安全工程专业研究式实验教学方法探索与实践

朱建云， 裴晓东， 何书建， 陈树亮， 李庆钊(中国矿业大学 安全工程学院，安全工程实验中心，煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室， 江苏 徐州，221116)

0 引 言

为更好地贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010～2020年)》，我校实施了“卓越安全工程师培养计划”，旨在培养一批创新能力强、适应我国煤矿经济发展所需高质量的安全工程技术人才。卓越安全工程师培养的核心是创新能力和思维的培养，是一个被国内外高等教学所普遍关注的主题。不同的高校也先后采取多种培养和管理模式，如采取大学生创新研究项目[1]、教学与科研并举[2-4]、建设教学示范中心[5]、特别是在科研成果向教学内容转化方面[6-8]均取得了不错的教学效果。

实验教学是本科教学中的重要组成部分，是学生深入理解和巩固基础理论知识、应用所学知识解决实际问题并进行创新创造等能力培养的重要环节。因此，实验教学在我校安全工程专业教学中占有极其重要的地位。作为“国家特色专业、江苏省重点专业建设点”及“卓越安全工程师教育”培养点，中国矿业大学安全工程实验中心以“厚基础、强能力、宽适应、重创新”为培养目标，提出了“寓研于教”与“寓创于学”安全工程创新人才培养的新理念[9-10]，形成了特色鲜明的实验教学课程体系和教学方法，使得学生创新意识和创新能力的培养贯穿于安全工程实验教学的全过程。

然而，教学与科研作为两个相互协调、相互促进的过程长期以来多被忽视[11]。因此，如何将科研中问题导向的研究方法与实验教学中学生本位的教学方法相结合，真正将科研方法与创新思维模式培养融入到专业实验的教学工作中去[12-13]，培养学生的创新性思维模式与方法是当前实验教学工作值得探索与实践的工作重点。

已有工作证实，在实验教学中引入项目研究的方法和思路，对于激发学生的积极性、培养其创新实践能力具有极其重要的推动作用[14-18]。然而，科研项目开展的特点在于对创新性研究成果的追求，而实验教学的目的在于培养学生的创新性思维模式和学习方法，因此，实验教学中对于科研课题也即实验内容的选取和难度定位，如何实现“科研”与“教学”的有机结合是值得安全工程实验教学探索的关键环节。

本文以安全工程专业实验教学中的“煤自燃倾向性测试”教学内容为例，对近年来我校安全工程实验中心在研究式教学方法(研学式新模式)在安全工程实验教学中的应用进行了探索和实践，并取得了不错的效果。

1 科研与实验结合的教学模式

目前，大多数高校对于专业实验教学的模式都在进行改革与探索,有的采用“项目式”，有的采用“递进式”，实践证明，都取得了较好的教学效果。科研与实验教学相结合的教学模式以相关科研项目为基础，将科研工作的方法引入到实验教学中，在实验教学课题开展的同时实现相关理论知识向学生的传授，也实现学生对相关仪器装置操作能力的培养(见图1)。该教学模式鼓励将学科建设取得的新成果、新技术、新方法引入实验教学中，以保持实验教学内容与手段不断更新。

图1 研究式实验教学方法示意图

因此，如何以多门专业课的理论知识为基础，结合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研究式实验教学顺利开展的关键。创新性实验课题的设计需遵循“多门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。创新性实验课题不再是传统实验简单重复性的测试工作，其具有一定的未知领域探索性。实验教学开展的过程需充分发挥教师的引导和启发作用，课题首先在教师的引导下使学生对拟定的课题进行系统的分析讨论，确定研究对象的关键影响因素并设定针对性的试验内容，且要求学生在各试验内容方面具备一定程度的理论知识基础。在整个教学过程强调教师的全程跟踪、学生深度参与。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。

由于研究式实验教学过程融入科研探索的内容和方法，实验教学的考核需采取“结果”与“过程”考核相结合的方式，既注重物化的论文、报告等研究成果，更注重学生在实验教学参与的过程中所体现的工作态度、实践能力和团队合作精神等，同时强调学生科研素质(文献查阅能力、实验细节观察、实验记录、图表绘制及报告规范性撰写等)的培养和提高。

我校安全科学与工程专业创新性实验教学课题的开展以实验教学中心为平台，整合相关科研实验室先进的仪器设备，将科研项目中与此相关的研究工作纳入到本科实验教学中，打通壁垒，促进教学科研的实质性有机融合，其好处在于一方面使得实验教学得到可靠的设备保障、提高资源利用率、避免重复建设、重复购置与闲置所造成的浪费，还可进一步节省人力、物力(实验耗材)和时间。

2 实施过程

安全科学与工程专业“煤自燃倾向性实验教学”,以安全工程实验中心的煤自燃特性综合实验仪器及其他装置为实验平台，是我院科研成果引入本科实验教学的成功实践，该成果于2016年获中国高等教育学会第四届全国高等学校自制实验教学仪器设备一等奖。

煤自燃倾向性实验教学活动的内容包括实验样品制备、样品测试、结果讨论、报告撰写等多个系统环节，通过整个链式实验工作的开展来培养学生掌握安全工程专业常见分析测试仪器、测试内容与方法、测试报告撰写等相关工作开展的综合能力，其教学内容与过程如图2所示。

图2 煤自燃倾向性实验教学内容及过程

2.1 实验准备工作

煤自燃倾向性实验的准备包括被测煤的取样、破碎、筛分等环节，该工作是煤质分析及涉煤工作常见的工作内容，是安全工程专业毕业生必备的基本能力之一。

按照国家标准GB/T 2828.11-2008、GB/T 19222-2003、GB474-2008的规定要求，通过该实验准备环节的讲解、参观及部分实践，使学生掌握煤的取样方法(四分法取样)，了解煤破碎的基本形式(挤压破碎、劈裂破碎、折断破碎、研磨破碎、冲击破碎)及相关的破碎机械(颚式破碎机、齿辊破碎机、锤式破碎机、冲击式破碎机、滚筒破碎机)。

筛分是煤分析及其他测试工作的前提，也是相关测试仪器对被测对象的适应性要求。因此，样品筛分及其粒度标识是后续实验教学中所有测试分析工作的基本条件。通过煤样的筛分，使学生掌握煤粉筛分装置(标准筛、筛网孔径及其表示方法、振筛机等)、粒度表示及特征粒度的含义(如粒度分布函数及类型：正态分布、Rosin-Ramler分布、多峰分布等;特征粒径：D10、D50、D90等;粒度分布的表示：频率分布直方图、累计分布)，部分煤样的粒度分析结果如图3及表1所示。

图3 平顶山煤煤样粒度分布

表1 实验煤样的粒度特征

2.2 实验测试及部分教学要点

2.2.1煤的工业分析

煤的工业分析测试以国标GB/T211—2007、GB212—2008为指导，重点讲授煤质工业分析的指标(水分M、灰分A、挥发份V、固定碳FC、发热量Q等)、元素分析(碳C、氢H、氧O、氮N、硫St)以及煤质分析所涉及的常用基准(收到基ar、空气干燥基ad、干燥基d、干燥无灰基daf)，要求学生掌握不同煤质分析基准间的转换关系(见表2)及其理论基础，部分待测煤样工业分析结果如表3所示。

表2 不同煤质分析基准间的换算关系

2.2.2煤的表面微观形貌分析

煤的表面微观形貌分析由于涉及大型贵重精密仪器(扫描电子显微镜SEM)的使用，该测试主要委托我校现代分析与计算中心进行，学生主要针对反馈的测试结果(见图4)进行煤粒表面微观形貌的定性(表面的粗糙状态、孔隙形状等)及半定量分析(孔隙密度、孔隙大小、孔隙圆形度等)分析，使学生初步了解煤表面的微观物理结构及其形态，如河南平顶山煤样表面具有丰富的微孔结构，安徽淮北煤样呈现一定的层理结构等，从而激发学生探索微观物质世界的兴趣。

表3 煤样工业分析结果

注：Mad为空气干燥基水分；Vdaf为干燥无灰基挥发份；Ad为干燥基灰分；FCd为干燥基固定碳含量

图4 实验煤样的扫描电子显微镜(SEM)图片

2.2.3煤的自燃倾向性测试

煤自燃倾向性的交叉点温度测试是一种能够反映煤的自热温升特性并在一定程度上间接表征煤氧化状态和过程的方法，即通过观测线性升温环境中样品的温度变化，检测样品中心温度曲线与环境温度曲线出现交叉的温度值(即Crossing Point Temperature, CPT)，并以该CPT温度值用作评定被测煤样自加热和自燃倾向性的指标参数，该测试方法操作简便、重复性好[19-21]。

煤自燃倾向性实验的测试过程依据中华人民共和国安全生产行业标准“煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法(AQ/T1068—2008)”的要求，指导学生熟悉煤自燃倾向性测试的氧化动力学方法及测试所涉及的装置系统、测试条件、测试步骤及其注意事项，掌握交叉点温度的定义及其确定方法、煤自燃倾向性分类与分类指标的计算方法，同时初步认识煤自燃的温升过程及各温升阶段的含义，部分测试结果如图5、6所示。

2.3 实验结果分析与报告撰写

由于煤自燃属于较为复杂的涉及气固耦合作用的自热反应，对其研究涉及化学反应动力学、表面物理化学、燃烧学等多学科在内的基础理论知识。通过上述的测试分析，使得学生初步掌握影响煤自燃反应活性的相关因素，包括煤的变质程度、挥发分、灰分及水分含量、固体表面的孔隙结构等因素对煤自燃反应动力学影响的基本规律。

同时，为了培养学生严谨的科研工作态度，实验报告的撰写则严格避免传统流水账式的记录，而是采用严格的以科学实验的要求和学术论文的写作格式对实验中所获取的数据等成果进行提炼，包括详尽的实验记录及其完整性、规范性，特别是实验过程中所出现的异常现象需做详尽的记录和后续分析讨论，从而进一步在实验教学过程中让学生体会科研工作的严谨性，初步培养学生对数据进行分析整理和成果提炼的能力，特别是培养学生从事科学研究工作的严谨态度。

(a) 河南平顶山煤

图6 不同煤样的交叉点温度

3 教学效果与评价

近年来，在安全工程实验中心综合改革和建设下，实现了对安全学科教学科研资源的有机融合，初步建立多层次创新性实验教学体系，通过系统安排实验课时，大幅提高综合性、探索性、创新性实验内容的比重，建成了一个“基础实验、选修实验、研究型实验”为主的多层次创新型实验教学体系。

与此同时，通过改进实验教学方法与手段，确立学生在实验教学中的主体能动地位，启发学生的创新思维能力，增强学生在实验过程中的自主性，成功为学生搭建自主式、合作式、研究式的实验及实践平台，从而使得我院安全工程专业和消防工程专业学生综合素质和创新能力得到显著提高，近年来先后获得“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖、一等奖13项，由本科生主持的国家大学生创新实践项目27项、江苏省大学生创新实践项目23项、校级项目111项，学生获得国家授权专利327项，发表专业论文338篇，其中核心期刊133篇，SCI检索38篇。

以此为基础平台，学院还与徐矿集团合作开展了国家级实践教育中心“中国矿业大学-徐州矿务集团工程实践教育中心”建设，联合制定了实践教学的目标和方案，均取得了良好的效果。

4 结 语

本文以“煤自燃倾向性测试”为例，阐述了研究式实验教学方法的构建及其在安全科学与工程专业实验教学过程中的实施概况，分析了在实验教学中融入科学探索方法对激发学生的学习兴趣、培养其创新思维模式等方面的优越性。实践证明，研究式实验教学通过合理设计创新课题，将理论知识学习、标准规范讲解、仪器装置操作融入实验教学的全过程，可有效地激发学生在教学活动中的自主能动性，极大地提高了学生综合素质与科研能力的培养效果。

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