工程燃燒學課程教學改革與探索

李芳芹 吳 江 仇中柱 李 彥 程智海

（上海電力大學 能源與機械工程學院，上海 200090）

0 引言

上海電力大學能源與動力工程專業(yè)是國家一流本科專業(yè)，是一個具有鮮明發(fā)電行業(yè)背景的能源動力類專業(yè)。目前，本專業(yè)包含精英班、卓越工程師班、平行班和中本貫通班四類型班級。工程燃燒學課程是本專業(yè)必修的專業(yè)基礎課程，其前修課程有：高等數(shù)學、傳熱學、工程熱力學、流體力學等。其是鍋爐原理和燃氣輪機及聯(lián)合循環(huán)的先修基礎課程。工程燃燒學是研究燃料燃燒的一門科學，本課程的主要內(nèi)容包括燃料分類、燃料組成及形成過程、燃料的物理化學性質(zhì)；燃料燃燒化學反應動力學基礎、化學反應熱力學基礎、熱力著火理論、連鎖反應理論、射流混合過程；火焰?zhèn)鞑?、火焰穩(wěn)定性、燃燒污染物生成機理及控制等。其講授的知識涉及能源的高效利用、污染物生成機理、環(huán)境污染防治以及CO2減排等。本課程是一門知識涉及面廣、理論性強的主干專業(yè)基礎學位課程。在國家一流本科專業(yè)課程建設背景下，同時為了適應行業(yè)對能源與動力工程專業(yè)人才的需求，強化學生工程應用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，課題組開展了相應的教學內(nèi)容、教學方式方法等方面的改革和實踐。

上海電力大學能動專業(yè)的工程燃燒學授課內(nèi)容主要圍繞火電廠電站鍋爐燃料燃燒涉及的理論和機理進行，這些知識點與電力生產(chǎn)過程聯(lián)系緊密，因此講授過程中必須將理論與實踐緊密結合，使學生學習掌握理論知識的同時還可以將理論與實際聯(lián)系起來，掌握理論應用于實踐的方法。結合實踐教學，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維和創(chuàng)新能力、理論聯(lián)系實際，提高學生的綜合能力。在工程燃燒學課程教學過程中，運用工程燃燒學的基本知識及方法解決工程實際問題是教學的目的也是教學的難點。為此，必須加強實踐教學環(huán)節(jié)，增加綜合性實踐實驗內(nèi)容，以助學生對工程燃燒學課程理論教學內(nèi)容的理解和解決工程實際問題方法的掌握。

1 工程燃燒學課程教學中存在的主要問題

（1）課程教學時數(shù)少。由于受到本科教學總課時的限制，該校能動專業(yè)工程燃燒學設置了32課時，而本課程是一門理論性很強的課程，再加上燃燒技術發(fā)展迅速，雖然本課程已采取多樣化的教學手段，但是由于受到授課時數(shù)的限制，授課教師很難在課堂上補充太多相關的前沿知識或在課堂上帶領學生深入研究某些燃燒機理。（2）理論教學為主，缺少實踐教學。由于課時少，再加上本課程涉及的機理和理論內(nèi)容多，所以教學主要以理論教學位置，實踐教學少之又少。另外，由于燃燒是一個十分復雜的燃燒過程，其中有很多理化現(xiàn)象和機理，比如，燃燒動力學和燃燒熱力學，這些內(nèi)容很難具有直觀性，從而使得理論講解比較抽象，學生理解起來有一定的難度，應繼續(xù)增加實踐教學環(huán)節(jié)。（3）教學形式單一。工程燃燒學”的教學方法采取的仍然是教師單方面的講授，填鴨式教學。這種教學方法可以使學生在短時間內(nèi)有了較多的知識了解，但課后學生往往不會再去主動思考，缺乏深刻理解和掌握，同時學生對課外知識的拓展不重視。（4）課程評價考核體系簡單。目前，本課程的考核一般采用期末考試（70%）和平常成績（30%）相結合的方式。這種考核方式主要注重學生理論知識的掌握，而往往忽略了學生實踐能力的培養(yǎng)；同時這種考核方式容易讓學生掌握考試的特點，而忽略了日常的學習。導致很多平時上課不認真聽講、不認真思考的學生，他們通過好的作業(yè)和考試之前臨時抱佛腳的突擊學習方式獲得較好的成績。這樣，學生只是短時記憶，并沒有真正地掌握所學知識點，沒有形成長久記憶。

2 教學改革與實踐解決的問題及目標

針對目前該課程存在的上述問題，結合本專業(yè)的特點，依照一流本科課程的教學目標，課題組制定了本課程教學改革要解決的重點問題和目標——提升課程的高階性、突出創(chuàng)新性和增加挑戰(zhàn)度。具體包括：（1）如何優(yōu)化理論和實踐課程的內(nèi)容，強調(diào)廣度和深度，既能較扎實地掌握燃料燃燒的基本原理，又能把這些理論知識與鍋爐燃料的實際燃燒聯(lián)系起來，比如，穩(wěn)燃技術和方法、低NO x燃燒技術和方法等，實現(xiàn)從理論到實踐，再從實踐到理論的不斷深化的良性循環(huán)。（2）如何改變傳統(tǒng)教師主導的單向教學方式為師生互動的雙向教學方式，大力推進現(xiàn)代信息技術與教學深度融合，積極引導學生進行探究式與個性化學習。（3）如何改變傳統(tǒng)教學中重理論輕實踐的教學模式，各個教學環(huán)節(jié)都以工程應用能力為核心，對某些燃燒專題，聘請企業(yè)人員進課堂或?qū)W生到生產(chǎn)一線現(xiàn)場學習。（4）如何解決課時少，教學任務重的問題。通過開展第二課堂、線上線下相結合等方式來實現(xiàn)。把相關的實踐實驗、理論深入研討、前沿知識拓展等放在第二課堂，或者線上進行，增強學生的實踐動手能力、拓展學生的知識視野，加強學生對本課程知識點的理解和長久記憶。（5）如何激發(fā)學生對科創(chuàng)活動的興趣，培育學生突破習慣性認知模式，培養(yǎng)學生深度分析、大膽質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神和能力。

3 教學改革與實踐的總體思路

3.1 調(diào)整課程教學內(nèi)容遵循“兩性一度”標準

以“應用”為目標、“電力”為特色整合教學內(nèi)容面向國家和華東地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展戰(zhàn)略需求，緊跟火力發(fā)電鍋爐燃燒的發(fā)展前沿，聚焦課程的教學熱點、難點和重點問題，把目前最先進的穩(wěn)燃技術、低NO x燃燒技術等引入教學中來。另外，在有限的時間里，合理分配各部分課時，根據(jù)課程的教學目標，要求學生重點掌握燃料成分及燃燒物質(zhì)平衡、化學反應動力學和熱力學、熱力著火理論、火焰?zhèn)鞑ミ^程、火焰穩(wěn)定性等主要問題。在講解各個知識點時，把思政融入課堂，比如，在緒論中講解燃燒時，把我國四大發(fā)明之一的火藥引入課堂；講解燃燒技術發(fā)展時，針對航空航天發(fā)動機中的燃燒技術，引入目前我國航空航天取得的成就，使學生油然而生自豪感和愛國情懷；播放太空對接畫面，培養(yǎng)學生精益求精的工匠精神。

3.2 教學方法體現(xiàn)先進性與互動性

大力推進現(xiàn)代信息技術與教學深度融合，積極引導學生進行探究式與個性化學習。一方面，采用計算機網(wǎng)絡和多媒體現(xiàn)代化手段進行課程教學，完成了工程燃燒學慕課建設。組織學生以小組形式，就某些燃燒專題進行探討。針對射流特性，采用計算流體軟件進行模擬計算，演示射流的擴散和發(fā)展。同樣，講解穩(wěn)定燃燒技術中的鈍體穩(wěn)焰器時，也采用計算流體軟件模擬計算，演示鈍體對流體射流的影響和其實現(xiàn)穩(wěn)燃的原理。講解有焰燃燒和無焰燃燒時，讓學生觀察打火機燃料燃燒和煙頭燃燒的區(qū)別，等等。這樣可以提高教學的生動性、直觀性和互動性，加深了學生對知識點的了解和掌握，同時增強專業(yè)的認同感和分析解決問題的綜合能力。另一方面，對接企業(yè)生產(chǎn)過程，聘請企業(yè)人員進課堂，在課程中引入工程案例進行大研討，提高學生的探知興趣和創(chuàng)新感悟。講授燃燒污染物控制機理這部分內(nèi)容時，課堂放在我們教師科研實驗室，邊做實驗邊講解，以研促教，增強學生的學習興趣和求知欲，培養(yǎng)他們的綜合能力。

3.3 實踐教學促進理論教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維

將科研融于課堂教學，既可激發(fā)學生的興趣，又可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維；利用第二課堂、互聯(lián)網(wǎng)平臺和校內(nèi)科研實驗瓶體，使得工程燃燒學課程在授課前、授課中和授課后，實踐教學環(huán)節(jié)貫串始終。上海電力大學能動專業(yè)學生第四學期期末安排有專業(yè)實習：組織學生去火力發(fā)電廠或燃燒設備生產(chǎn)廠進行為期兩周的實踐活動，了解燃燒設備及煙氣凈化設備的構造和工作原理、觀看燃料在爐內(nèi)的燃燒現(xiàn)象等。通過專業(yè)實習，使學生對燃燒及燃燒設備有了大概的了解，為第五學期工程燃燒學課程的學習奠定基礎。課堂授課時，講授某些燃燒現(xiàn)象時（如有焰無焰燃燒），增設一些簡單易操作的實驗，增強直觀可視性；或者采用動畫方式進行某些知識的講解，比如，鏈式反應這部分內(nèi)容；另外，利用第二課堂或互聯(lián)網(wǎng)平臺，對有興趣的學生講授一些簡單相關的燃燒數(shù)值計算知識，使他們可以采用數(shù)值模擬的方法對相關教學內(nèi)容進行模擬計算，比如，直流射流和旋轉射流的傳播等，使學生在獲得新知識和技能的同時，加深了對本課程相關內(nèi)容的了解和掌握。另外，平時學院教師的相關科研實驗室對學生都是開放的，有興趣的學生可以在這些實驗室開展相關的實驗探究，比如，采用熱重分析儀探究燃料的燃燒特征溫度、污染物控制實驗平臺上探究影響煙氣脫硝脫硫的因素、利用馬弗爐和灰熔點儀研究煤灰的熔融性等。實驗室里，學生也可以自行設計實驗裝置。這樣通過實踐活動，充分激發(fā)學生的求知欲望和探索精神，有效增強學生的動手操作能力，培養(yǎng)獨立工作能力和創(chuàng)造性思維。學生形成了濃厚的科創(chuàng)興趣后，積極參加各種科創(chuàng)競賽，并獲得了多項獎項。比如，“火電廠爐膛和風管綜合維護裝置的設計和研制”等獲得全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽國家級三等獎、“燃煤電站鍋爐高溫爐膛結焦結渣機器人處置系統(tǒng)”等獲得上海市“科技創(chuàng)造杯”競賽二等獎、“火力電廠爐膛內(nèi)壁綜合維護機器人”等獲得陳嘉庚青少年發(fā)明獎（上海）二等獎。

3.4 校企研合作師資隊伍建設的雙師化

培養(yǎng)學生的科創(chuàng)能力，必須擁有一支專業(yè)素養(yǎng)高、科創(chuàng)能力強的課題組教師隊伍。為此，教研室和課題組一方面引進企業(yè)高級人才加入本課題組，比如，程智海老師來自上海發(fā)電設備成套設計研究院；另一方面鼓勵教師去生產(chǎn)企業(yè)下廠實踐，比如，李彥老師2年全脫產(chǎn)參加了安徽平山電廠二期135萬千瓦燃煤機組的建設工程；課題組中多位老師既是專任教師又是工程師和仿真培訓師等。同時通過與企業(yè)和設計研究院所建立校企合作關系，建立有效的人員互相交流學習、共同進行科技攻關的合作機制，為建設應用型、創(chuàng)新性師資隊伍創(chuàng)造有利條件，使得教師隊伍向工程化“雙師型”方向發(fā)展。

3.5 過程化考核方式

本課程傳統(tǒng)考核方式的為期末考試（70%）和平常成績（30%），平時成績包括出勤情況和作業(yè)完成情況。這種考核方式具有一定的片面性和不公平性，因此，本課程進行教學改革時，把傳統(tǒng)考核方式為改過程化考核方式。過程化考核的成績由四部分組成：期末考試成績（50%）+各章節(jié)測驗成績（25%）+平時成績（20%）+創(chuàng)新實踐實驗（5%）。這種考核方式，充分考慮了學生的平時學習態(tài)度、對各章節(jié)的掌握程度、課程知識的長久記憶能力以及創(chuàng)新能力的體現(xiàn)。過程化考核方式提高了學生對本課程的掌握程度，受到學生的歡迎，實施效果良好。

3.6 課程思政進課堂，提升人文素養(yǎng)

工程燃燒學課程理論性相對較強，授課內(nèi)容略顯枯燥乏味，如果在各章講解過程中加入思政內(nèi)容，不僅可以使得授課內(nèi)容活潑生趣，同時正能量的思政內(nèi)容，也可以使學生具有積極進取的生活態(tài)度、充分的文化自信和堅定的青年擔當。

以課程知識為主線，充分挖掘各章節(jié)知識點相關的思政元素，課堂上教師給學生導入正能量、正思維、正精進的人物、事件等。比如，我國電力行業(yè)的發(fā)電設備及技術等從無到有、從弱小到在世界上發(fā)揮舉足輕重作用的過程、從消化吸收到自主創(chuàng)新的歷程；兩彈一星導彈之父錢學森院士突破重重困難，讓中國走到了世界前沿；四大發(fā)明的火藥，火箭、航空航天燃料及其燃燒特性等都被引入本課程的授課課堂中。這樣融思政教育于無形，提高學生人文素養(yǎng)的同時，激發(fā)他們愛國、敬業(yè)、精益求精、追求突破、追求革新的創(chuàng)新情懷與動力，負起青年一代應有的擔當。

4 結語

針對上海電力大學能源與動力工程專業(yè)的實際情況，課題組進行了工程燃燒學課程教學內(nèi)容和教學方法的改革及實踐。形成了滿足新工科背景下國家級一流本科專業(yè)課程建設要求的教學內(nèi)容體系和教學方法，包括開放性教學實驗室、科研實驗室、專業(yè)實習等。有利于學生充分理解并掌握教學內(nèi)容，增強動手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)；采用第二課堂、線上討論課等形式，拓展學生的知識面。通過本課程的教學改革，學生對本課程知識的掌握大幅提高，通過接受新的教學體系、教學內(nèi)容和教學方法，學生的專業(yè)素養(yǎng)得到了進一步提高，課程的及格率穩(wěn)中有升；同時，以滿足高水平應用型能源與動力專業(yè)人才培養(yǎng)需要為目標的師資隊伍建設，提高了師資隊伍的教學水平與實踐能力。