高等院校土木類專業(yè)爆破工程課程改革與實踐

摘 要：為了提高《爆破工程》課程教學(xué)質(zhì)量，增強學(xué)生對專業(yè)課學(xué)習(xí)的興趣，達到土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求，依據(jù)高等院校土木類專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，調(diào)整了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)。以其它學(xué)科為銜接，逐步講解爆破方法在土木工程中的應(yīng)用。應(yīng)用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)手段少的不足，拓展了學(xué)生的知識信息量，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：土木類專業(yè) 爆破工程 課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0223-03

爆破法施工廣泛應(yīng)用于采礦工程與土木建設(shè)工程中，對國民經(jīng)濟建設(shè)起著重要作用[1]。工程爆破在露天和地下采礦工程中最為普遍，也是迄今為止最高效的技術(shù)手段。因此目前國內(nèi)礦業(yè)工程類專業(yè)一般將爆破工程列為必修課程，爆破及相關(guān)的安全與技術(shù)也是采礦專業(yè)學(xué)生必須具備的專業(yè)技能。土木工程建設(shè)中，尤其在山嶺隧道開挖、地下空間利用中，爆破均作為施工的重要手段之一。在實際施工作業(yè)中，爆破作業(yè)一般委托專業(yè)的爆破公司進行，而土木工程師更偏重于爆破工程的安全和質(zhì)量管理。為此，土木類專業(yè)開設(shè)的爆破工程應(yīng)在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)思路、教學(xué)內(nèi)容上有所調(diào)整。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）從1999年恢復(fù)招收土木工程專業(yè)本科生，2005年為土木工程專業(yè)開設(shè)爆破工程課程，課程團隊教師根據(jù)專業(yè)特點及實際需要，將爆破工程課程列為建筑工程專業(yè)及地下工程專業(yè)的選修課。根據(jù)專業(yè)特點編寫講稿，并在教學(xué)實踐過程中不斷總結(jié)與完善，經(jīng)過十余年的探索，基本確定了土木工程專業(yè)爆破工程課程內(nèi)容體系，并取得了較好的教學(xué)效果。

1 結(jié)合專業(yè)特點，縮減教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)目標(biāo)

爆破工程教學(xué)內(nèi)容較多，而且涉及到巖石力學(xué)、工程地質(zhì)以及爆炸力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、波動理論等與之交叉的學(xué)科。然而，在增加通識教育而壓縮專業(yè)學(xué)時的本科生教育大背景下，爆破工程教學(xué)學(xué)時由50～60學(xué)時調(diào)整至目前的30～40學(xué)時。內(nèi)容多、學(xué)時少的矛盾只能通過縮減教學(xué)內(nèi)容來解決，縮減的內(nèi)容必須結(jié)合專業(yè)特點進行。

傳統(tǒng)的爆破工程基本內(nèi)容包括以下4大類：第一類為基礎(chǔ)理論，包括較為復(fù)雜的炸藥爆炸理論，巖石爆破破碎機理等。這部分內(nèi)容占總內(nèi)容的35%左右；第二類為爆破對象及介質(zhì)屬性，包括介質(zhì)的可爆性分級、炸藥雷管等爆破器材屬性及特點、爆破網(wǎng)路等[2]，此部分內(nèi)容占比25%左右；第三類為爆破工程技術(shù)，為爆破技術(shù)的具體應(yīng)用，包括地下爆破、露天爆破、拆除爆破等，此部分內(nèi)容調(diào)整幅度大，占比30%～35%；第四類為爆破安全技術(shù)，此部分內(nèi)容占比5%～10%左右。

土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)是使從事本專業(yè)的學(xué)生成為一名合格的土木工程師。土木工程師從事的是工程設(shè)施的勘測、設(shè)計、施工、運營、保養(yǎng)維修等技術(shù)及相關(guān)經(jīng)濟活動，而爆破技術(shù)的應(yīng)用在很多土建工程的設(shè)計和施工階段都是不可或缺的。爆破法施工屬于土木工程建造過程中一種重要的技術(shù)手段，如爆破開挖是公路鐵路隧道、堅硬巖石基坑及孔樁開挖工程、公路路塹成型工程的必要手段。這些工程設(shè)施在建造階段管理工作的重點在于如何在安全的前提下實現(xiàn)爆破方法的經(jīng)濟與高效。這要求土木工程師必須較深入了解爆破技術(shù)，掌握安全控制要點。而在一些工程的施工準(zhǔn)備階段可能會涉及爆破拆除，如房地產(chǎn)開發(fā)前期的場地平整。這些拆除工程在實施過程中因爆破振動帶來的結(jié)構(gòu)安全和擾民問題必須予以考慮。在設(shè)計階段對爆破法施工工藝進行論證時，可不考慮具體技術(shù)細(xì)節(jié)，而著重考慮爆破手段的可行性及爆破安全問題，因此土工工程師必須對爆破安全技術(shù)有所了解。由于面臨的爆破問題多樣化，且課時有限，難以在課堂上面面俱到。應(yīng)強化理論在工程中的應(yīng)用，使學(xué)生掌握解決問題的方法和基本思路。只有這樣，才能在實際工程實踐沉著面對各式各樣的爆破工程實際問題。據(jù)此，筆者認(rèn)為，爆破工程第一類和第二類教學(xué)內(nèi)容不減少，注重培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論及其運用。

目前，國家提倡由專業(yè)的爆破公司進行爆破作業(yè)。此時土木工程師從事更多的是爆破施工的管理工作，而不進行爆破的設(shè)計與施工。與之相關(guān)的工作包括爆破專項施工方案的專家評審、爆后效果評價、驗收與計量以及爆破安全的相關(guān)協(xié)調(diào)工作。因此應(yīng)壓縮傳統(tǒng)爆破工程中爆破工程技術(shù)部分的學(xué)時，具體施工細(xì)節(jié)可少講或不講。針對行業(yè)發(fā)展特點及國家政策要求，在土木工程專業(yè)的爆破工程教學(xué)內(nèi)容中增加第五類知識點—爆破行業(yè)知識，包含爆破方案設(shè)計、評估、監(jiān)理的基本程序，嚴(yán)格的行政許可制度，火工品的追溯管理，系列的法律法規(guī)內(nèi)容等。因此，維持第一、二、四類教學(xué)內(nèi)容占比不變，將爆破工程技術(shù)內(nèi)容的占比調(diào)整為20%左右，爆破行業(yè)知識內(nèi)容占比在10%～15%左右。

結(jié)合土木工程專業(yè)特點，將爆破工程課程的教學(xué)目標(biāo)定為：學(xué)生能夠了解爆破器材基本性能和適用條件，了解爆破行業(yè)特點及相關(guān)程序，掌握巖石爆破基本的理論及安全控制要點，具備進行一般爆破工程設(shè)計與施工的能力。

2 加強學(xué)科間聯(lián)系，根據(jù)學(xué)生已學(xué)知識，循序漸進

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）土木工程專業(yè)培養(yǎng)計劃中，將爆破工程安排在大三下學(xué)期。此時通識課程及專業(yè)基礎(chǔ)課已經(jīng)講授完畢，包括爆破工程的前置課程如大學(xué)化學(xué)、流體力學(xué)、巖石力學(xué)、工程地質(zhì)等。然而土木工程專業(yè)本科生普遍對動力學(xué)尤其是波動力學(xué)了解甚少。地下工程專業(yè)僅在大學(xué)物理和材料力學(xué)中涉及較少的動力學(xué)知識，建筑工程專業(yè)學(xué)生雖然學(xué)習(xí)過桿系結(jié)構(gòu)動力學(xué)和建筑抗震，但仍不能滿足教學(xué)要求。講授爆破工程過程中應(yīng)充分利用學(xué)生的已學(xué)知識，循序漸進。

在講授炸藥的爆炸方程、炸藥爆炸典型特征、炸藥的熱化學(xué)參數(shù)、爆破器材等知識點時，應(yīng)充分利用大學(xué)化學(xué)已有知識，需要引導(dǎo)學(xué)生進行分析與推理，得到相關(guān)知識點；巖石爆破機理涉及較復(fù)雜的波動力學(xué)知識，如果從基本的動力學(xué)方程開始講授，時間、效果都難以保證。直接從霍普金森效應(yīng)入手，結(jié)合大學(xué)物理的波的理論，引入波動方程，與靜力學(xué)及一般動力學(xué)進行對比，說明波動力學(xué)方程的物理含義及應(yīng)用價值。土木工程專業(yè)普遍對桿件內(nèi)力的觀念掌握較好而對應(yīng)力的認(rèn)知較少，這是由于結(jié)構(gòu)力學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等課程普遍引用內(nèi)力進行分析，而爆破工程中更多使用的是應(yīng)力，這就需要教師增加應(yīng)力與內(nèi)力的聯(lián)系，并用實例進行演示與說明。在講授巖石可爆性分級時，可先引導(dǎo)學(xué)生回顧在地基工程課程中學(xué)的工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)。巖體分級是評價工程巖體的質(zhì)量及其穩(wěn)定性重要依據(jù)，為將來的巖體開挖、加固支護設(shè)計提供參考，而巖體的可爆性分級是為了衡量巖體的開挖難易程度。雖然工程巖體分級是為了“立”，可爆性分級是為了“破”，兩者相互對立，而實際上又是統(tǒng)一的，都是工程建設(shè)的需要。

除上述的例子以外，在講課中可以隨時聯(lián)系各學(xué)科內(nèi)容進行講解，由此引導(dǎo)學(xué)生對知識點進行討論。這種聯(lián)系其他學(xué)科的教學(xué)方式既有利于培養(yǎng)學(xué)生的全面素質(zhì)，也有利于形成創(chuàng)新能力。這種方法在實施過程中對教師的要求是極高的。首先，教師應(yīng)熟悉各學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進度，才能使之與爆破工程課程內(nèi)容既能相互滲透，又不超出學(xué)生的理解能力和知識范圍；其次，教師需具備良好的知識遷移能力和創(chuàng)新能力，這樣才能幫助學(xué)生掌握各學(xué)科與爆破工程的內(nèi)在聯(lián)系，并在知識的相互聯(lián)系中發(fā)現(xiàn)問題。

3 培養(yǎng)興趣，提醒學(xué)生牢記學(xué)習(xí)目的，引導(dǎo)學(xué)生展開自學(xué)

學(xué)生剛開始接觸爆破工程課程時，由于對爆炸物品充滿好奇心，折服于爆破瞬間產(chǎn)生巨大的做功能力，因此在引言的講授階段被此門課程所吸引，上課時認(rèn)真聽講，教學(xué)效果也會很好。但隨著課程的開展，一些爆破基礎(chǔ)理論知識顯得枯燥乏味，初期建立起來的興趣會慢慢消失，出現(xiàn)上課注意力不集中甚至開小差等現(xiàn)象。

要想解決這個問題，除了豐富教學(xué)方法教學(xué)手段，課堂上吸引學(xué)生注意力外，筆者認(rèn)為應(yīng)考慮以下兩個解決辦法。

一是讓學(xué)生在課程的開始階段就要找到學(xué)習(xí)它絕對充足的理由，并且在學(xué)習(xí)的過程中注意引導(dǎo)。使學(xué)生認(rèn)識到爆破是未風(fēng)化堅硬巖石（單軸抗壓強度大于60 MPa）開挖最高效、最廉價的手段，有時甚至是唯一的手段。然而炸藥爆炸經(jīng)常被人看做是洪水猛獸，是脫韁野馬，稍有不慎就會產(chǎn)生重大的安全事故。因此要想對爆破進行控制，實現(xiàn)安全高效，必須認(rèn)真學(xué)習(xí)爆破的相關(guān)理論。

二是采用以學(xué)代教的方式。由于課時受限，部分技術(shù)問題難以全部在課堂上講授時，可以采用以學(xué)生為主體的教學(xué)方式。這里說的以學(xué)代教并不是由學(xué)生走向講臺，講授教學(xué)大綱中規(guī)定內(nèi)容，而是指教師在課堂教學(xué)時，拋出問題，與學(xué)生一起討論分析，由學(xué)生課下查找相關(guān)的文獻完成，下次上課時隨機叫學(xué)生解答，教師最終公布答案。讓學(xué)生帶著問題去自學(xué)，以學(xué)代教，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能使學(xué)生產(chǎn)生競爭意識，利于濃厚學(xué)習(xí)氛圍的養(yǎng)成。

4 因地制宜，積極運用現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)

爆破工程講授過程中，除采用傳統(tǒng)板書外，我們還積極應(yīng)用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，努力提高教學(xué)效果。每節(jié)課的講課的脈絡(luò)結(jié)構(gòu)，重要知識點仍采用板書，這種視覺信息相對于聽覺信息更有利于學(xué)生理解與接受，留下的印象也更為深刻。但板書在短時間記錄的信息量相對較少，表現(xiàn)方法較為單一，而多媒體技術(shù)可將抽象內(nèi)容變得更加直觀，靜態(tài)結(jié)果變?yōu)閯討B(tài)的演化，既增強了學(xué)生的感性認(rèn)識、深化了理性認(rèn)識，還激發(fā)了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，解決了學(xué)時少、內(nèi)容多的矛盾，提高了教學(xué)效率，改善了教學(xué)效果。

4.1 數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用

炸藥爆炸包含高溫、高壓、復(fù)雜的過程，在空氣中爆炸動態(tài)過程涉及流體動力學(xué)，熱物理學(xué)等知識，在巖石中爆炸還涉及巖石復(fù)雜的本構(gòu)及流固耦合左右以及強度理論等。純理論相對枯燥乏味，尤其是對于基礎(chǔ)知識相對薄弱的工科學(xué)生來說，此部分內(nèi)容是課程的難點。而此部分內(nèi)容是爆破技術(shù)的理論基礎(chǔ)，學(xué)生必須重點掌握。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）[3]采用計算機模擬的方式解決這部分難題。數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用在爆破工程中各個領(lǐng)域，包含炸藥的爆轟、巖石爆破機理、拆除爆破等等?？偨Y(jié)應(yīng)用的案例，與傳統(tǒng)的影像相比較，數(shù)值模擬技術(shù)在下面幾個方面具有不可替代的作用[4]。

數(shù)值模擬在某種意義上比理論和實驗對問題的描述更為深刻，更為細(xì)致，不僅可以讓學(xué)生了解問題的結(jié)果。而且可以隨時、連續(xù)、動態(tài)地重復(fù)顯示事物的發(fā)展，了解其整體與局部的細(xì)致過程。

（1）數(shù)值模擬可以直觀地顯示出目前還不易觀測到的、說不清楚的一些現(xiàn)象，容易為人理解和分析，還可以顯示出任何實驗都無法看到的發(fā)生在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象。

（2）數(shù)值模擬技術(shù)非常容易實現(xiàn)相關(guān)性分析，當(dāng)前的數(shù)值模擬軟件一般支持txt文本輸入，使用者可以方便的進行修改。分析者對某個結(jié)果的相關(guān)因素進行分析時，可以對參數(shù)值進行變化，計算得到變化后的結(jié)果。

（3）數(shù)值模擬軟件可以非常方便的提取各種物理參量，更容易對發(fā)生的物理現(xiàn)象進行科學(xué)的解釋，學(xué)生也更易掌握。

（4）課程教學(xué)過程中的數(shù)值模型來源有兩個：一為教師所在的科研團隊建立；二為國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流過程中同行交流所得。

（5）爆破工程教學(xué)中應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)將抽象問題直觀化、可視化，并大大縮短了知識點的教學(xué)時長，增強了學(xué)生對爆破理論的認(rèn)知。

4.2 工程實例的展示

在講授爆破工程技術(shù)章節(jié)，教師以板書的形式做一個典型的爆破設(shè)計，由于以揭示設(shè)計流程及爆破參數(shù)間的聯(lián)系為主且受課時限制，因此工程規(guī)模偏小。而實際工程中，由于地質(zhì)、環(huán)境、設(shè)備、安全等因素使得爆破設(shè)計相對復(fù)雜，為了使學(xué)生認(rèn)識到爆破設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，必須向?qū)W生展示實際工程的爆破設(shè)計。而由于涉及內(nèi)容眾多，難以采用板書形式，只能利用多媒體技術(shù)進行，通過爆破工程實例，向?qū)W生講授爆破設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，包括總體要求、基本思路、參數(shù)取值、網(wǎng)路形式、安全校核、試爆結(jié)果、參數(shù)調(diào)整等，以圖片或視頻展示爆破施工環(huán)節(jié)的總體情況、工序、操作要求、特殊情況處理、爆后的總結(jié)等。

俗話說：“百聞不如一見”。通過選擇典型案例作為教學(xué)資料，可以很好地啟迪學(xué)生的思維，培養(yǎng)他們理解和分析問題的能力。由于教學(xué)中的案例來源于實踐，對學(xué)生具有很強的說服力。此外，以課題組教師主持、參與的爆破工程項目和課題研究以及國內(nèi)外典型爆破工程案例為基礎(chǔ)，建立了適用于教學(xué)的“典型案例庫”。這些案例無論是地質(zhì)條件，還是環(huán)境因素，都具有很強的針對性和典型性，均有助于增強學(xué)生對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。工程實例展示做到了理論與實踐的結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果明顯。

5 理論聯(lián)系實際，加強實驗教學(xué)

爆破工程是一門實踐性較強的課程，通過實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠親手接觸到爆破器材，培養(yǎng)動手能力，利于學(xué)生理論知識的消化與掌握。

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）共安排了6個課時的實驗教學(xué)，包括演示為主的巖石的SHPB沖擊實驗和以學(xué)生實際操為主的炸藥（導(dǎo)爆索）爆速測量及導(dǎo)爆管網(wǎng)路實驗。其中，SHPB沖擊實驗可以使學(xué)生更深入地了解巖石在高應(yīng)變率下的動態(tài)性能，這是爆破工程技術(shù)人員應(yīng)掌握的基本理論知識。爆速測量實驗中教師可以直接以實物向?qū)W生展示，講解工業(yè)炸藥（乳化炸藥）與軍用炸藥的（黑索金）、導(dǎo)爆索與導(dǎo)爆管的區(qū)別；實驗時將受試炸藥固定在木條上，學(xué)生可通過爆破硐的窗口直觀感受爆破過程；瞬間的光照、巨大的響聲、四處飛濺的木屑，直接體會到炸藥強大的做功能力。利用導(dǎo)爆管網(wǎng)路實驗?zāi)M剪力墻或礦山多排毫秒延期爆破，演示非電雷管延時累加性以及四通方便快捷性；通過變換網(wǎng)路形式展現(xiàn)非電網(wǎng)絡(luò)的靈活性；對比爆前爆后導(dǎo)爆管顏色講述非電網(wǎng)絡(luò)的安全性及易于檢查的特點。

整體上看，學(xué)生實驗出勤率優(yōu)秀，不存在缺勤現(xiàn)象，試驗中參與程度非常高，基本做到了人人參與。為保證教學(xué)效果，教師要求學(xué)生在實驗前編寫實驗報告的理論部分，過程中記錄數(shù)據(jù)，實驗完成后匯總實驗報告，根據(jù)報告情況計入課程成績。

6 加強爆破安全教育

在建設(shè)工程和采礦工程等行業(yè)中，爆破技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，帶來了良好的經(jīng)濟效益和社會效益[5]。但各類爆破工程事故時有發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)也造成了巨大的損失。工程爆破必須以安全為前提，而僅以工程要求為目的不安全的爆破是失敗的爆破。為了保證爆破作業(yè)能安全地進行，要求土木工程必須掌握爆破安全技術(shù)。

爆破安全涉及兩方面內(nèi)容：一為爆破器材的安全；二為爆破工程的安全。對于爆破工程師來講，前者主要指爆破器材類型、數(shù)量準(zhǔn)確，運輸、存儲、銷毀安全，后者指爆破施工過程中的操作安全及爆破有害效應(yīng)控制在既定范圍之內(nèi)。

雖然爆破工程有單獨的章節(jié)用來講爆破安全，但筆者認(rèn)為這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)將安全教育貫穿所有的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)環(huán)節(jié)里。突出案例教育以及個人的切身經(jīng)歷，向?qū)W生講述相關(guān)的安全操作要點，尤其要揭示事故產(chǎn)生的原因，激發(fā)學(xué)生努力學(xué)好相關(guān)知識。

7 結(jié)語

通過改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，調(diào)整教學(xué)目標(biāo)，促進了課程教學(xué)的系統(tǒng)化和規(guī)范化，增強了學(xué)生對本專業(yè)方向爆破工程應(yīng)用技術(shù)的理解和掌握，使得該課程更適應(yīng)土木類專業(yè)學(xué)生的實際需求。課程教學(xué)的實踐表明，將爆破工程與相關(guān)學(xué)科穿插貫通，應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)，能很好地培養(yǎng)學(xué)生的全面素質(zhì)，極大地促進了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，有助于學(xué)生更深刻地理解爆破基礎(chǔ)理論。結(jié)合課程特點與現(xiàn)代技術(shù)手段改革教學(xué)手段與方式，已取得良好的教學(xué)效果，較好地實現(xiàn)了該課程的教學(xué)目標(biāo)。

參考文獻

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