中外土木工程專業(yè)爆炸動(dòng)力學(xué)課程比較研究

魯正 夏子祺

摘要：爆炸動(dòng)力學(xué)課程是高校土木、力學(xué)等專業(yè)課程的重要組成部分，內(nèi)容涉及爆炸的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，爆炸波在介質(zhì)中的傳播及引起介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的變形、破壞、拋擲和振動(dòng)等力學(xué)效應(yīng)，以及如何防護(hù)爆炸，等等。文章主要介紹了爆炸動(dòng)力學(xué)課程的發(fā)展情況，以同濟(jì)大學(xué)、廣州大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校，以及加州大學(xué)伯克利分校、伊利諾伊大學(xué)香檳分校等國(guó)外高校為例，通過對(duì)課程設(shè)置、課程要求和課程內(nèi)容討論和研究發(fā)現(xiàn)，不同學(xué)校的課程設(shè)置與其人才培養(yǎng)模式和對(duì)爆炸動(dòng)力學(xué)的重視程度有關(guān)，最后根據(jù)研究結(jié)果，提出適合中國(guó)國(guó)情的教學(xué)改革方案。

關(guān)鍵詞：爆炸動(dòng)力學(xué)；課程設(shè)置；教學(xué)改革；高等教育；高等工程教育

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2018）05-0072-06

爆炸，是大量能量在短時(shí)間內(nèi)釋放或者急驟轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，爆炸力學(xué)則是一門主要研究爆炸的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，爆炸波在介質(zhì)中的傳播及引起介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的變形、破壞、拋擲和振動(dòng)等力學(xué)效應(yīng)，以及如何防護(hù)爆炸的學(xué)科，是流體力學(xué)、固體力學(xué)與物理學(xué)、化學(xué)相互交叉學(xué)科，在國(guó)防領(lǐng)域、民用領(lǐng)域有著重要作用，例如武器研制、交通運(yùn)輸、水利建設(shè)、礦藏開發(fā)、機(jī)械加工，等等。

系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于建筑學(xué)教育的改革和發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。目前，國(guó)內(nèi)在爆炸力學(xué)方面清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、天津大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、廣州大學(xué)等高校走在了研究前列，但各高校研究重點(diǎn)有所不同，因此爆炸力學(xué)所屬學(xué)科和院系會(huì)有區(qū)別。而在國(guó)外基本沒有高校單獨(dú)開設(shè)爆炸動(dòng)力學(xué)課程，多涵蓋在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程中。文章立足于土木工程學(xué)科，通過對(duì)比分析同濟(jì)大學(xué)、廣州大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校，和以加州大學(xué)伯克利分校、伊利諾伊大學(xué)香檳分校為代表的國(guó)外高校，提出相應(yīng)的教學(xué)改革建議。

一、課程概況

（一）爆炸力學(xué)發(fā)展概述

對(duì)爆炸的研究從8世紀(jì)中唐火藥開始，到第二次世界大戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了炸藥的收縮爆炸，形成了塑性動(dòng)力學(xué)和聚能射流的理論基礎(chǔ)。此后，美國(guó)和前蘇聯(lián)，大力發(fā)展核武器、洲際導(dǎo)彈等，同時(shí)不斷改革各種常規(guī)武器，多種新型抗爆技術(shù)和爆炸加工技術(shù)層出不窮，使得爆炸力學(xué)有了長(zhǎng)足的發(fā)展[2]。學(xué)科也相應(yīng)地發(fā)展為包含爆轟學(xué)、應(yīng)力波和沖擊波理論、材料動(dòng)力學(xué)、爆炸工藝力學(xué)、爆炸結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等多門學(xué)科在內(nèi)的研究體系。

中國(guó)于1956年曾進(jìn)行近萬噸的礦山大爆破[3]，又在大躍進(jìn)期間實(shí)現(xiàn)了定向爆破和爆炸成形的研究工作。20世紀(jì)60年代，鄭哲敏等院士在中國(guó)科技大學(xué)力學(xué)系創(chuàng)建工程爆破專業(yè)，后改名為爆炸力學(xué)專業(yè)。目前，除了武器工程、工程力學(xué)專業(yè)外，在材料、防災(zāi)、計(jì)算機(jī)科學(xué)，甚至宇宙探索等方向都設(shè)有相關(guān)課程。

在爆炸條件下，普通的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論不再適用，必須深入結(jié)構(gòu)的微觀層面。此外，在考慮爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)的作用時(shí)，既要從力學(xué)的角度，還要從化學(xué)、電磁學(xué)等多方面去考慮，需要物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)等多方協(xié)作完成[4]，爆炸力學(xué)也因此成為一門復(fù)雜的交叉邊緣學(xué)科，具有強(qiáng)大的生命力。

（二）課程設(shè)置概況

同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程將爆炸動(dòng)力學(xué)設(shè)置為碩士研究生的專業(yè)學(xué)位課，共計(jì)2學(xué)分，36課時(shí)，要求預(yù)修彈性力學(xué)、土力學(xué)等課程。課程主要采用課堂教學(xué)、課后作業(yè)和期末考試的方法，使學(xué)生掌握爆炸動(dòng)力學(xué)的基本原理以及爆炸能應(yīng)用中的有關(guān)動(dòng)力學(xué)問題，其內(nèi)容包括爆炸波的形成與傳播、爆炸效應(yīng)估計(jì)、抗爆結(jié)構(gòu)分析等。

廣州大學(xué)土木工程設(shè)有巖土工程、結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程、橋梁與隧道工程四個(gè)二級(jí)學(xué)科。其中，防災(zāi)減災(zāi)工程包含8個(gè)方向，涉及抗震減震、抗風(fēng)、地質(zhì)災(zāi)害，等等，工程抗爆為其中一個(gè)方向，要求學(xué)生掌握扎實(shí)的數(shù)學(xué)和力學(xué)知識(shí)，系統(tǒng)掌握鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)、巖土工程、橋梁工程等各種結(jié)構(gòu)工程知識(shí)，并具有一定的生產(chǎn)實(shí)踐和必要的試驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，對(duì)土木工程學(xué)科領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和前沿領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)有較深入了解，具有初步從事科學(xué)研究，或獨(dú)立解決本學(xué)科相關(guān)工程技術(shù)問題的能力。

此外，在廣州大學(xué)的工程力學(xué)碩士點(diǎn)中也開展了隔震與減振技術(shù)及理論、爆轟理論、爆炸與沖擊防護(hù)、結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)、危爆物檢測(cè)等領(lǐng)域的研究，其中沖擊動(dòng)力學(xué)課程要求學(xué)生掌握沖擊動(dòng)力學(xué)的理論及其應(yīng)用技術(shù)，具有從事本方向科研能力，熟悉本方向國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)和國(guó)際最新發(fā)展趨勢(shì)。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為力學(xué)專業(yè)研究生開設(shè)了結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)課程，共計(jì)4學(xué)分， 80學(xué)時(shí)，以期讓學(xué)生熟悉結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)的一般概念、原理、分析方法，以及在工程特別是在國(guó)防工程中的應(yīng)用。同時(shí)在工程力學(xué)專業(yè)開設(shè)了3學(xué)分、60學(xué)時(shí)的炸藥理論和爆炸技術(shù)課程。

北京理工大學(xué)開設(shè)有爆炸力學(xué)相應(yīng)課程，適用于工程力學(xué)、固體力學(xué)、一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)、彈藥工程、煙火能源等專業(yè)，主要學(xué)習(xí)爆炸作用的能量轉(zhuǎn)換、爆炸對(duì)目標(biāo)的作用、爆炸焊接、爆炸加工，以及爆炸力學(xué)在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。

加州大學(xué)伯克利分校以及伊利諾伊香檳分校均未在土木工程專業(yè)單獨(dú)開設(shè)爆炸動(dòng)力學(xué)課程，但均開設(shè)了的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程，這其中涵蓋有爆炸動(dòng)力學(xué)的相關(guān)課程。伯克利分校開設(shè)了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程和隨機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程，分別為3學(xué)分，而伊利諾伊香檳分校則設(shè)置兩門結(jié)構(gòu)力學(xué)課程，分別為3學(xué)分和4學(xué)分。此外，伊利諾伊香檳分校的航空專業(yè)開設(shè)有航空動(dòng)力學(xué)課程，其中涉及抗爆相關(guān)知識(shí)，4學(xué)分。由此可以看出，這兩所學(xué)校認(rèn)為爆炸動(dòng)力學(xué)屬于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)范疇，故合并教學(xué)。

二、課程設(shè)置要求

以同濟(jì)大學(xué)、廣州大學(xué)、大連理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校以及伊利諾伊香檳分校為例，對(duì)其課程要求列表對(duì)比如下。

課時(shí)要求，同濟(jì)大學(xué)、廣州大學(xué)、大連理工大學(xué)每門課程均為2學(xué)分，同濟(jì)大學(xué)的課時(shí)要求稍多，為36學(xué)時(shí)，而其余學(xué)校均為32學(xué)時(shí)。伊利諾伊香檳分校課時(shí)為36學(xué)時(shí)，加州大學(xué)伯克利分校課時(shí)為45學(xué)時(shí)，但均為選修。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的課時(shí)要求明顯較高，為80學(xué)時(shí)和60學(xué)時(shí)，可見中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在抗爆方面的重視程度。

開課數(shù)量，同濟(jì)大學(xué)僅為一門必修課，而其余學(xué)校均開設(shè)有2～3門課程，課程內(nèi)容更加豐富，涉及的內(nèi)容也更為全面。選修與必修并行，給學(xué)生提供了更多選擇的機(jī)會(huì)，有助于學(xué)生挖掘自身的興趣點(diǎn)，開展更為深入的學(xué)習(xí)研究。

三、課程內(nèi)容對(duì)比

六所學(xué)校爆炸動(dòng)力學(xué)課程內(nèi)容對(duì)比分析如下。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)對(duì)結(jié)構(gòu)在爆炸下的響應(yīng)從破壞和炸藥性質(zhì)兩方面展開教學(xué)。這兩門課均開設(shè)在力學(xué)專業(yè)下。就培養(yǎng)目的而言，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)旨在讓學(xué)生熟悉一般概念、原理、分析方法以及在國(guó)防工程中的應(yīng)用[5]。作為課時(shí)安排最多的學(xué)校，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的教學(xué)深度最深，細(xì)化到各種動(dòng)塑性行為的計(jì)算，同時(shí)也是唯一一個(gè)在力學(xué)相關(guān)專業(yè)講授炸藥的物理化學(xué)作用的高校。

廣州大學(xué)主要側(cè)重在土木工程專業(yè)教學(xué)，無論是建筑抗爆原理還是土動(dòng)力學(xué)與巖土地震工程，都體現(xiàn)了抗爆在具體工程中的應(yīng)用，因此，其課程設(shè)置相比其他學(xué)校更為全面具體。但是廣州大學(xué)也是選修開設(shè)最多的高校，雖然開設(shè)的科目較多，但是并不要求學(xué)生全部學(xué)習(xí)。這樣更有利于學(xué)生按照自己的興趣點(diǎn)有針對(duì)性地展開學(xué)習(xí)，也有利于學(xué)習(xí)深度和精度的提高。

相比之下，北京理工大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)的學(xué)時(shí)和課程數(shù)都較少。同濟(jì)大學(xué)注重概念的理解，掌握基本的原理和方法，以便在災(zāi)害來臨之時(shí)學(xué)生可以進(jìn)行初步判斷，展開進(jìn)一步深入研究。而北京理工大學(xué)則主要側(cè)重計(jì)算，對(duì)于爆炸時(shí)的物態(tài)方程、損傷機(jī)理等要求較高。

加州大學(xué)伯克利分校在結(jié)構(gòu)工程方面開設(shè)的課程十分全面，雖然未單獨(dú)開設(shè)爆炸動(dòng)力學(xué)課程，但是仍然在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面涵蓋了相關(guān)內(nèi)容。由于該課程注重結(jié)構(gòu)整體的動(dòng)力響應(yīng)，因此爆炸動(dòng)力學(xué)并不是重點(diǎn)。

伊利諾伊香檳分校在土木工程方面與加州大學(xué)類似，并未單獨(dú)開設(shè)爆炸動(dòng)力學(xué)課程，但是在航空航天專業(yè)開設(shè)的航空動(dòng)力學(xué)課程中對(duì)此進(jìn)行了深入教學(xué)。此外，在高階的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程中學(xué)習(xí)的計(jì)算理論知識(shí)也會(huì)對(duì)爆炸動(dòng)力學(xué)的研究提供幫助。

因此，從開課專業(yè)而言，有的學(xué)校開設(shè)在結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，有的學(xué)校開設(shè)在力學(xué)專業(yè)，有的學(xué)校開設(shè)在航空航天專業(yè)。對(duì)比學(xué)校要求的預(yù)修課程，就同濟(jì)大學(xué)和伊利諾伊香檳分校而言，同濟(jì)大學(xué)的爆炸動(dòng)力學(xué)課程要求先修彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)，伊利諾伊香檳分校則要求先修靜力學(xué)和理論力學(xué)，可見不同學(xué)校由于所屬專業(yè)歸類不同導(dǎo)致學(xué)習(xí)的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。

四、課程改革發(fā)展建議

（一）交叉學(xué)科培養(yǎng)

從各高校學(xué)科培養(yǎng)要求先修課程的設(shè)置可以發(fā)現(xiàn)，爆炸力學(xué)的研究，通常不僅考慮力學(xué)因素，由于其模式的復(fù)雜性，需要融會(huì)貫通多門學(xué)科，包括物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、力學(xué)、數(shù)學(xué)，等等[6]，因此在培養(yǎng)學(xué)生時(shí)，可以在開設(shè)爆炸動(dòng)力學(xué)的同時(shí)，適當(dāng)開展相關(guān)課程，以增強(qiáng)上述知識(shí)，從而形成一個(gè)完整的培養(yǎng)體系。

（二）加強(qiáng)在防災(zāi)專業(yè)的教學(xué)

目前，多數(shù)高校將爆炸動(dòng)力學(xué)設(shè)置在化學(xué)、工程力學(xué)、應(yīng)用力學(xué)等專業(yè)，在土木防災(zāi)專業(yè)的設(shè)置較為少見，對(duì)比國(guó)外高校也是如此。但是，防災(zāi)不應(yīng)局限于地震、風(fēng)災(zāi)、火災(zāi)等方面，爆炸時(shí)的沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也是不可忽視的，因此需要加強(qiáng)防災(zāi)方向爆炸動(dòng)力學(xué)相關(guān)教學(xué)。

（三）注重前人理論的學(xué)習(xí)

由于對(duì)于爆炸動(dòng)力學(xué)的研究需要較多的經(jīng)費(fèi)支持，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)需要昂貴的設(shè)備支持，很容易出現(xiàn)嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象。因此，在理論基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)多從其他學(xué)科中汲取有用知識(shí)，同時(shí)，在試驗(yàn)方面，應(yīng)該多學(xué)習(xí)前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，避免重復(fù)研究。在教學(xué)上，應(yīng)關(guān)注前沿信息，并及時(shí)引入課程教學(xué)中，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)災(zāi)害工程的認(rèn)識(shí)，還可以結(jié)合授課教師最新的研究?jī)?nèi)容和成果，以開闊學(xué)生的視野[7]。

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Abstract： Dynamics of explosions is an important research project in civil engineering and mechanics professional courses in universities. It contents the occurrence and development of explosion， the propagation of explosion wave and the deformation， destruction， casting and vibration mechanics effect. The paper studies the development of dynamics of explosions course of domestic universities such as Tongji University， Guangzhou University， Beijing Institute of Technology， University of Science and Technology of China， foreign universities such as UC Berkeley and University of Illinois at Urbana-Champaign. After discussing and researching the curriculum design， curriculum requirements and curriculum content， it is found that the curriculum design of different universities is related to their training mode of talents and their emphasis on dynamics of explosions. According to the research results， teaching reform schemes suitable for Chinas national conditions are offered.

Key words： dynamics of explosions； curriculum provision； teaching reform； higher education； higher engineering education

（責(zé)任編輯 梁遠(yuǎn)華）