安全工程專業(yè)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容探討
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［摘要］本文對國內(nèi)外高校安全工程專業(yè)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀進行了分析，指出我國安全工程專業(yè)應(yīng)具有較強的工科背景，以滿足國家工業(yè)生產(chǎn)及建設(shè)的需要。同時，力學(xué)作為工科專業(yè)的基礎(chǔ)，在相關(guān)課程設(shè)置中應(yīng)受到重視。為構(gòu)建科學(xué)的安全工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式，本文針對目前一些院校安全工程專業(yè)力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，提出了一些參考建議。
［關(guān)鍵詞］安全工程；力學(xué)課程；課程改革
一、安全工程專業(yè)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀
第一次工業(yè)革命后，蒸汽機的發(fā)明使勞動者從繁重的體力勞動中解脫出來，生產(chǎn)效率提高，但隨之而來的由機械引發(fā)的事故導(dǎo)致勞動者生命及財產(chǎn)安全受到損害。生產(chǎn)技術(shù)改革帶來的損失促使人們尋求科學(xué)的安全技術(shù)來保證生產(chǎn)的順利進行，于是安全工程專業(yè)順勢而生。由于各國國情不同，對安全工程專業(yè)的人才需求也不同，因此各國在安全工程專業(yè)教育方面有較大不同，下面對國內(nèi)外安全工程專業(yè)高等教育現(xiàn)狀進行分析。
（一）國外安全工程專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
［1－2］美國安全工程學(xué)科高等教育歷史悠久，早在17世紀(jì)末，某些高校就設(shè)置了衛(wèi)生工程、安全管理等方面的碩士和博士學(xué)位。如今美國開設(shè)安全工程相關(guān)專業(yè)的高校有50多所，主要涉及職業(yè)安全、健康和安全管理等領(lǐng)域，如科羅拉多州立大學(xué)的職業(yè)病治療專業(yè)、愛達荷州立大學(xué)的應(yīng)急管理專業(yè)和印第安納大學(xué)伯明頓分校的安全管理專業(yè)等。在英國，安全工程專業(yè)作為公共健康學(xué)科領(lǐng)域的一個分支，主要研究生產(chǎn)過程中的職業(yè)健康、事故財產(chǎn)損失等問題。相關(guān)畢業(yè)生主要就職于安全健康顧問公司、安全評估公司和公共服務(wù)組織等。澳大利亞有十余所大學(xué)開設(shè)了安全工程相關(guān)專業(yè)，其安全工程高等教育的重點是職業(yè)健康及安全衛(wèi)生領(lǐng)域，如埃迪斯科文大學(xué)的職業(yè)安全健康系、新南威爾士大學(xué)的安全系、莫納什大學(xué)的職業(yè)安全健康與環(huán)境系等。在國外安全工程專業(yè)的課程設(shè)置中，方法論、統(tǒng)計學(xué)、管理學(xué)、流行病學(xué)和心理學(xué)等理學(xué)及管理學(xué)課程的占比較大，工程技術(shù)方面的課程較少，學(xué)生畢業(yè)后被授予理學(xué)學(xué)位。
（二）國內(nèi)安全工程專業(yè)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀
我國的安全工程教育起步相對較晚［3－7］，1957年西安礦業(yè)學(xué)院（今西安科技大學(xué)）最早開設(shè)了“礦山通風(fēng)與安全”專業(yè)；1958年北京勞動學(xué)院（今首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)）開設(shè)了“工業(yè)安全技術(shù)”與“工業(yè)衛(wèi)生技術(shù)”專業(yè)。1984年，國家教育委員會頒布《高等學(xué)校工科本科專業(yè)目錄》，整合了工業(yè)安全技術(shù)、工業(yè)衛(wèi)生技術(shù)、衛(wèi)生工程學(xué)等專業(yè)名稱，統(tǒng)一稱作“安全工程”，并于1993年設(shè)立安全科學(xué)技術(shù)一級學(xué)科。進入21世紀(jì)后，國家對安全專業(yè)人才培養(yǎng)更加重視。2011年3月，國務(wù)院學(xué)位委員會及教育部聯(lián)合印發(fā)的《學(xué)位授予和人才培養(yǎng)學(xué)科目錄》中新增了“安全科學(xué)與工程”一級學(xué)科（學(xué)科代碼0837），屬于工學(xué)大類。2010年，我國開設(shè)安全工程專業(yè)的高校已有127所。為滿足國家安全專業(yè)人才的需求，國內(nèi)大多數(shù)院校開設(shè)安全工程專業(yè)時都側(cè)重于工科類課程的設(shè)置［8－9］。如中國礦業(yè)大學(xué)安全工程專業(yè)主要側(cè)重于礦業(yè)安全，設(shè)置了工程熱物理、工程流體力學(xué)、工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、火災(zāi)動力學(xué)等課程；北京理工大學(xué)安全工程專業(yè)主要側(cè)重于兵工及爆炸安全，設(shè)置了工程力學(xué)、應(yīng)用力學(xué)、機械設(shè)計基礎(chǔ)、燃燒與爆轟等課程。在國內(nèi)，安全工程專業(yè)屬于工學(xué)大類，從開設(shè)之初就具有較強的工科背景，學(xué)生畢業(yè)后被授予工學(xué)學(xué)位。力學(xué)課程作為工科專業(yè)的基礎(chǔ)，是安全工程專業(yè)課程設(shè)置的重點。
二、安全工程專業(yè)加強力學(xué)課程教學(xué)的必要性
近年來隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，應(yīng)用于動力工程、石油化工、航空航天、交通、輕工、食品等領(lǐng)域的過程裝備向大型化、高速化方向發(fā)展。改革開放以來，建筑工程業(yè)取得了舉世矚目的輝煌成就，我國的高層建筑占世界高層建筑的70％以上。橋梁工程、隧道工程、高鐵里程世界第一，地鐵建設(shè)是世界上規(guī)模最大的。工業(yè)建筑（如三峽大壩）、發(fā)電廠、核電站、西氣東輸工程等設(shè)備和結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計都與力學(xué)專業(yè)知識密切相關(guān)。力學(xué)專業(yè)知識對這些設(shè)備和工程的安全運行、失效分析和壽命預(yù)估至關(guān)重要。過程設(shè)備和結(jié)構(gòu)工程所受載荷有壓力載荷、溫度載荷、機械載荷、重力載荷、風(fēng)載荷、雪載荷、地震載荷等，按載荷性質(zhì)又可分為靜載荷、動載荷、交變載荷等。各種載荷在設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)的部件及零件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力可分為拉、壓、彎曲和切應(yīng)力。在設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)運行過程中，結(jié)構(gòu)因素、應(yīng)力分析及強度設(shè)計因素、應(yīng)變分析及剛度設(shè)計因素或使用過程中的工況變化因素均會致使結(jié)構(gòu)失效，造成的失效事故損失、傷亡和環(huán)境傷害將給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失。如廣東九江大橋垮塌是由于運行工況突變，碰撞斷裂導(dǎo)致的；湖南鳳凰縣大橋的垮塌是由結(jié)構(gòu)共振引起的。在過程設(shè)備中，換熱設(shè)備應(yīng)用廣泛。在運行過程中，流體誘導(dǎo)振動會引發(fā)換熱器失效，致使工廠停工停產(chǎn)。如核電站的蒸汽發(fā)生器U形傳熱管工作于輻射、高溫、高壓、氣液兩相流環(huán)境，其動態(tài)特性受到很多因素影響。多年的研究成果表明，流體誘導(dǎo)振動是導(dǎo)致核電站主要設(shè)備蒸汽發(fā)生器U形傳熱管損傷及失效的關(guān)鍵性因素之一。無論是強烈還是微弱的管束流致振動，都會引發(fā)U形管和支撐之間的撞擊磨損，只是撞擊力和磨損率大小不同［10］。為了避免和預(yù)測流體誘導(dǎo)振動給蒸汽發(fā)生器U形傳熱管帶來的機械損傷，我們需要掌握蒸汽發(fā)生器U形傳熱管在運行態(tài)和起停機過渡狀態(tài)下的動態(tài)特性，這就需要力學(xué)基礎(chǔ)知識?！ 榱嗽O(shè)備的安全運行，力學(xué)知識至關(guān)重要，所以安全工程專業(yè)加強力學(xué)課程教學(xué)是非常必要的。
三、安全工程專業(yè)力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題
以工程安全為主的安全工程領(lǐng)域?qū)I(yè)人才應(yīng)該具備較好的力學(xué)基礎(chǔ)及分析計算、數(shù)值模擬等理論基礎(chǔ)。目前，我國高校安全工程專業(yè)的基礎(chǔ)力學(xué)課程絕大多數(shù)為工程力學(xué)，只涵蓋了理論力學(xué)的靜力學(xué)部分和材料力學(xué)部分內(nèi)容，這會導(dǎo)致學(xué)生對運動學(xué)、動力學(xué)等內(nèi)容缺乏深入了解。學(xué)校應(yīng)該單獨開設(shè)材料力學(xué)和理論力學(xué)課程。理論力學(xué)主要研究物體機械運動的一般規(guī)律，是所有力學(xué)課程的基礎(chǔ)，內(nèi)容包括靜力學(xué)（研究物體受力及平衡）、運動學(xué)（從幾何角度研究物體運動，不涉及受力）和動力學(xué)（研究物體受力和運動之間的關(guān)系）。理論力學(xué)主要研究力對物體的外部效應(yīng)，材料力學(xué)主要研究力對物體的內(nèi)效應(yīng)，即變形及失效規(guī)律。以鄭州大學(xué)安全工程專業(yè)為例［11］，其培養(yǎng)目標(biāo)是“培養(yǎng)德、智、體、美全面發(fā)展，具有扎實的力學(xué)基礎(chǔ)理論、安全科學(xué)理論知識和安全工程專業(yè)知識，具備工程結(jié)構(gòu)與設(shè)備方面的專業(yè)技術(shù)知識，能在機械、材料、土木、交通等工程領(lǐng)域從事安全技術(shù)、安全管理、工程安全設(shè)計、事故預(yù)防與評價等工作的具有創(chuàng)新能力的高級工程技術(shù)人才”。以此培養(yǎng)目標(biāo)為基準(zhǔn)，我們對全國安全工程專業(yè)的教學(xué)方案進行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)安全工程專業(yè)開設(shè)的力學(xué)課程存在以下不足：1．教學(xué)方式陳舊，主要是教師講授課程內(nèi)容，學(xué)生參與度較少，這樣既降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又不利于學(xué)生深入理解所學(xué)理論；2．偏重理論教學(xué)，與工程實際結(jié)合較少，缺乏將工程問題轉(zhuǎn)化為適當(dāng)力學(xué)模型的能力的培養(yǎng)；3．考核評價方法單一，以考試為主，缺乏對學(xué)生綜合能力的考核；4．課時設(shè)置較少，而且課程以概論性質(zhì)為主，學(xué)生在力學(xué)方面學(xué)習(xí)得不夠深入。
四、安全工程專業(yè)力學(xué)課程改革建議
針對目前各院校安全工程專業(yè)力學(xué)課程教學(xué)中存在的不足，我們提出以下建議［12－15］：1．鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)理論，加強學(xué)生的工程實踐能力；2．同時開設(shè)基礎(chǔ)力學(xué)部分和應(yīng)用力學(xué)部分，設(shè)置理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)等課程，并針對相關(guān)院校各自的側(cè)重點開設(shè)結(jié)構(gòu)力學(xué)、振動力學(xué)、結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂等；3．增加力學(xué)課程學(xué)時，使學(xué)生深入了解力學(xué)相關(guān)知識，提高學(xué)生的邏輯思維能力，訓(xùn)練學(xué)生從科學(xué)、理性的角度分析工程中的安全問題；4．建設(shè)自主、高效的課堂學(xué)習(xí)模式，營造和諧、寬松的學(xué)習(xí)氛圍，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和收集資料、處理信息的能力；5．考核方式多樣化，增加報告、實驗等在考核中所占比例，綜合評價學(xué)生能力，提高學(xué)生自我培養(yǎng)多元化能力的積極性；6．開設(shè)有限元基礎(chǔ)課，培養(yǎng)學(xué)生將實際問題抽象成力學(xué)模型的能力；7．開設(shè)實驗力學(xué)課程，提高學(xué)生的實踐能力，培養(yǎng)其利用所學(xué)知識解決工程實際問題的能力。
五、結(jié)語
我國安全工程專業(yè)起步較晚，為滿足國家建設(shè)需要，各院校培養(yǎng)的安全類人才都需要具有較強的工科背景。力學(xué)作為工科基礎(chǔ)課程，其改革優(yōu)化是安全工程專業(yè)的重點，各院校在相關(guān)課程設(shè)置時要針對自身特點發(fā)揮自身優(yōu)勢，致力于構(gòu)建更加科學(xué)的安全工程人才培養(yǎng)模式。
作者：王珂 譚國鋒 趙書培 單位：鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院
