以多层次一体化教学助力系统...电子产品可靠性系列课程为例_陈颖.pdf

DOI：10.13766/j.bhsk.10082204.2021.0416以多层次一体化教学助力系统工程思维培养以电子产品可靠性系列课程为例陈颖，康锐（北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京100083）摘要：在实现关键核心技术自主可控的背景下，为了培养学生的系统工程思维，进而培养创新型、复合型人才，提出了全新的多层次一体化教学模式，即本研一体关联化、理论与实践一体互动式以及线上与线下一体系统化，并梳理了授课内容的关联性，搭建了线上虚拟仿真平台和线下仪器操作实验平台。同时，加强课程思政，并采取多元化的考核形式。实践表明，多层次一体化教学模式不仅提升了课程教学品质，激发了学生的学习热情，而且有利于培养其系统工程思维，帮助其站在全局角度来认识事物，提高其发现问题、提出问题并解决问题的能力。关键词：多层次一体化教学；系统工程思维；可靠性；虚拟仿真云平台；课程思政中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：10082204（2023）02018206CultivationofSystemEngineeringThinkingwiththeHelpofMulti-levelIntegratedTeaching:TakingtheSeriesofCoursesonElectronicProductReliabilityasanExampleCHENYing，KANGRui（SchoolofReliabilityandSystemsEngineering,BeihangUniversity,Beijing100083,China）Abstract:Underthebackgroundofrealizingtheindependentcontrolofkeycoretechnologies,andinordertocultivatestudentssystemengineeringthinking,andthentheinnovativeandinterdisciplinarytalents,thepaperputsforwardanewmulti-levelintegratedteachingmode,thatis,theintegrationandinterconnectionofundergraduatesandpostgraduates,theintegrationandinteractionoftheoryandpractice,andtheintegrationandsystematizationofonlineandofflineteachingandlearning.Inaddition,thepaperexplorestherelevanceofthecoursescontents,andbuildsanonlinevirtualsimulationcloudplatformandanofflineinstrumentoperationexperimentplatform.Meanwhile,inthemulti-levelintegratedteachingmode,thecurriculum-basedideologicalandpoliticaleducationarestrengthened,anddiversifiedwaysofassessmentareadopted.Thepracticeshowsthatthemulti-levelintegratedteachingmodecannotonlyimprovethequalityoftheteachingofthecoursesandarousesstudentsenthusiasmforlearning,butalsohelptocultivatestudentssystemengineeringthinking,sothattheycanunderstandthingsfromtheoverallperspectiveandbeabletofind,raiseandsolveproblems.Keywords:multi-levelintegratedteaching；systemengineeringthinking；reliability；virtualsimulationcloudplatform；curriculum-basedideologicalandpoliticaleducation一、研究背景2021 年，科技部提出，“十四五”期间中国将加强半导体产业的前沿基础研究，主要聚焦在集成电路、软件、高端芯片、新一代半导体技术等领域的关键核心技术方面，提升技术创新能力和产业发展的质量和自主权1。中国工程院院士胡文瑞指出：“未收稿日期：20210707基金项目：国家自然科学基金(61503014，62073009)作者简介：陈颖（1977），女，河北唐山人，副教授，博士，研究方向为失效物理、电子产品确信可靠性分析.第36卷第2期北京航空航天大学学报（社会科学版）Vol.36No.22023年3月JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics(SocialSciencesEdition)March2023来科技发展需要中国自己的科技人员自力更生，开创出一条属于中国科技自身的独特的发展道路。只有以工程科学为基础和先导，大力发展原创性工程技术，才能够根本摆脱国际制约，真正成为工程强国。”2而要实现强国梦，最根本之处在于要培养出实践和创新能力都较强的高水平复合型人才。要生产出高端集成电路芯片，不仅需要突破半导体设计关键技术，还需要在材料、加工设备、工艺条件、芯片的可靠性等方面进行大量的探索和实践，特别是芯片的可靠性，更是实现自主可控的关键所在。这就要求工程师应将材料学、电子信息学、机械学、光学、热学、可靠性等各个领域的知识融会贯通，形成系统工程思维，从而确保国内生产出来的芯片能够逐渐替代国外的芯片，真正实现自主可控。系统工程思维是一种综合性的思维模式，强调从整体角度出发来认识事物，发现问题、提出问题并解决问题，同时要求学生要有全局性思维，能够进行关联性的学习，而不是零散地、孤立地观察和认识事物3-4。电子产品可靠性系列课程是北京航空航天大学（以下简称“北航”）飞行器质量与可靠性、控制科学与工程两个专业共同的基础课。这两个专业共同的人才培养目标为：培养能够利用系统思维解决复杂工程问题的创新型卓越工程技术人才。电子产品可靠性系列课程教学团队（以下简称“教学团队”）所在的可靠性与系统工程学院，是由著名专家杨为民教授顺应国家战略重大需求组建的。该学院的名称也体现了可靠性与系统工程二者密不可分，要解决核心关键领域电子产品的可靠性问题，必须利用系统工程的思维，践行系统工程理念。近年来，国家的一系列举措，无不显示出中国教育行业为了培养各类型创新人才，支撑国家质量强国建设的决心。2017 年 2 月，为了应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，服务国家创新驱动发展、中国制造 2025、互联网+等重大战略的实施以及“一带一路”倡议的推进，加快工程教育改革创新，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，支撑产业转型升级，教育部发布了教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知，指出将“围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系”来开展新工科研究和实践5。2018 年 9 月，全国教育大会上，习近平指出：“坚持立德树人，加强学校思想政治工作。”6同年 11 月，教育部提出建设“两性一度”，即高阶性、创新性、挑战度7。2019 年，教育部又发布了教育部关于一流本科课程建设的实施意见，提出：“建设适应新时代要求的一流本科课程，构建更高水平人才培养体系。”8在教育部的号召下，全国高等院校教师纷纷开展了各种类型的教学研究和实践，取得了大量的成果，如开创了人工智能实践模式9，搭建了线上教学平台10、虚拟仿真平台11-12，实行了微课教学13、线上线下翻转式教学14-16等，不仅有助于培养学生的工程意识，而且有助于塑造学生的工匠精神17。鉴于此，笔者拟以电子产品可靠性系列课程为例，探讨北航可靠性与系统工程学院所实行的多层次一体化教学模式，旨在提高可靠性专业的教学质量，培养具有系统工程思维且实践和创新能力都较强的高水平复合型人才，以期能够为发展原创工程技术，提高中国科学技术的自主可控能力助力。二、实行多层次一体化教学模式前课程教学中存在的问题电子产品可靠性系列课程包括本科生核心专业课程失效物理基础、研究生专业理论核心课程电子产品可靠性与风险分析以及研究生实验课程电子产品可靠性仿真与测试实验。在实行多层次一体化教学模式前，课程教学中主要存在以下问题：（一）本研教学内容相互割裂本科生课程以失效机理为主来评价产品的寿命，研究生课程则讲授可靠性的设计和分析方法，二者之间关联性较弱，难以起到帮助学生形成解决电子产品可靠性问题的系统性工程思维的效果。（二）以理论教学为主，学生理解、应用难度大传统教学模式下的课程多依赖教师理论教学，缺乏实践应用，不利于学生全局意识和系统工程思维的培养。而电子产品可靠性系列课程的实践性很强，必须结合具体的产品，从其工作的环境、载荷和产品内部构造等内外因角度来进行分析、计算和仿真验证，才能使学生对理论知识的理解更加深入。在实行多层次一体教学模式之前，无论本科生课程还是研究生课程，均采用理论授课方式，以介绍概念、研究背景、推导公式为主，习题也与工程实际关联不大，不同章节标题之间关联性较弱，学生仅能解决给定条件下的解题任务，不利于其全局意识和系统工程思维的形成，且对培养其创新思维和能力也会产生一定的抑制作用。（三）教学模式较为单一在新冠病毒感染疫情暴发之前，本科生和研究第36卷第2期陈颖等：以多层次一体化教学助力系统工程思维培养以电子产品可靠性系列课程为例 183 生课程均采用线下授课方式。受疫情影响，较长一段时期内，绝大多数课程都是采取线上方式授课，这也使得教学模式单一的问题更加明显地显露出来。由于首次开展线上教学，加上课程实践环节无法线上展开，学生普遍反映由于缺乏直观认识，致使课程内容难以理解等，这也促使教学团队不得不进行改革，即引入新的教学模式。综上可知，只有解决上述课程教学中存在的问题，实现课程教学内容的一体化、理论与实践的一体化以及现代与传统教学模式一体化，才能有效提升课程教学的系统性，进而起到助力学生系统工程思维能力培养的效果。三、多层次一体化教学模式针对上述问题，教学团队对电子产品可靠性系列课程进行了研讨，构思了一种新的教学模式多层次一体化教学模式，即本研一体、理论与实践一体以及线上与线下一体，为培养学生系统工程思维和创新创造能力保驾护航。多层次一体化教学模式的整体思路，如图 1 所示。理论：夯实基础，面向工程需求实践：独立思考，积极实践失效物理基础电子产品可靠性与 风险分析电子产品可靠性仿真与测试实验本科生核心专业课程研究生专业理论核心课程线上：虚拟仿真实验线下：仪器操作实验失效模式、机理物理模型寿命分析和计算性能参数裕量、退化建模不确定量化确信可靠性分析建模仿真模型修正材料物理参数测试产品应力响应测试寿命分析，确信可靠性评价接入云端图1多层次一体化教学整体思路本研一体，主要是从授课内容的相互关联性方面进行考虑，打通本科生课程与研究生课程之间的壁垒，实现关联性的教学；理论与实践一体，即理论部分主要是夯实学生的学习基础，同时为了提高趣味性和实用性，面向工程需求，采用案例式教学；线上与线下一体，则是为了充分利用互联网资源实现虚拟仿真实践，同时在线下进行测试实验和课堂讨论，以帮助学生实现知识的融会贯通。（一）本研一体关联化教学由图 1 可知，教学团队首先对本科生核心专业课程和研究生专业理论核心课程的理论部分进行了系统性梳理，并将二者的教学内容进行了关联，难度方面采用渐进式设计。失效物理基础课程主要讲授电子产品与热、振动、电、电磁、空间辐射等相关的故障机理，并在此基础上推导失效物理模型，以及讲解如何进行寿命设计与仿真。电子产品可靠性分析与风险评估课程则在失效物理基础课程的基础上，从可靠性科学原理出发，讲授实现性能参数、裕量建模、退化建模和不确定量化，最后将寿命分析和计算结果与不确定量化综合起来，进行确信可靠性计算。理论部分还采用案例式教学，如引入飞机自动控制系统的失效模式、机理及影响分析（FMMEA）案例、发动机电子控制器的可靠性仿真分析案例、U 盘的故障诊断与预测案例、用于舰船的单板计算机确信可靠性计算案例、卫星姿态控制系统可靠性建模案例等。引入上述不同领域的大量案例，可以使学生更加全面地了解各种应用场景下对于电子产品可靠性分析的不同考虑，有利于系统地培养学生解决实际问题的能力。合理把握理论部分各章节内容之间的关联，可以有效加深学生对知识的更深层次的理解，从而促进学生在课程学习的过程中，在注重散点状知识学习的同时，能够形成全局性、关联性的系统工程思维。（二）理论与实践一体互动式教学针对课程实践性较强的特点，如果只停留在理论和案例层面，往往会使学生未来到了工作岗位上 184 北京航空航天大学学报（社会科学版）2023年3月仍然无法通过所学知识来解决实际问题。电子产品可靠性仿真与测试实验课程则为学生提供了良好的实践平台。由图 1 可知，该课程主要包括两个部分，即虚拟仿真实验和仪器操作实验。学生在完成理论学习之后，首先，利用虚拟仿真平台进行建模、计算；其次，进入实验室现场进行测量、模型校核；最后，回到线上的虚拟仿真平台，利用测量和校核的结果修正虚拟仿真模型，对比校核前后的计算结果，并讨论影响仿真精度和可靠性评估结果的因素。在此过程中，学生既可以实践最新的互联网技术，又可以锻炼动手操作的能力，同时加深对所学理论知识的理解。仪器操作实验主要包括材料物理参数测试、产品应力响应测试两部分，仪器操作实验中所用的部分设备，如图 2 所示。其中，显微力学测试仪和热阻测试仪用于材料物理参数测试，红外显微成像仪和激光测振仪用于应力响应测试，测试电路和数据采集卡分别在测量过程中起辅助作用和记录数据。(a)显微力学测试仪(d)激光测振仪(e)测试电路(f)数据采集卡(b)热阻测试仪(c)红外显微成像仪图2实验设备通过理论与实践相结合的方式，有利于进一步锻炼学生的系统工程思维。要解决工程中的实际问题，必须采用系统的、综合性的思维，从课堂上讲授的理论中获取解决问题的思路，同时还要利用实际的测量、仿真、校核等形式，将理论付诸实践，最终成功解决问题。（三）线上与线下一体系统化教学电子产品可靠性系列课程还采用线上与线下一体系统化教学，如图 3 所示，即线下学习理论知识、线上进行虚拟仿真实践，再回到线下进行实际操作实验。为了提高线上与线下课程的关联性，在虚拟仿真和仪器操作实践后还安排了讨论课，以对理论和实践部分进行总结。为了更好地进行线上与线下一体系统化教学，教学团队编制了教材虚拟仿真实验指导书，包括热、振动、电磁应力仿真和电仿真实验指导书，寿命分析和计算实验指导书，确信可靠性分析实验指导书，详细列出了虚拟仿真部分的操作流程，仿真过程中的问题也有助教在线一一解 教学大纲 授课PPT 实验指导书 教材 微视频 实验报告模板北航课程中心及云盘 案例模型 仿真结果 计算结果 理论习题 虚拟仿真报告 测试实验报告 线上课程提问 课堂表现 实验报告 讨论奖分 闭卷考试理论授课课程资源作业提交成绩评定虚拟仿真课测试实验课课堂测试回归支撑线上线下图3线上与线下一体系统化教学组织形式第36卷第2期陈颖等：以多层次一体化教学助力系统工程思维培养以电子产品可靠性系列课程为例 185 答。线上虚拟仿真的模型、学生仿真结果和可靠性计算结果都会被保存在线上教学平台上，授课教师可以进行查看和批改点评。其他的教学材料，如大纲、授课 PPT、案例讲解微视频、实验报告模板等，均被上传至北航课程中心及云盘上，供学生参考。理论部分的作业提交和成绩评定也都是在线上的北航课程中心实现。由于在机房仿真对硬件要求高、计算成本和时间成本大，加上新冠病毒感染疫情影响线下教学，教学团队依托网络技术，开发了电子产品可靠性仿真云平台，在保证课程内容完整性同时，采用线上与线下相结合的方式来开展实践教学。电子产品可靠性仿真云平台主要包括建模、模型参数设置、应力仿真、物理模型计算、可靠性分析等模块，融合了有限元建模、热仿真计算、振动仿真计算和电磁仿真计算，同时可以提供故障物理模型选择和可靠性评估算法。云端虚拟仿真的接口及实现方法，如图 4 所示。电子控制器仿真分析与设计改进、单板计算机确信可靠性计算两个实践教学案例均来源于工程实际，需要综合利用软件的各个模块来进行仿真和计算，这不仅要求学生牢固地掌握基础知识，而且还要求其能进行进一步的仿真方案的研究和探索。这正是对教学内容高阶性、创新性与挑战度的有力凸显。用户端数据通道学生三维模型文件教师设计信息应力仿真自动化接口数据库调用接口数据显示云端数据访问端口多物理场仿真云端云服务器云端功能部署计算核WebWeb页面Web服务可靠性仿真计算四大数据库输出报告报告生成模块上传&下载用户图4云端虚拟仿真的接口关系以单板计算机的可靠性仿真分析为例，首先，学生可以在本地通过 web 页面登录线上教学平台，将原始模型上传至 web 页面上，通过云端数据访问接口，调用云端服务器中的数据库，为原始模型赋予材料属性、定义封装类型、确定失效机理和物理模型等。其次，利用应力仿真自动化接口，调用云端的多物理仿真模块，实现应力仿真计算、物理模型计算和可靠性计算。案例中的物理参数、应力分布情况通过图 2 中的实验设备来进行测量，并用实测结果修正虚拟仿真的模型来提高仿真模型的科学性、推演性和交互性。虚拟仿真平台的应用，既有助于提高学生自主学习和探究的能力，又有助于培养学生发现问题、提出问题并解决问题的能力。最后，以实验报告的形式输出计算结果。在线授课时，教师可在本地 web 页面查看学生的计算结果，并为学生提供指导；教师还可以下载实验报告，并进行批改评分。（四）考核形式多元化课程教材中有大量的习题，改编自工程实际，目的在于巩固和夯实学生的基础知识，每节课后都会留 35 道练习题，作为平时成绩的一部分。本科生期末考试为闭卷形式，研究生的理论课和实验课则采用实验报告打分以及答辩评分的考核形式，即学生提交虚拟仿真实验报告和测试报告，并做 PPT 进行现场分组答辩和讨论，然后由授课教师进行评分。这一考核形式旨在突出对学生掌握实验核心知识和获取能力要素的过程的考核。186 北京航空航天大学学报（社会科学版）2023年3月（五）课程思政思政内容是系列课程不可缺少的一部分，在本科生课堂上，通过讲授中国航空航天工程上的可靠性专家不畏困难排除故障的事例，激励学生积极投身国防建设，不畏艰险，磨炼意志；在研究生课堂上，将实际的工程案例作为实验对象，让学生体会可靠性正向设计与可靠性增长过程带来的喜悦，鼓励学生踏实肯干，对设计精益求精。无论是理论部分还是实践部分，教学团队都注重开阔学生视野，从全局角度出发，呈现案例产品的设计、分析、评价、改进、再评价的全过程，引导学生利用系统工程思维来发现问题、提出问题并解决问题。思政教学还增加了电子产品可靠性仿真云平台与美国同类型软件 Sherlock 的技术指标对比，同时分享开发过程中走自主创新、实现知识产权自主可控之路的经验与教训等内容。四、结语为了培养学生的系统工程思维，提高可靠性人才培养的质量，助力中国高端集成电路芯片、半导体领域关键技术自主可控，教学团队对电子产品可靠性系列课程进行了改革，实行多层次一体化教学模式，以理论教学夯实基础，以实践教学促理论教学效果，形成了本研教学内容相结合、理论与实践相结合，线上与线下相结合的综合教学模式，培养了学生的系统工程思维，促进了教学内容的融会贯通，探索出了一套培养高素质复合型工程人才的有效方法。多层次一体化教学模式在北航可靠性与系统工程学院近年来的本科生核心专业课程失效物理基础（约 80 人/年）和研究生专业理论核心课程电子产品可靠性与风险分析（约 40 人/年）的教学中进行了实践。学生在课程中学到的理论知识，不仅有效促进了学生系统工程思维的培养，而且在学生的暑假生产实习中也得到了应用，为学生将来走上工作岗位提供了不可多得的前期实践平台。参考文献：新京报.科技部谈“芯片”：希望继续推进半导体领域的国际合作EB/OL.（20210226）20210704.https:/ Journal of Social Science and Education Research，2021，4（7）：174179.15ZHANGYX，LIUW.Researchontheconstructionofblendedteachingmodebasedonflippedclass-takingtheundergraduatedis-cretemathematicscourseasanexampleJ.CreativeEducation，2021，12（5）：957965.16闫长斌，杨建中，梁岩.新工科建设背景下工程意识与工匠精神的培养以土木工程类专业为例J.北京航空航天大学学报（社会科学版），2019，32（6）：152160.17第36卷第2期陈颖等：以多层次一体化教学助力系统工程思维培养以电子产品可靠性系列课程为例 187