新工科與“雙碳”背景下彈藥工程與爆炸技術專業教學的多課程聯動性授課策略

摘"要：新工科與“雙碳”背景下，針對彈藥工程與爆炸技術專業教學中面臨的學生學習課程數目較多、生師比大、教師承擔教學任務較重等現實問題，基于自身科研經歷，以“廢棄生物質基破巖型燃燒劑”為主線，綜合“工程倫理”“推進劑與煙火”“熱分析技術”“安全評價”四門專業課程之間的聯系，從理念、配方設計、理論性能計算等方面開展了多課程的聯動性教學過程設計，實際授課的教學效果良好。多課程的聯動性教學方式能夠提升學生學習的主動性，提升教師自身的教學能力，為提升專業的教學質量提供教學改革思路。

關鍵詞：聯動性教學；彈藥工程與爆炸技術；學習主動性；教學能力

Multicourse"Linkage"Teaching"Strategy"of"Ammunition"Engineering"and

Explosive"Technology"under"the"Background"of

New"Engineering"and"\"Double"Carbon\"

Xie"Qiang"Xie"Xinghua"Wang"Weiguo"Li"Rui"Liang"Hao"Yang"Zhenli

School"of"Chemical"Engineering"and"Blasting，Anhui"University"of"Science"and"Technology"AnhuiHuainan"232001

Abstract：Under"the"background"of"new"engineering"and"\"double"carbon\"，in"view"of"the"practical"problems"in"the"teaching"of"ammunition"engineering"and"explosive"technology，such"as"the"large"number"of"courses"for"students，the"large"ratio"of"students"to"teachers，and"the"heavy"teaching"tasks"for"teachers，the"mainnbsp;line"is"\"waste"biomass"based"rockbreaking"combustion"agent\""based"on"my"own"scientific"research"experience.Based"on"the"connection"among"the"four"professional"courses"of"Engineering"Ethics，Propellants"and"Pyrotechnics，Thermal"Analysis"Technology"and"Safety"Evaluation，a"multicourse"joint"teaching"process"design"was"carried"out"from"the"aspects"of"concept，formula"design"and"theoretical"performance"calculation，and"the"teaching"effect"was"good"in"practice.The"multicourse"connected"teaching"method"can"enhance"students'"learning"initiative，enhance"teachers'"teaching"ability，and"provide"teaching"reform"ideas"for"improving"professional"teaching"quality.

Keywords：Connected"teaching；Ammunition"Engineering"and"Explosive"Technology；Learning"initiative；Teaching"ability

1"概述

彈藥工程與爆炸技術［12］專業主要是化學與力學的交叉性學科專業，涉及的課程兼具化學、力學等方面的知識，由此導致本專業的學生學習課程數目較多、教師承擔教學任務較重等問題。此外，隨著我國的高等教育逐漸普及，辦學規模擴大，高校教師人數也隨之增加，但增加幅度較小，從而導致生師比的升高。《中國統計年鑒2023》［3］數據顯示，截至2022年年底，高等教育的生師比達到了18.32∶1。以安徽理工大學彈藥工程與爆炸技術專業為例，截至2024年3月，專業生師比達到了18.3∶1。結合本專業的課程體系設置，可以得知，每位承擔專業課的教師每學年均要承擔4門以上的課程授課任務。邢春冰［4］在研究中指出，若生師比增加70%，則可導致學生的努力程度下降10%，教師的努力程度上升31%。

隨著高等教育理念的快速發展，越來越多的學者逐漸認識到上述問題，結合實際的辦學情況與教學經驗開展了多課程融合的專業教育教學研究［57］。如岳剛等人［8］進行了多課程融合的工業機器人專業實踐教學探索，闡述了多課程聯動教學的思路與實施過程，教學效果良好，能夠在強化課程應用性的同時，引導學生建立整體的課程觀，加強了專業課程的整體性，避免了某些知識點的重復講解。

綜上所述，針對彈藥工程與爆炸技術專業教學中面臨的學生學習課程數目較多、生師比大、教師承擔教學任務較重等現實問題，基于多課程聯動性教學的方式，擬以“工程倫理”“推進劑與煙火”“安全評價”“熱分析技術”四門課程為例開展聯動性授課設計研究。

2"聯動性授課設計

基于筆者的科研經歷，以“廢棄生物質基破巖型燃燒劑”研究成果為依托，將成果提出的思路與理念、配方設計等過程及涉及四門課程的理論知識進行講解，開展四門課程的聯動性教學。授課設計思路與過程如圖1所示，具體設計內容如下：

2.1"研究成果提出的思路與理念

爆破技術已廣泛應用于各種工業領域，如巖體破碎、民用建筑拆除等。但隨著國內外現有傳統爆破技術的發展，逐漸暴露一些問題，如環境安全問題、能量利用問題、環保問題、生產運輸安全問題等。此外，生物質能是僅次于煤炭、石油、天然氣之后第四大能源。若不加以利用，不僅造成資源浪費，還會帶來環境污染問題。

結合“工程倫理”的相關知識可以得知，在改造自然的同時，也要順應自然，減少對自然的不可逆性的破壞，使人類和自然更和諧統一，因此，爆破技術的發展也應遵循自然發展的規律。由此，開展了“廢棄生物質基破巖型燃燒劑”的相關研究，既是拓展非炸藥爆破領域與生物質資源化利用領域的應用途徑，也對資源可持續性破巖型燃燒劑的發展具有重要意義，同時更加符合我國目前提出的“雙碳”戰略與“綠水青山就是金山銀山”的綠色環保發展理念。這里的“綠色設計理念”是在設計階段就將環境因素和預防污染的措施納入產品設計理念之中，把環境性能作為產品設計的目標和出發點，力求使產品對環境的不良影響降低到最小的程度。

2.2"配方設計

氧化劑是在氧化還原反應中具有氧化性的物質，即獲得電子的性質，選取硝酸鉀作為氧化劑。可燃劑是在氧化還原反應中具有還原性的物質，即失去電子的性質，選取鋁粉作為可燃劑。

廢棄生物質在實驗中充當添加劑，取代部分可燃劑，主要選取花生殼、小麥秸稈作為添加劑。其中，花生殼的熱值為21417kJ/kg，小麥秸稈的熱值為18532kJ/kg。

對各組分的氧平衡進行計算。硝酸鉀的氧平衡為+0.396g·g-1，鋁粉的氧平衡為-0.890g·g-1，花生殼粉的化學組成比較復雜，C含量為47.88%，H含量為6.12%，N含量為0.32%，S含量為0.46%，O含量為43.2%，其氧平衡為-0.732g·g-1（C→CO2）、-1.398g·g-1（C→CO）。通過多種物質混合物的氧平衡公式進行計算，獲得燃燒劑在零氧平衡時各組分的質量分數。結果表明，當硝酸鉀為70%、鋁粉為30%時，燃燒劑體系就接近了零氧平衡。在此基礎上用不同生物質粉末取代部分鋁粉用作還原劑，制成廢棄生物質破巖燃燒劑。

上述配方設計過程中，體現了“推進劑與煙火”課程中煙火劑的成分與功能、煙火藥的二元配方計算等知識點。

2.3"理論性能計算

理論氣體產氣量是煙火藥劑理論性能計算中常用的參數之一，也是破巖燃燒劑非常重要的一個參數。基于此，結合煙火藥劑的燃燒化學反應方程式，通過聯立方程組求解，花生殼破巖燃燒劑理論產氣量為223.60cm3·g-1；破巖燃燒劑理論產氣量為84.74cm3·g-1。結果表明，用花生殼粉末替代破巖燃燒劑中9%的鋁粉，會使得氣體產物的理論體積增加2.64倍，說明在破巖燃燒劑中加入花生殼粉末有利于提高破巖效果，用花生殼粉末取代部分鋁粉是可行的。上述理論性能計算中，體現了“推進劑與煙火”課程中燃燒化學反應方程式的構建與理論產氣量計算等知識點。

2.4"制作過程

其制作過程為：將氧化劑粉末、廢棄生物質粉末與可燃金屬粉末混合，再將所得產物與黏合劑、溶劑混合，倒入模具中模壓成型，獲得非爆炸式破碎劑，見圖2。此過程體現了“推進劑與煙火”課程中煙火藥劑制備工藝的知識點。

2.5"熱分析測試

在對廢棄生物質基破巖型燃燒劑進行熱分析測試的過程中，采用了TGDTA聯用技術與TGFTIR的聯用技術，實驗結果表明：（1）花生殼粉末的加入使其第二失重階段起始溫度后移，使廢棄生物質基破巖型燃燒劑感度降低；（2）花生殼破巖燃燒劑在熱解過程中生產了氨氣、氮氧化物（NOx）、氧化碳（CO2或CO）、炔烴和水蒸氣等氣體產物；（3）其熱分解過程包括三個階段：先是花生殼熱解，然后是硝酸鉀與鋁粉、花生殼反應，最后是硝酸鉀與花生殼熱解產生的焦炭反應。

由以上可以看出，TGDTA聯用技術的優點在于：（1）能方便區分物理變化與化學變化；（2）便于比較、對照、相互補充；（3）可以用一個試樣、一次實驗同時得到TG與DTA數據，節省時間。TGFTIR聯用技術的優點在于：可利用FTIR法提供的特征吸收譜帶初步判定幾種基團的種類，再依據TG曲線與反應物組分推斷出揮發性氣體成分，以獲得較為準確的熱分解反應歷程。此過程體現了“熱分析技術”課程中熱重分析、差熱分析、熱重—紅外聯用技術等知識點。

2.6"熱安全性能評估

熱失控臨界溫度是對危險物質材料進行熱安全性能評估的一個非常重要參數。通過常用的基于反應活化能的計算公式計算可以得知，花生殼破巖燃燒劑的臨界環境溫度是609.35℃，熱失控臨界溫度是676.75℃。不含生物質的破巖燃燒劑的臨界環境溫度是607.19℃，熱失控臨界溫度是659.41℃。結果表明，兩個參數均是由于花生殼破巖燃燒劑較高，花生殼的加入提升了破巖燃燒劑的熱穩定性。

上述熱安全性能評估過程體現了“安全評價”課程中熱安全性能參數定義與求解的知識點。

3"聯動性授課效果

依據聯動性授課設計方案，制定了用于“工程倫理”“推進劑與煙火”“熱分析技術”“安全評價”課程的聯動性授課教案，經過一屆學生（共計80余人）的實際授課后，授課過程中學生的上課積極性明顯提升，學習效果良好。據學生反饋的意見得知，與化工與爆破學院其他專業的學生相比，本專業學生學習專業課的任務較為繁重，經實際的聯動性授課后，避免了四門課程知識點的重復學習，減輕了自身的學習任務，增強了課程之間的聯系，學習興趣濃厚，學習主動性得到了進一步提升。對教師而言，減輕了自身的授課任務，能夠以一條主線貫穿整個授課過程，對專業課程的整體性把握能力得到進一步提升。

結語

以彈藥工程與爆炸技術的“工程倫理”“推進劑與煙火”“熱分析技術”“安全評價”四門專業課程為例，基于筆者的科研經歷，以“廢棄生物質基破巖型燃燒劑”研究成果為依托，從成果提出的思路與理念、配方設計等過程及涉及四門課程的理論知識開展了多課程的聯動性教學過程設計，教學效果良好。多課程的聯動性教學方式，能夠減輕學生的學習任務與提升學生學習的主動性，能夠減輕教師的授課任務與提升自身的教學能力，在新工科與“雙碳”背景下，為提升彈藥工程與爆炸技術專業的教學質量提供教學改革思路，對解決彈藥工程與爆炸技術專業教學中面臨的學生學習課程數目較多、生師比大、教師承擔教學任務較重等現實問題具有一定的積極性作用。

參考文獻：

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［8］岳剛，黃賢振，程貝貝.多課程融合的工業機器人專業實踐教學探索［J］.天津職業院校聯合學報，2021，23（10）：3438.

基金資助：安徽理工大學高層次引進人才科研啟動基金（項目號：2021yjrc08）；安徽省高等學校科學研究重點項目基金（項目號：2022AH050842）；安徽理工大學“青苗”工程

作者簡介：謝強（1991—"），男，漢族，安徽淮南人，博士，講師，研究方向：高等教育教學。