中国制造2025背景下电器可靠性技术教学案例设计*

王海涛 王景芹 赵靖英

河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室 天津 300401

0 引言

“中国制造2025”为中国制造业未来10年设计顶层规划和路线图，通过努力实现中国制造向中国创造、中国速度向中国质量、中国产品向中国品牌三大转变。“中国制造2025”的基本方针：质量为先、人才为本[1-2]。

在我国，低压电器的应用量大，发电设备产生的电能80%以上是通过低压电器传输而消耗的。低压电器需求量巨大，低压电器广泛应用于国民经济各个行业，以及千家万户用电设备的控制与保护。低压电器产品众多，是电力系统的核心基础零部件（元器件）。低压电器产品的质量对电力系统的发展、安全运行起到至关重要的作用[3-4]。

低压电器的应用范围主要包括三大领域[3-4]：电力系统、居民住宅、新能源汽车。在电力系统中，每新增1万千瓦发电容量，大约需要6～8万件低压电器设备。以最保守的8年更新寿命周期测算，目前我国配电网中低压电器存量产品的年均更新需求在13.33亿件。行业数据显示，电子电器在新能源汽车中的价值约占到整车成本的9%左右，即一台20万元的新能源汽车，电子电器的价值约1.8万元。在低压电器行业贯彻落实“中国制造2025”的基本方针之一“质量为先”尤为重要。培养低压电器可靠性方面的人才迫在眉睫。电器可靠性技术是电机与电器学科大三的核心专业课程，也是理论联系实际的一道桥梁，在“中国制造2025”的背景下，电器可靠性技术课程的作用和意义凸显。

1 电器可靠性技术课程介绍

河北工业大学在20世纪70年代就开拓了国内低压电器可靠性研究领域，并首先开设了电器可靠性技术课程。电器可靠性技术课程是河北工业大学国家“双一流”建设学科的工程实践很强的特色专业课程。该课程以国家需求和前沿技术为引导，以科研成果和横纵项目为驱动，开展问题导入—工程案例—科研反馈—创新思维式的特色教学模式，强调定量分析和工程实际相结合的教学模式[4-5]。

电器产品的质量应包括其技术性能指标和可靠性指标两个方面，二者之间既有联系又有区别。影响产品可靠性的因素很多，低压电器产品可靠性工作基本内容框图如图1所示。

图1 可靠性工作基本内容框图

由图1可以看出，可靠性工作包括：可靠性设计、可靠性制造、可靠性筛选、可靠性试验、现场试验和失效分析等环节。各个环节之间是相互关联，相互影响的。围绕电器可靠性工作的基本内容，电器可靠性技术课程开设教学模块在表1中列出。

表1 电器可靠性技术主要教学模块

2 电器可靠性技术教学案例设计

以电器可靠性技术课程的第3章“电器产品的可靠性抽样”模块为例，介绍“中国制造2025”背景下的教学案例设计内容。

2.1 教学案例设计目标

2）贯彻“中国制造2025”指导思想，以提质增效为中心。通过电器可靠性技术课程的学习，使学生具备低压电器可靠性分析能力、解决低压电器可靠性工程实际复杂问题的综合能力与创新能力；帮助学生形成工程实践意识，培养学生理论联系实际的能力；使学生了解“实际复杂问题简单化”的科学研究思想。

3）贯彻“中国制造2025”的基本方针之一——“质量为先”，坚持把质量作为建设制造强国的生命线，强化企业质量主体责任，加强质量技术攻关。建设质量监管体系、先进质量文化，走以质取胜的发展道路。通过电器可靠性技术课程的学习，使学生成为具备安全可靠的科学素养和创新意识的电气工程领域的专业精英。低压电器产品质量和可靠性工程问题与抽样检查方案紧密相关，通过低压电器标准中抽样检查方案的实例分析，让学生体会抽样检查理论及抽样检查方案的制订对低压电器产品质量评价与控制影响的工程理念。引导学生从质量角度、可靠性角度、使用者角度、生产者角度思考工程问题，提高解决工程实际问题的能力。培养学生的家国情怀、工匠精神和责任担当[10-12]。

2.2 教学案例构思与课堂组织

2.2.1 问题导入

以低压电器标准中四种抽样检查方案为例，将学生分为四组，每组计算一种抽样检查方案的接收概率，并画出接收概率与不合格品率关系曲线。通过对比四种抽样检查方案接收概率与不合格品率关系曲线，引导学生思考哪种抽样检查方案更好。激发学生的兴趣并引导学生了解确定低压电器产品抽样检查方案的重要性。

2.2.2 工程思维

建立学生“实际问题归纳—实际问题简化—提出解决思路—回归实际问题”的工程思维；教会学生在理论和实践基础上的简单化分析方法。引导学生认识抽样检查可能犯的两类错误：把质量较好的一批产品误判为不合格；把质量较差的一批产品误判为合格。让学生体验到抽样检查方案对生产者风险率和使用者风险率影响的博弈关系，从尽量减少两类错误出发，正确确定四个关键参数：p0，可接受的质量水平；α，生产者风险率；p1，不合格品率容限；β，使用者风险率。

2.2.3 解决问题的方法

通过讲解根据四个参数或两个参数确定抽样检查方案的意义，让学生掌握四参数时查表确定抽样检查方案方法及两参数时抽样检查方案的确定方法，认识各确定方法得到的抽样检查方案的适用性。根据p0、α值来确定抽样检查方案的方法是否重视了生产者风险，而未考虑使用者风险。根据p1、β值来确定抽样检查方案的方法是否重视了使用者利益，而未考虑生产者风险。

（7）雙魚宫亥次，攝訾神君，宰衛地并州分野。（《太上說玄天大聖真武本傳神呪妙經註》卷一，《中华道藏》30/534）

2.2.4 引入工程案例

引入我国“低压电器质量抽样检查方案”工程案例，我国低压电器标准中抽样检查方案为二次计数抽样检查方案（2,4,0,2,1）。从质量角度对我国低压电器标准进行抽样检查方案的抽检特性分析可知，当不合格品率达68%时，仍有10%的概率检验为合格，对生产者有利。再引导学生从可靠性角度进一步分析抽样检查方案的合理性，虽然试验通过了，但产品的可靠度是不高的。从质量与可靠性两个角度分析我国低压电器抽样检查方案存在的不合理性，即不能保证产品的质量和可靠性，对生产者过于有利，而给用户带来了困难。在强化本节课程知识点的同时，培养学生学会利用可靠性特征量估计的知识分析问题。

2.2.5 工程案例回归

针对我国“低压电器质量抽样检查方案”对生产者过于有利的现状，启发学生从质量和可靠性两个方面提出解决方案。从工程角度用数据说话，明确各个抽样检查方案的优缺点，并对所有抽样检查方案进行优选。我国低压电器现有形式试验抽样方案抽取的样品数太少，应适当增加抽样数量。改进方案：（7,1），（10,2），（4,4,0,2,1）。

2.3 教学案例特色

2.3.1 真实性

突出理论教学与工程案例相结合的观念，将工程案例引入课堂，让学生直接参与解决工程中面临的问题，树立并不断培养学生的工程意识，激发学生的求知欲。

2.3.2 实践性

在对问题解决方案的剖析过程中，培养学生的可靠性理念，深入理解质量和可靠性的关系，融入抽样检查方案的生产者与使用者博弈理念，促进学生学以致用。

2.3.3 自主性

采用以学生为主体、教师为主导的启发式、探究式教学方法，让学生在不断生疑—质疑—释疑的过程中启发思维、发展智力。采用正向和逆向思维分析问题，启发学生创新性地找到问题解决的方式。

3 电器可靠性技术教学案例的实施

可靠性抽样检查模块案例的实施过程分为3个部分：课前、课中和课后。课前主要是分析计算低压电器标准中四种抽样检查方案，计算在各不合格频率情况下的接收概率值，并绘制接收概率与不合格频率之间的关系曲线图；在“质量为先”的基本方针下，尝试分析低压电器产品质量与接收概率之间的关系。课中主要针对抽样检查方案的教学内容，分析四种抽样检查方案的优劣；明确抽检特性曲线及四个参数意义——生产者与使用者利益的博弈；掌握抽样检查方案的确定方法；从质量与可靠性两个角度分析我国低压电器抽样检查方案的合理性。课后主要针对我国低压电器标准中抽样检查方案对生产者过于有利的现状，提出抽样检查方案的改进方法，并进行分析验证。具体实施过程如表2所示。

表2 项目实施过程

4 结束语

本文以电器可靠性技术抽样检查模块为例，介绍了在“中国制造2025”背景下的案例设计和实施过程。引导学生从质量角度、可靠性角度、使用者角度、生产者角度思考工程问题，提高解决工程实际问题的能力。加深学生对“中国制造2025”的基本方针——质量为先、人才为本的体会和理解。培养学生的家国情怀、工匠精神和责任担当。