雙一流背景下安全工程《燃燒學(xué)》實驗與理論融合式教學(xué)探索與實踐

李慶釗 朱建云

摘? 要：結(jié)合作者多年從事《燃燒學(xué)》課程講授的經(jīng)歷，詳細(xì)介紹了中國礦業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程《燃燒學(xué)》專業(yè)課理論與實驗教學(xué)創(chuàng)新方面的探索與實踐。通過對《燃燒學(xué)》理論知識點進(jìn)行有效分類，并有針對性的設(shè)計綜合性實驗內(nèi)容，在理論知識教學(xué)的同時講述實驗測試所設(shè)計的方法、儀器裝置。在實驗教學(xué)中回顧講述的理論知識，使學(xué)生對所需的抽采的理論知識能夠有更為深刻的理解和認(rèn)識。通過具體測試內(nèi)容使學(xué)生掌握實驗設(shè)計、儀器操作、數(shù)據(jù)記錄與處理、報告撰寫等方面的科研技能，真正實現(xiàn)理論與實驗教學(xué)的有效、有機、深度融合，激發(fā)學(xué)生探索新事物的興趣、培養(yǎng)其創(chuàng)新思維模式、鍛煉其動手實踐能力。實踐證明，理論與實驗融合式教學(xué)通過合理設(shè)計創(chuàng)新實驗課題，將理論知識講授、測試方法學(xué)習(xí)、儀器裝置操作融入整個教學(xué)的全過程，有效激發(fā)了學(xué)生在專業(yè)課程教學(xué)活動中的自主能動性，極大的提高了學(xué)生綜合素質(zhì)與科研能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：安全科學(xué)與工程;實驗教學(xué);理論教學(xué);融合式教學(xué)方法

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）10-0025-05

Abstract： Combining with the author's years of experience in teaching Combustion， the paper introduced in detail the exploration and practice of theoretical and experimental teaching innovation in the "Combustion" specialty course of China University of Mining and Technology. By effectively classifying the theoretical knowledge points of Combustion and designing comprehensive experimental content in a targeted manner， the methods and instruments designed for experimental testing are described while teaching theoretical knowledge. Reviewing the theoretical knowledge told in experimental teaching enables students to have a deeper understanding and understanding of the required theoretical knowledge. Through specific test content， students can master scientific research skills in experimental design， instrument operation， data recording and processing， report writing， etc.， and truly realize effective， organic， and in-depth integration of theoretical and experimental teaching， which stimulates students' interest in exploring new things and cultivates them. Innovate thinking mode and exercise their practical ability. Practice has proved that the theory-experiment integrated teaching integrates theoretical knowledge teaching， test method learning， and device operation into the entire teaching process through the rational design of innovative experimental topics. It effectively stimulates the students' autonomy in the professional curriculum teaching activities， and greatly improves the cultivation of students' comprehensive quality and scientific research ability.

Keywords： safety science and engineering; experimental teaching; theory teaching; integrated teaching mode

引言

為實現(xiàn)“兩個一百年”奮斗目標(biāo)和中華民族偉大復(fù)興的中國夢，2015年8月18日中央全面深化改革領(lǐng)導(dǎo)小組會議審議通過《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》，對新時期高等教育重點建設(shè)做出了新部署[1]。高校應(yīng)緊緊把握高等教育發(fā)展的歷史機遇，加快人才培養(yǎng)的思想創(chuàng)新、理念創(chuàng)新、方法技術(shù)創(chuàng)新和模式創(chuàng)新，推動一流本科教育的創(chuàng)新建設(shè)。

然而，在高等專業(yè)課程教學(xué)中，理論與實驗作為兩個相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)的教學(xué)過程長期以來卻難以統(tǒng)籌兼顧[2]。因此，如何將理論教學(xué)的問題導(dǎo)向與實驗教學(xué)的方法導(dǎo)向相結(jié)合，真正的將理論分析與實驗探索的創(chuàng)新思維模式融入到專業(yè)課程的教學(xué)工作中去[3，4]，在培養(yǎng)學(xué)生扎實理論基礎(chǔ)的同時增強學(xué)生的創(chuàng)新探索思維模式與方法，是雙一流學(xué)科專業(yè)課程教學(xué)工作值得探索與實踐的一個工作重點。

一、安全工程《燃燒學(xué)》課程簡介

（一）課程現(xiàn)狀

《燃燒學(xué)》是安全工程與消防工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)必修課程，重點講述可燃物（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)）及其燃爆反應(yīng)特性，確定不同可燃物的著滅火反應(yīng)機理、臨界參數(shù)及災(zāi)害防治理論方法。其前期預(yù)修課程包括大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)、流體力學(xué)、熱工學(xué)等。課程的教學(xué)目標(biāo)是通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生認(rèn)識可燃物燃燒與爆炸所涉及的熱化學(xué)、燃燒動力學(xué)等基本知識和基本理論，掌握燃燒和爆炸的預(yù)防和控制方法，具備運用所學(xué)的理論知識解決火災(zāi)和爆炸預(yù)防中遇到的問題的能力，達(dá)到所學(xué)專業(yè)對畢業(yè)生知識結(jié)構(gòu)要求和解決防火防爆復(fù)雜工程問題能力要求的培養(yǎng)目標(biāo)。

（二）存在的問題

目前，我國高校在專業(yè)課程的教學(xué)活動中普遍存在“重理論、輕實驗、協(xié)調(diào)難”的現(xiàn)象，普遍存在理論教學(xué)與實驗教學(xué)截然分開的現(xiàn)象，忽視二者的互動性和統(tǒng)一性，使得實驗教學(xué)對學(xué)生能力的培養(yǎng)以及理論教學(xué)對實驗教學(xué)的促進(jìn)難以協(xié)調(diào)統(tǒng)一[5]。

在理論教學(xué)中，學(xué)生對理論課堂上講述的可燃物燃爆的基本理論缺乏直觀的認(rèn)識，難以深入理解，易于失去學(xué)習(xí)的興趣;而在實驗教學(xué)中，對燃爆實驗所涉及的各種實驗設(shè)備不知從何入手，且由于理論與實驗教學(xué)的不統(tǒng)一使得學(xué)生難以及時通過實驗教學(xué)及時加強對理論知識的深入理解。

此外，傳統(tǒng)專業(yè)課程的設(shè)計、理論教學(xué)與實驗教學(xué)的時間安排也難以合理處理二者間的關(guān)系，難以將其有機地融合起來，真正實現(xiàn)將專業(yè)課程的教學(xué)活動成為理論教學(xué)和實驗教學(xué)相互影響和相互促進(jìn)的整體。

（三）《燃燒學(xué)》理論與實驗融合式教學(xué)構(gòu)思

為了更好實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗教學(xué)的有機協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，首先將理論教學(xué)內(nèi)容與實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有機融合，在理論教學(xué)中融合實驗課題所涉及的理論、方法，在實驗教學(xué)中進(jìn)一步講述實驗所涉及的基本原理，使學(xué)生對所學(xué)的理論知識有直觀的認(rèn)識，明白其理論對實際的指導(dǎo)作用。同時也使得學(xué)生對實驗背后所隱含的原理有更加清晰和深刻的了解，也對實驗方法、實驗設(shè)計、結(jié)果分析和報告撰寫等基本實踐能力的培養(yǎng)起到積極的作用。

二、《燃燒學(xué)》理論與實驗教學(xué)內(nèi)容體系

（一）理論與實驗課程內(nèi)容

我校安全工程、消防工程《燃燒學(xué)》課程的理論講授內(nèi)容主要包括“可燃物及其分析、燃燒的物理化學(xué)基礎(chǔ)、可燃物著滅火理論、可燃物（氣體、液體、固體）燃爆理論、燃爆防治理論與方法”等部分。與各部分相配套的實驗教學(xué)內(nèi)容包括“可燃物的物質(zhì)組成分析、可燃?xì)怏w燃爆實驗、可燃固體著火實驗、可燃液體閃點燃點實驗及可燃物爆炸參數(shù)與著火極限測定”等（如圖1所示）。兩者在內(nèi)容上、在體系上互為補充、互為支撐，有助于實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗教學(xué)的穿插或同時進(jìn)行，為兩者教學(xué)實現(xiàn)有效的有機融合提供了前提和契機。

（二）理論與實驗教學(xué)過程設(shè)計

因此，如何以專業(yè)課的理論知識為基礎(chǔ)，結(jié)合本學(xué)科研究的新進(jìn)展設(shè)計適合于本科生的綜合性創(chuàng)新實驗課題是理論與實驗融合式教學(xué)順利開展的關(guān)鍵。創(chuàng)新性實驗課題的設(shè)計需遵循“專業(yè)課程理論知識的有機融合、難易適中、具有可探索可創(chuàng)新”的原則，使學(xué)生在實驗過程中具有較大的能夠發(fā)揮自主能動性、創(chuàng)造性的空間，盡可能避免簡單重復(fù)性的測試工作，可為學(xué)生提供在一定程度上對未知領(lǐng)域進(jìn)行探索的可能性[6]。

因此，《燃燒學(xué)》教學(xué)中考慮課程的理論內(nèi)容體系及與之相對應(yīng)的實驗教學(xué)內(nèi)容，通過兩者的協(xié)調(diào)設(shè)計，將理論教學(xué)與實驗教學(xué)的方法有機融合，同時以部分初級科研課題為基礎(chǔ)，將科學(xué)研究的方法引入到理論與實驗教學(xué)中，在引導(dǎo)學(xué)生開展課題的同時實現(xiàn)相關(guān)理論知識、實驗設(shè)計、報告撰寫向?qū)W生的傳授，也實現(xiàn)學(xué)生對相關(guān)儀器裝置操作能力的培養(yǎng)。融合式理論與實驗教學(xué)模式也有助于將教師科學(xué)研究、學(xué)科建設(shè)等所取得的新成果、新技術(shù)、新方法引入實驗教學(xué)中，以保持理論與實驗教學(xué)方法與手段的持續(xù)更新[7]。

（三）煤塵燃爆理論與實驗教學(xué)設(shè)計與實施示例

理論與實驗融合式教學(xué)的開展需要充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)和啟發(fā)作用，在理論知識和實驗內(nèi)容的匹配上、在實驗課題的選取上需進(jìn)行有針對性的設(shè)計。以煤塵結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性理論與實驗教學(xué)為例，如圖2所示，在實驗教學(xué)前，教師首先對該部分理論知識點進(jìn)行分類，諸如制樣方法、物質(zhì)組成及其基準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)表征方法、化學(xué)反應(yīng)理論、燃爆及著火極限理論。與之相對照，設(shè)計相應(yīng)的實驗內(nèi)容，包括樣品制備、物質(zhì)組成測試、反應(yīng)動力測試、爆炸性測試。

理論與實驗教學(xué)過程中首先講授各理論知識點，在該示例中具體包括：

1. 樣品制備及標(biāo)準(zhǔn)方法

煤樣破碎所涉及破碎裝置、煤樣篩分所涉及的篩分裝置、樣品粒度及其分布特性（中位粒徑D50、D90、D10）、等溫吸附方法或壓汞法及其用于孔隙結(jié)構(gòu)測定（吸附理論、毛細(xì)凝結(jié)理論、吸附方程、孔徑分布方程、比表面積及比孔容積等）。

2. 煤自燃理論及其測試方法

經(jīng)典熱自燃理論及其臨界判據(jù)（謝苗諾夫熱自燃理論、卡門茨基熱自燃理論、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的自由基理論），熱自燃理論應(yīng)用的實驗設(shè)計及其驗證，基于熱重聯(lián)用法的低溫反應(yīng)動力學(xué)測試及反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)確定方法。

3. 粉塵燃爆特性測試方法

粉塵燃爆火焰的傳播理論、粉塵燃爆特性測試的國家標(biāo)準(zhǔn)（AQ 1045-2007）、粉塵云爆炸測試裝置（20L球形爆炸裝置），粉塵爆炸的臨界參數(shù)（粉塵層著火溫度、粉塵云著火溫度、臨界點火能量、粉塵爆炸濃度極限）。

在理論教學(xué)中，配合講授理論與測試方法的同時簡要介紹實驗教學(xué)所用的儀器裝置（如圖3所示）。而在實驗教學(xué)進(jìn)行的過程中，可以結(jié)合儀器進(jìn)一步對所講知識點、儀器測試方法進(jìn)行回顧，并進(jìn)行具體內(nèi)容測試，便于學(xué)生將所有知識點形成一個整體，便于對實驗現(xiàn)象知其然且知其背后的機理。在整個教學(xué)過程強調(diào)教師的全程跟蹤、學(xué)生的深度參與，記錄實驗過程中所有的數(shù)據(jù)、圖像資料，并對其進(jìn)行系統(tǒng)的分析整理（如圖4所示）。教師需鼓勵學(xué)生正確面對探索過程中所遇到的困難，并為其提供積極的建議以明確努力的方向，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性、激發(fā)學(xué)生的科研潛能[3，6]。