概率设计思维。
(二)实践教学培养系统工程思维
可靠性工程是典型的系统工程， 其重点不在于 可靠性数学基础的教学， 而在于培养学生系统工程 思维 。尽管现有课程中可靠性框图、FMECA、故障树 等相关内容的对象均为系统， 然而教授内容多集中 于这些方法或模型的数学基础， 忽略了其背后的系 统性思想 。对此，通过以下两个方面的改革，可破除 该壁垒 。第一，在教学内容中增加大量系统可靠性实 践的真实案例，通过对真实装备系统的可靠性建模、 可靠性分析、可靠性设计、可靠性数据处理等进行体 系化教学，培养学生系统工程思维 。 目前，通过资料 整理和收集形成的工程案例包括航空发动机燃油系 统、液压注入泵、空中交通控制系统通信网络等[11]。第 二，通过与教学团队承担的“航空发动机控制元件实 验”课程合作，如图 3 所示，对航空燃油柱塞泵产品 进行现场拆解，为学生讲解由单元到系统的思想，以 及可靠性指标由系统级向子系统及单元分配的过 程，增强其系统工程思维。
(三)产学研协作打破壁垒
教学团队充分利用“动力控制装置性能与可靠性 研究所”与行业厂所的合作关系和合作资源，拟通过 邀请厂所型号专家到校讲学等形式，让专家从燃油控 制系统的全寿命周期出发，讲授可靠性工程在装备研 发中的重要性和实施方案，并以具体型号为例，结合 其多年工程经验，讲授燃油控制系统典型故障与失效 模式、产品及可靠性评估的基本流程和方法 。通过上 述产学合作打破壁垒，可实现产学相互促进，培养具 有工程思维的可靠性专门人才。
此外，为满足研究型人才的培养目标，可从教学 团队承担的国家自然科学基金、国际合作基金、装备 基础研究项目等可靠性方向的项目中提炼出若干前 沿问题作为开发题目，以供学生进行前沿探索 。典型 题目包括：①小子样下产品寿命与可靠性的高可信推 断;②随机载荷激励在关键结构部件中的传播规律; ③复杂网络系统可靠性信息压缩;等等 。同时，鼓励学 生定期参加团队项目进展推进会和技术研讨会，从而 培养学生进行可靠性学术研究的能力。
(四)思政引领树立国防情怀
“可靠性工程”作为一门纯工科课程，其思政元素 往往难以提炼。然而鉴于三航专业研究生将来很大一 部分将就职于国防装备发展主机厂所，在专业课程教 学中提炼思政元素，通过潜移默化的教学提高学生的 政治站位和增强学生的国防情怀是非常有必要的。故 本课程改革通过三个方面将思政教学与专业课程内 容有机结合，分别如下：①国防装备发展中面临的可 靠性挑战;②国防领域的“西工大现象”;③“新三航 人”的历史使命。首先，通过对我国装备发展产业链的 完备性进行讲述，激发学生民族荣誉感，在此基础上 对比我国与欧美发达国家在航空发动机 、载人航天、水下兵器的装备级级关键部件在寿命与可靠性指标 方面的差距，教导学生正视差距，增强通过技术创新 迎头赶上的决心。其次，在可靠性发展史部分，通过讲 述国防领域的“西工大现象”，增强学生对三航专业的 自豪感，在此基础上讲授我校从 20 世纪 80 年代开始 培养可靠性专业人才的历程和取得的成效，增强学生 投身国防、投身装备可靠性工程领域的决心。最后，从 民族复兴角度出发，在引导学生学习国防领域老一辈 科学家(顾诵芬、陈一坚、刘大响等) 光辉事迹的基础 上，明确“新三航人”肩负的历史使命，即在前人基础上，明确以航空发动机为代表的装备质量与可靠性是 新一代“三航人”所要努力的方向。
三、结语
本文通过剖析国防装备发展对可靠性专业人才 的巨大需求，并对比国内外可靠性人才培养和课程设 置的差别，分析了“可靠性工程”课程教学中存在的主 要问题，并有针对性地提出了“四位一体”的教学改革 框架和策略，这样既能在有限的课时内完成基础理论 方法的教学，同时也能培养学生系统工程思维、全寿 命周期设计思维 、失效物理与试验数据双驱动思维 等，达到可靠性工程人才和学术人才培养的目的 。需 要指出的是，为切实实现本文所提的“四位一体”的课 程改革思路，我校还需继续与其余研究生课程、行业 厂所、国外高校之间加强合作，建立更为丰富、更多元 化的课程素材库。
参考文献：
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[11] ELSAYED E A .Reliability Engineering [M] .3rd ed . Pondicherry : Wiley,2021.
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