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高校土木专业爆破工程课程改革

发布时间:2017/7/25 15:33:08   阅读:

摘要:

为了提高《爆破工程》课程教学质量,增强学生对专业课学习的兴趣,达到土木工程专业人才培养的目标要求,依据高等院校土木类专业人才培养目标,调整了教学内容和教学目标。以其它学科为衔接,逐步讲解爆破方法在土木工程中的应用。应用现代教学技术,弥补了传统教学手段少的不足,拓展了学生的知识信息量,取得了良好的教学效果。

关键词:

土木类专业;爆破工程;课程改革

爆破法施工广泛应用于采矿工程与土木建设工程中,对国民经济建设起着重要作用[1]。工程爆破在露天和地下采矿工程中最为普遍,也是迄今为止最高效的技术手段。因此目前国内矿业工程类专业一般将爆破工程列为必修课程,爆破及相关的安全与技术也是采矿专业学生必须具备的专业技能。土木工程建设中,尤其在山岭隧道开挖、地下空间利用中,爆破均作为施工的重要手段之一。在实际施工作业中,爆破作业一般委托专业的爆破公司进行,而土木工程师更偏重于爆破工程的安全和质量管理。为此,土木类专业开设的爆破工程应在教学目标、教学思路、教学内容上有所调整。中国矿业大学(北京)从1999年恢复招收土木工程专业本科生,2005年为土木工程专业开设爆破工程课程,课程团队教师根据专业特点及实际需要,将爆破工程课程列为建筑工程专业及地下工程专业的选修课。根据专业特点编写讲稿,并在教学实践过程中不断总结与完善,经过十余年的探索,基本确定了土木工程专业爆破工程课程内容体系,并取得了较好的教学效果。

1结合专业特点,缩减教学内容,调整教学目标

爆破工程教学内容较多,而且涉及到岩石力学、工程地质以及爆炸力学、结构动力学、波动理论等与之交叉的学科。然而,在增加通识教育而压缩专业学时的本科生教育大背景下,爆破工程教学学时由50~60学时调整至目前的30~40学时。内容多、学时少的矛盾只能通过缩减教学内容来解决,缩减的内容必须结合专业特点进行。传统的爆破工程基本内容包括以下4大类:第一类为基础理论,包括较为复杂的炸药爆炸理论,岩石爆破破碎机理等。这部分内容占总内容的35%左右;第二类为爆破对象及介质属性,包括介质的可爆性分级、炸药雷管等爆破器材属性及特点、爆破网路等[2],此部分内容占比25%左右;第三类为爆破工程技术,为爆破技术的具体应用,包括地下爆破、露天爆破、拆除爆破等,此部分内容调整幅度大,占比30%~35%;第四类为爆破安全技术,此部分内容占比5%~10%左右。土木工程专业人才培养的目标是使从事本专业的学生成为一名合格的土木工程师。土木工程师从事的是工程设施的勘测、设计、施工、运营、保养维修等技术及相关经济活动,而爆破技术的应用在很多土建工程的设计和施工阶段都是不可或缺的。爆破法施工属于土木工程建造过程中一种重要的技术手段,如爆破开挖是公路铁路隧道、坚硬岩石基坑及孔桩开挖工程、公路路堑成型工程的必要手段。这些工程设施在建造阶段管理工作的重点在于如何在安全的前提下实现爆破方法的经济与高效。这要求土木工程师必须较深入了解爆破技术,掌握安全控制要点。而在一些工程的施工准备阶段可能会涉及爆破拆除,如房地产开发前期的场地平整。这些拆除工程在实施过程中因爆破振动带来的结构安全和扰民问题必须予以考虑。在设计阶段对爆破法施工工艺进行论证时,可不考虑具体技术细节,而着重考虑爆破手段的可行性及爆破安全问题,因此土工工程师必须对爆破安全技术有所了解。由于面临的爆破问题多样化,且课时有限,难以在课堂上面面俱到。应强化理论在工程中的应用,使学生掌握解决问题的方法和基本思路。只有这样,才能在实际工程实践沉着面对各式各样的爆破工程实际问题。据此,笔者认为,爆破工程第一类和第二类教学内容不减少,注重培养学生掌握基础理论及其运用。目前,国家提倡由专业的爆破公司进行爆破作业。此时土木工程师从事更多的是爆破施工的管理工作,而不进行爆破的设计与施工。与之相关的工作包括爆破专项施工方案的专家评审、爆后效果评价、验收与计量以及爆破安全的相关协调工作。因此应压缩传统爆破工程中爆破工程技术部分的学时,具体施工细节可少讲或不讲。针对行业发展特点及国家政策要求,在土木工程专业的爆破工程教学内容中增加第五类知识点—爆破行业知识,包含爆破方案设计、评估、监理的基本程序,严格的行政许可制度,火工品的追溯管理,系列的法律法规内容等。因此,维持第一、二、四类教学内容占比不变,将爆破工程技术内容的占比调整为20%左右,爆破行业知识内容占比在10%~15%左右。结合土木工程专业特点,将爆破工程课程的教学目标定为:学生能够了解爆破器材基本性能和适用条件,了解爆破行业特点及相关程序,掌握岩石爆破基本的理论及安全控制要点,具备进行一般爆破工程设计与施工的能力。

2加强学科间联系,根据学生已学知识,循序渐进

中国矿业大学(北京)土木工程专业培养计划中,将爆破工程安排在大三下学期。此时通识课程及专业基础课已经讲授完毕,包括爆破工程的前置课程如大学化学、流体力学、岩石力学、工程地质等。然而土木工程专业本科生普遍对动力学尤其是波动力学了解甚少。地下工程专业仅在大学物理和材料力学中涉及较少的动力学知识,建筑工程专业学生虽然学习过杆系结构动力学和建筑抗震,但仍不能满足教学要求。讲授爆破工程过程中应充分利用学生的已学知识,循序渐进。在讲授炸药的爆炸方程、炸药爆炸典型特征、炸药的热化学参数、爆破器材等知识点时,应充分利用大学化学已有知识,需要引导学生进行分析与推理,得到相关知识点;岩石爆破机理涉及较复杂的波动力学知识,如果从基本的动力学方程开始讲授,时间、效果都难以保证。直接从霍普金森效应入手,结合大学物理的波的理论,引入波动方程,与静力学及一般动力学进行对比,说明波动力学方程的物理含义及应用价值。土木工程专业普遍对杆件内力的观念掌握较好而对应力的认知较少,这是由于结构力学、钢筋混凝土结构、钢结构等课程普遍引用内力进行分析,而爆破工程中更多使用的是应力,这就需要教师增加应力与内力的联系,并用实例进行演示与说明。在讲授岩石可爆性分级时,可先引导学生回顾在地基工程课程中学的工程岩体分级标准。岩体分级是评价工程岩体的质量及其稳定性重要依据,为将来的岩体开挖、加固支护设计提供参考,而岩体的可爆性分级是为了衡量岩体的开挖难易程度。虽然工程岩体分级是为了“立”,可爆性分级是为了“破”,两者相互对立,而实际上又是统一的,都是工程建设的需要。除上述的例子以外,在讲课中可以随时联系各学科内容进行讲解,由此引导学生对知识点进行讨论。这种联系其他学科的教学方式既有利于培养学生的全面素质,也有利于形成创新能力。这种方法在实施过程中对教师的要求是极高的。首先,教师应熟悉各学科的教学内容和教学进度,才能使之与爆破工程课程内容既能相互渗透,又不超出学生的理解能力和知识范围;其次,教师需具备良好的知识迁移能力和创新能力,这样才能帮助学生掌握各学科与爆破工程的内在联系,并在知识的相互联系中发现问题。

3培养兴趣,提醒学生牢记学习目的,引导学生展开自学

学生刚开始接触爆破工程课程时,由于对爆炸物品充满好奇心,折服于爆破瞬间产生巨大的做功能力,因此在引言的讲授阶段被此门课程所吸引,上课时认真听讲,教学效果也会很好。但随着课程的开展,一些爆破基础理论知识显得枯燥乏味,初期建立起来的兴趣会慢慢消失,出现上课注意力不集中甚至开小差等现象。要想解决这个问题,除了丰富教学方法教学手段,课堂上吸引学生注意力外,笔者认为应考虑以下两个解决办法。一是让学生在课程的开始阶段就要找到学习它绝对充足的理由,并且在学习的过程中注意引导。使学生认识到爆破是未风化坚硬岩石(单轴抗压强度大于60MPa)开挖最高效、最廉价的手段,有时甚至是唯一的手段。然而炸药爆炸经常被人看做是洪水猛兽,是脱缰野马,稍有不慎就会产生重大的安全事故。因此要想对爆破进行控制,实现安全高效,必须认真学习爆破的相关理论。二是采用以学代教的方式。由于课时受限,部分技术问题难以全部在课堂上讲授时,可以采用以学生为主体的教学方式。这里说的以学代教并不是由学生走向讲台,讲授教学大纲中规定内容,而是指教师在课堂教学时,抛出问题,与学生一起讨论分析,由学生课下查找相关的文献完成,下次上课时随机叫学生解答,教师最终公布答案。让学生带着问题去自学,以学代教,培养学生的学习兴趣,也能使学生产生竞争意识,利于浓厚学习氛围的养成。

4因地制宜,积极运用现代化教学技术

爆破工程讲授过程中,除采用传统板书外,我们还积极应用现代教学技术,努力提高教学效果。每节课的讲课的脉络结构,重要知识点仍采用板书,这种视觉信息相对于听觉信息更有利于学生理解与接受,留下的印象也更为深刻。但板书在短时间记录的信息量相对较少,表现方法较为单一,而多媒体技术可将抽象内容变得更加直观,静态结果变为动态的演化,既增强了学生的感性认识、深化了理性认识,还激发了学生对课程的学习兴趣和学习热情,解决了学时少、内容多的矛盾,提高了教学效率,改善了教学效果。

4.1数值模拟技术的应用

炸药爆炸包含高温、高压、复杂的过程,在空气中爆炸动态过程涉及流体动力学,热物理学等知识,在岩石中爆炸还涉及岩石复杂的本构及流固耦合左右以及强度理论等。纯理论相对枯燥乏味,尤其是对于基础知识相对薄弱的工科学生来说,此部分内容是课程的难点。而此部分内容是爆破技术的理论基础,学生必须重点掌握。中国矿业大学(北京)[3]采用计算机模拟的方式解决这部分难题。数值模拟技术已经成功的应用在爆破工程中各个领域,包含炸药的爆轰、岩石爆破机理、拆除爆破等等。总结应用的案例,与传统的影像相比较,数值模拟技术在下面几个方面具有不可替代的作用[4]。数值模拟在某种意义上比理论和实验对问题的描述更为深刻,更为细致,不仅可以让学生了解问题的结果。而且可以随时、连续、动态地重复显示事物的发展,了解其整体与局部的细致过程。(1)数值模拟可以直观地显示出目前还不易观测到的、说不清楚的一些现象,容易为人理解和分析,还可以显示出任何实验都无法看到的发生在结构内部的一些物理现象。(2)数值模拟技术非常容易实现相关性分析,当前的数值模拟软件一般支持txt文本输入,使用者可以方便的进行修改。分析者对某个结果的相关因素进行分析时,可以对参数值进行变化,计算得到变化后的结果。(3)数值模拟软件可以非常方便的提取各种物理参量,更容易对发生的物理现象进行科学的解释,学生也更易掌握。(4)课程教学过程中的数值模型来源有两个:一为教师所在的科研团队建立;二为国内外学术交流过程中同行交流所得。(5)爆破工程教学中应用数值模拟技术将抽象问题直观化、可视化,并大大缩短了知识点的教学时长,增强了学生对爆破理论的认知。

4.2工程实例的展示

在讲授爆破工程技术章节,教师以板书的形式做一个典型的爆破设计,由于以揭示设计流程及爆破参数间的联系为主且受课时限制,因此工程规模偏小。而实际工程中,由于地质、环境、设备、安全等因素使得爆破设计相对复杂,为了使学生认识到爆破设计是一个系统工程,必须向学生展示实际工程的爆破设计。而由于涉及内容众多,难以采用板书形式,只能利用多媒体技术进行,通过爆破工程实例,向学生讲授爆破设计的相关内容,包括总体要求、基本思路、参数取值、网路形式、安全校核、试爆结果、参数调整等,以图片或视频展示爆破施工环节的总体情况、工序、操作要求、特殊情况处理、爆后的总结等。俗话说:“百闻不如一见”。通过选择典型案例作为教学资料,可以很好地启迪学生的思维,培养他们理解和分析问题的能力。由于教学中的案例来源于实践,对学生具有很强的说服力。此外,以课题组教师主持、参与的爆破工程项目和课题研究以及国内外典型爆破工程案例为基础,建立了适用于教学的“典型案例库”。这些案例无论是地质条件,还是环境因素,都具有很强的针对性和典型性,均有助于增强学生对课堂教学内容的理解和掌握。工程实例展示做到了理论与实践的结合,激发了学生的学习兴趣,教学效果明显。

5理论联系实际,加强实验教学

爆破工程是一门实践性较强的课程,通过实验环节,学生能够亲手接触到爆破器材,培养动手能力,利于学生理论知识的消化与掌握。中国矿业大学(北京)共安排了6个课时的实验教学,包括演示为主的岩石的SHPB冲击实验和以学生实际操为主的炸药(导爆索)爆速测量及导爆管网路实验。其中,SHPB冲击实验可以使学生更深入地了解岩石在高应变率下的动态性能,这是爆破工程技术人员应掌握的基本理论知识。爆速测量实验中教师可以直接以实物向学生展示,讲解工业炸药(乳化炸药)与军用炸药的(黑索金)、导爆索与导爆管的区别;实验时将受试炸药固定在木条上,学生可通过爆破硐的窗口直观感受爆破过程;瞬间的光照、巨大的响声、四处飞溅的木屑,直接体会到炸药强大的做功能力。利用导爆管网路实验模拟剪力墙或矿山多排毫秒延期爆破,演示非电雷管延时累加性以及四通方便快捷性;通过变换网路形式展现非电网络的灵活性;对比爆前爆后导爆管颜色讲述非电网络的安全性及易于检查的特点。整体上看,学生实验出勤率优秀,不存在缺勤现象,试验中参与程度非常高,基本做到了人人参与。为保证教学效果,教师要求学生在实验前编写实验报告的理论部分,过程中记录数据,实验完成后汇总实验报告,根据报告情况计入课程成绩。

6加强爆破安全教育

在建设工程和采矿工程等行业中,爆破技术得到广泛应用,带来了良好的经济效益和社会效益[5]。但各类爆破工程事故时有发生,给人民生命财产也造成了巨大的损失。工程爆破必须以安全为前提,而仅以工程要求为目的不安全的爆破是失败的爆破。为了保证爆破作业能安全地进行,要求土木工程必须掌握爆破安全技术。爆破安全涉及两方面内容:一为爆破器材的安全;二为爆破工程的安全。对于爆破工程师来讲,前者主要指爆破器材类型、数量准确,运输、存储、销毁安全,后者指爆破施工过程中的操作安全及爆破有害效应控制在既定范围之内。虽然爆破工程有单独的章节用来讲爆破安全,但笔者认为这远远不够。在教学过程中应当将安全教育贯穿所有的教学内容及教学环节里。突出案例教育以及个人的切身经历,向学生讲述相关的安全操作要点,尤其要揭示事故产生的原因,激发学生努力学好相关知识。

7结语

通过改革教学内容和教学方法,调整教学目标,促进了课程教学的系统化和规范化,增强了学生对本专业方向爆破工程应用技术的理解和掌握,使得该课程更适应土木类专业学生的实际需求。课程教学的实践表明,将爆破工程与相关学科穿插贯通,应用现代化教学技术,能很好地培养学生的全面素质,极大地促进了学生自主学习的积极性,有助于学生更深刻地理解爆破基础理论。结合课程特点与现代技术手段改革教学手段与方式,已取得良好的教学效果,较好地实现了该课程的教学目标。

参考文献

[1]冯叔瑜,郑哲敏.让工程爆破技术更好地服务社会、造福人类——我国工程爆破60年回顾与展望[J].中国工程科学,2014(11):5-13.

[2]张云鹏.“爆破工程”课程教学设计与能力培养[J].河北联合大学学报:社会科学版,2012(4):97-99.

[3]李胜林,陈寿峰.数值模拟技术在爆破工程教学中的应用[J].北京理工大学学报,2013,15(S1):133-135.

[4]王永强,郭学彬.基于计算机技术的爆破工程实验教学探索[J].实验技术与管理,2009,26(8):140-142.

[5]戴俊.爆破工程[M].北京:机械工业出版社,2007.

作者:李胜林 单位:中国矿业大学力学与建筑工程学院

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