消防專業(yè)課程中阻火器教學(xué)模型的設(shè)計與實(shí)施

馬建云

(昆明消防指揮學(xué)校 訓(xùn)練部，云南 昆明 650208)

消防專業(yè)課程中阻火器教學(xué)模型的設(shè)計與實(shí)施

馬建云

(昆明消防指揮學(xué)校 訓(xùn)練部，云南 昆明 650208)

阻火器是化工裝置中廣泛使用的一種阻火裝置，阻火器的使用及阻火原理是消防專業(yè)課程教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。針對阻火器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，介紹阻火器教學(xué)模型的設(shè)計思路及研制，并就該教學(xué)模型在課堂教學(xué)操作時的具體實(shí)施、演示過程進(jìn)行闡述。

阻火器；教學(xué)模型；設(shè)計；實(shí)施

0 引言

模型是所研究的系統(tǒng)、過程、事物或概念的一種表達(dá)形式，也可是根據(jù)實(shí)驗(yàn)、圖樣放大或縮小而制作的樣品，一般用于展覽或?qū)嶒?yàn)或鑄造機(jī)器零件等的模子[1]。在一般意義上，模型又指模仿實(shí)物或設(shè)計中構(gòu)造物的形狀制成的雛形，根據(jù)其大小可分為縮小型、實(shí)物型和放大型[2]。本文所述的阻火器教學(xué)模型是指教學(xué)實(shí)物模型，其根據(jù)相似性理論按原系統(tǒng)比例縮小制作，立體直觀地、部分透明地展現(xiàn)阻火器各種構(gòu)件的組合及形態(tài)，科學(xué)合理地展示阻火器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，適用于火災(zāi)蔓延、阻火原理、阻火器工作過程等直觀教學(xué)。

學(xué)生對于知識的學(xué)習(xí)，一方面需要通過書本知識理解掌握，另一方面也需要借助于豐富的感性材料。教師使用直觀教具(教學(xué)模型)，通過課堂演示試驗(yàn)，將晦澀難懂的知識直觀生動地展現(xiàn)出來，把抽象的事物具體化，將有助于學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解和記憶，激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)習(xí)效率。

1 阻火器教學(xué)模型研制的必要性

阻火器是化工設(shè)備、管道中普遍使用的一種阻止可燃?xì)怏w、液體蒸氣火焰蔓延的安全裝置。常用的金屬網(wǎng)型阻火器用單層或多層不銹鋼絲網(wǎng)或銅絲網(wǎng)重疊起來組成，當(dāng)火焰進(jìn)入阻火器時，火焰即被熄滅。阻火器的阻火原理和構(gòu)造，是消防專業(yè)課程教學(xué)中重點(diǎn)講授的內(nèi)容。阻火器之所以能起到阻止火焰蔓延的作用，取決于其內(nèi)部的構(gòu)造形式。由阻火器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材質(zhì)決定，即使學(xué)生親自到設(shè)置有阻火裝置的現(xiàn)場參觀，也不能看到裝置的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理。在課堂教學(xué)時，教師講解其工作原理時，也通常只能采用繪圖等簡單形式。這就導(dǎo)致學(xué)生感性認(rèn)識不足，教學(xué)效果不甚理想。

為了將阻火器阻火原理、裝置的結(jié)構(gòu)和工作過程直觀生動、合理有效地展現(xiàn)給學(xué)生，筆者通過大量的研究設(shè)計、試驗(yàn)對比，研制了阻火器教學(xué)模型。該模型裝置具有可視、可重復(fù)操作、可拆裝、可移動等優(yōu)點(diǎn)，通過教師的課堂演示操作，可幫助學(xué)生理解、掌握阻火器的工作原理及其過程。其既是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的有效途徑，也是提高消防專業(yè)課程教學(xué)水平的重要手段。

2 阻火器教學(xué)模型的研制

2.1 模型工作原理

一般的金屬網(wǎng)型阻火器的阻火層是用單層或多層不銹鋼絲網(wǎng)或銅絲網(wǎng)重疊起來組成的(如圖1所示)，當(dāng)火焰進(jìn)入阻火層就被分隔成許多細(xì)小的火焰流，在傳熱作用和器壁效應(yīng)影響下，火焰流被熄滅[3]。由于通道或孔隙傳熱面積很大，火焰與通道壁進(jìn)行熱交換后，溫度大大降低，到一定程度時火焰被熄滅。傳熱作用是熄滅火焰的原因之一，阻火層阻止火焰?zhèn)鞑サ闹饕蚴瞧鞅谛?yīng)。當(dāng)燃燒的混合氣體進(jìn)入阻火層時，由于通過直徑減小，促使自由基生成數(shù)量減少而反應(yīng)降低。當(dāng)通過尺寸減小到某一數(shù)值時，器壁效應(yīng)就造成火焰不能繼續(xù)傳播的條件，火焰即被阻止。由此可見，影響阻火器阻火效果的主要因素是金屬網(wǎng)孔隙大小和阻火層厚度。

圖1 金屬網(wǎng)型阻火器

2.2 模型設(shè)計思路

根據(jù)阻火器阻火原理可知：隨著金屬網(wǎng)層的增加，阻火效果也隨之提高；但達(dá)到一定層數(shù)后再增加層數(shù)，阻火效果并不顯著。另外，金屬網(wǎng)的目數(shù)也直接影響網(wǎng)的層數(shù)和阻火性能。一般來說，使用目數(shù)少的網(wǎng)，為達(dá)到同等的阻火效果，則要求層數(shù)增多。使用目數(shù)過多的網(wǎng)，則會增大流體阻力，容易發(fā)生堵塞，降低阻火層的性能。為了使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中直觀掌握阻火層數(shù)和金屬網(wǎng)目數(shù)對阻火效果的影響，模型中金屬網(wǎng)的選擇是重點(diǎn)。

根據(jù)常見的金屬網(wǎng)型阻火器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，筆者經(jīng)過大量的調(diào)查分析，研究設(shè)計的阻火器教學(xué)模型由一面為可視透明窗及內(nèi)設(shè)多層金屬網(wǎng)的金屬長方體組成。根據(jù)設(shè)計思路首先繪制出阻火器教學(xué)模型設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，模型尺寸為21 cm×17 cm×39 cm(長×寬×高)(如圖2所示)。當(dāng)進(jìn)行真火模擬演示試驗(yàn)時，把噴燈放在支架的臺板上，利用電子打火設(shè)備點(diǎn)火后，噴燈產(chǎn)生的火焰直接通過管道向上傳播。然后，把金屬網(wǎng)依次平行放入穿過管道。學(xué)生即可通過透明視窗觀察到火焰進(jìn)入阻火器管道的燃燒情況，同時可以觀察到隨著金屬網(wǎng)的層層添加，穿過金屬網(wǎng)的火焰逐漸被熄滅的過程，進(jìn)而理解阻火器工作原理。

圖2 阻火器教學(xué)模型設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2.3 模型研制

由于該模型是根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容而設(shè)計的，類似的阻火器教學(xué)模型市場化生產(chǎn)還沒有，因此只能采用手工制作才能滿足設(shè)計功能要求。

2.3.1 金屬網(wǎng)的選取

為了在課堂教學(xué)演示時，使學(xué)生能夠清晰地觀察到金屬網(wǎng)孔隙大小不同時，阻火器阻火效果的明顯區(qū)別，深刻領(lǐng)會影響阻火器阻火效果的因素，該教學(xué)模型選取制作的金屬網(wǎng)就顯得尤為關(guān)鍵。

首先，要考慮選擇什么材質(zhì)的金屬網(wǎng)。為了避免金屬網(wǎng)表面受熱產(chǎn)生氧化層，同時也為了延長金屬網(wǎng)的使用壽命，根據(jù)模型制作的要求選用了平紋不銹鋼絲網(wǎng)。這種不銹鋼絲網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活中廣泛應(yīng)用，其主要特點(diǎn)是經(jīng)向和緯向絲徑的密度相同，不僅耐用而且便于試驗(yàn)觀測。

其次，要考慮選擇多大孔隙的金屬網(wǎng)。不銹鋼絲網(wǎng)的孔徑大小用“目數(shù)”作為計量單位，依據(jù)目數(shù)分為1～500目不等的規(guī)格，網(wǎng)孔徑也有0.026～23.4 mm不等的規(guī)格。多大目數(shù)的金屬網(wǎng)適合做實(shí)驗(yàn)，觀測效果良好，這也是研制過程中需重點(diǎn)考慮的問題。結(jié)合課程教學(xué)的需要和模型試驗(yàn)時的觀測效果，筆者從眾多規(guī)格中選取了相對適中的2目(11.2 mm)、4目(5.64 mm)、8目(2.545 mm)、20目(1.1 mm)、30目(0.682 mm)、40目(0.505 mm)、60目(0.313 mm)、80目(0.178 mm)八種不同規(guī)格的平紋不銹鋼絲網(wǎng)進(jìn)行阻火效果的模擬試驗(yàn)。在平紋不銹鋼絲網(wǎng)層數(shù)一定的情況下，分別把不同網(wǎng)孔大小的金屬網(wǎng)放入卡槽，觀察火焰從網(wǎng)孔大小不同的金屬網(wǎng)穿過后火焰變化的效果，以及金屬網(wǎng)層數(shù)的變化后火焰的變化效果(試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(測試效果對比情況如圖3、圖4所示)，選取了觀測效果比較明顯的8目、20目、30目三種規(guī)格的平紋不銹鋼絲網(wǎng)作為阻火器教學(xué)模型的標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)演示金屬網(wǎng)。

表1 不同規(guī)格平紋不銹鋼絲網(wǎng)阻火效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 金屬網(wǎng)層數(shù)相同時的測試效果對比圖

圖4 金屬網(wǎng)層數(shù)不同時的測試效果對比圖

2.3.2 阻火器教學(xué)模型外形研制

為了滿足操作簡單、透明可視、便于移動、便于觀測的教學(xué)演示目的，阻火器教學(xué)模型采用模擬火焰?zhèn)鞑ネǖ赖拈L方體結(jié)構(gòu)。其左、右、背三個面為金屬板，正面為可觀察內(nèi)部效果的透明耐火玻璃板。三個金屬板安裝前進(jìn)行氧化處理呈黑色，白天做燃燒實(shí)驗(yàn)時，有黑色背板反襯，火焰能清晰可見。在金屬板與玻璃板相連的兩個側(cè)面壁壁高1/2以上處留有金屬網(wǎng)卡槽數(shù)個，上下卡槽之間的距離約為1.8 mm～2 mm。金屬網(wǎng)可平放在兩個金屬卡槽之間形成獨(dú)立配件，每層金屬網(wǎng)均可自由插入、疊加、取下，以演示不同目數(shù)的金屬網(wǎng)及金屬網(wǎng)的厚度等對阻火效果的影響。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)燃燒氣體的選擇

如果選用液化氣，平時對液化氣鋼瓶的存放管理存在一定困難，而且在使用過程中如操作不當(dāng)極易引發(fā)安全事故。酒精較液化氣相對安全，酒精噴燈火焰溫度可達(dá)1 000 ℃，可滿足燃燒實(shí)驗(yàn)要求。

2.3.4 教學(xué)模型細(xì)節(jié)的優(yōu)化

酒精噴燈火焰為淺藍(lán)色，在白天火焰顏色不明顯。為了讓酒精噴燈火焰在白天明顯可見，使火焰便于觀察，可利用焰色反應(yīng)原理，在實(shí)驗(yàn)用酒精噴燈火焰上加入某種金屬參與燃燒。如，加入氯化鋇，火焰呈黃綠色，加入氯化鈉，火焰呈金黃色。這些火焰的顏色比酒精燃燒的顏色更加便于觀看。在每次演示試驗(yàn)前，可把少量氯化鋇(或氯化鈉)粉末放在杯子里，加入溫水調(diào)成糊狀，用一根裹上棉花的小鐵絲把糊狀的氯化鋇(或氯化鈉)涂抹在金屬網(wǎng)面上。點(diǎn)火后，火焰通過金屬網(wǎng)后呈現(xiàn)黃綠色(或金黃色)效果，能明顯地看到火焰大小的變化。

鑒于酒精噴燈放置在相對較小的模型裝置內(nèi)，如果用普通打火機(jī)、火柴等常用點(diǎn)火工具，要把手伸到裝置內(nèi)點(diǎn)火，極易發(fā)生燙傷、燒傷事故。為了便于點(diǎn)火操作，配備一把長柄電子點(diǎn)火槍用于點(diǎn)火。

3 阻火器教學(xué)模型演示實(shí)施

每組演示實(shí)驗(yàn)安排10名左右學(xué)生參加，點(diǎn)燃酒精噴燈，按照教學(xué)需要插入演示金屬網(wǎng)。學(xué)生通過透明視窗觀察火焰進(jìn)入阻火層熄滅的全過程，理解并掌握阻火器的阻火原理及影響阻火效果的因素。

3.1 火焰大小的演示

在酒精噴燈里注入適量酒精，打開玻璃門把噴燈放入裝置底座上旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)開關(guān)使火焰呈穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，使火焰中心高度剛好能與兩側(cè)金屬卡槽高度一致，以便學(xué)生觀察此時火焰大小情況。

3.2 影響阻火器阻火效果的因素一演示：阻火層厚度的影響

首先，選用30目的金屬網(wǎng)演示相同孔隙大小(目數(shù))、不同厚度(層數(shù))金屬網(wǎng)對火焰熄滅效果的影響。一層一層地疊加30目的金屬網(wǎng)，讓學(xué)生注意觀察火焰穿過金屬網(wǎng)后的焰面、焰高變化情況，注意觀察隨著金屬網(wǎng)層數(shù)的增加，火焰逐漸減弱直到不能穿過金屬網(wǎng)，讓學(xué)生記住火焰不能穿過30目金屬網(wǎng)時金屬網(wǎng)的層數(shù)。用同樣的方法分別測試插入不同層數(shù)20目、8目規(guī)格金屬網(wǎng)火焰變化的情況，做好記錄并進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出金屬網(wǎng)厚度對阻火器阻火效果影響的結(jié)論。

3.3 影響阻火器阻火效果的因素二演示：阻火層孔隙大小的影響

在金屬網(wǎng)層數(shù)相同情況下，分別把8目、20目、30目不同網(wǎng)孔大小的金屬網(wǎng)放入卡槽。注意觀察火焰穿過層數(shù)相同、網(wǎng)孔大小不同金屬網(wǎng)后的火焰大小變化或熄滅效果的差別，做好記錄并進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出不同網(wǎng)孔大小的金屬網(wǎng)對火焰熄滅效果影響的結(jié)論。

3.4 實(shí)驗(yàn)過程中的安全注意事項

3.4.1 酒精是易燃液體，加注酒精時必須保證在酒精噴燈冷卻情況下加注。

3.4.2 取用燃燒實(shí)驗(yàn)用過的金屬網(wǎng)時，必須使用鑷子，不能用手取，以防燙傷；取下的金屬網(wǎng)應(yīng)放置在安全位置，以防引燃或燒壞桌子。

4 結(jié)語

隨著課程改革的發(fā)展，教學(xué)方法也應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)的變化而改變。相比傳統(tǒng)教學(xué)，通過教學(xué)模型的課堂演示，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，取得良好的教學(xué)效果。教學(xué)組根據(jù)人們難以見到阻火器的實(shí)際結(jié)構(gòu)組成，在理論講授阻火器工作原理時，學(xué)生難以理解的實(shí)際情況，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計、研制出阻火器教學(xué)模型，并應(yīng)用于課堂教學(xué)。這不僅有利于學(xué)生對阻火器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)產(chǎn)生感性認(rèn)識，還有利于其更直觀地感受阻火過程。此外，也有利于學(xué)生親自動手體驗(yàn)，使室內(nèi)授課具有趣味性，有效激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其動手能力[4]。阻火器教學(xué)模型的研制和使用，使學(xué)生對消防專業(yè)知識有了更深入的了解，對提高消防專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量具有十分重要的作用。

[1] 裴麗麗.巧用模型搞好生物教學(xué)[J].江西教育：綜合版，2012，(3).

[2] 聶規(guī)劃，唐喜林.一種新的DSS表示方法——模型的對象表示[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，(1).

[3] 呂顯智，張宏宇.生產(chǎn)工藝防火[M].昆明：云南人民出版社，2006.

[4] 張宏宇.油罐防火附件教學(xué)模型設(shè)計研究[J].南昌教育學(xué)院學(xué)報，2013，(4).

(責(zé)任編輯 劉彥超)

The Design and Implementation of Teaching Model for Flame Arrester in a Professional Curriculum of Firefighting

MA Jianyun

(StaffOffice，KunmingFireCommandingSchool，Kunming，YunnanProvince650208，China)

The flame arrester is a device widely used in a chemical plant. Its use and principles of flame arrestor operation are the focuses of a professional curriculum teaching about firefighting. In this thesis， the design idea and content development of a teaching model of flame arrester are introduced， and the specific implementation and demonstration course in operating classroom instruction are elaborated in accordance with the feature and function of flame arrester. The application of this teaching model can improve the perceptual knowledge of the students， so as to achieve favorable teaching effect.

the flame arrester； teaching model； design； implementation

2015-03-07

馬建云(1974— )，女，云南大理人，副教授。

G642.0

A

1008-2077(2015)11-0063-04