案例教学法在系统可靠性课程中的应用

万 军 屈 霞

常州大学城市轨道交通学院 江苏常州 213164

系统可靠性是轨道交通信号与控制专业的一门重要专业课，课程内容丰富、学科交叉性强、实践性强。通过课程的学习，可以使学生掌握系统可靠性分析设计的理论和方法，并紧密结合工程应用，培养学生初步应用所学理论解决相应实际问题的能力。目前此课程常规的教学过程对学生来说存在两大问题：一是强调理论知识的讲授，缺乏对学生综合应用能力的培养；二是讲解过程中涉及轨道交通专业的实际内容较少，使很多学生觉得该课程与自己所学专业关系不大，从而失去学习该课程的动力。

案例教学是指将案例应用于教学，通过教师讲授基本知识、提出问题、组织学生讨论、撰写案例分析报告等过程实现教学目的，改善教学效果，从而提高学生理论知识水平和解决实际问题能力的教学方法[1]。案例教学可分为两种类型：一是从例到理型，即引导学生运用案例，寻找知识，形成规律；二是从理到例型，即给出基本概念，启发学生运用基本概念，以例释理，以例证理[2]。根据案例教学法具有生动具体、有利于学以致用等显著特点[3]，本文将案例教学法引入到系统可靠性课程的教学中，结合教学实践，介绍从例到理型案例教学法在课程中的具体实施。

1 案例教学法的实施步骤

1.1 案例选择

案例教学首要的关键步骤是案例的选择。案例选择是否恰当，直接影响案例教学效果和质量。选择案例需充分考虑到案例与专业的相关性，还要考虑到学生的知识基础。案例的获得渠道基本上有2条：一是来源于教师科研项目等生产实际，二是从论文资料或互联网上搜集[4]。系统可靠性课程的教学内容主要分为系统可靠性基本概念、系统可靠性计算、系统可靠性分析、系统可靠性设计优化共四部分，其中比较适合设置为教学案例的专题内容如下。

1.1.1 系统可靠性计算

可靠性特征量及其计算是系统可靠性理论研究的基础部分，着重讲述了几种常用的典型系统的可靠性特征量计算方法，如：串联系统、并联系统、混联系统和表决系统等。针对这方面的内容，可以设置为案例的题材较多，例如：轨道交通自动售检票系统和列车广播系统的可靠度计算、轨道交通中通信系统的可用性分析及计算。这些原理方面的案例可使学生充分掌握可靠性框图的建立方法，理解和掌握可靠性的特征量以及特征量之间的关系。

1.1.2 系统可靠性分析

根据现代系统的复杂性，提出了几种系统可靠性失效分析方法。主要介绍了失效模式、后果与严重度分析、故障树分析、事件树分析等方面的内容。可以引入一些具有城市轨道交通专业特色的典型案例来进行讲解和讨论，例如：可以结合“动车组转向架故障”探讨故障模式及影响分析将“牵引供电接触网故障”用于故障树分析的教学环节中。

1.1.3 可靠性设计优化

系统可靠性设计是为了在产品设计过程中分析和确定薄弱环节及其隐患，采取设计预防和改进措施，提高产品的固有可靠性。可以针对可靠性分配和预计的内容设置相关案例，如：在“轨道车辆门系统”设计中，将门系统的可靠性指标分配给各零部件，从而使各级研发人员明确设计要求，根据要求合理利用人力、时间和资源，对关键的部件的设计方案进行优化，大幅提高门系统使用可靠度。

1.2 问题布置

教师在提供案例的同时，向学生提出预先设计好的问题。设立的问题既要与课程的专业知识紧密相关，且问题之间层层深入，通过问题的引导可达到有效启发学生思考、促使学生自主探索的目的。一般在课堂案例讨论开始前1～2周就要把案例材料发给学生，让学生根据案例材料自行查找并理解案例所涉及的背景资料，结合课程相关知识点解决教师所提的问题。

1.3 案例分析

在课堂案例分析过程中，教师先对与该案例相关的基本概念、理论知识点进行说明和讲解。讲解过程中要注重引导学生围绕案例的问题进行思考，每个教学案例设计的问题都应该由学生自行分析、解释和讨论。案例分析的课堂组织形式可以是个体参与，也可以是分组参与，分析过程中可以结合仿真工具软件直观生动地演示分析结果。案例分析结束后需要让学生课后撰写案例分析报告。

1.4 案例总结

先要对案例本身所讨论问题给出完整的解答，对学生讨论过程进行全面评价。任课教师应指出学生分析过程中普遍存在的问题并予以纠正。教师还应对案例中包含的知识点进行再次归纳总结，以便让学生做到融会贯通，举一反三。

2 实例介绍：故障模式影响分析和故障树分析案例教学

故障模式影响分析(FMEA)和故障树分析( FTA)是两种典型的可靠性分析方法，均为课程中的重点和难点。两种分析方法既相互独立，但对于大型复杂产品进行可靠性分析时，又相互结合。FMEA将系统划分成不同的子系统，再逐一分析各个子系统可能发生的故障模式、故障发生的原因、故障可能造成的影响等，然后建立比较完整的故障树，对系统进行FTA分析，得到定性和定量分析的结果。

此部分内容案例教学的教学目标为通过课上案例分析，帮助学生掌握FMEA分析技术，学会编制故障树，掌握FTA的定性和定量分析方法。

2.1 案例选取

轨道电路设备对于保障列车高速、安全运行的作用变得尤为突出，其可靠性成为铁路运行的一个重要因素[5]。ZPW-2000A型无绝缘移频轨道电路是目前广泛应用的轨道电路设备。为保障铁路安全运行的可靠性水平，需要对ZPW-2000A型无绝缘移频轨道电路系统可靠性进行研究。

2.2 问题布置

学生根据教师提供的ZPW-2000A相关资料进行思考分析，需要解决的问题包括：(1)ZPW-2000A型轨道电路由哪几部分组成，每部分包括哪些具体设备？(2)如何建立轨道电路的系统可靠性框图？(3)轨道电路的故障模式包括哪些？如何填写建立FMEA表？(4)如何根据FMEA表，绘制FTA故障树？(5)故障树定性分析，轨道电路的最小故障模式包括哪些？(6)各个设备故障概率已知的情况下，如何计算轨道电路系统故障发生的概率？(7)轨道电路的哪些设备对轨道电路系统故障影响最大？如何改进？

2.3 案例分析

课堂上，教师首先结合ZPW-2000A电路的展示，对轨道电路较复杂的模块进行剖析，帮助学生理解电路原理。接着，按照所提出问题的先后顺序，逐一听取学生的分析与解答。每个问题学生讨论完毕后，教师及时纠正学生的错误。当学生解答遇到困难或对问题无从下手的时候可以给予提示，也可结合教材知识点先列举若干小的引例进行讲解，为学生提供参考，再由学生回到案例上来继续讨论。

2.4 案例总结

在知识层面上，通过对ZPW-2000A电路案例的分析，有效地把系统可靠性课程的有关的系统可靠性框图、FMEA分析和FTA分析等多个知识点串在了一起。在参与问题的情况方面，结合学生课堂表现，表扬课堂讨论中表现积极和成绩较好的个人，并纳入相应的平时成绩，以便鼓励学生能更好地融入案例教学过程。

3 结语

常州大学轨道交通信号与控制专业系统可靠性课程采用案例教学法，取得了较好的效果。以期末考试成绩作为教学效果评价标准，2013级信控班采用传统教学，不及格率为19.4%。2014级和2015级信控班引入案例教学法后，不及格率分别下降到13.9%和5.3%。运用案例教学法，一方面，通过选取与本专业密切相关的教学案例，让学生感觉到学以致用，学习兴趣和积极性得到了较大的提高；另一方面，案例教学过程发挥了学生的主观性，使得学生对课程知识结构有系统化的把握，提高了学习的效率。案例教学法可扩展到轨道交通其他专业和其他应用型本科工程类专业课的教学中。