苗飛超，汪 泉*，李丹丹

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 安徽 淮南 232001）

培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力是本科教育的主要任務(wù)之一[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，行業(yè)面對(duì)的新問題涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，必須對(duì)問題所涉及的工程原理進(jìn)行深入分析才能尋求解決方案。教育部為推動(dòng)高等教育高質(zhì)量發(fā)展，積極推進(jìn)高校工程教育專業(yè)認(rèn)證進(jìn)程。解決復(fù)雜工程問題在工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生培養(yǎng)環(huán)節(jié)處于核心地位。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[2]對(duì)畢業(yè)要求提出的12 項(xiàng)通用標(biāo)準(zhǔn)中，有8 項(xiàng)與解決復(fù)雜工程問題有直接關(guān)系。因此，開展以解決復(fù)雜工程問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式研究對(duì)滿足行業(yè)發(fā)展需求、推進(jìn)工程教育專業(yè)認(rèn)證具有重要意義。

為提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，相關(guān)學(xué)者開展了一系列的課程教學(xué)方法研究和改革工作。在課程教學(xué)過程中穿插具體教學(xué)案例是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的一個(gè)有效手段。石飛等[3]基于新疆地區(qū)干旱少雨的實(shí)際氣候特點(diǎn)，在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)引入節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？甸L(zhǎng)青等[4]在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程中以德州撲克游戲系統(tǒng)為例，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐了整個(gè)軟件開發(fā)流程。章永來和李華玲[5]以人臉識(shí)別為主線貫穿整個(gè)課程教學(xué)過程。教學(xué)案例的引入能夠加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與參與度。此外，通過引入基于課程內(nèi)容內(nèi)涵和外延的思政元素[6]、依托科研項(xiàng)目[7]和思維導(dǎo)圖[8]等教學(xué)方法的改進(jìn)措施也能對(duì)提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力起到重要的促進(jìn)作用。

1 課程教學(xué)中存在的問題

安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)是一個(gè)主要培養(yǎng)民用爆破器材與工程爆破技術(shù)人才的本科專業(yè)，在人才培養(yǎng)模式和課程教學(xué)方法等方面不斷進(jìn)行自我革新，建成彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)和省級(jí)地軍兩用人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新試驗(yàn)區(qū)。這些平臺(tái)的建設(shè)為專業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)提供了強(qiáng)有力的保障。本專業(yè)課程多涉及數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、力學(xué)和機(jī)械等學(xué)科交叉，所研究的問題具有復(fù)雜工程問題的主要特征。因此，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力對(duì)專業(yè)課程教學(xué)模式提出了新的挑戰(zhàn)。爆炸作用及效應(yīng)課程是彈藥工程與爆炸技術(shù)專業(yè)的核心課程，也是將專業(yè)基礎(chǔ)理論應(yīng)用于工程實(shí)踐的理論性和抽象性較強(qiáng)的課程。因此，研究本課程的教學(xué)模式對(duì)培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，提升學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要意義，對(duì)改進(jìn)其他課程的教學(xué)模式也具有指導(dǎo)作用。

1.1 課程知識(shí)體系復(fù)雜

爆炸作用及效應(yīng)主要研究彈藥毀傷原理和爆炸效應(yīng)，與本專業(yè)多個(gè)先修課程的相關(guān)知識(shí)聯(lián)系密切，需要炸藥爆炸理論、物理化學(xué)、彈藥學(xué)、彈塑性力學(xué)、量綱分析以及基礎(chǔ)數(shù)學(xué)（高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)）等課程的支撐。這些課程涉及數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、力學(xué)和機(jī)械等先修課程的基礎(chǔ)知識(shí)，而最終應(yīng)用于工程實(shí)踐的爆炸作用及效應(yīng)物理模型往往具有經(jīng)驗(yàn)性。雖然學(xué)生能夠較好地掌握先修課程的內(nèi)容，但是對(duì)爆炸作用及效應(yīng)與先修課程的關(guān)系理解不夠深刻，從整體上靈活應(yīng)用各課程的基礎(chǔ)理論系統(tǒng)解決復(fù)雜工程問題還有困難。因此，如何構(gòu)架先修課程的基礎(chǔ)理論與爆炸作用及效應(yīng)的物理模型之間的橋梁是構(gòu)建爆炸作用及效應(yīng)課程多層次立體知識(shí)體系的首要問題。

1.2 課程內(nèi)容抽象

彈藥是爆炸作用及效應(yīng)課程的主要研究對(duì)象，彈藥作用具有高溫、高壓和瞬態(tài)特性，過程的響應(yīng)時(shí)間為微秒量級(jí)甚至納秒量級(jí)，難以通過試驗(yàn)測(cè)量與觀測(cè)對(duì)爆炸與沖擊的動(dòng)力學(xué)過程產(chǎn)生直觀認(rèn)識(shí)。而且相關(guān)試驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，若采用常規(guī)試驗(yàn)手段，學(xué)生對(duì)彈藥作用過程難以充分了解。另外，一些彈藥試驗(yàn)對(duì)場(chǎng)地的要求也極為苛刻，例如戰(zhàn)斗部的破片殺傷作用評(píng)估必須在特定的靶場(chǎng)進(jìn)行，而國內(nèi)僅有少數(shù)單位擁有能夠開展彈藥實(shí)驗(yàn)的靶場(chǎng)。因此，爆炸作用及效應(yīng)課程側(cè)重于理論研究，課程內(nèi)容理論推導(dǎo)較多、抽象難理解。如何直觀地演繹課程理論描述的爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)過程，是課程教學(xué)改革的核心問題所在。

2 課程教學(xué)改革措施

2.1 構(gòu)建爆炸作用及效應(yīng)課程多層次立體知識(shí)體系

課程組基于解決劣構(gòu)問題的任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)理念，構(gòu)建了爆炸作用及效應(yīng)課程多層次立體知識(shí)體系（圖1）。以毀傷敵方裝甲和有生力量戰(zhàn)斗群的彈藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)（復(fù)雜工程問題）為主線整合課程內(nèi)容，設(shè)立彈藥設(shè)計(jì)和毀傷評(píng)估兩個(gè)子問題（大型問題）分別作為課程前三章和后三章的階段任務(wù)。課程前三章分別介紹了金屬射流、層裂效應(yīng)和破片殺傷作用，對(duì)應(yīng)于彈藥學(xué)的破甲彈、碎甲彈和殺爆彈的毀傷原理。炸藥作為彈藥毀傷目標(biāo)的動(dòng)力能源，是影響毀傷效應(yīng)的主要因素。采用炸藥爆炸理論和彈塑性力學(xué)的理論知識(shí)構(gòu)建三種彈藥毀傷能力評(píng)估的數(shù)學(xué)物理模型（小型問題），通過數(shù)值計(jì)算選用合適彈藥種類和確定相關(guān)參數(shù)解決彈藥設(shè)計(jì)這一子問題。

圖1 爆炸作用及效應(yīng)課程知識(shí)體系

圖2 理論教學(xué)-數(shù)值仿真-縮比試驗(yàn)關(guān)系示意圖

課程后三章分別介紹了空中爆炸、水中爆炸和巖土中爆炸三種爆炸動(dòng)力學(xué)過程。這三個(gè)過程可抽象為炸藥爆轟-沖擊波反射與透射-沖擊波傳播（小型問題），僅炸藥作用的介質(zhì)種類有所差別。炸藥爆轟可以采用炸藥爆炸理論中的Chapman-Jouguet 理論進(jìn)行描述；沖擊波在炸藥爆轟產(chǎn)物-作用介質(zhì)界面的反射與透射可以采用爆炸力學(xué)的阻抗匹配原理進(jìn)行求解，求解過程需要應(yīng)用到物理化學(xué)中熱力學(xué)的相關(guān)知識(shí)；補(bǔ)充量綱分析理論，描述沖擊波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，并給出超壓、比沖量和正壓作用時(shí)間的計(jì)算公式，評(píng)估沖擊波的毀傷效應(yīng)。兩個(gè)大型問題的求解過程頻繁應(yīng)用到高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)學(xué)工具。

2.2 建立理論預(yù)測(cè)-數(shù)值仿真-試驗(yàn)驗(yàn)證多元耦合教學(xué)方法

基于理論實(shí)踐相統(tǒng)一的原則，建立理論預(yù)測(cè)-數(shù)值仿真-試驗(yàn)驗(yàn)證多元耦合教學(xué)方法。課程組采用案例教學(xué)法，以基礎(chǔ)理論為核心建立數(shù)學(xué)物理模型，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，利用高速攝像等技術(shù)手段開展縮比試驗(yàn)，構(gòu)建理論-仿真-驗(yàn)證完整的邏輯閉環(huán)，客觀且直觀地演繹課程內(nèi)容。

理論教學(xué)是講授課程內(nèi)容的主要方式，為后續(xù)的仿真和試驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)，在整個(gè)課程教學(xué)過程中占有重要地位。課程組基于構(gòu)建的爆炸作用及效應(yīng)課程多層次立體知識(shí)體系，建立課程中數(shù)學(xué)物理模型與相關(guān)先修課程基礎(chǔ)理論知識(shí)的聯(lián)系，使學(xué)生深刻理解模型的數(shù)學(xué)物理本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)先修課程“學(xué)而習(xí)之”、對(duì)當(dāng)前課程“學(xué)而知之”的目標(biāo)。

有限元軟件可對(duì)爆炸與沖擊等瞬態(tài)過程進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析，能夠給出研究對(duì)象全過程的狀態(tài)變化規(guī)律。采用有限元軟件輔助理論教學(xué)，可建立理論模型研究對(duì)象的幾何模型，設(shè)定相應(yīng)的初始條件和邊界條件，開展爆炸與沖擊全過程數(shù)值仿真。動(dòng)態(tài)展示瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過程中研究對(duì)象力學(xué)和熱力學(xué)的變化規(guī)律，分析理論模型假設(shè)的合理性。提取數(shù)值仿真結(jié)果并與理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性。

縮比試驗(yàn)在保持物理本質(zhì)一致的前提下能夠減小試驗(yàn)尺寸，降低爆炸與沖擊試驗(yàn)的危險(xiǎn)性。基于定理和量綱一致性原理，分析試驗(yàn)的主要影響因素，對(duì)試驗(yàn)裝置和研究對(duì)象的相應(yīng)因素進(jìn)行等比例縮小，滿足在課堂開展演示試驗(yàn)的要求。利用高速攝像機(jī)和高靈敏度傳感器等技術(shù)手段記錄試驗(yàn)過程的主要特征，并與理論預(yù)測(cè)和數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S，提高學(xué)生綜合使用理論、仿真和試驗(yàn)多種手段解決復(fù)雜工程問題的能力。

3 結(jié)語

綜上所述，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力對(duì)高校的課程教學(xué)提出了更新、更高的要求。課程組以復(fù)雜工程問題為主線整合了課程內(nèi)容，構(gòu)建了爆炸作用及效應(yīng)課程的多層次立體知識(shí)體系，教學(xué)過程采用成長(zhǎng)式問題化教學(xué)模式，使學(xué)生能夠?qū)訉舆f進(jìn)解決小型問題-大型問題-復(fù)雜工程問題。而且在解決問題的過程中，學(xué)生能夠采用數(shù)值模擬的方法將爆炸作用及效應(yīng)課程中的理論模型其計(jì)算結(jié)果數(shù)字化、圖像化，結(jié)合高速攝像等測(cè)試技術(shù)手段，學(xué)生對(duì)彈藥作用過程有了客觀且直觀的認(rèn)識(shí)，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，問題的求解過程形成了理論-仿真-驗(yàn)證完整的邏輯閉環(huán)，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴悸?。爆炸作用及效?yīng)課程的教學(xué)改革培養(yǎng)了學(xué)生采用多學(xué)科內(nèi)容解決復(fù)雜工程問題的能力，在教學(xué)過程中取得了良好效果，為后續(xù)的教學(xué)改革提供了指導(dǎo)。