“彈藥戰(zhàn)斗部工程設(shè)計方法”案例式教學(xué)設(shè)計與探索

安豐江，馬天寶，廖莎莎

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

一、引言

“彈藥戰(zhàn)斗部工程設(shè)計方法”是兵器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科開設(shè)的一門碩士研究生專業(yè)課，其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握防空殺爆戰(zhàn)斗部、水中爆破戰(zhàn)斗部等幾類典型戰(zhàn)斗部的工程設(shè)計方法；結(jié)合目標(biāo)易損性、作戰(zhàn)毀傷要求、毀傷效果評估等技戰(zhàn)術(shù)要求，能夠提出戰(zhàn)斗部威力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、引戰(zhàn)配合設(shè)計的綜合性解決方案；并具備使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，對復(fù)雜戰(zhàn)斗部涉及的工程問題進行預(yù)測與模擬的能力。

本課程具有專業(yè)知識點多、關(guān)聯(lián)性強，軍事與技術(shù)緊密結(jié)合，綜合性、工程性、實踐性突出的特點。它開設(shè)于碩士研究生一年級秋季學(xué)期，學(xué)生正處于從大學(xué)專業(yè)理論性學(xué)習(xí)躍升到研究型、創(chuàng)新型、實踐型學(xué)習(xí)的成長過程中。傳統(tǒng)上，戰(zhàn)斗部設(shè)計課程講授的相關(guān)案例主要是教師自身的科研經(jīng)歷累積，具有一定的效果，但由于背景或技術(shù)問題的保密性，老師常常不能暢所欲言，同時傳統(tǒng)教學(xué)案例知識點單一、綜合系統(tǒng)化不夠的問題也日漸突出。在專業(yè)知識傳播呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、公開化、碎片化的時代，以及公開教學(xué)、線上教學(xué)的趨勢下，尤其需要典型性綜合教學(xué)案例。為了使戰(zhàn)斗部設(shè)計的相關(guān)專業(yè)知識“活起來”“動起來”、立體呈現(xiàn)在學(xué)生面前，勢必進行案例式教學(xué)改革，選取具有典型的綜合性真實案例作為演示和討論背景，以案例中的戰(zhàn)斗部知識點為“肉”，以授課老師的科研實踐心得為“筋”，以學(xué)生的多方面參與為“骨”，實現(xiàn)教學(xué)效果的提高和學(xué)生專業(yè)綜合實踐能力的提升。

二、案例式教學(xué)目標(biāo)

案例式教學(xué)起源于哈佛大學(xué)的情景案例教學(xué)課，是指教師根據(jù)教學(xué)要求，設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)案例，組織學(xué)生針對案例內(nèi)容，運用所學(xué)知識進行思考、分析和討論，從而提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力[1-2]。

“彈藥戰(zhàn)斗部工程設(shè)計方法”課程在教學(xué)內(nèi)容上，主要涉及戰(zhàn)斗部威力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、引戰(zhàn)配合設(shè)計、毀傷效能評估等專業(yè)知識，以及工程計算方法、仿真模擬、試驗驗證等研究方法與技術(shù)的具體應(yīng)用。各個教學(xué)內(nèi)容和研究方法并非彼此孤立而是相互銜接貫穿，通常解決一個具體戰(zhàn)斗部設(shè)計問題時需要綜合運用多個知識點和研究方法?！皬椝帒?zhàn)斗部工程設(shè)計方法”案例式教學(xué)目標(biāo)是以真實案例為背景，串聯(lián)多個章節(jié)知識點，建立每個知識點的教學(xué)演示資料，設(shè)置學(xué)術(shù)討論話題和半開放性研究性課題，采用“邊教邊研”的手段使學(xué)生從戰(zhàn)斗部設(shè)計的具體問題研究中掌握相關(guān)知識理論的運用，激發(fā)學(xué)生的探索欲，從而提高學(xué)生的專業(yè)能力，實現(xiàn)教學(xué)效果的改進。

因此，“彈藥戰(zhàn)斗部工程設(shè)計方法”課程的案例式教學(xué)需具備以下條件：(1)典型案例的選取原則?？蓹z索的文獻資料廣泛、豐富，與課程講授的多個專業(yè)知識點緊密相關(guān)，具備深入探討和研究的價值和可能性。(2)知識點的立體呈現(xiàn)。結(jié)合案例，呈現(xiàn)碎片化知識點的系統(tǒng)運用，以及可延伸可擴展的優(yōu)化空間。(3)教學(xué)形式的多樣化。按照“講授-調(diào)研-討論-實現(xiàn)-評價”可閉環(huán)可考核的教學(xué)過程，開展相關(guān)活動。

三、案例式教學(xué)設(shè)計

針對“彈藥戰(zhàn)斗部工程設(shè)計方法”課程特點，為了達到教學(xué)目的，在授課中主要聚焦兩類典型武器平臺下的彈藥戰(zhàn)斗部工程設(shè)計方法，以每類武器平臺下某種具有代表性的戰(zhàn)斗部工程設(shè)計為例設(shè)計案例教學(xué)，以某個重大國際事件典型案例串聯(lián)戰(zhàn)斗部威力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、引戰(zhàn)配合設(shè)計、毀傷效能評估等多個專業(yè)知識，實現(xiàn)內(nèi)容專業(yè)性、案例真實性、課堂趣味性、教學(xué)互動的開放性、考核的可控性等多個方面的教學(xué)效果，使學(xué)生在案例教學(xué)中對所學(xué)專業(yè)技能達到知曉、內(nèi)化、綜合應(yīng)用的水平。

案例教學(xué)以“殺爆戰(zhàn)斗部”和“水下爆炸戰(zhàn)斗部”為例。殺爆戰(zhàn)斗部作為一種基本類型的戰(zhàn)斗部在防空反導(dǎo)武器運用中具有其自身的特點，如高速的交會條件、精準(zhǔn)的引戰(zhàn)配合方式、多效應(yīng)的目標(biāo)毀傷耦合等。以2014年馬航MH17事件[3-9]山毛櫸導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部“9H314M”作為典型案例，能夠應(yīng)用到戰(zhàn)斗部設(shè)計、引戰(zhàn)配合設(shè)計、毀傷效應(yīng)等多個章節(jié)知識點的講授。反艦反潛是目前國防發(fā)展的一個熱點，艦船、潛艇目標(biāo)重要而復(fù)雜，水中彈藥的設(shè)計、威力評估與毀傷效應(yīng)與其他類型彈藥存在顯著區(qū)別。以2010年韓國天安艦事件[10-13]中的戰(zhàn)斗部作為具體案例，講授水中彈藥戰(zhàn)斗部工程設(shè)計方法。

課程的整體設(shè)計思路包括五大部分：首先以教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，主要體現(xiàn)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和相關(guān)方法技術(shù)的應(yīng)用技巧；其次，聚焦工程算法與解決途徑；再選取典型教學(xué)案例，立體生動地展現(xiàn)具體教學(xué)內(nèi)容和工程應(yīng)用；同時，將典型案例融入教學(xué)知識點傳授、教學(xué)形式展現(xiàn)和教學(xué)考核等各個環(huán)節(jié)；最后，實現(xiàn)內(nèi)容專業(yè)性、案例真實性、課堂趣味性、教學(xué)互動開放性、考核的可控性等多個方面的教學(xué)效果提升。整體設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 課程的整體設(shè)計思路

“彈藥戰(zhàn)斗部工程設(shè)計方法”案例式教學(xué)實施難點在于如何以一個真實的綜合案例為背景，將一個具體戰(zhàn)斗部設(shè)計的各個環(huán)節(jié)的理論研究和工程方法形成一個有機整體。需要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，將理論知識點、工程方法和技術(shù)進行串聯(lián)教學(xué)以及綜合閉環(huán)運用，這樣才能使學(xué)生對所學(xué)專業(yè)技能達到知曉、內(nèi)化、綜合應(yīng)用的水平。教學(xué)各個環(huán)節(jié)的設(shè)計流程框架如圖2所示。

圖2 教學(xué)各個環(huán)節(jié)的設(shè)計流程框架

設(shè)計彈藥戰(zhàn)斗部的目的是為了有效毀傷命中條件下的指定目標(biāo)，因此首先需要對指定目標(biāo)進行目標(biāo)特性和易損性分析，基于分析數(shù)據(jù)提出彈藥設(shè)計的具體技術(shù)指標(biāo)和相應(yīng)的毀傷要求；依據(jù)相應(yīng)的指標(biāo)和要求完成戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)設(shè)計、威力設(shè)計、引戰(zhàn)配合設(shè)計等環(huán)節(jié)；接著將初步設(shè)計的戰(zhàn)斗部與指定目標(biāo)在作戰(zhàn)場景下進行彈目作用，進而完成毀傷評估分析；最后根據(jù)毀傷結(jié)果評判該戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的打擊效果是否滿足指標(biāo)和毀傷要求。當(dāng)滿足要求時，則完成戰(zhàn)斗部的設(shè)計過程；否則，返回戰(zhàn)斗部設(shè)計指標(biāo)對戰(zhàn)斗部設(shè)計的各個環(huán)節(jié)進行迭代優(yōu)化設(shè)計，直至符合毀傷打擊要求。

本文以防空“殺爆戰(zhàn)斗部”設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容為例，選取適合的教學(xué)案例，完成案例式教學(xué)中各個教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計，將教學(xué)知識點和案例內(nèi)容一一對應(yīng)，基于案例具體的調(diào)研資料，運用理論工程解算、學(xué)術(shù)研討、彈目作用模擬等開放性探討教學(xué)形式，開展相關(guān)設(shè)計理論和方法的學(xué)習(xí)。同時，結(jié)合殺爆戰(zhàn)斗部設(shè)計理論及流程，指導(dǎo)學(xué)生完成不同殺爆戰(zhàn)斗部形式對特定空中目標(biāo)毀傷評估和設(shè)計方案優(yōu)選的工程實踐，如表1所示。

表1 “殺爆戰(zhàn)斗部”設(shè)計案例教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計方案

(一)典型案例調(diào)研與梳理

結(jié)合教學(xué)目的，通過廣泛的文獻情報調(diào)研，確定代表性的國外典型案例，并盡可能獲取情報資料，包括事故調(diào)查報告、學(xué)術(shù)論文等，匯總多方面的信息。然后，進行分類整理，形成專業(yè)知識點資料和研究方法資料。在專業(yè)知識點方面，包括與技術(shù)指標(biāo)、戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)、性能相關(guān)的資料，與引戰(zhàn)配合相關(guān)的資料，與威力、毀傷評估相關(guān)的資料；在研究方法方面，包括與工程性算法有關(guān)的資料，與仿真模擬有關(guān)的資料，與試驗有關(guān)的資料。

依據(jù)調(diào)研和梳理結(jié)果，確定某類戰(zhàn)斗部相關(guān)具體參數(shù)信息、交會情況和毀傷情況。一方面，可以用來作為戰(zhàn)斗部威力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、引戰(zhàn)配合設(shè)計、毀傷效能評估等專業(yè)知識講解中的示例，實現(xiàn)一個案例能和多個知識點相關(guān)聯(lián)；另一方面，調(diào)研資料中的信息可為學(xué)術(shù)討論話題和研究性課題提供項目背景和輸入條件；同時，能夠結(jié)合某個具體武器，運用作戰(zhàn)條件實現(xiàn)戰(zhàn)斗部工程設(shè)計實踐。例如，2014年馬航MH17事件中的山毛櫸導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部，通過資料調(diào)研與梳理能幫助我們確定戰(zhàn)斗部質(zhì)量、破片類型、質(zhì)量、尺寸等，但仍有一些參數(shù)是難以確定的，例如戰(zhàn)斗部裝藥外表面形狀、裝填比等。這些確定和不確定的信息就為破片初速、飛散角的確定帶來了一定的變數(shù)，從而為殺爆戰(zhàn)斗部的具體設(shè)計問題提供了探討和研究空間。

(二)典型案例在教學(xué)內(nèi)容中的應(yīng)用

確定案例之后，如何把案例和專業(yè)知識點有機結(jié)合起來是典型案例在教學(xué)內(nèi)容中需要解決的問題，即根據(jù)教學(xué)內(nèi)容梳理出關(guān)鍵的知識點，從案例中尋找契合的支撐點和演示資料。因此，研究的重點是梳理專業(yè)知識點和用好案例具體技術(shù)材料，在每個重要知識點都能有真實案例數(shù)據(jù)作為演示教學(xué)。以殺爆戰(zhàn)斗部設(shè)計為例，梳理部分知識點，結(jié)合山毛櫸導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部“9H314M”案例材料支撐演示教學(xué)。

在講解戰(zhàn)斗部總體技術(shù)方案時，可以結(jié)合“9H314M”設(shè)計特點，采用飛散+聚焦的結(jié)構(gòu)方案，運用三種大小破片雙層組合的方式，實現(xiàn)對飛機類目標(biāo)、導(dǎo)彈類目標(biāo)的毀傷，體現(xiàn)防空反導(dǎo)殺爆戰(zhàn)斗部的技術(shù)特點。圖3展現(xiàn)了“9H314M”部分結(jié)構(gòu)信息，如結(jié)構(gòu)類型、破片排布形式、安裝特點等。一方面，能夠直觀地體現(xiàn)出防空反導(dǎo)殺爆戰(zhàn)斗部的傳統(tǒng)特點；另一方面，又表現(xiàn)出一些不同于常規(guī)手法的巧妙設(shè)計，這為戰(zhàn)斗部威力模型的重構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

在講解戰(zhàn)斗部動態(tài)殺傷區(qū)的計算時，可以結(jié)合“9H314M”殺傷區(qū)分析方法，立體呈現(xiàn)殺傷區(qū)計算關(guān)鍵技術(shù)對目標(biāo)的毀傷影響。圖4為馬航殺傷區(qū)案例，該示意圖可以立體呈現(xiàn)出戰(zhàn)斗部靜態(tài)/動態(tài)殺傷區(qū)，得到破片的速度梯度。同時，可以根據(jù)MH17事件調(diào)查研究人員構(gòu)建的二維“9H314M”，運用獲取的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)、彈目作用等碎片信息，不斷修正模型以提高威力殺傷的可信度，從而為毀傷結(jié)果的產(chǎn)生提供更多細節(jié)數(shù)據(jù)。

圖3 案例在戰(zhàn)斗部總體設(shè)計方案中的應(yīng)用

在講述引戰(zhàn)配合設(shè)計、最佳延遲時間等知識點時，結(jié)合山毛櫸導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部攔截MH17引戰(zhàn)配合分析數(shù)據(jù)，突出引戰(zhàn)配合技術(shù)對戰(zhàn)斗部性能的影響。圖5為馬航MH17事件調(diào)查研究人員構(gòu)建的三維引戰(zhàn)配合計算模擬，它立體呈現(xiàn)出指定彈目交會條件下引戰(zhàn)配合參數(shù)對毀傷效果的直觀影響，表明了引戰(zhàn)配合技術(shù)在防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部設(shè)計中的重要性。

圖4 案例在戰(zhàn)斗部靜態(tài)/動態(tài)殺傷區(qū)計算中的應(yīng)用

圖5 案例在引戰(zhàn)配合計算中的應(yīng)用

在講述毀傷試驗時，結(jié)合案例中相關(guān)試驗驗證手段、方法、實現(xiàn)條件等，展現(xiàn)試驗驗證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、實施流程、數(shù)據(jù)收集和處理等技術(shù)。圖6為收集到的“9H314M”對飛機艙段的地面靜爆毀傷試驗的資料。

圖6 案例在地面毀傷試驗中的應(yīng)用

(三)典型案例在教學(xué)形式中的應(yīng)用

案例式教學(xué)為教學(xué)形式帶來了更多的可能性，以傳統(tǒng)的授課模式為主，融合文獻調(diào)研、學(xué)術(shù)探討、優(yōu)化研究設(shè)計等方式來解決工程設(shè)計中遇到的具體問題，從而調(diào)動學(xué)生更多的主動性、激發(fā)學(xué)生探索欲，形成與老師更深層次的交流互動。

典型案例的來源是公開的、多源的，又是散落的、需要挖掘的；信息量是豐富的、多角度的，但又是不充分的、可供探討的。授課老師在相關(guān)知識點著重講解后，可以設(shè)置討論主題，把部分內(nèi)容留給學(xué)生自己檢索學(xué)習(xí)，并在后續(xù)課堂上互動，進行深入討論。這既能使學(xué)生的學(xué)習(xí)研究具有一定的挑戰(zhàn)性，又能保證在比較自由的師生探討空間下研究方向的收斂性。例如，在馬航M17調(diào)查事件中，主要是通過事后調(diào)查和仿真再現(xiàn)，由破片的毀傷特征確定戰(zhàn)斗部參數(shù)，從而推測導(dǎo)彈型號。調(diào)查過程中的研究技術(shù)和方法給戰(zhàn)斗部設(shè)計的相關(guān)人員帶來了很多啟發(fā)。馬航MH17事故調(diào)查報告著重分析了破片的毀傷問題，那為什么不討論沖擊波毀傷呢？這些真實事件暴露出來的工程問題，加上老師的引導(dǎo)，能夠更加錘煉學(xué)生對復(fù)雜戰(zhàn)斗部工程問題進行預(yù)測與模擬的能力。

(四)典型案例在考核中的應(yīng)用

從典型案例中挖掘題材，設(shè)計多個與戰(zhàn)斗部設(shè)計、毀傷評估有關(guān)的半開放性大作業(yè)題目，并適當(dāng)增加分值比重，可以更好地考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。另外，在一定程度上可以對教學(xué)形成反饋，有利于改進教學(xué)。在知識點講授、話題討論的基礎(chǔ)上，真實事件留給我們的這些懸而未決的問題或者未被揭秘的地方，可以用來設(shè)置半開放性大作業(yè)題目。以殺爆戰(zhàn)斗部工程設(shè)計方法學(xué)習(xí)為例，還原“9H314M”戰(zhàn)斗部或類似戰(zhàn)斗部，作業(yè)要求如下。

(1)通過文獻調(diào)研等方式，了解防空武器戰(zhàn)斗部的設(shè)計特點，包括毀傷元設(shè)計(如惰性、含能破片、破片的質(zhì)量大小、形狀、材料等)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(如定向、飛散+聚焦、速度梯度控制、大小破片組合等)。

(2)根據(jù)“9H314M”幾何尺寸、結(jié)構(gòu)特點、威力性能，設(shè)計類似的防空用殺爆戰(zhàn)斗部，給出設(shè)計方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)等。

(3)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方案基礎(chǔ)上，采用ANSYSY/LS-DYNA、AUTODYN等專業(yè)有限元工具，進行戰(zhàn)斗部起爆過程、爆轟及爆轟產(chǎn)物驅(qū)動下的破片初速形成過程、破片飛散過程的仿真模擬，詳細給出有限元模型、計算條件、仿真結(jié)果等。

(4)在仿真結(jié)果基礎(chǔ)上，統(tǒng)計并給出戰(zhàn)斗部的破片初速、破片飛散角、破片密度等主要威力性能參數(shù)，并與工程算法、試驗等相對比，簡要分析仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(5)根據(jù)仿真結(jié)果，討論、研究起爆方式、裝藥形狀、破片參數(shù)等設(shè)計參數(shù)對戰(zhàn)斗部威力性能的影響。

(6)在戰(zhàn)斗部設(shè)計方案形成、威力性能與毀傷能力驗證、優(yōu)化設(shè)計等過程中，注意考慮工程管理、經(jīng)濟決策等因素，提出有利于縮短研制周期與控制成本的具體研究方案、技術(shù)途徑、實驗方案等。

四、結(jié)語

本文針對“彈藥戰(zhàn)斗部工程設(shè)計方法”現(xiàn)有教學(xué)的不足和雙一流學(xué)科研究生課程建設(shè)的需求，進行了案例式教學(xué)探索。通過選取更具典型性的真實案例，貫穿“講授-調(diào)研-討論-實現(xiàn)-評價”教與學(xué)的過程，著重戰(zhàn)斗部設(shè)計相關(guān)知識的研究與應(yīng)用，培養(yǎng)大膽假設(shè)、仔細求證、不斷完善、攻堅克難、追求真理的科學(xué)思維與科研素養(yǎng)，提升學(xué)生對復(fù)雜戰(zhàn)斗部工程問題進行預(yù)測與模擬的能力，為學(xué)生走向相關(guān)工作崗位奠定專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。