雙一流背景下安全工程《燃燒學》實驗與理論融合式教學探索與實踐

李慶釗 朱建云

摘? 要：結合作者多年從事《燃燒學》課程講授的經歷，詳細介紹了中國礦業大學安全科學與工程《燃燒學》專業課理論與實驗教學創新方面的探索與實踐。通過對《燃燒學》理論知識點進行有效分類，并有針對性的設計綜合性實驗內容，在理論知識教學的同時講述實驗測試所設計的方法、儀器裝置。在實驗教學中回顧講述的理論知識，使學生對所需的抽采的理論知識能夠有更為深刻的理解和認識。通過具體測試內容使學生掌握實驗設計、儀器操作、數據記錄與處理、報告撰寫等方面的科研技能，真正實現理論與實驗教學的有效、有機、深度融合，激發學生探索新事物的興趣、培養其創新思維模式、鍛煉其動手實踐能力。實踐證明，理論與實驗融合式教學通過合理設計創新實驗課題，將理論知識講授、測試方法學習、儀器裝置操作融入整個教學的全過程，有效激發了學生在專業課程教學活動中的自主能動性，極大的提高了學生綜合素質與科研能力的培養。

關鍵詞：安全科學與工程;實驗教學;理論教學;融合式教學方法

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：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“兩個一百年”奮斗目標和中華民族偉大復興的中國夢，2015年8月18日中央全面深化改革領導小組會議審議通過《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》，對新時期高等教育重點建設做出了新部署[1]。高校應緊緊把握高等教育發展的歷史機遇，加快人才培養的思想創新、理念創新、方法技術創新和模式創新，推動一流本科教育的創新建設。

然而，在高等專業課程教學中，理論與實驗作為兩個相互協調、相互促進的教學過程長期以來卻難以統籌兼顧[2]。因此，如何將理論教學的問題導向與實驗教學的方法導向相結合，真正的將理論分析與實驗探索的創新思維模式融入到專業課程的教學工作中去[3，4]，在培養學生扎實理論基礎的同時增強學生的創新探索思維模式與方法，是雙一流學科專業課程教學工作值得探索與實踐的一個工作重點。

一、安全工程《燃燒學》課程簡介

（一）課程現狀

《燃燒學》是安全工程與消防工程專業的學科基礎必修課程，重點講述可燃物（氣態、液態、固態）及其燃爆反應特性，確定不同可燃物的著滅火反應機理、臨界參數及災害防治理論方法。其前期預修課程包括大學物理、大學化學、流體力學、熱工學等。課程的教學目標是通過本課程的學習，使學生認識可燃物燃燒與爆炸所涉及的熱化學、燃燒動力學等基本知識和基本理論，掌握燃燒和爆炸的預防和控制方法，具備運用所學的理論知識解決火災和爆炸預防中遇到的問題的能力，達到所學專業對畢業生知識結構要求和解決防火防爆復雜工程問題能力要求的培養目標。

（二）存在的問題

目前，我國高校在專業課程的教學活動中普遍存在“重理論、輕實驗、協調難”的現象，普遍存在理論教學與實驗教學截然分開的現象，忽視二者的互動性和統一性，使得實驗教學對學生能力的培養以及理論教學對實驗教學的促進難以協調統一[5]。

在理論教學中，學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識，難以深入理解，易于失去學習的興趣;而在實驗教學中，對燃爆實驗所涉及的各種實驗設備不知從何入手，且由于理論與實驗教學的不統一使得學生難以及時通過實驗教學及時加強對理論知識的深入理解。

此外，傳統專業課程的設計、理論教學與實驗教學的時間安排也難以合理處理二者間的關系，難以將其有機地融合起來，真正實現將專業課程的教學活動成為理論教學和實驗教學相互影響和相互促進的整體。

（三）《燃燒學》理論與實驗融合式教學構思

為了更好實現理論教學與實驗教學的有機協調與統一，首先將理論教學內容與實驗教學內容進行有機融合，在理論教學中融合實驗課題所涉及的理論、方法，在實驗教學中進一步講述實驗所涉及的基本原理，使學生對所學的理論知識有直觀的認識，明白其理論對實際的指導作用。同時也使得學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、實驗設計、結果分析和報告撰寫等基本實踐能力的培養起到積極的作用。

二、《燃燒學》理論與實驗教學內容體系

（一）理論與實驗課程內容

我校安全工程、消防工程《燃燒學》課程的理論講授內容主要包括“可燃物及其分析、燃燒的物理化學基礎、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內容包括“可燃物的物質組成分析、可燃氣體燃爆實驗、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與著火極限測定”等（如圖1所示）。兩者在內容上、在體系上互為補充、互為支撐，有助于實現理論教學與實驗教學的穿插或同時進行，為兩者教學實現有效的有機融合提供了前提和契機。

（二）理論與實驗教學過程設計

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

因此，《燃燒學》教學中考慮課程的理論內容體系及與之相對應的實驗教學內容，通過兩者的協調設計，將理論教學與實驗教學的方法有機融合，同時以部分初級科研課題為基礎，將科學研究的方法引入到理論與實驗教學中，在引導學生開展課題的同時實現相關理論知識、實驗設計、報告撰寫向學生的傳授，也實現學生對相關儀器裝置操作能力的培養。融合式理論與實驗教學模式也有助于將教師科學研究、學科建設等所取得的新成果、新技術、新方法引入實驗教學中，以保持理論與實驗教學方法與手段的持續更新[7]。

（三）煤塵燃爆理論與實驗教學設計與實施示例

理論與實驗融合式教學的開展需要充分發揮教師的引導和啟發作用，在理論知識和實驗內容的匹配上、在實驗課題的選取上需進行有針對性的設計。以煤塵結構與反應性理論與實驗教學為例，如圖2所示，在實驗教學前，教師首先對該部分理論知識點進行分類，諸如制樣方法、物質組成及其基準、結構表征方法、化學反應理論、燃爆及著火極限理論。與之相對照，設計相應的實驗內容，包括樣品制備、物質組成測試、反應動力測試、爆炸性測試。

理論與實驗教學過程中首先講授各理論知識點，在該示例中具體包括：

1. 樣品制備及標準方法

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構測定（吸附理論、毛細凝結理論、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

經典熱自燃理論及其臨界判據（謝苗諾夫熱自燃理論、卡門茨基熱自燃理論、鏈式反應的自由基理論），熱自燃理論應用的實驗設計及其驗證，基于熱重聯用法的低溫反應動力學測試及反應動力學參數確定方法。

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準（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（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）。

在理論教學中，配合講授理論與測試方法的同時簡要介紹實驗教學所用的儀器裝置（如圖3所示）。而在實驗教學進行的過程中，可以結合儀器進一步對所講知識點、儀器測試方法進行回顧，并進行具體內容測試，便于學生將所有知識點形成一個整體，便于對實驗現象知其然且知其背后的機理。在整個教學過程強調教師的全程跟蹤、學生的深度參與，記錄實驗過程中所有的數據、圖像資料，并對其進行系統的分析整理（如圖4所示）。教師需鼓勵學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，充分調動學生的積極性和主動性、激發學生的科研潛能[3，6]。