中外土木工程专业爆炸动力学课程比较研究

鲁正 夏子祺

摘要：爆炸动力学课程是高校土木、力学等专业课程的重要组成部分，内容涉及爆炸的发生和发展规律，爆炸波在介质中的传播及引起介质和结构的变形、破坏、抛掷和振动等力学效应，以及如何防护爆炸，等等。文章主要介绍了爆炸动力学课程的发展情况，以同济大学、广州大学、北京理工大学、中国科学技术大学等国内高校，以及加州大学伯克利分校、伊利诺伊大学香槟分校等国外高校为例，通过对课程设置、课程要求和课程内容讨论和研究发现，不同学校的课程设置与其人才培养模式和对爆炸动力学的重视程度有关，最后根据研究结果，提出适合中国国情的教学改革方案。

关键词：爆炸动力学；课程设置；教学改革；高等教育；高等工程教育

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2018）05-0072-06

爆炸，是大量能量在短时间内释放或者急骤转化的现象，爆炸力学则是一门主要研究爆炸的发生和发展规律，爆炸波在介质中的传播及引起介质和结构的变形、破坏、抛掷和振动等力学效应，以及如何防护爆炸的学科，是流体力学、固体力学与物理学、化学相互交叉学科，在国防领域、民用领域有着重要作用，例如武器研制、交通运输、水利建设、矿藏开发、机械加工，等等。

系统总结国内外的教学经验，对于建筑学教育的改革和发展具有重要的现实意义[1]。目前，国内在爆炸力学方面清华大学、北京理工大学、中国科学技术大学、天津大学、西北工业大学、浙江大学、中国矿业大学、广州大学等高校走在了研究前列，但各高校研究重点有所不同，因此爆炸力学所属学科和院系会有区别。而在国外基本没有高校单独开设爆炸动力学课程，多涵盖在结构动力学课程中。文章立足于土木工程学科，通过对比分析同济大学、广州大学、北京理工大学、中国科学技术大学等国内高校，和以加州大学伯克利分校、伊利诺伊大学香槟分校为代表的国外高校，提出相应的教学改革建议。

一、课程概况

（一）爆炸力学发展概述

对爆炸的研究从8世纪中唐火药开始，到第二次世界大战，实现了炸药的收缩爆炸，形成了塑性动力学和聚能射流的理论基础。此后，美国和前苏联，大力发展核武器、洲际导弹等，同时不断改革各种常规武器，多种新型抗爆技术和爆炸加工技术层出不穷，使得爆炸力学有了长足的发展[2]。学科也相应地发展为包含爆轰学、应力波和冲击波理论、材料动力学、爆炸工艺力学、爆炸结构动力学等多门学科在内的研究体系。

中国于1956年曾进行近万吨的矿山大爆破[3]，又在大跃进期间实现了定向爆破和爆炸成形的研究工作。20世纪60年代，郑哲敏等院士在中国科技大学力学系创建工程爆破专业，后改名为爆炸力学专业。目前，除了武器工程、工程力学专业外，在材料、防灾、计算机科学，甚至宇宙探索等方向都设有相关课程。

在爆炸条件下，普通的连续介质力学理论不再适用，必须深入结构的微观层面。此外，在考虑爆炸对结构的作用时，既要从力学的角度，还要从化学、电磁学等多方面去考虑，需要物理、数学、力学等多方协作完成[4]，爆炸力学也因此成为一门复杂的交叉边缘学科，具有强大的生命力。

（二）课程设置概况

同济大学土木工程学院防灾减灾工程及防护工程将爆炸动力学设置为硕士研究生的专业学位课，共计2学分，36课时，要求预修弹性力学、土力学等课程。课程主要采用课堂教学、课后作业和期末考试的方法，使学生掌握爆炸动力学的基本原理以及爆炸能应用中的有关动力学问题，其内容包括爆炸波的形成与传播、爆炸效应估计、抗爆结构分析等。

广州大学土木工程设有岩土工程、结构工程、防灾减灾工程与防护工程、桥梁与隧道工程四个二级学科。其中，防灾减灾工程包含8个方向，涉及抗震减震、抗风、地质灾害，等等，工程抗爆为其中一个方向，要求学生掌握扎实的数学和力学知识，系统掌握钢筋混凝土结构、钢结构、高层结构、岩土工程、桥梁工程等各种结构工程知识，并具有一定的生产实践和必要的试验设计能力，对土木工程学科领域的国内外研究现状、发展趋势和前沿领域的发展动态有较深入了解，具有初步从事科学研究，或独立解决本学科相关工程技术问题的能力。

此外，在广州大学的工程力学硕士点中也开展了隔震与减振技术及理论、爆轰理论、爆炸与冲击防护、结构冲击响应、危爆物检测等领域的研究，其中冲击动力学课程要求学生掌握冲击动力学的理论及其应用技术，具有从事本方向科研能力，熟悉本方向国内研究动态和国际最新发展趋势。

中国科学技术大学为力学专业研究生开设了结构冲击动力学课程，共计4学分， 80学时，以期让学生熟悉结构冲击动力学的一般概念、原理、分析方法，以及在工程特别是在国防工程中的应用。同时在工程力学专业开设了3学分、60学时的炸药理论和爆炸技术课程。

北京理工大学开设有爆炸力学相应课程，适用于工程力学、固体力学、一般力学与力学基础、弹药工程、烟火能源等专业，主要学习爆炸作用的能量轉换、爆炸对目标的作用、爆炸焊接、爆炸加工，以及爆炸力学在工业中的实际应用。

加州大学伯克利分校以及伊利诺伊香槟分校均未在土木工程专业单独开设爆炸动力学课程，但均开设了的结构动力学课程，这其中涵盖有爆炸动力学的相关课程。伯克利分校开设了结构动力学课程和随机结构动力学课程，分别为3学分，而伊利诺伊香槟分校则设置两门结构力学课程，分别为3学分和4学分。此外，伊利诺伊香槟分校的航空专业开设有航空动力学课程，其中涉及抗爆相关知识，4学分。由此可以看出，这两所学校认为爆炸动力学属于结构动力学范畴，故合并教学。

二、课程设置要求

以同济大学、广州大学、大连理工大学、中国科学技术大学、加州大学伯克利分校以及伊利诺伊香槟分校为例，对其课程要求列表对比如下。

课时要求，同济大学、广州大学、大连理工大学每门课程均为2学分，同济大学的课时要求稍多，为36学时，而其余学校均为32学时。伊利诺伊香槟分校课时为36学时，加州大学伯克利分校课时为45学时，但均为选修。中国科学技术大学的课时要求明显较高，为80学时和60学时，可见中国科学技术大学在抗爆方面的重视程度。

开课数量，同济大学仅为一门必修课，而其余学校均开设有2～3门课程，课程内容更加丰富，涉及的内容也更为全面。选修与必修并行，给学生提供了更多选择的机会，有助于学生挖掘自身的兴趣点，开展更为深入的学习研究。

三、课程内容对比

六所学校爆炸动力学课程内容对比分析如下。

中国科学技术大学对结构在爆炸下的响应从破坏和炸药性质两方面展开教学。这两门课均开设在力学专业下。就培养目的而言，中国科学技术大学旨在让学生熟悉一般概念、原理、分析方法以及在国防工程中的应用[5]。作为课时安排最多的学校，中国科学技术大学的教学深度最深，细化到各种动塑性行为的计算，同时也是唯一一个在力学相关专业讲授炸药的物理化学作用的高校。

广州大学主要侧重在土木工程专业教学，无论是建筑抗爆原理还是土动力学与岩土地震工程，都体现了抗爆在具体工程中的应用，因此，其课程设置相比其他学校更为全面具体。但是广州大学也是选修开设最多的高校，虽然开设的科目较多，但是并不要求学生全部学习。这样更有利于学生按照自己的兴趣点有针对性地展开学习，也有利于学习深度和精度的提高。

相比之下，北京理工大学和同济大学的学时和课程数都较少。同济大学注重概念的理解，掌握基本的原理和方法，以便在灾害来临之时学生可以进行初步判断，展开进一步深入研究。而北京理工大学则主要侧重计算，对于爆炸时的物态方程、损伤机理等要求较高。

加州大学伯克利分校在结构工程方面开设的课程十分全面，虽然未单独开设爆炸动力学课程，但是仍然在结构动力学方面涵盖了相关内容。由于该课程注重结构整体的动力响应，因此爆炸动力学并不是重点。

伊利诺伊香槟分校在土木工程方面与加州大学类似，并未单独开设爆炸动力学课程，但是在航空航天专业开设的航空动力学课程中对此进行了深入教学。此外，在高阶的结构动力学课程中学习的计算理论知识也会对爆炸动力学的研究提供帮助。

因此，从开课专业而言，有的学校开设在结构工程专业，有的学校开设在力学专业，有的学校开设在航空航天专业。对比学校要求的预修课程，就同济大学和伊利诺伊香槟分校而言，同济大学的爆炸动力学课程要求先修弹性力学和结构力学，伊利诺伊香槟分校则要求先修静力学和理论力学，可见不同学校由于所属专业归类不同导致学习的侧重点也有所不同。

四、课程改革发展建议

（一）交叉学科培养

从各高校学科培养要求先修课程的设置可以发现，爆炸力学的研究，通常不仅考虑力学因素，由于其模式的复杂性，需要融会贯通多门学科，包括物理、化学、计算机、力学、数学，等等[6]，因此在培养学生时，可以在开设爆炸动力学的同时，适当开展相关课程，以增强上述知识，从而形成一个完整的培养体系。

（二）加强在防灾专业的教学

目前，多数高校将爆炸动力学设置在化学、工程力学、应用力学等专业，在土木防灾专业的设置较为少见，对比国外高校也是如此。但是，防灾不应局限于地震、风灾、火灾等方面，爆炸时的冲击对结构的影响也是不可忽视的，因此需要加强防灾方向爆炸动力学相关教学。

（三）注重前人理论的学习

由于对于爆炸动力学的研究需要较多的经费支持，设计实验需要昂贵的设备支持，很容易出现严重的浪费现象。因此，在理论基础上，应当多从其他学科中汲取有用知识，同时，在试验方面，应该多学习前人的实验结论，避免重复研究。在教学上，应关注前沿信息，并及时引入课程教学中，增强学生对灾害工程的认识，还可以结合授课教师最新的研究内容和成果，以开阔学生的视野[7]。

参考文献：

[1]钟波涛，饶小军. 国内建筑学高等教育之国际交流探索[J]. 高等建筑教育，2009（6）：1-4.

[2] 鲍力. 浅谈爆炸力学研究些什么问题[J]. 力学学报，1976（2）：128-129.

[3]曾新枝. 矿山爆破效果综合评价的现状[C]∥ 中国金属学会、中国有色金属学会、中国冶金矿山企业协会、中钢集团马鞍山矿山研究院、中矿传媒.中国采选技术十年回顾与展望——第三届中国矿业科技大会论文集，北京：冶金工业出版社，2012：4.

[4]钱七虎. 岩体中爆炸与冲击作用研究进展[C]∥面向21世纪的岩石力学与工程：中国岩石力学与工程学会第四次学术大会论文集，北京：中国科学技术出版社，1996：13.

[5]万洪英， 万明， 裴晓敏. 研究生个性化培养的思考与探索——以中国科学技术大学研究生个性化培养实践为例[J]. 学位与研究生教育， 2013（1）：31-35.

[6]张玉令， 罗兴柏， 王国栋. 爆炸力学课程建设思考与研究[J]. 教育教学论坛， 2015（12）：206-207.

[7]李永池， 周光泉. 冲击动力学课程体系建设和教学内容改革[J]. 教育与现代化， 1990（2）：63-65.

Abstract： Dynamics of explosions is an important research project in civil engineering and mechanics professional courses in universities. It contents the occurrence and development of explosion， the propagation of explosion wave and the deformation， destruction， casting and vibration mechanics effect. The paper studies the development of dynamics of explosions course of domestic universities such as Tongji University， Guangzhou University， Beijing Institute of Technology， University of Science and Technology of China， foreign universities such as UC Berkeley and University of Illinois at Urbana-Champaign. After discussing and researching the curriculum design， curriculum requirements and curriculum content， it is found that the curriculum design of different universities is related to their training mode of talents and their emphasis on dynamics of explosions. According to the research results， teaching reform schemes suitable for Chinas national conditions are offered.

Key words： dynamics of explosions； curriculum provision； teaching reform； higher education； higher engineering education

（責任编辑 梁远华）