双一流背景下安全工程《燃烧学》实验与理论融合式教学探索与实践

李庆钊 朱建云

摘  要：结合作者多年从事《燃烧学》课程讲授的经历，详细介绍了中国矿业大学安全科学与工程《燃烧学》专业课理论与实验教学创新方面的探索与实践。通过对《燃烧学》理论知识点进行有效分类，并有针对性的设计综合性实验内容，在理论知识教学的同时讲述实验测试所设计的方法、仪器装置。在实验教学中回顾讲述的理论知识，使学生对所需的抽采的理论知识能够有更为深刻的理解和认识。通过具体测试内容使学生掌握实验设计、仪器操作、数据记录与处理、报告撰写等方面的科研技能，真正实现理论与实验教学的有效、有机、深度融合，激发学生探索新事物的兴趣、培养其创新思维模式、锻炼其动手实践能力。实践证明，理论与实验融合式教学通过合理设计创新实验课题，将理论知识讲授、测试方法学习、仪器装置操作融入整个教学的全过程，有效激发了学生在专业课程教学活动中的自主能动性，极大的提高了学生综合素质与科研能力的培养。

关键词：安全科学与工程;实验教学;理论教学;融合式教学方法

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：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

為实现“两个一百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴的中国梦，2015年8月18日中央全面深化改革领导小组会议审议通过《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》，对新时期高等教育重点建设做出了新部署[1]。高校应紧紧把握高等教育发展的历史机遇，加快人才培养的思想创新、理念创新、方法技术创新和模式创新，推动一流本科教育的创新建设。

然而，在高等专业课程教学中，理论与实验作为两个相互协调、相互促进的教学过程长期以来却难以统筹兼顾[2]。因此，如何将理论教学的问题导向与实验教学的方法导向相结合，真正的将理论分析与实验探索的创新思维模式融入到专业课程的教学工作中去[3，4]，在培养学生扎实理论基础的同时增强学生的创新探索思维模式与方法，是双一流学科专业课程教学工作值得探索与实践的一个工作重点。

一、安全工程《燃烧学》课程简介

（一）课程现状

《燃烧学》是安全工程与消防工程专业的学科基础必修课程，重点讲述可燃物（气态、液态、固态）及其燃爆反应特性，确定不同可燃物的着灭火反应机理、临界参数及灾害防治理论方法。其前期预修课程包括大学物理、大学化学、流体力学、热工学等。课程的教学目标是通过本课程的学习，使学生认识可燃物燃烧与爆炸所涉及的热化学、燃烧动力学等基本知识和基本理论，掌握燃烧和爆炸的预防和控制方法，具备运用所学的理论知识解决火灾和爆炸预防中遇到的问题的能力，达到所学专业对毕业生知识结构要求和解决防火防爆复杂工程问题能力要求的培养目标。

（二）存在的问题

目前，我国高校在专业课程的教学活动中普遍存在“重理论、轻实验、协调难”的现象，普遍存在理论教学与实验教学截然分开的现象，忽视二者的互动性和统一性，使得实验教学对学生能力的培养以及理论教学对实验教学的促进难以协调统一[5]。

在理论教学中，学生对理论课堂上讲述的可燃物燃爆的基本理论缺乏直观的认识，难以深入理解，易于失去学习的兴趣;而在实验教学中，对燃爆实验所涉及的各种实验设备不知从何入手，且由于理论与实验教学的不统一使得学生难以及时通过实验教学及时加强对理论知识的深入理解。

此外，传统专业课程的设计、理论教学与实验教学的时间安排也难以合理处理二者间的关系，难以将其有机地融合起来，真正实现将专业课程的教学活动成为理论教学和实验教学相互影响和相互促进的整体。

（三）《燃烧学》理论与实验融合式教学构思

为了更好实现理论教学与实验教学的有机协调与统一，首先将理论教学内容与实验教学内容进行有机融合，在理论教学中融合实验课题所涉及的理论、方法，在实验教学中进一步讲述实验所涉及的基本原理，使学生对所学的理论知识有直观的认识，明白其理论对实际的指导作用。同时也使得学生对实验背后所隐含的原理有更加清晰和深刻的了解，也对实验方法、实验设计、结果分析和报告撰写等基本实践能力的培养起到积极的作用。

二、《燃烧学》理论与实验教学内容体系

（一）理论与实验课程内容

我校安全工程、消防工程《燃烧学》课程的理论讲授内容主要包括“可燃物及其分析、燃烧的物理化学基础、可燃物着灭火理论、可燃物（气体、液体、固体）燃爆理论、燃爆防治理论与方法”等部分。与各部分相配套的实验教学内容包括“可燃物的物质组成分析、可燃气体燃爆实验、可燃固體着火实验、可燃液体闪点燃点实验及可燃物爆炸参数与着火极限测定”等（如图1所示）。两者在内容上、在体系上互为补充、互为支撑，有助于实现理论教学与实验教学的穿插或同时进行，为两者教学实现有效的有机融合提供了前提和契机。

（二）理论与实验教学过程设计

因此，如何以专业课的理论知识为基础，结合本学科研究的新进展设计适合于本科生的综合性创新实验课题是理论与实验融合式教学顺利开展的关键。创新性实验课题的设计需遵循“专业课程理论知识的有机融合、难易适中、具有可探索可创新”的原则，使学生在实验过程中具有较大的能够发挥自主能动性、创造性的空间，尽可能避免简单重复性的测试工作，可为学生提供在一定程度上对未知领域进行探索的可能性[6]。

因此，《燃烧学》教学中考虑课程的理论内容体系及与之相对应的实验教学内容，通过两者的协调设计，将理论教学与实验教学的方法有机融合，同时以部分初级科研课题为基础，将科学研究的方法引入到理论与实验教学中，在引导学生开展课题的同时实现相关理论知识、实验设计、报告撰写向学生的传授，也实现学生对相关仪器装置操作能力的培养。融合式理论与实验教学模式也有助于将教师科学研究、学科建设等所取得的新成果、新技术、新方法引入实验教学中，以保持理论与实验教学方法与手段的持续更新[7]。

（三）煤尘燃爆理论与实验教学设计与实施示例

理论与实验融合式教学的开展需要充分发挥教师的引导和启发作用，在理论知识和实验内容的匹配上、在实验课题的选取上需进行有针对性的设计。以煤尘结构与反应性理论与实验教学为例，如图2所示，在实验教学前，教师首先对该部分理论知识点进行分类，诸如制样方法、物质组成及其基准、结构表征方法、化学反应理论、燃爆及着火极限理论。与之相对照，设计相应的实验内容，包括样品制备、物质组成测试、反应动力测试、爆炸性测试。

理论与实验教学过程中首先讲授各理论知识点，在该示例中具体包括：

1. 样品制备及标准方法

煤样破碎所涉及破碎装置、煤样筛分所涉及的筛分装置、样品粒度及其分布特性（中位粒径D50、D90、D10）、等温吸附方法或压汞法及其用于孔隙结构测定（吸附理论、毛细凝结理论、吸附方程、孔径分布方程、比表面积及比孔容积等）。

2. 煤自燃理论及其测试方法

经典热自燃理论及其临界判据（谢苗诺夫热自燃理论、卡门茨基热自燃理论、链式反应的自由基理论），热自燃理论应用的实验设计及其验证，基于热重联用法的低温反应动力学测试及反应动力学参数确定方法。

3. 粉尘燃爆特性测试方法

粉尘燃爆火焰的传播理论、粉尘燃爆特性测试的国家标准（AQ 1045-2007）、粉尘云爆炸测试装置（20L球形爆炸装置），粉尘爆炸的临界参数（粉尘层着火温度、粉尘云着火温度、临界点火能量、粉尘爆炸浓度极限）。

在理论教学中，配合讲授理论与测试方法的同时简要介绍实验教学所用的仪器装置（如图3所示）。而在实验教学进行的过程中，可以结合仪器进一步对所讲知识点、仪器测试方法进行回顾，并进行具体内容测试，便于学生将所有知识点形成一个整体，便于对实验现象知其然且知其背后的机理。在整个教学过程强调教师的全程跟踪、学生的深度参与，记录实验过程中所有的数据、图像资料，并对其进行系统的分析整理（如图4所示）。教师需鼓励学生正确面对探索过程中所遇到的困难，并为其提供积极的建议以明确努力的方向，充分调动学生的积极性和主动性、激发学生的科研潜能[3，6]。