全方位立體教學模式在“燃燒學”教學中的應用

吳亭亭 王輔臣 龔 巖

（華東理工大學 上海 200237）

0 前言

目前，全世界所消耗的能源中有超過80%是來自煤、石油和天然氣等不可再生燃料的燃燒。而人類目前的主要能源來源依舊是不可再生的化石燃料的燃燒。與此同時，環(huán)境保護又與能源利用息息相關。在我國，以煤為代表的礦物質(zhì)燃料燃燒所排放的大量的SO2、NOx、CO2等有害氣體對環(huán)境構(gòu)成了嚴重威脅。

華東理工大學能源與動力工程專業(yè)隸屬于能源化工系，該專業(yè)由1952年華東理工大學成立所設立的“燃料化工”專業(yè)經(jīng)過長期的發(fā)展調(diào)整演變而來，是一個研究領域更寬廣、更適應于時代所需的專業(yè)。“燃燒學”是研究燃料燃燒過程中化學能轉(zhuǎn)化為熱能的一門學科，它在燃料清潔燃燒、能源高效利用和燃燒污染物控制等方面都扮演著越來越重要的角色。而進入新世紀以來，“燃燒學”一直是能源與動力工程專業(yè)的核心課程。自華東理工大學開設“燃燒學”課程以來，隨著時代的變化，以及教學側(cè)重點逐漸由理論向?qū)嶋H應用轉(zhuǎn)移，本著培養(yǎng)新一代“燃燒學”應用型人才的原則，本課程所選用的教材也經(jīng)歷了一番調(diào)整。從最開始的中國建筑工業(yè)出版社出版的《燃氣燃燒與應用》到冶金出版社出版的《燃料與燃燒學》，再到目前選擇的中國電力出版社出版的王軍等人編寫的《工程燃燒學》，符合課程強調(diào)的“燃燒學”的工程實用性，培養(yǎng)學生學以致用、理論聯(lián)系實際的能力和素養(yǎng)。同時也向同學們推薦了清華大學能源與動力專業(yè)選擇的教材《燃燒學導論：概念與運用》第三版以及經(jīng)典英文教材《Combustion》作為學生的課外閱讀教材。

“燃燒學”是研究燃燒現(xiàn)象、實踐和理論的科學，這意味著它的知識面涉及范圍很廣，包括了物理化學、傳熱傳質(zhì)學、流體力學以及熱力學相關的知識，同時復雜的燃燒機理以及相關的公式對數(shù)學的要求也很高。這導致了目前在教學中學生理論聽不懂，公式不會推導，實際中不會運用等問題。如果老師在授課時采取單一的講課方式，那“燃燒學”這門課的教學效果可能就不是非常理想。因此，采用全方位立體教學模式，從課堂教學出發(fā)，配套進行課程實驗鞏固理論知識，最后通過科研創(chuàng)新項目，提高學生的實際運用能力是解決目前教學困難有效方式。

1 課堂教學的更新

“燃燒學”是熱能工程專業(yè)的主要專業(yè)基礎課之一。通過本課程的學習，要求掌握各種燃料的形成、結(jié)構(gòu)和特性；掌握燃料燃燒的計算方法和燃燒基本理論；熟悉各種燃燒方式與燃燒裝置，具有一般民用和工業(yè)燃具的設計計算能力以及燃燒系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)方面的技能。并對燃料應用方面的新理論、新技術、新設備有所了解。本課程著重于讓學生掌握燃燒的反應機理，燃燒計算，結(jié)合我校煤的潔凈技術的發(fā)展，分別從固體、液體和氣體分析不同燃料的燃燒原理和特點，以及燃燒技術的應用和安全。為學生進一步升造和步入社會提供了扎實的專業(yè)理論基礎和實際應用能力。因此學生需要掌握燃燒基本特性，燃燒反應的動力學基礎、燃燒理論，固體、液體和氣體三種狀態(tài)燃料的燃燒原理和技術，以及焚燒技術及裝置、燃燒污染控制與安全技術。面對如此多的物理化學知識、反應機理、燃燒計算理論公式等，學生在學習的過程中容易出現(xiàn)概念無法完全理解，機理反應過程不清楚，理論公式不會運用等問題。例如（1）對于傳遞現(xiàn)象、Fick擴散定律方程以及Arrinus定律這些抽象模型的物理本質(zhì)理解存在一定的困難。（2）對于層流預混火焰、層流擴散火焰、液滴火焰等燃燒現(xiàn)象沒有直觀認識。（3）著火與熄火及火焰?zhèn)鞑ズ头€(wěn)定性理論。著火與熄火理論均基于預混氣，充分講明熱自燃與點燃以及熱自燃與鏈鎖自燃之間的差別與聯(lián)系，對謝苗諾夫熱自燃理論、強迫著火的零值梯度理論及著火感應期、最小點火能量等內(nèi)容。

針對學生的這些問題，在課程教學上做以下改進并采取部分反轉(zhuǎn)教學模式：

（1）修訂教學大綱，優(yōu)化教學內(nèi)容,刪繁就簡，在教學中突出重點，避免由于內(nèi)容過多導致學生接受程度低，從而概念混亂。另一方面，充分利用現(xiàn)代教學手段，制作圖文并茂，條理清晰，內(nèi)容豐富的多媒體課件。同時可以通過視頻的方式，把燃燒過程的各個階段與理論直觀地展示給學生，將復雜抽象的概念形象化，晦澀難懂的理論具體化。讓學生能夠?qū)Α叭紵龑W”有一個直觀的認識，再結(jié)合課本的理論知識，達到一個良好的教學效果。在前期課程教學中我們發(fā)現(xiàn)同學們關于“燃燒溫度、燃燒檢測和燃燒效率”的理論比較抽象。于是我們考慮結(jié)合工程項目“熱工測試和熱平衡計算”的案例，以及工廠現(xiàn)場測試和控制室圖紙等，講解。從而使得學生對該知識點的掌握得到強化，并且有了直觀的認識以及了解理論與實際結(jié)合的案例，對學習內(nèi)容更有興趣。

（2）改進教學方法，將啟發(fā)式、討論式、交互式、實踐式和自主式等教學方法融入到教學過程中。學生始終是課堂教學的服務主體，然而在以往很多的專業(yè)課程教學中，授課老師采用的教學方法是以自身為中心、借助課件進行單方向的知識傳遞—接受。這樣必然導致學生處于被動接受地位，不利于學生學習積極性和課堂教學效率的提高。在此次“燃燒學”課程教學改革中，采用了多種能夠調(diào)動學生學習主動性的教學方法，如增設課堂雙向提問和分組討論環(huán)節(jié)。課堂雙向提問包括課前老師檢查性提問和課后學生質(zhì)疑性提問。課前老師檢查性提問是指在課前老師將與下節(jié)課知識點相關案例留給學生，讓學生利用課后時間進行自主探究提前熟悉教學大致內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)案例背后的思政問題，上課以后老師以抽簽或者學生進行搶答的方式進行提問。課后學生質(zhì)疑性提問是指在老師對本節(jié)課知識講解完畢以后會留下小段時間收集學生們對本節(jié)課知識點還存在的疑惑，老師當堂或者課后在線上進行解答。課堂雙向提問加強了師生思想上交流互動，讓老師及時了解到學生的真實學習情況，從而能進行針對性講解，有效提高課堂教學效率和質(zhì)量，從而為專業(yè)課堂進行思政教育提供了堅實的基礎。在分組討論環(huán)節(jié)授課教師圍繞教學目的為學生提供教學案例，組織學生采取小組討論或辯論的形式共同來解決問題，給每位學生提供在課堂上能自由地發(fā)表自己觀點的機會，體現(xiàn)了學生在課堂上的主人公地位。培養(yǎng)學生的協(xié)作精神，增強學生的參與感，激發(fā)學生的思政學習興趣，從討論中獲得啟發(fā)。

（3）編寫習題集和試題庫，收集一定量高質(zhì)量的燃料與燃燒學學習題，形成和教學大綱配套的習題集和試題題庫，并給出解體思路提示和參考答案。在課堂上結(jié)合題庫讓學生在學習的工程中能夠加加深對理論概念的印象與應用，讓課堂教學不在枯燥乏味，將課堂提問與課后習題納入成績考核范圍，提高學生的學習積極性和對知識的掌握情況。

2 課程實驗的匹配

為了解決課程教學內(nèi)容中概念難以理解，理論公式?jīng)]有直觀感受的問題。通過能源化工實驗室的現(xiàn)有設備，對教學安排配套的課程設計與課程實驗，讓學生在理論與實際中將所學知識融會貫通。目前的實驗安排有：（1）熱水器燃燒特性測定：通過熱水器在空氣燃氣混合不充分，進風量不足等不同的燃燒工況下進行實驗測試，從而讓學生掌握燃氣熱水器的燃燒特性；（2）煙氣排放測定：通過實驗設備測定燃燒后的煙氣成分，讓學生直觀的認識到煙氣排放中的NOx和SOx的含量，啟發(fā)學生學習如何降低煙氣排放以及脫硫脫銷的一些工藝；（3）燃料熱值測定：讓學生通過實驗操作和理論公式的運用計算得出燃料在標態(tài)下與氧氣完全燃燒釋放的熱量，從而對課堂所學的概念理解更加透徹，對公式的實際運用情況更加清晰。（4）畢業(yè)設計（垃圾焚燒爐燃燒與煙氣系統(tǒng)的設計）：在老師的指導下，讓學生設計一系列工況下的焚燒爐以及對應的符合環(huán)保要求的煙氣系統(tǒng)，提升學生的CAD設計能力，將“燃燒學”的工程應用融入到實驗部分，讓學生能直接接觸到“燃燒學”在工程實踐中的運用。為學生進入社會，進入工作崗位提前打下基礎，突出“燃燒學”理論發(fā)展與工程運用并重的學課特點。

通過運用這些一流的“燃燒學”測量儀器，作為課程實驗，幫助學生能夠直接的接觸“燃燒學”的實際應用。將課程中難以理解的原理與公式融合在實驗教學中，通過安排學生進行課前預習，結(jié)合實驗原理講解，再加上學生動手實際完成實驗，撰寫實驗報告，運用公式、原理與實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論，并且總結(jié)實驗中的誤差與操作難點。經(jīng)過這樣一個完整的實驗過程，讓學生動手與動腦結(jié)合，加深對“燃燒學”中理論與技術機理的理解，提高同學對“燃燒學”的學習興趣與綜合運用能力，同時訓練學生的創(chuàng)新與實踐能力。

3 科研創(chuàng)新的應用

“燃燒學”內(nèi)容繁多，學科知識相互交叉，在教學中為了突出層次，提高部分學習能力比較突出，有志向投身于科學研究的學生，本課程開設了科研創(chuàng)新訓練部分，將科研項目直接與課程內(nèi)容相結(jié)合，幫助學生理解課程內(nèi)容以及課程內(nèi)容的科研應用。通過讓學生加入到研究生主導的實驗室項目中，在研究生的帶領下直接參與到項目實驗中，為學生打下科研的基礎，同時鍛煉學生的科研創(chuàng)新能力。目前實驗室的項目有：“垃圾焚燒物生成物排放測試”和“鋼廠平衡測試與系統(tǒng)能耗分析”。讓學生在科研實驗中學會主動運用“燃燒學”相關知識，提升學生解決實際問題的能力。

同時結(jié)合我校開展的大學生創(chuàng)新實踐活動（即USRP），讓學生在老師的指導下參與到從選題到實驗，再到論文撰寫的整個過程，讓學生了解學習到“燃燒學”最前沿的發(fā)展情況，自主選擇喜歡的課題進入深入的研究，提升學生的主觀能動性。

4 結(jié)論

綜上所述，通過對教學內(nèi)容和方法的優(yōu)化，用專業(yè)實驗培養(yǎng)學生的動手實踐能力，讓學生能夠從中理解課堂的教學內(nèi)容，同時讓學生參與到科研項目中，真正地把課堂理論知識與實際需求相結(jié)合，讓學生學有所思，學有所成，學有所用。通過將“燃燒學”建設成為一門全方位、立體化的課程，使課程內(nèi)容符合社會對高素質(zhì)人才的要求，使學生對專業(yè)的發(fā)展有全面的了解，著重培養(yǎng)基礎厚實、知識面寬的具有工程設計和改造能力的理工科人才。