李芳芹 曾卓雄 仇中柱 吳 江 李 彥
(上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)
溫室效應(yīng)將引起全球氣溫上升,導(dǎo)致氣候異常、海平面上升、生態(tài)環(huán)境惡化。作為大國(guó)擔(dān)當(dāng),習(xí)近平總書記做出莊嚴(yán)承諾,我國(guó)力爭(zhēng)在2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這是對(duì)人類命運(yùn)的負(fù)責(zé)。在此背景下,針對(duì)能源動(dòng)力類專業(yè)的研究生培養(yǎng)也提出了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。碳達(dá)峰、碳中和涉及各行各業(yè),其如期實(shí)現(xiàn)最終靠的是科學(xué)技術(shù)、靠的是人才。國(guó)以才興,業(yè)以才旺,人才強(qiáng)國(guó)一直都是國(guó)家的重大戰(zhàn)略,研究生教育肩負(fù)著向國(guó)家各個(gè)領(lǐng)域輸送高層次專業(yè)人才的重要使命,關(guān)乎國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展,自然也關(guān)乎雙碳計(jì)劃的如期實(shí)現(xiàn)。“高等燃燒學(xué)”作為上海電力大學(xué)工程熱物理學(xué)科和熱能工程學(xué)科研究生的必修專業(yè)課程之一,其授課內(nèi)容與“雙碳計(jì)劃”“節(jié)能減排”緊密相關(guān),包括燃燒動(dòng)力學(xué)、燃燒熱力學(xué)、燃燒理論及模型、火焰?zhèn)鞑ゼ捌浞€(wěn)定性、氣體燃料、液體燃料和固體燃料的燃燒、燃燒污染物生成機(jī)理及控制方法等。這些知識(shí)點(diǎn)主要圍繞節(jié)能減排、碳達(dá)峰和碳中和進(jìn)行講解。內(nèi)容理論性強(qiáng)、概念多且抽象,同時(shí)又與電力生產(chǎn)過程聯(lián)系緊密,所以對(duì)學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力要求較高。為了更好地適應(yīng)國(guó)家“雙碳計(jì)劃”對(duì)人才的需求,課程組教師分析了本課程教學(xué)中存在的主要問題,提出了課程的教學(xué)改革目標(biāo),并對(duì)本課程進(jìn)行了相應(yīng)的課程改革和實(shí)踐。
一方面研究生培養(yǎng)注重其自學(xué)能力和科學(xué)研究能力,所以培養(yǎng)過程對(duì)其必修學(xué)分要求并不高。我校工程熱物理學(xué)科和熱能工程學(xué)科要求學(xué)生應(yīng)修課程學(xué)分不少于30學(xué)分;另一方面為拓展研究生知識(shí)面,學(xué)科開設(shè)的課程門數(shù)相對(duì)較多,這樣致使每門課程的學(xué)分不高。我校高等燃燒學(xué)課程為2學(xué)分,32課時(shí)。由于受到授課時(shí)數(shù)的限制,授課教師很難在課堂上帶領(lǐng)學(xué)生深入研究某些燃燒機(jī)理或額外補(bǔ)充太多相關(guān)的前沿知識(shí)。
由于課時(shí)少,再加上本課程涉及的機(jī)理和理論內(nèi)容多,所以課堂教學(xué)主要以理論教學(xué)為主,實(shí)踐教學(xué)少之又少,授課過程中枯燥乏味。其燃燒過程中涉及很多理化現(xiàn)象和機(jī)理,比如燃燒動(dòng)力學(xué)、燃燒熱力學(xué)等,這些內(nèi)容比較抽象,很難直觀講解,致使學(xué)生理解起來有一定的難度,迫切需要增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),增加授課趣味,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。
本課程教學(xué)內(nèi)容主要是按照講義教材進(jìn)行教學(xué)的,教材中的內(nèi)容雖然非常經(jīng)典,但是對(duì)于某些最新的前沿知識(shí),特別是工程應(yīng)用案例無法做到及時(shí)更新。在“雙碳計(jì)劃”背景下,需要適時(shí)加入實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的知識(shí)內(nèi)容。
課題組教師經(jīng)過多次研討、調(diào)研,充分考慮本學(xué)科研究生的培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)生基礎(chǔ)情況(很多學(xué)生本科階段沒有學(xué)習(xí)過工程燃燒學(xué))、結(jié)合國(guó)家“雙碳計(jì)劃”,確定了本課程的教學(xué)改革目標(biāo)。具體如下:(1)更新課程內(nèi)容,深入挖掘燃燒過程中涉及的節(jié)能減排、碳達(dá)峰和碳中和內(nèi)容,引入低碳、高效穩(wěn)燃、節(jié)能減排等最新技術(shù)。(2)以工程問題引領(lǐng)方式實(shí)施教學(xué)過程,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課程參與度;(3)線上線下混合式教學(xué),拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)維度,解決課堂教學(xué)時(shí)數(shù)受限問題。(4)思政融入課堂,培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的人生觀和價(jià)值觀,培養(yǎng)他們的職業(yè)認(rèn)同感和社會(huì)責(zé)任心。
根據(jù)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的含義與發(fā)展要求,結(jié)合我國(guó)能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀,對(duì)于電力行業(yè)來說,實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的路徑主要有:清潔低碳化電力生產(chǎn)、碳捕集及資源化利用和氫能源發(fā)展等。目前,我國(guó)能源結(jié)構(gòu)正在大幅調(diào)整,綠色能源發(fā)電比例不斷提高,但根據(jù)BP報(bào)告,2020年中國(guó)燃煤發(fā)電占中國(guó)發(fā)電量4917.7/7779.1×100%=63.2%,由此看出化石燃料在電力行業(yè)發(fā)展中仍起主導(dǎo)地位。而化石燃料燃燒生成的主要產(chǎn)物就是二氧化碳,與“雙碳計(jì)劃”聯(lián)系緊密。
結(jié)合清潔低碳化電力生產(chǎn)和碳捕集及資源化利用方面,本課程優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào):高效低碳燃燒原理及技術(shù)、穩(wěn)定燃燒原理及技術(shù)、污染物生成機(jī)理及控制措施等,同時(shí)增加二氧化碳的生成機(jī)理及捕集技術(shù)。此外,根據(jù)我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”發(fā)展現(xiàn)狀,本課程結(jié)合先進(jìn)的燃燒技術(shù)、教師團(tuán)隊(duì)的科研成果,緊跟火力發(fā)電鍋爐燃燒的發(fā)展前沿,聚焦課程的教學(xué)熱點(diǎn)、難點(diǎn)和重點(diǎn)問題,增加最前沿的相關(guān)知識(shí)和技術(shù)。
圍繞“雙碳計(jì)劃”,課程內(nèi)容以典型工程案例形式提出,激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)分析問題或者提出新的問題,進(jìn)而培養(yǎng)他們解決問題的能力。比如講到燃燒的穩(wěn)定性內(nèi)容時(shí),以大型燃煤電站鍋爐的“低負(fù)荷穩(wěn)燃”問題為典型案例,引導(dǎo)學(xué)生分析為什么鍋爐低負(fù)荷時(shí)穩(wěn)燃問題非常重要?為什么會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題?從燃燒的角度,利用哪些理論來指導(dǎo)解決這個(gè)問題?學(xué)生把上述問題分析透徹之后,接著提出在工程應(yīng)用中有哪些技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)燃?學(xué)生充分思考后,教師引入鈍體燃燒技術(shù)、濃淡燃燒技術(shù)、穩(wěn)燃器技術(shù)等,分析這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)燃的工作原理。最后再深挖實(shí)現(xiàn)穩(wěn)燃的其他途徑,比如“廣義回?zé)帷?,探討該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)清潔高效穩(wěn)燃中應(yīng)用的可能性。
為解決本課程課堂時(shí)數(shù)少但授課內(nèi)容多的矛盾,課題組采用了線上線下混合式多維度教學(xué)。線上線下教學(xué)又分為第一課堂和第二課堂,第一課堂是按著教務(wù)安排的教學(xué)時(shí)間進(jìn)行,第二課堂則是利用課外時(shí)間進(jìn)行。這樣可以彌補(bǔ)課程時(shí)數(shù)少的問題。第一課堂的線下授課主要是課堂教學(xué),在教室內(nèi)完成,進(jìn)行理論內(nèi)容的講解;第一課堂的線上授課主要是利用互聯(lián)網(wǎng)、騰訊會(huì)議等平臺(tái),進(jìn)行專題討論、案例分析等內(nèi)容;第二課堂的線下授課主要是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,在相應(yīng)的教學(xué)平臺(tái)或科研平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)燃燒實(shí)驗(yàn)的研究或者科創(chuàng)項(xiàng)目的開展;第二課堂的線上內(nèi)容只要是燃燒數(shù)值模擬方面的專題講解,包括軟件使用、物理模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件的給定、燃燒模型的選擇等。這部分內(nèi)容主要針對(duì)感興趣的學(xué)生。比如在講到火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娼Y(jié)構(gòu)組成等內(nèi)容時(shí),開展開放性實(shí)驗(yàn),有興趣的同學(xué)可以到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行探究Bensun火焰及Smithell火焰、本生燈法層流火焰?zhèn)鞑サ?;在講到穩(wěn)定燃燒技術(shù)時(shí),課外線上指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)建模軟件和模擬計(jì)算軟件,并進(jìn)行相關(guān)穩(wěn)燃技術(shù)(比如鈍體燃燒器)的數(shù)值仿真計(jì)算;在講到高效低碳燃燒技術(shù)等內(nèi)容時(shí),開展線上專題討論(如廣義回?zé)峒捌鋵?shí)現(xiàn)高效低碳燃燒的應(yīng)用等)。本課程通過采用多種教學(xué)方法和手段,線上線下混合、課內(nèi)課外結(jié)合,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲,同時(shí)增加他們的動(dòng)手能力。另外,對(duì)接全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽,開展相應(yīng)的科創(chuàng)指導(dǎo),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,而獲獎(jiǎng)的學(xué)生又會(huì)有很強(qiáng)的榮譽(yù)感。
充分挖掘課程思政元素,將社會(huì)主義核心價(jià)值觀貫穿本課程教學(xué)的整個(gè)過程中,培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的人生觀和價(jià)值觀。專業(yè)教學(xué)和職業(yè)道德培育有機(jī)融合,培養(yǎng)愛國(guó)、敬業(yè),有專業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)道德感的專業(yè)人才。
依據(jù)教學(xué)內(nèi)容,通過教師收集整理的人物事跡紀(jì)錄片、演講視頻、人物傳記等資料,適時(shí)加入教學(xué)內(nèi)容中去,實(shí)現(xiàn)專業(yè)教學(xué)和課程育人的有機(jī)結(jié)合。比如講解到燃燒發(fā)展史中的燃素學(xué)說和氧化學(xué)說內(nèi)容時(shí),以“現(xiàn)代化學(xué)之父”安托萬—洛朗·拉瓦錫為人物典型。為了解釋“燃燒”這一常見的化學(xué)現(xiàn)象,德國(guó)醫(yī)生斯塔爾提出燃素說,認(rèn)為物質(zhì)在空氣中燃燒是物質(zhì)失去燃素,空氣得到燃素的過程。很多化學(xué)家都擁護(hù)這一說法。然而面對(duì)這一問題,拉瓦錫卻持保留態(tài)度,并設(shè)計(jì)了著名的鐘罩實(shí)驗(yàn)對(duì)硫、錫和鉛在空氣中燃燒的現(xiàn)象進(jìn)行研究。通過金屬煅燒實(shí)驗(yàn),他提出了燃燒作用的氧化學(xué)說。拉瓦錫不隨波逐流和對(duì)待科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度值得人們學(xué)習(xí)。再比如燃燒技術(shù)發(fā)展史部分中講到燃燒在航空航天事業(yè)中的應(yīng)用時(shí),以我國(guó)“兩彈一星”錢學(xué)森作為人物典型,在那樣艱苦的條件下,其孜孜不倦地求索與鉆研、其不怕困難、絕不放棄、為國(guó)奉獻(xiàn)的精神激勵(lì)人們前進(jìn)。另外,在講到燃燒對(duì)人類生存環(huán)境的影響時(shí),引入“雙碳計(jì)劃”,分析這一計(jì)劃提出的背景。讓學(xué)生明白“雙碳”目標(biāo)的提出是我國(guó)主動(dòng)承擔(dān)應(yīng)對(duì)全球氣候變化責(zé)任的大國(guó)擔(dān)當(dāng),學(xué)生油然而生出滿滿的民族自豪感。同時(shí),作為能源動(dòng)力類專業(yè)的研究生,充分了解本專業(yè)是與實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)密不可分的專業(yè)之一,讓他們充滿職業(yè)認(rèn)同感和責(zé)任感。
將節(jié)能減排、“雙碳計(jì)劃”等與本課程教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的國(guó)家戰(zhàn)略或典型工程案例引入教學(xué)內(nèi)容中來。通過分組討論,師生互動(dòng),還可以借助互聯(lián)網(wǎng)、騰訊會(huì)議等平臺(tái)實(shí)現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)。學(xué)生為主,教師為輔,變教師授課為教師引導(dǎo),學(xué)生由被動(dòng)接收變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。針對(duì)某一知識(shí)點(diǎn),學(xué)生分組進(jìn)行查閱并整理資料,制作課件,在課堂上分別講述他們的觀點(diǎn)。疏密之處,由其他學(xué)生或者教師補(bǔ)充。結(jié)束后教師進(jìn)行分組打分,作為學(xué)生平時(shí)成績(jī)的參考之一。這樣不僅可以提高他們的小組協(xié)作能力,還可以鍛煉他們的語言表達(dá)能力。
作為學(xué)校培養(yǎng)人才的一線教師,要時(shí)刻不忘立德樹人之初心,牢記為黨育人為國(guó)育才之使命。作為能源動(dòng)力類研究生的必修課程,高等燃燒學(xué)課程授課過程中,要緊跟國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃,及時(shí)更新前沿知識(shí),融入思政教育。為了解決本授課內(nèi)容多而課程課堂時(shí)數(shù)少的矛盾,課程組采用線上線下混合、第一課堂和第二課堂結(jié)合的教學(xué)方式,拓展了有限的課堂課程學(xué)時(shí),實(shí)現(xiàn)課程的專業(yè)知識(shí)教學(xué)目標(biāo)。為了解決本課程理論性強(qiáng)學(xué)生難理解的問題,課程組采用工程案例引導(dǎo)式教學(xué)方法,并通過開放性實(shí)驗(yàn)和模擬仿真軟件的使用,更直觀地把課程內(nèi)容反映出來,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。另外,根據(jù)研究生思政培育要求,在課程內(nèi)容中加入了思政元素。課程組積極挖掘各知識(shí)點(diǎn)涉及的思政元素,以典型人物、事件等作為思政內(nèi)容,適時(shí)融入課程內(nèi)容。
本課程教學(xué)內(nèi)容與國(guó)家節(jié)能減排和“雙碳計(jì)劃”戰(zhàn)略緊密相關(guān),此背景下,課題組進(jìn)行了高等燃燒學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革及實(shí)踐,形成了滿足研究生培養(yǎng)專業(yè)課程建設(shè)要求的教學(xué)內(nèi)容體系和教學(xué)方法。通過開放性教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、科研實(shí)驗(yàn)室等增加學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力;采用線上線下混合式教學(xué)模式,拓展學(xué)生的知識(shí)面。通過本課程的教學(xué)改革,加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)本課程知識(shí)的了解和掌握,能夠應(yīng)用所學(xué)知識(shí)對(duì)實(shí)際工程中遇到的燃燒問題進(jìn)行解釋。