爆炸力學(xué)課程建設(shè)思考與研究

張玉令　羅興柏　王國棟

摘要：在分析爆炸力學(xué)特點及課程教學(xué)困難的基礎(chǔ)上，研究得到了課程建設(shè)的思路，確定了課程的研究范疇和授課內(nèi)容體系。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；課程體系；課程建設(shè)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）12-0206-02

《爆炸力學(xué)》是我院彈藥工程專業(yè)研究生最新開設(shè)的一本必修課，彈藥工程專業(yè)涵蓋彈藥裝備的可靠性、安全性、儲存性、測試性、保障性等研究領(lǐng)域，主要以彈藥裝備為對象，研究彈藥的系統(tǒng)設(shè)計、靶場試驗、作戰(zhàn)效能評估、維修銷毀、安全防護、戰(zhàn)場運用等內(nèi)容。因此，彈藥工程領(lǐng)域都直接與彈藥爆炸相關(guān)，都很大程度上需要學(xué)習(xí)《爆炸力學(xué)》的相關(guān)知識，必須開設(shè)《爆炸力學(xué)》課程。

一、爆炸力學(xué)課程特點

爆炸力學(xué)是力學(xué)的一個分支，是流體力學(xué)、固體力學(xué)和物理學(xué)、化學(xué)之間的一門交叉學(xué)科。爆炸力學(xué)中的研究，常需要考慮力學(xué)因素和化學(xué)物理因素的耦合、流體特性和固體特性的耦合、載荷和介質(zhì)的耦合等，這就為爆炸力學(xué)課程帶來以下特點[1，2]。

1.多學(xué)科的滲透和結(jié)合是爆炸力學(xué)主要內(nèi)容的特點。這為爆炸力學(xué)的學(xué)習(xí)帶來一定的困難，需要學(xué)員擁有廣泛的多學(xué)科的知識儲備，并能將這些知識在學(xué)習(xí)中融會交融，用于分析爆炸中的力學(xué)及力學(xué)效應(yīng)問題。

2.課程理論性強。比如炸藥的起爆爆轟過程、爆轟產(chǎn)物的飛散、沖擊波的形成和傳播、固體應(yīng)力波形成傳播等知識具有很強的理論性，內(nèi)容也比較抽象，部分內(nèi)容甚至晦澀難懂，單純地進行理論分析和理論計算不能將授課內(nèi)容形象地傳授給學(xué)員。

3.體系性強，內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣。必須系統(tǒng)地安排課程內(nèi)容，才能保證獲得較好的學(xué)習(xí)效果。如圖1，要評估榴彈威力，就要分別對破片、爆轟產(chǎn)物、沖擊波等三個元素進行系統(tǒng)的研究，才能全面分析評估榴彈威力，對三個元素的研究又涉及爆轟產(chǎn)物的形成、飛散、拋射作用，以及沖擊波的形成、傳播和作用等方面，只有對這些彈藥爆炸知識進行系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，才能夠解決榴彈威力評估這個工程問題。

二、課程教學(xué)面對的困難

1.學(xué)員理論基礎(chǔ)不足。從該專業(yè)的招生要求上看，生源應(yīng)具備一定的力學(xué)、物理、安全科學(xué)、爆炸理論、控制技術(shù)、計算機技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的知識，部分學(xué)員學(xué)習(xí)了火炸藥學(xué)和彈藥學(xué)的知識，相對來講，具備了一定的爆炸知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。但是，對于很好地學(xué)習(xí)爆炸力學(xué)基礎(chǔ)知識還有一定的差距。

2.需要注意培養(yǎng)學(xué)員理論知識與工程應(yīng)用結(jié)合利用的能力。我院為工科院校，對彈藥工程專業(yè)學(xué)員的培養(yǎng)，是基于希望學(xué)員能夠利用所學(xué)的知識解決彈藥工程問題。在《爆炸力學(xué)》課程學(xué)習(xí)中，如何引導(dǎo)學(xué)員以力學(xué)的觀點和思維分析彈藥工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，準確查找問題出現(xiàn)的原因，并以此指導(dǎo)具體的工程應(yīng)用和指揮管理，培養(yǎng)學(xué)員學(xué)以致用的意識和能力是必須注意和解決的問題。

3.教學(xué)資源缺乏。作為新建課程，需要建設(shè)大量的教學(xué)資源，雖然有多所其他院校已經(jīng)開設(shè)《爆炸力學(xué)》課程，但由于院校培養(yǎng)目標的不同，整個課程體系構(gòu)成基礎(chǔ)不同，教學(xué)環(huán)境和條件不同，學(xué)員基礎(chǔ)知識體系也不相同，不能簡單地將其他院校爆炸力學(xué)課程體系移植過來，必須構(gòu)建符合我院培養(yǎng)目標的課程體系。

三、課程建設(shè)思路

針對《爆炸力學(xué)》課程特點，在課程建設(shè)過程中按照專業(yè)培養(yǎng)目標，注重理論與工程應(yīng)用相結(jié)合，在授課效果追求上注意培養(yǎng)學(xué)員獨立學(xué)習(xí)爆炸力學(xué)知識的能力，培養(yǎng)學(xué)員進行系統(tǒng)學(xué)習(xí)理論知識的素質(zhì)；在授課內(nèi)容體系上，注意基礎(chǔ)知識的補充學(xué)習(xí)；在授課手段和方法上，以引導(dǎo)學(xué)員主動分析學(xué)習(xí)為主。具體做法有以下幾種。

1.積極開展教學(xué)研究。爆炸力學(xué)是力學(xué)的一個重要分支，已經(jīng)形成了自己的理論基礎(chǔ)和理論系統(tǒng)，通過加強教學(xué)研究，開展與同類課程的深入比較，在掌握我院學(xué)員基礎(chǔ)知識體系，明確自身優(yōu)勢和差距的基礎(chǔ)上，確定課程建設(shè)的目標、原則和總體思路，并建立完善的、符合教學(xué)目標的教學(xué)大綱，構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容體系。

2.利用引進與自編相結(jié)合的方式建設(shè)立體化教材體系。首先繼承經(jīng)典教材的基本思路和主要特色，積極引進先進、適用的優(yōu)秀教材，通過對比研究，確定貼近教學(xué)內(nèi)容的主教材，以學(xué)習(xí)指導(dǎo)、電子教案、數(shù)值模擬方法為主要內(nèi)容的輔助教材，建立初步的立體化教材體系。根據(jù)授課實踐，結(jié)合研究獲得的教學(xué)理念、方法和手段，編寫新教材，建立特色的立體化教材體系。

3.充分結(jié)合教員隊伍建設(shè)，開發(fā)教學(xué)資源。組織老教員和掌握計算機應(yīng)用技術(shù)的青年教員，進行教學(xué)資源開發(fā)建設(shè)。年輕教員通過與優(yōu)秀教員共同制作教學(xué)網(wǎng)站、多媒體課件和編寫教材，熟悉教學(xué)規(guī)范和教學(xué)規(guī)律，夯實教學(xué)基礎(chǔ)。另一方面，在參加教學(xué)資源建設(shè)過程中，了解國內(nèi)外專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀，吸收最新的教學(xué)研究成果，從而促進自主教學(xué)研究與改革能力的提高。

四、課程范疇

根據(jù)爆炸力學(xué)內(nèi)涵，爆炸力學(xué)的本質(zhì)特征是以力學(xué)的觀點方法研究爆炸現(xiàn)象，研究內(nèi)容包括爆炸的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律、爆炸的力學(xué)效應(yīng)、對爆炸力學(xué)效應(yīng)的防護等三個方面。由于爆炸可以是炸藥爆炸，亦可以是其他爆炸；爆炸的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律研究可以前伸到炸藥的原子或分子等微觀層面，也可以停留在諸如起爆條件和爆轟產(chǎn)物狀態(tài)等宏觀層面；爆炸力學(xué)的力學(xué)效應(yīng)可以止于直接效應(yīng)（如空氣沖擊波），也可以后延至間接效應(yīng)（如彈丸破片的擊穿作用）。但考慮到彈藥工程專業(yè)研究需要，且開設(shè)有諸如《彈丸終點效應(yīng)》等相關(guān)課程，界定本課程的授課范疇為：（1）研究對象為炸藥爆炸，且以凝聚炸藥為主；（2）爆炸的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律停留于爆轟過程宏觀層面，不研究化學(xué)反應(yīng)過程，只研究穩(wěn)定爆轟條件和爆轟產(chǎn)物狀態(tài)；（3）爆炸的力學(xué)效應(yīng)止于直接效應(yīng)即爆轟產(chǎn)物對直接接觸介質(zhì)（彈體、空氣等）的機械效應(yīng)，不研究熱效應(yīng)和其他可能的效應(yīng)，也不研究介質(zhì)的后續(xù)效應(yīng)；（4）不研究爆炸的力學(xué)效應(yīng)防護問題，因其屬于爆炸的力學(xué)效應(yīng)或彈丸終點效應(yīng)的反面問題。

五、課程內(nèi)容體系建設(shè)

主要包括爆炸基本理論以及爆炸后爆炸波在空氣、水、巖石等不同介質(zhì)中傳播和衰減規(guī)律以及爆炸作用下固體介質(zhì)的運動破裂情況。主要介紹爆炸的基本概念、固體中的應(yīng)力波、爆炸及其在介質(zhì)中的效應(yīng)、空中爆炸理論及應(yīng)用水中爆炸及應(yīng)用和巖土中的爆炸理論及應(yīng)用。內(nèi)容安排如下。

1.基礎(chǔ)知識。簡要回顧張量和場論基礎(chǔ)知識，介紹爆炸現(xiàn)象和類別、炸藥基本特性與化學(xué)變化形式，約定爆炸力學(xué)內(nèi)涵與研究范疇，介紹爆炸力學(xué)研究方法和發(fā)展簡史，為本課程的學(xué)習(xí)建立基本框架和共同語境。

2.氣體動力學(xué)基礎(chǔ)知識。簡要介紹氣體的物理性質(zhì)、氣體的狀態(tài)參量與狀態(tài)方程、熱力學(xué)基礎(chǔ)、波與聲波，著重闡釋氣體的平面一維流動和平面正沖擊波，為學(xué)習(xí)爆轟過程和爆轟產(chǎn)物飛散等內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。

3.凝聚炸藥爆轟過程。簡要介紹炸藥起爆過程與穩(wěn)定爆轟條件、均質(zhì)炸藥起爆的熱爆炸理論、非均質(zhì)炸藥起爆的熱點理論、燃燒向爆轟的轉(zhuǎn)變，著重闡釋凝聚炸藥爆轟參數(shù)計算，以揭示炸藥爆炸的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，為研究爆炸的力學(xué)效應(yīng)奠定必要基礎(chǔ)。

4.爆轟產(chǎn)物的一維飛散與推進作用。主要介紹爆轟產(chǎn)物的一維飛散、接觸爆炸對剛性壁面的作用、接觸爆炸對剛性物體的一維拋射，簡要介紹彈丸破片初速計算，為研究爆炸的力學(xué)效應(yīng)提供典型示范。

5.爆炸對固體的應(yīng)力波作用。主要介紹爆炸對固體作用的基本現(xiàn)象、動載固體應(yīng)力波基本知識、層裂機理與參數(shù)計算，為研究爆炸或其他沖擊載荷對固體物質(zhì)的力學(xué)效應(yīng)建立理論基礎(chǔ)。

6.空氣中爆炸沖擊波作用。主要介紹空氣中爆炸的基本現(xiàn)象、量綱理論與爆炸相似律、空氣沖擊波參數(shù)計算，為研究爆炸對高壓縮性流體物質(zhì)的力學(xué)效應(yīng)建立理論基礎(chǔ)。

7.密室介質(zhì)中的爆炸作用。簡要介紹水中爆炸作用、土石介質(zhì)中爆炸作用，為研究爆炸對密室介質(zhì)的力學(xué)效應(yīng)提供理論指導(dǎo)。

8.爆炸力學(xué)數(shù)值模擬計算。以實際案例為線索，概述數(shù)值模擬計算方法，介紹有限元分析軟件、算法選擇、網(wǎng)格構(gòu)造與設(shè)置、材料模型及其選用，闡釋數(shù)值模擬計算的實驗驗證與修正等內(nèi)容，為運用數(shù)值模擬方法研究解決爆炸力學(xué)問題提供理論指導(dǎo)和實踐示范[3]。

六、結(jié)論

在本課程的建設(shè)中，通過充分分析我院教學(xué)條件、教員素質(zhì)和學(xué)員基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)等因素，牢牢抓住爆炸力學(xué)發(fā)展動態(tài)，結(jié)合學(xué)科專業(yè)特點，建立課程內(nèi)容，完善教學(xué)手段，豐富教學(xué)資源，加強師資隊伍建設(shè)，充實實驗條件，建立具有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段、虛擬試驗環(huán)境和實施交互式教學(xué)特色的課程體系，必定使學(xué)員能夠有目的性地學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)，使學(xué)員在獲取知識的同時，提高認知能力和研究能力，培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新意識。并能夠通過課程的實踐教學(xué)建設(shè)，在使學(xué)員掌握課程理論知識和思維方法的基礎(chǔ)上，加強學(xué)員的實驗技能及理論聯(lián)系實際能力的培養(yǎng)。

參考文獻：

[1]惲壽榕，趙衡陽.爆炸力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[2]葉序雙.爆炸力學(xué)基礎(chǔ)[M].南京：解放軍理工大學(xué)，2004.

[3]時黨勇，李永存，徐建華，等.爆炸力學(xué)中的數(shù)值模擬技術(shù)[J].工程爆破，2005，11（2）：10-13.