自制設(shè)備對培養(yǎng)特種專業(yè)研究生科研能力的分析與探究
——以爆破理論與技術(shù)專業(yè)為例

程揚帆, 王文濤, 汪 泉, 龔 悅, 韓體飛

(1.安徽理工大學 化學工程學院, 安徽 淮南 232001;2.安徽省爆破器材與技術(shù)工程實驗室, 安徽 淮南 232001)

特種專業(yè)是隨著國家建設(shè)持續(xù)發(fā)展，基礎(chǔ)工業(yè)和技術(shù)服務改造方面不斷深入，產(chǎn)生的一批涵蓋交通、采礦、建筑、化工、能源等多領(lǐng)域的特殊專業(yè)。隨著社會需求的轉(zhuǎn)型和高等教育的改革，對特種專業(yè)研究生的培養(yǎng)逐漸從技術(shù)應用型轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新發(fā)展型。而轉(zhuǎn)變的核心就是提高研究生的科學研究水平，以爆破理論與技術(shù)專業(yè)為例，其專業(yè)內(nèi)容包括工程、化學、物理、計算機等多個學科，在研究生的培養(yǎng)過程中，通常因為學科交叉的復雜性，和自身專業(yè)的特殊性，國內(nèi)外高校以及研究機構(gòu)缺乏相應的實驗儀器，用來滿足復雜條件的實驗需求。因此，鼓勵并支持研究生自制實驗設(shè)備以解決現(xiàn)有條件的不足，既能夠讓學生將專業(yè)技術(shù)與實際應用相結(jié)合，又可以增強對理論知識的理解，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和科研能力。

1 自制實驗設(shè)備在科研工作中的必要性

科研工作從某種角度來說就是一種創(chuàng)新和發(fā)現(xiàn)，具有一定的前沿性和新穎性。在實驗中往往會設(shè)計一些新的實驗設(shè)備來對問題進行研究，而實驗室中集成式的測試儀器往往是建立在已有的認知體系，對實驗創(chuàng)新的作用并不明顯。市面上部分實驗設(shè)備滯后于科技發(fā)展的需要，而且價格昂貴，對于探索新的發(fā)現(xiàn)起到的作用并不顯著?？v觀國內(nèi)外的高校，使用自制實驗設(shè)備開展科研實驗的例子很多，自制實驗設(shè)備對推動科技發(fā)展的進程也發(fā)揮著巨大的作用。另外，隨著國家研究生招生規(guī)模的擴大，分攤到每一個導師的研究生名額也逐漸增多，學生對于實驗儀器的需求也格外急切。然而，大部分實驗儀器還將面臨老化、零件更換以及人工維修等后續(xù)問題。綜合多方面考慮，自制實驗設(shè)備能夠最大程度的滿足實驗效果，減少科研成本，加深實驗者對實驗設(shè)備的認知程度，實現(xiàn)科研經(jīng)費的充分利用。實驗設(shè)備的設(shè)計與研制成為科研工作者一項不可或缺的能力，而廣大研究生則是扮演著研制實驗設(shè)備的主力軍。

2 爆破理論與技術(shù)專業(yè)實驗的特殊性

爆破理論與技術(shù)專業(yè)研究的內(nèi)容主要有爆破器材的優(yōu)化、炸藥性能的提高和氣固兩相爆轟理論等。涉及的實驗多數(shù)伴有快速的化學反應，瞬時釋放大量熱量和能量，并且形成高壓氣體甚至沖擊波，因此該專業(yè)的實驗設(shè)備的損耗程度相較于其他專業(yè)更加明顯。

此外，由于專業(yè)可能涉危涉密，因此服務于該專業(yè)實驗儀器的生產(chǎn)制造廠家較為有限；同時，相較于尖端爆炸領(lǐng)域的軍事科研單位，普通高校在實驗設(shè)備的性能和資金方面存在巨大的差距。這也間接造成了對該類專業(yè)研究生科研能力培養(yǎng)的難度增大。

3 自制實驗裝置對研究生科研能力培養(yǎng)的重要作用

1)科研能力培養(yǎng)的重要性。研究生教育擔負著為國家和社會培養(yǎng)具有高層次高素質(zhì)人才的任務。根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃和綱要(2010-2020年)》提出的目標，預計2020年全國的在校研究生人數(shù)將達到200萬[1]。隨著研究生招生規(guī)模的擴大，研究生培養(yǎng)存在的問題也不斷的凸顯：培養(yǎng)方案與現(xiàn)實需求的偏差，培養(yǎng)目標制定的不明確，綜合素質(zhì)的不達標。當下研究生的培養(yǎng)模式出現(xiàn)的問題歸結(jié)為一點就是缺乏對科研能力的培養(yǎng)，而對于特種專業(yè)研究生該問題顯得尤為突出?？蒲心芰κ呛饬垦芯可鷮W業(yè)水平的一項重要指標，涵蓋了學習能力、發(fā)現(xiàn)問題的能力、創(chuàng)新思維的能力、實踐操作與解決問題的能力等多個方面，缺乏這種能力對研究生的升學和就業(yè)都會造成了巨大的阻礙，通過自制實驗設(shè)備的手段對該能力的提升有著顯著的作用。

2)開設(shè)綜合性設(shè)計性實驗。目前市面上生產(chǎn)的實驗儀器大都是具有很多的實驗模塊，操作方式便捷，學生只要通過幾次訓練便能熟練的掌握操作流程[2]。以粉塵爆炸測試儀器20 L球形爆炸容器為例，儀器的主要功能是測試粉塵爆炸的壓力以及壓力上升速率，但對于一些設(shè)計性、綜合性的實驗，該儀器所能發(fā)揮的功效十分有限。長此以往，不僅扼殺了學生的科研創(chuàng)新能力，還會給學生帶來強烈的依賴心理，過分夸大實驗儀器對科學研究的決定性影響，喪失動手和思考能力。自制實驗設(shè)備不僅能夠?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備的功能進行補充和改進，還能讓學生對相關(guān)理論知識和儀器整體結(jié)構(gòu)有更加深入的了解。從整體性出發(fā)，有助于學生更好地開展具有設(shè)計性和綜合性的實驗。

3)提高交叉學科研究水平。隨著社會的不斷發(fā)展，國家和企業(yè)對于人才的需求量也越來越大，這也給高等院校在培養(yǎng)人才方面帶來了巨大考驗。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，專業(yè)技能扎實且具備相關(guān)交叉學科知識的復合型人才，往往更容易受到企業(yè)的青睞。因此，在培養(yǎng)研究生的問題上，適當提高交叉學科的教育研究更有助于學生的就業(yè)與發(fā)展。

在進行一些交叉學科的實驗時，由于有明確的教學科研目的[3]，可以根據(jù)實驗者的設(shè)想來進行設(shè)計自制實驗設(shè)備，擺脫現(xiàn)有條件的約束。與自制實驗儀器相比，傳統(tǒng)實驗室儀器功能比較固定，自制實驗設(shè)備可以不受這個限制，操作更加靈活，能夠緊密的貼合科研與教學的要求。再者，設(shè)計設(shè)備的本身就一個多學科相互融合的過程，學生需要從各個學科的角度去思考儀器的運行、安全防護、和后續(xù)保養(yǎng)等問題。

4)提高研究生的綜合能力。自制儀器設(shè)備不僅可以滿足科技發(fā)展對實驗深度和范圍變化的需要，還能適應創(chuàng)新型國家對人才的培養(yǎng)要求[4]。通過讓研究生參與實驗設(shè)備的設(shè)計與加工，有助于增強其綜合能力，提高其核心競爭力[5]。研究生參與設(shè)計實驗設(shè)備對能力的提高主要有以下幾個方面：

第一，提升學生的調(diào)研能力，設(shè)計一個實驗設(shè)備需要大量充分的前期調(diào)研工作，如傳統(tǒng)儀器的工作原理與不足、自制實驗設(shè)備的創(chuàng)新點、自制實驗設(shè)備的可行性等，在這個過程中學生的調(diào)研能力會得到培養(yǎng)，看待問題的角度也會更加全面。

第二，提升學生的業(yè)務能力，在自制實驗設(shè)備的設(shè)計研制調(diào)試等環(huán)節(jié)，一定會出現(xiàn)各種各樣的問題，學生需要調(diào)用自己的知識儲備去解決問題，有助于提高自身的專業(yè)水平、拓展知識的深度與廣度。

第三，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力，一項實驗設(shè)備的研制工作，往往需要一個團隊進行統(tǒng)籌和分配。因此，每個學生要清楚自身的定位，發(fā)揮自己的特長把單項任務做好的同時還要兼顧團隊讓效益最大化。

第四，增強管理與溝通能力，自制實驗設(shè)備從圖紙走向?qū)嶋H還要經(jīng)歷一番過程。例如材料零件的購買、設(shè)計經(jīng)費的把控、以及和加工廠商協(xié)調(diào)溝通等環(huán)節(jié)，通過對這些問題的處理，培養(yǎng)了學生良好的管理與溝通能力，為以后解決更加復雜的工程實際問題奠定了基礎(chǔ)，同時也增加了科研工作中的成就感[6]。

第五，面對挫折的能力，挫折是每個科研工作者科研道路上必須經(jīng)歷的苦澀。自制實驗設(shè)備不是一帆風順，極有可能會面臨諸多困難。因此，在研究生培養(yǎng)階段，通過讓學生自制實驗設(shè)備，可以培養(yǎng)學生直面挫折的能力，對其今后的科研和生活大有裨益。

4 自制粉塵爆炸測試設(shè)備的實證研究

1)自制粉塵爆炸測試設(shè)備的原因。隨著工業(yè)化的進程，越來越多的粉體物質(zhì)出現(xiàn)在各類生產(chǎn)活動，其中一些粉塵具有一定的可燃性，可能造成起火，爆炸等危害。根據(jù)有關(guān)資料顯示[7]，平均每年我國發(fā)生粉塵爆炸事故9～10起，給國家和人民造成巨大的損失，因此國內(nèi)外的專家學者致力于研究粉塵爆炸的機理以及預防措施。

現(xiàn)有的粉塵爆炸測試裝置主要有哈特曼管(1.2 L)、20 L球形爆炸罐和1 m3爆炸容器[8]。這些實驗裝置的共同點就是受限密閉空間無可見通道或可見通道過小，這對觀察研究粉塵燃燒的火焰結(jié)構(gòu)和火焰失穩(wěn)機理帶來了不便，基于上述原因爆破理論與技術(shù)專業(yè)研究生自制了可視化等壓條件下測量粉塵燃爆特性的裝置。該裝置能夠在等壓條件下研究粉塵的燃爆特性，首先能真實的模擬粉塵爆炸時的場景；其次，采用乳膠氣球取代鋼體爆炸罐，達到可視化的目的，能夠捕捉大尺度粉塵燃燒的動態(tài)圖像。

2)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計與操作方法。

圖1 自制設(shè)備示意圖

該裝置主要包括配氣系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、裝置支架、儲粉罐、進氣導管、噴頭、乳膠氣球支架、點火器組合系統(tǒng)、乳膠氣球和球形罩。配氣系統(tǒng)包括空氣、可燃性氣體或惰性氣體中的一種或多種組合氣體；智能控制系統(tǒng)包括可編程控制單元和遠程控制單元，并通過編程控制通氣元件，進而實現(xiàn)對進氣、噴粉和點火的控制；儲粉罐的內(nèi)部設(shè)有高壓氣體進入孔，上部連接有粉塵分散噴射孔；噴頭中間空心并接入配氣導管、粉塵噴射導管、點火器和相應傳感器。本實驗裝置操作簡單，實驗方法易行，實驗效果良好，可以通過乳膠氣球?qū)Ψ蹓m的燃爆現(xiàn)象進行觀察，消除了壁面效應的影響。

以測試鋁粉的燃燒特性的實驗來簡述該裝置的使用步驟：實驗前，通過編寫智能控制的運行程序，設(shè)置進氣、噴粉以及點火的時間。然后配置一定體積比(1: 9)的氫氣-空氣混合氣體，調(diào)節(jié)配氣系統(tǒng)的減壓閥，使混合氣體輸出壓力達到2 MPa，并將稱量一定質(zhì)量(10 g)的鋁粉并放置在儲粉罐中。隨后將透明乳膠氣球固定在噴頭上，遠程啟動，開啟控制智能控制系統(tǒng)，使其逐步控制管路中通氣元件，給乳膠氣球充氣，緊接著打開儲粉罐的通氣元件，高壓混合氣體使鋁粉在噴頭處噴射分散出來。最后，鋁粉噴出，經(jīng)過一定的延遲時間后(60 ms)，鋁粉彌漫呈云霧狀，并和混合氣體預混均勻，此時開啟智能控制系統(tǒng)，控制點火組合系統(tǒng)通電點火，完成鋁粉燃爆實驗。實驗人員遠程操作高速攝像系統(tǒng)，直接觀察并記錄鋁粉從噴出到點火燃燒的全過程。

3)自制實驗設(shè)備對研究生科研能力的提升。上述自制實驗設(shè)備從設(shè)計、生產(chǎn)和調(diào)試直至成品階段，均是經(jīng)由研究生們自行完成，導師提供經(jīng)濟支持和技術(shù)顧問。整個過程中參與學生展現(xiàn)了強大的凝聚力和良好的科研氛圍，互幫互助，利用課余時間查閱文獻，思考解決問題的方法，科研能力也在不知不覺中得到提升[9]。另外，設(shè)計實驗設(shè)備的過程中，成員定期舉行交流座談會，匯報設(shè)計進展，總結(jié)實踐經(jīng)驗與問題。然后逐步將這種學術(shù)的交流常態(tài)化，培養(yǎng)學生的科研習慣，提升學生的科研能力。最后，自制實驗設(shè)備的成功離不開導師的經(jīng)濟和理論上的支持，這種自上而下的機制，激勵著學生多出高水平的科研成果。

5 結(jié)語

隨著高等教育的改革與發(fā)展，對于特種專業(yè)研究生學術(shù)水平和科研能力的培養(yǎng)也受到廣泛的關(guān)注與期待。本文以爆破理論與技術(shù)專業(yè)研究生為主體，研究發(fā)現(xiàn)鼓勵和支持研究生自制實驗設(shè)備不僅具有現(xiàn)實意義，還能極大的調(diào)動學生的科研積極性，鞏固學生的專業(yè)知識，啟發(fā)和培養(yǎng)創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作精神，拓寬學生的視野，促進其知識儲備向技術(shù)實體的轉(zhuǎn)化，有利于保持科研內(nèi)容的先進性。從國家社會層面上來看，對特種專業(yè)研究生，通過自制實驗設(shè)備的手段，能夠培養(yǎng)一批具有綜合能力和創(chuàng)新思維的高層次人才，有利于建立產(chǎn)學研深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系，推動國家社會高質(zhì)量發(fā)展。從個人層面上，有利于增強學生發(fā)現(xiàn)問題、認識問題、解決問題的能力，為將來的就業(yè)和發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。