自制設(shè)備對(duì)培養(yǎng)特種專業(yè)研究生科研能力的分析與探究
——以爆破理論與技術(shù)專業(yè)為例

程揚(yáng)帆, 王文濤, 汪 泉, 龔 悅, 韓體飛

(1.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001;2.安徽省爆破器材與技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室, 安徽 淮南 232001)

特種專業(yè)是隨著國家建設(shè)持續(xù)發(fā)展，基礎(chǔ)工業(yè)和技術(shù)服務(wù)改造方面不斷深入，產(chǎn)生的一批涵蓋交通、采礦、建筑、化工、能源等多領(lǐng)域的特殊專業(yè)。隨著社會(huì)需求的轉(zhuǎn)型和高等教育的改革，對(duì)特種專業(yè)研究生的培養(yǎng)逐漸從技術(shù)應(yīng)用型轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新發(fā)展型。而轉(zhuǎn)變的核心就是提高研究生的科學(xué)研究水平，以爆破理論與技術(shù)專業(yè)為例，其專業(yè)內(nèi)容包括工程、化學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科，在研究生的培養(yǎng)過程中，通常因?yàn)閷W(xué)科交叉的復(fù)雜性，和自身專業(yè)的特殊性，國內(nèi)外高校以及研究機(jī)構(gòu)缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器，用來滿足復(fù)雜條件的實(shí)驗(yàn)需求。因此，鼓勵(lì)并支持研究生自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備以解決現(xiàn)有條件的不足，既能夠讓學(xué)生將專業(yè)技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，又可以增強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和科研能力。

1 自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備在科研工作中的必要性

科研工作從某種角度來說就是一種創(chuàng)新和發(fā)現(xiàn)，具有一定的前沿性和新穎性。在實(shí)驗(yàn)中往往會(huì)設(shè)計(jì)一些新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來對(duì)問題進(jìn)行研究，而實(shí)驗(yàn)室中集成式的測(cè)試儀器往往是建立在已有的認(rèn)知體系，對(duì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的作用并不明顯。市面上部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備滯后于科技發(fā)展的需要，而且價(jià)格昂貴，對(duì)于探索新的發(fā)現(xiàn)起到的作用并不顯著。縱觀國內(nèi)外的高校，使用自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備開展科研實(shí)驗(yàn)的例子很多，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)推動(dòng)科技發(fā)展的進(jìn)程也發(fā)揮著巨大的作用。另外，隨著國家研究生招生規(guī)模的擴(kuò)大，分?jǐn)偟矫恳粋€(gè)導(dǎo)師的研究生名額也逐漸增多，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)儀器的需求也格外急切。然而，大部分實(shí)驗(yàn)儀器還將面臨老化、零件更換以及人工維修等后續(xù)問題。綜合多方面考慮，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠最大程度的滿足實(shí)驗(yàn)效果，減少科研成本，加深實(shí)驗(yàn)者對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的認(rèn)知程度，實(shí)現(xiàn)科研經(jīng)費(fèi)的充分利用。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與研制成為科研工作者一項(xiàng)不可或缺的能力，而廣大研究生則是扮演著研制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主力軍。

2 爆破理論與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的特殊性

爆破理論與技術(shù)專業(yè)研究的內(nèi)容主要有爆破器材的優(yōu)化、炸藥性能的提高和氣固兩相爆轟理論等。涉及的實(shí)驗(yàn)多數(shù)伴有快速的化學(xué)反應(yīng)，瞬時(shí)釋放大量熱量和能量，并且形成高壓氣體甚至沖擊波，因此該專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗程度相較于其他專業(yè)更加明顯。

此外，由于專業(yè)可能涉危涉密，因此服務(wù)于該專業(yè)實(shí)驗(yàn)儀器的生產(chǎn)制造廠家較為有限；同時(shí)，相較于尖端爆炸領(lǐng)域的軍事科研單位，普通高校在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能和資金方面存在巨大的差距。這也間接造成了對(duì)該類專業(yè)研究生科研能力培養(yǎng)的難度增大。

3 自制實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)研究生科研能力培養(yǎng)的重要作用

1)科研能力培養(yǎng)的重要性。研究生教育擔(dān)負(fù)著為國家和社會(huì)培養(yǎng)具有高層次高素質(zhì)人才的任務(wù)。根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃和綱要(2010-2020年)》提出的目標(biāo)，預(yù)計(jì)2020年全國的在校研究生人數(shù)將達(dá)到200萬[1]。隨著研究生招生規(guī)模的擴(kuò)大，研究生培養(yǎng)存在的問題也不斷的凸顯：培養(yǎng)方案與現(xiàn)實(shí)需求的偏差，培養(yǎng)目標(biāo)制定的不明確，綜合素質(zhì)的不達(dá)標(biāo)。當(dāng)下研究生的培養(yǎng)模式出現(xiàn)的問題歸結(jié)為一點(diǎn)就是缺乏對(duì)科研能力的培養(yǎng)，而對(duì)于特種專業(yè)研究生該問題顯得尤為突出。科研能力是衡量研究生學(xué)業(yè)水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)，涵蓋了學(xué)習(xí)能力、發(fā)現(xiàn)問題的能力、創(chuàng)新思維的能力、實(shí)踐操作與解決問題的能力等多個(gè)方面，缺乏這種能力對(duì)研究生的升學(xué)和就業(yè)都會(huì)造成了巨大的阻礙，通過自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的手段對(duì)該能力的提升有著顯著的作用。

2)開設(shè)綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。目前市面上生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)儀器大都是具有很多的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，操作方式便捷，學(xué)生只要通過幾次訓(xùn)練便能熟練的掌握操作流程[2]。以粉塵爆炸測(cè)試儀器20 L球形爆炸容器為例，儀器的主要功能是測(cè)試粉塵爆炸的壓力以及壓力上升速率，但對(duì)于一些設(shè)計(jì)性、綜合性的實(shí)驗(yàn)，該儀器所能發(fā)揮的功效十分有限。長此以往，不僅扼殺了學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，還會(huì)給學(xué)生帶來強(qiáng)烈的依賴心理，過分夸大實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)科學(xué)研究的決定性影響，喪失動(dòng)手和思考能力。自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅能夠?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備的功能進(jìn)行補(bǔ)充和改進(jìn)，還能讓學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)和儀器整體結(jié)構(gòu)有更加深入的了解。從整體性出發(fā)，有助于學(xué)生更好地開展具有設(shè)計(jì)性和綜合性的實(shí)驗(yàn)。

3)提高交叉學(xué)科研究水平。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，國家和企業(yè)對(duì)于人才的需求量也越來越大，這也給高等院校在培養(yǎng)人才方面帶來了巨大考驗(yàn)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，專業(yè)技能扎實(shí)且具備相關(guān)交叉學(xué)科知識(shí)的復(fù)合型人才，往往更容易受到企業(yè)的青睞。因此，在培養(yǎng)研究生的問題上，適當(dāng)提高交叉學(xué)科的教育研究更有助于學(xué)生的就業(yè)與發(fā)展。

在進(jìn)行一些交叉學(xué)科的實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于有明確的教學(xué)科研目的[3]，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的設(shè)想來進(jìn)行設(shè)計(jì)自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，擺脫現(xiàn)有條件的約束。與自制實(shí)驗(yàn)儀器相比，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室儀器功能比較固定，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以不受這個(gè)限制，操作更加靈活，能夠緊密的貼合科研與教學(xué)的要求。再者，設(shè)計(jì)設(shè)備的本身就一個(gè)多學(xué)科相互融合的過程，學(xué)生需要從各個(gè)學(xué)科的角度去思考儀器的運(yùn)行、安全防護(hù)、和后續(xù)保養(yǎng)等問題。

4)提高研究生的綜合能力。自制儀器設(shè)備不僅可以滿足科技發(fā)展對(duì)實(shí)驗(yàn)深度和范圍變化的需要，還能適應(yīng)創(chuàng)新型國家對(duì)人才的培養(yǎng)要求[4]。通過讓研究生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與加工，有助于增強(qiáng)其綜合能力，提高其核心競(jìng)爭(zhēng)力[5]。研究生參與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)能力的提高主要有以下幾個(gè)方面：

第一，提升學(xué)生的調(diào)研能力，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要大量充分的前期調(diào)研工作，如傳統(tǒng)儀器的工作原理與不足、自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的創(chuàng)新點(diǎn)、自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的可行性等，在這個(gè)過程中學(xué)生的調(diào)研能力會(huì)得到培養(yǎng)，看待問題的角度也會(huì)更加全面。

第二，提升學(xué)生的業(yè)務(wù)能力，在自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)研制調(diào)試等環(huán)節(jié)，一定會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，學(xué)生需要調(diào)用自己的知識(shí)儲(chǔ)備去解決問題，有助于提高自身的專業(yè)水平、拓展知識(shí)的深度與廣度。

第三，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制工作，往往需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行統(tǒng)籌和分配。因此，每個(gè)學(xué)生要清楚自身的定位，發(fā)揮自己的特長把單項(xiàng)任務(wù)做好的同時(shí)還要兼顧團(tuán)隊(duì)讓效益最大化。

第四，增強(qiáng)管理與溝通能力，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備從圖紙走向?qū)嶋H還要經(jīng)歷一番過程。例如材料零件的購買、設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)的把控、以及和加工廠商協(xié)調(diào)溝通等環(huán)節(jié)，通過對(duì)這些問題的處理，培養(yǎng)了學(xué)生良好的管理與溝通能力，為以后解決更加復(fù)雜的工程實(shí)際問題奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也增加了科研工作中的成就感[6]。

第五，面對(duì)挫折的能力，挫折是每個(gè)科研工作者科研道路上必須經(jīng)歷的苦澀。自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備不是一帆風(fēng)順，極有可能會(huì)面臨諸多困難。因此，在研究生培養(yǎng)階段，通過讓學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以培養(yǎng)學(xué)生直面挫折的能力，對(duì)其今后的科研和生活大有裨益。

4 自制粉塵爆炸測(cè)試設(shè)備的實(shí)證研究

1)自制粉塵爆炸測(cè)試設(shè)備的原因。隨著工業(yè)化的進(jìn)程，越來越多的粉體物質(zhì)出現(xiàn)在各類生產(chǎn)活動(dòng)，其中一些粉塵具有一定的可燃性，可能造成起火，爆炸等危害。根據(jù)有關(guān)資料顯示[7]，平均每年我國發(fā)生粉塵爆炸事故9～10起，給國家和人民造成巨大的損失，因此國內(nèi)外的專家學(xué)者致力于研究粉塵爆炸的機(jī)理以及預(yù)防措施。

現(xiàn)有的粉塵爆炸測(cè)試裝置主要有哈特曼管(1.2 L)、20 L球形爆炸罐和1 m3爆炸容器[8]。這些實(shí)驗(yàn)裝置的共同點(diǎn)就是受限密閉空間無可見通道或可見通道過小，這對(duì)觀察研究粉塵燃燒的火焰結(jié)構(gòu)和火焰失穩(wěn)機(jī)理帶來了不便，基于上述原因爆破理論與技術(shù)專業(yè)研究生自制了可視化等壓條件下測(cè)量粉塵燃爆特性的裝置。該裝置能夠在等壓條件下研究粉塵的燃爆特性，首先能真實(shí)的模擬粉塵爆炸時(shí)的場(chǎng)景；其次，采用乳膠氣球取代鋼體爆炸罐，達(dá)到可視化的目的，能夠捕捉大尺度粉塵燃燒的動(dòng)態(tài)圖像。

2)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與操作方法。

圖1 自制設(shè)備示意圖

該裝置主要包括配氣系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、裝置支架、儲(chǔ)粉罐、進(jìn)氣導(dǎo)管、噴頭、乳膠氣球支架、點(diǎn)火器組合系統(tǒng)、乳膠氣球和球形罩。配氣系統(tǒng)包括空氣、可燃性氣體或惰性氣體中的一種或多種組合氣體；智能控制系統(tǒng)包括可編程控制單元和遠(yuǎn)程控制單元，并通過編程控制通氣元件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣、噴粉和點(diǎn)火的控制；儲(chǔ)粉罐的內(nèi)部設(shè)有高壓氣體進(jìn)入孔，上部連接有粉塵分散噴射孔；噴頭中間空心并接入配氣導(dǎo)管、粉塵噴射導(dǎo)管、點(diǎn)火器和相應(yīng)傳感器。本實(shí)驗(yàn)裝置操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)方法易行，實(shí)驗(yàn)效果良好，可以通過乳膠氣球?qū)Ψ蹓m的燃爆現(xiàn)象進(jìn)行觀察，消除了壁面效應(yīng)的影響。

以測(cè)試鋁粉的燃燒特性的實(shí)驗(yàn)來簡(jiǎn)述該裝置的使用步驟：實(shí)驗(yàn)前，通過編寫智能控制的運(yùn)行程序，設(shè)置進(jìn)氣、噴粉以及點(diǎn)火的時(shí)間。然后配置一定體積比(1: 9)的氫氣-空氣混合氣體，調(diào)節(jié)配氣系統(tǒng)的減壓閥，使混合氣體輸出壓力達(dá)到2 MPa，并將稱量一定質(zhì)量(10 g)的鋁粉并放置在儲(chǔ)粉罐中。隨后將透明乳膠氣球固定在噴頭上，遠(yuǎn)程啟動(dòng)，開啟控制智能控制系統(tǒng)，使其逐步控制管路中通氣元件，給乳膠氣球充氣，緊接著打開儲(chǔ)粉罐的通氣元件，高壓混合氣體使鋁粉在噴頭處噴射分散出來。最后，鋁粉噴出，經(jīng)過一定的延遲時(shí)間后(60 ms)，鋁粉彌漫呈云霧狀，并和混合氣體預(yù)混均勻，此時(shí)開啟智能控制系統(tǒng)，控制點(diǎn)火組合系統(tǒng)通電點(diǎn)火，完成鋁粉燃爆實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)人員遠(yuǎn)程操作高速攝像系統(tǒng)，直接觀察并記錄鋁粉從噴出到點(diǎn)火燃燒的全過程。

3)自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)研究生科研能力的提升。上述自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和調(diào)試直至成品階段，均是經(jīng)由研究生們自行完成，導(dǎo)師提供經(jīng)濟(jì)支持和技術(shù)顧問。整個(gè)過程中參與學(xué)生展現(xiàn)了強(qiáng)大的凝聚力和良好的科研氛圍，互幫互助，利用課余時(shí)間查閱文獻(xiàn)，思考解決問題的方法，科研能力也在不知不覺中得到提升[9]。另外，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的過程中，成員定期舉行交流座談會(huì)，匯報(bào)設(shè)計(jì)進(jìn)展，總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與問題。然后逐步將這種學(xué)術(shù)的交流常態(tài)化，培養(yǎng)學(xué)生的科研習(xí)慣，提升學(xué)生的科研能力。最后，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成功離不開導(dǎo)師的經(jīng)濟(jì)和理論上的支持，這種自上而下的機(jī)制，激勵(lì)著學(xué)生多出高水平的科研成果。

5 結(jié)語

隨著高等教育的改革與發(fā)展，對(duì)于特種專業(yè)研究生學(xué)術(shù)水平和科研能力的培養(yǎng)也受到廣泛的關(guān)注與期待。本文以爆破理論與技術(shù)專業(yè)研究生為主體，研究發(fā)現(xiàn)鼓勵(lì)和支持研究生自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅具有現(xiàn)實(shí)意義，還能極大的調(diào)動(dòng)學(xué)生的科研積極性，鞏固學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，啟發(fā)和培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，拓寬學(xué)生的視野，促進(jìn)其知識(shí)儲(chǔ)備向技術(shù)實(shí)體的轉(zhuǎn)化，有利于保持科研內(nèi)容的先進(jìn)性。從國家社會(huì)層面上來看，對(duì)特種專業(yè)研究生，通過自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的手段，能夠培養(yǎng)一批具有綜合能力和創(chuàng)新思維的高層次人才，有利于建立產(chǎn)學(xué)研深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系，推動(dòng)國家社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。從個(gè)人層面上，有利于增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、認(rèn)識(shí)問題、解決問題的能力，為將來的就業(yè)和發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。