基于“科教融合，協(xié)同育人”理念的燃燒與爆炸理論課程改革與探索

張少杰，聶士斌，彭 偉，王昌祥

（安徽理工大學安全科學與工程學院 安徽 淮南 232001）

在我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的背景下，各行業(yè)對產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新技術人才的需求十分旺盛，然而在現(xiàn)有高等院校的運行體制、學科設置、課程設置、教師隊伍知識結構等條件下的人才供給與快速變化的產(chǎn)業(yè)需求之間仍存在矛盾[1]。為解決該矛盾，我國教育部推進了一系列教學改革，包括科教融合、虛擬教研室、質(zhì)量工程、本科教學工程建設等，其中科教融合是高等教育改革的重要推動力，也是我國高等教育改革的重要關鍵詞[2-3]?！蛾P于深化教育體制機制改革的意見》強調(diào)“深入推進協(xié)同育人，促進協(xié)同培養(yǎng)人才制度化。要深化科研體制改革，堅持以高水平的科研支撐高質(zhì)量的人才培養(yǎng)”[4]。為進一步將產(chǎn)業(yè)需求與高等教育人才培養(yǎng)結合起來，《國家發(fā)展改革委辦公廳科技部辦公廳、關于落實2021年度全面創(chuàng)新改革任務清單的通知》中將“新型研發(fā)機構科教融合培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才”明確作為亟待解決的一項創(chuàng)新改革任務，提出推動從事產(chǎn)業(yè)共性技術開發(fā)和新興產(chǎn)業(yè)孵化，對產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展比較熟悉的新型研發(fā)機構與高等院校合作，通過科教融合培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才，解決產(chǎn)業(yè)技術人才供給數(shù)量、質(zhì)量問題。

對于安全產(chǎn)業(yè)，黨的十九大以來，國家對城市安全給予了高度關注[5]。中共中央辦公廳發(fā)布《關于推進城市安全發(fā)展的意見》強調(diào)“健全公共安全體系，全面提高城市安全保障水平。城市基礎設施建設要堅持把安全放在第一位，加強城市安全源頭治理”。全國安全產(chǎn)業(yè)快速增長，目前規(guī)模已超過萬億，對安全領域研究創(chuàng)新人才、產(chǎn)業(yè)研發(fā)人才、行業(yè)應用人才、實用技能人才等有著巨大的需求[6]。以此為契機，安徽理工大學與清華大學合肥公共安全研究院共建了城市安全科教融合學院。學院以圍繞國家戰(zhàn)略、堅持產(chǎn)業(yè)導向、強化知識融合、加強技能提升為建設原則，科教融合協(xié)同育人，積極培養(yǎng)適應新發(fā)展階段的城市安全產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才。

在安全專業(yè)的人才培養(yǎng)中，燃燒與爆炸理論是一門重要的專業(yè)基礎核心課程[7-8]，通過該課程使學生掌握燃燒與爆炸發(fā)生及演化的基本規(guī)律與物理機制，是安全專業(yè)后續(xù)本科及研究生專業(yè)課程的學習基礎。面向科教融合理念下創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需求，在燃燒與爆炸理論課程傳統(tǒng)教學模式上進行改革與創(chuàng)新，推進科研、教學、產(chǎn)業(yè)協(xié)同育人，全面提升學生在科研、實踐等方面的基礎素養(yǎng)與創(chuàng)新能力，對培養(yǎng)適應新發(fā)展階段的城市安全產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才具有重要意義。因此，本文立足于燃燒與爆炸理論課程教學中所存在的問題，基于科教融合協(xié)同育人的理念，對燃燒與爆炸理論課程教學改革與創(chuàng)新進行分析與探討，力爭做到教學的育人屬性與科研的學術屬性相統(tǒng)一，達到提升燃燒與爆炸理論課程教學質(zhì)量、培養(yǎng)符合產(chǎn)業(yè)需求的創(chuàng)新人才的目的。

1 燃燒與爆炸理論課程簡介

燃燒是一種特殊的氧化還原反應，伴隨有強烈的發(fā)熱、發(fā)光與發(fā)煙現(xiàn)象。燃燒與爆炸過程涉及流動、傳熱傳質(zhì)、化學反應的耦合，因此流體力學、傳熱學及普通化學等課程是燃燒與爆炸理論學習的前置課程。燃燒可以為生產(chǎn)和生活提供能源和熱量，但當燃燒在時間或空間上失去控制時，也會造成火災、爆炸等災害。對于安全專業(yè)，燃燒與爆炸理論課程主要是學習研究燃燒與爆炸的發(fā)生、發(fā)展和消失的基本規(guī)律，以及防火、防爆和滅火的一般原理，火災動力學、消防工程學、安全系統(tǒng)工程等課程是其后續(xù)課程。因此，燃燒與爆炸理論是一門兼顧理論性和實踐性的課程，對火災燃燒理論的科學研究以及消防安全的工程應用都具有重要的意義。

燃燒與爆炸理論課程具備多個層次的教學目標[9]。首先，使學生了解火災燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)、燃燒與爆炸的基本要素，掌握著火和滅火的基本理論以及氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)可燃物燃燒及爆炸的基本規(guī)律。其次，使學生能以燃燒與爆炸理論為基礎來分析實際工程中的現(xiàn)象，建立分析和解決實際問題的思維方法[10]，提升學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力。再次，了解國內(nèi)外目前燃燒與爆炸科學研究的現(xiàn)狀和前沿，了解燃燒與爆炸理論實際工程應用的范圍及案例。最后，增強學生的消防安全意識和自防自救能力，提升學生的安全職業(yè)素養(yǎng)。

2 燃燒與爆炸理論課程教學中存在的問題

2.1 教學內(nèi)容偏經(jīng)典理論

燃燒與爆炸理論課程的傳統(tǒng)教學內(nèi)容為經(jīng)典教材上的知識，以理論的講解與推導為主，例如謝苗霍夫自燃理論、可燃氣體火焰?zhèn)鞑サ挠旯崽胤匠?、預混氣體的爆炸極限計算、擴散燃燒的控制方程推導等。這些理論一方面基于微積分、流體力學、普通化學的知識基礎，與前置課程具有較高的連續(xù)性；另一方面引入了許多新的概念以及經(jīng)驗或者半經(jīng)驗公式。這容易導致學生一旦有某一個點沒有聽懂，未能跟上節(jié)奏，后續(xù)所有的推導就都無法理解，會使得學生對課程產(chǎn)生畏難以及厭倦情緒。同時，過多的理論推導也會使得課程內(nèi)容枯燥，學生缺乏成就感，對課程失去興趣，表現(xiàn)為上課精力不集中，影響課堂的氛圍，也會影響到教師講課的激情，最終使整個課程的效果不理想。

2.2 教學方法較為傳統(tǒng)

燃燒與爆炸理論課程的教學方法以傳統(tǒng)的講授為主，教師主動提供知識輸出，學生被動接受知識輸入，通過有限的課堂時間進行講解，使得學生盡快掌握更多的內(nèi)容。這種方式下學生的主觀能動性不強，學習的興趣比較難以調(diào)動起來。同時，對于燃燒與爆炸理論課程，由于有較多的理論公式推導，與前期的基礎課程關系密切，如果一味按照課本節(jié)奏教授，缺乏學生的主動參與，就容易忽略前期基礎課程的不足，嚴重影響課堂效果。例如，在弗蘭克―卡門涅茨基自燃理論推導體系能否獲得穩(wěn)定的溫度分布以判斷物質(zhì)體系能否自燃的過程中，如果忽略了學生對傳熱學中三維非穩(wěn)態(tài)導熱方程的學習與掌握程度，直接將該方程帶過，就有可能會導致學生無法理解整個理論。又如在預混氣體火焰?zhèn)鞑シ诸愔校谟旯崽胤匠膛c瑞利方程獲得火焰?zhèn)鞑シ诸惖呐袚?jù)，如果學生沒有流體力學中聲速及馬赫數(shù)定義的知識基礎，也較難理解及應用火焰?zhèn)鞑シ诸惖呐袚?jù)。這些課程內(nèi)容理論推導多，信息量大，部分內(nèi)容較為晦澀，對學生的知識儲備要求較高，在傳統(tǒng)課堂授課方式下，由于時間有限，必然導致課程節(jié)奏快，學生接受困難等教學問題。

2.3 師資力量類型單一

師資力量是課程實施的重要支撐與保障。傳統(tǒng)教學中很大程度上依靠教師個人能力。但各個教師的研究方向不同，如果與燃燒與爆炸理論課程內(nèi)容的關聯(lián)性不強，很難對所教授的內(nèi)容有深刻的理解以及生動的背景知識引入。另一方面，現(xiàn)有教師力量多是畢業(yè)后直接進入高校的博士，與實際的工程一線聯(lián)系不緊密，難以把握行業(yè)技術的整體趨勢與前沿，分辨教學內(nèi)容中具有實際應用價值的重點內(nèi)容。

2.4 考核機制對培養(yǎng)目標的支撐不足

目前燃燒與爆炸理論課程的考核方式普遍采用考試成績?yōu)橹鳎綍r成績?yōu)檩o的形式進行，其中期末考試采用閉卷的形式考查學生對課程重點知識的掌握情況，平時成績主要考查考勤、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)的情況等。這種形式強調(diào)了期末考試的重要性，部分學生不注重平時的學習，期末臨時突擊，死記硬背，對知識點的理解不深入，知識無法形成體系，更難以形成實際解決問題的能力。同時，僅通過一張試卷也難以衡量學生對知識體系的掌握程度，更無法考查學生的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。

3 燃燒與爆炸理論課程教學改革與探索的措施

3.1 科教融合豐富教學內(nèi)容

將行業(yè)熱點、實際工程應用的前沿內(nèi)容與課程的基本概念以及理論推導緊密結合。通過“實例―課程―實例”的方式，從實例中引入，激發(fā)學生對知識點學習的興趣；穿插課程基本概念及理論推導，使學生對知識點具有具象化的認識，認清問題的本質(zhì)；最后落回到實例中來，使學生掌握分析問題的方法，提高解決問題的能力。例如在講解預混氣體爆炸極限計算的課程內(nèi)容時，通過2021年6月13日湖北省十堰市燃氣爆炸事故案例的引入，激發(fā)學生對燃氣爆炸這一知識點的興趣；通過課程講解，讓學生掌握可燃氣體爆炸極限的概念、計算方法及其影響因素等知識點；最后再將課程引導到行業(yè)前沿的城市可燃氣體監(jiān)測的城市生命線工程上，闡述可燃氣體爆炸極限在實際監(jiān)測中的應用，加深學生對專業(yè)課程及專業(yè)知識的認同感，培養(yǎng)學生分析與解決問題的能力。結合城市安全科教融合學院中清華大學合肥公共安全研究院在行業(yè)及工程應用前沿的優(yōu)勢，在后期的實踐活動中將學生帶到城市生命線工程的一線，進一步加深學生對爆炸極限等知識點的理解。理論聯(lián)系實際，科教產(chǎn)融合，全面提升學生素質(zhì)。

此外，將課程內(nèi)容適當擴展，與現(xiàn)有的科研項目或最新的科研成果結合，讓學生認識到知識的邊界，激發(fā)學生的探索欲及創(chuàng)新精神。例如在講解擴散燃燒相關知識點時，在課本已有的擴散火焰溫度、濃度及火焰高度的知識基礎上，適當補充火災中擴散燃燒的特點，讓學生接觸到目前復雜火場環(huán)境下多個擴散燃燒火源相互作用的科研項目，提供最新檢索的相關科研論文，引導學生自主學習探究這些科學問題，提高學生的創(chuàng)新思維及科研能力。

3.2 多種教學方法及教學手段相結合

在教學方法及教學手段上，基于科教融合協(xié)同育人的理念，注重以學生為主體，發(fā)揮學生的主觀能動性，使學生主動學習。這需要教師采用多種教學手段激發(fā)學生的學習興趣。一方面，在日常的講授中，積極采用新技術，引導學生的學習情緒，提供更多的自主學習資源。對于燃燒與爆炸理論課程中一些比較抽象的概念以及理論推導結果，采用動態(tài)視頻或者仿真模擬動畫給學生進行直觀的演示，增加學習的情景感；采用學習通、雨課堂等軟件進行日常的教學管理，增加與學生的互動，提前收集了解學生對以往知識點的掌握情況，在課程中有的放矢；通過微課、慕課[11]等方式對課程重難點進行講解，便于學生回看復習；充分利用互聯(lián)網(wǎng)，將每次課程的科教融合背景及拓展內(nèi)容線上分享，為學生提供更多課后自主學習的空間。另一方面，積極采用研討式或項目式的教學方法[12]?；趯嶋H提出問題，布置一個小的項目任務，引導學生分組討論，查找書籍文獻資料，形成方案解決問題。這種教學方法更能激發(fā)學生學習的主動性，鍛煉學生文獻查找、交流討論、解決問題的能力。

此外，基于科教融合學院的特點與優(yōu)勢，增加課程的實踐內(nèi)容，理論結合實際，讓學生體驗和感受到科研及產(chǎn)業(yè)的知識前沿。結合燃燒與爆炸理論課程中可燃氣體爆炸極限、液體燃燒閃點及固體燃燒蔓延等知識點內(nèi)容，組織學生走進產(chǎn)業(yè)及實驗室，了解城市生命線工程在復雜環(huán)境下可燃氣體爆炸極限的監(jiān)測與控制、水凝膜泡沫滅火劑的油池火撲滅機理、先進阻燃材料的研發(fā)與性能測試等，結合實際現(xiàn)場對知識點進行講解回顧，增加學生的認知共鳴，引發(fā)學生的學習熱情，增強學生投身融入安全科研及產(chǎn)業(yè)事業(yè)的意愿。

3.3 科教融合增強師資力量

通過科教融合豐富師資力量，主要體現(xiàn)為兩個方面：在教師團隊層面，通過科教融合，可以使更多類型的師資力量走進課堂。如城市安全科教融合學院，在現(xiàn)有安徽理工大學師資力量的基礎上，增加清華大學合肥公共安全研究院的優(yōu)秀研究及產(chǎn)業(yè)人員作為師資，豐富了教學團隊的維度，通過教師團隊合作模式，充分發(fā)揮各自所長，更能實現(xiàn)科教融合協(xié)同育人的效果。在教師個人層面，科教融合增強了教師與科研以及產(chǎn)業(yè)前沿的聯(lián)系，更易把握科研及產(chǎn)業(yè)技術趨勢，有助于提升教師個人的硬實力[13]，在課程中真正做到將課程內(nèi)容與行業(yè)熱點、實際工程應用的前沿相結合，更好地對學生進行指導，培養(yǎng)復合型創(chuàng)新人才。

3.4 多維度開展課程考核

在科教融合協(xié)同育人的理念下，課程考核不僅僅是考查學生對課程重難點知識的掌握情況，還應該涵蓋對學生分析解決問題能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力的考核。以期末考試成績?yōu)橹鞯目己朔绞讲⒉荒荏w現(xiàn)學生能力培養(yǎng)的狀況，這就要求課程的考核要增加平時成績的分量，并且平時成績要與課程的教學方法及手段相對應。此時，平時成績的內(nèi)涵需要進一步豐富，不僅僅是學生課堂考勤、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)的評分，更應該包括項目式教學中小組及個人的綜合表現(xiàn)評分，以及實踐教學中學生的參與和互動評分等。通過調(diào)整科教融合環(huán)節(jié)學生能力分數(shù)的比重，形成能力與知識水平并重的考核理念，引導學生重視個人分析解決問題能力以及創(chuàng)新創(chuàng)造能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才奠定基礎。

4 結語

面向安全產(chǎn)業(yè)對高素質(zhì)創(chuàng)新技術人才的需求，本文基于“科教融合，協(xié)同育人”的理念，對安全科學與工程專業(yè)燃燒與爆炸理論課程的教學改革進行了探討，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)教學模式存在著教學內(nèi)容偏經(jīng)典理論、教學方法較為傳統(tǒng)、師資力量類型單一、考核機制對培養(yǎng)目標的支撐不足等問題。據(jù)此，有針對性地提出了科教融合豐富教學內(nèi)容、多種教學方法及教學手段相結合、科教融合增強師資力量、多維度開展課程考核的改革舉措。通過這些舉措進一步將科研、產(chǎn)業(yè)、教學資源緊密融合，引導學生自主學習，增強學生素質(zhì)，提升學生的創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新技術人才奠定了基礎。