“雙碳”背景下燃燒學教學的困境、機遇與挑戰(zhàn)

摘 "要：“雙碳”政策正促進我國能源供需的結(jié)構(gòu)性調(diào)整。新能源技術(shù)的不斷涌現(xiàn)使傳統(tǒng)燃燒技術(shù)及應(yīng)用面臨巨大挑戰(zhàn)。在這一背景下，燃燒學教學遇到了困境，也迎來了機遇與挑戰(zhàn)。如何引導(dǎo)學生辯證把握新能源和燃燒科學的關(guān)系，理解時代背景下燃燒學的新內(nèi)涵和新使命，激發(fā)學生興趣，啟發(fā)學生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學生實踐能力，抓住燃燒學教學新機遇是教師需要思考的課題，旨在不斷提升教師知識水平和教學能力是實現(xiàn)教學設(shè)計目標的根本保障。

關(guān)鍵詞：燃燒學；“雙碳”；教學改革；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0 " "文獻標識碼：A " "文章編號：1673-7164（2024）29-0157-04

隨著全球氣候問題日益嚴峻，世界各國紛紛提出“雙碳”目標，即碳達峰和碳中和。這對燃燒科學提出了新的要求和挑戰(zhàn)，也為燃燒學發(fā)展帶來了新的機遇。

一、辯證把握新能源和燃燒科學的關(guān)系，擺脫教學困境

“雙碳”背景下，新能源技術(shù)如風能、太陽能、核能等得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，新能源具有清潔、可再生、低碳等優(yōu)點，是實現(xiàn)碳中和的重要手段。新能源技術(shù)的應(yīng)用使火力發(fā)電、內(nèi)燃機等傳統(tǒng)燃燒技術(shù)受到?jīng)_擊。燃燒被片面地理解為產(chǎn)生大量二氧化碳等溫室氣體的過程，燃燒學教學也因此受到了一些負面影響。在教學中，教師應(yīng)明確燃燒學教學的定位和培養(yǎng)目標，強調(diào)辯證把握新能源和燃燒科學的關(guān)系，使學生理解時代背景下燃燒學的內(nèi)涵和外延，明晰燃燒學學習的目的和意義，端正學習態(tài)度，激發(fā)學習興趣，擺脫教學困境。

（一）學生主觀學習意愿一般，對燃燒學存在誤解

一些片面的觀點將燃燒理解為高污染、高排放、低效率的過程。這影響了教師的教學積極性和效果，降低了學生對燃燒學學習的興趣和動力。作者在燃燒學授課前對教學班內(nèi)27名能源動力類三年級本科生進行了調(diào)查。結(jié)果表明，多數(shù)學生對燃燒學學習感興趣，少數(shù)學生對燃燒學教學充滿期待，仍有37%的學生對燃燒學興趣不足，學習積極性欠佳。深入了解得知，部分學生將燃燒學與新能源科學對立而觀，認為燃燒學的研究內(nèi)容陳舊，不符合現(xiàn)代社會的需求，相應(yīng)的工作機會較少，未來職業(yè)發(fā)展空間也較小。因此，燃燒學教學之初首先應(yīng)消除學生對課程的偏見，糾正學生對燃燒學的錯誤認識，激發(fā)學生的學習意愿。

（二）“雙碳”背景下的燃燒科學定位與發(fā)展趨勢

燃燒在人類發(fā)展中扮演著重要角色，也必將在人類未來發(fā)展中繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。如今，燃燒學已經(jīng)從一門傳統(tǒng)經(jīng)驗科學發(fā)展成為一門涉及熱力學、動力學、流體力學、傳熱學、傳質(zhì)學等諸多學科交叉的理論與實踐高度融合的科學體系。燃燒學的發(fā)展和相關(guān)人才培養(yǎng)對我國構(gòu)建安全、高效、清潔、低碳的能源體系意義重大。燃燒學一直是我國能源動力工程專業(yè)本科生的專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，對培養(yǎng)學生的科學思維、工程思維、全局意識、辯證意識及綜合實踐能力等有重要價值?！半p碳”背景下傳統(tǒng)燃燒過程圍繞著“高效”“清潔”“低碳”依然有許多問題值得研究，如低負荷下的穩(wěn)燃問題，燃燒中的碳捕集問題等。

另外，新能源科學可視為燃燒科學的延伸，其發(fā)展也離不開對燃燒過程的深入了解。強調(diào)燃燒學基礎(chǔ)知識，通過深入學習傳統(tǒng)燃燒原理，學生能夠更好地理解新能源技術(shù)的本質(zhì)和革新。鼓勵學生開展跨學科的研究與合作，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，將新能源技術(shù)與傳統(tǒng)燃燒技術(shù)相結(jié)合，推動能源技術(shù)的進步。例如，在氫燃燒領(lǐng)域運用燃燒學知識可保證燃燒安全，調(diào)控燃燒強度，提高燃燒效率，減少污染排放等。同時，新型燃料的燃燒機理及先進燃燒器設(shè)計要求燃燒理論和燃燒技術(shù)的進一步發(fā)展，燃燒科學仍有巨大的進步空間。

二、深刻理解燃燒學新內(nèi)涵，搶抓教學發(fā)展新機遇

教師應(yīng)正視燃燒學發(fā)展方向，才能在教學實踐中更好地引導(dǎo)學生學習燃燒學。實際教學過程中應(yīng)做到以下四點：

（一）引起學生共鳴：燃燒原理及應(yīng)用與生產(chǎn)生活息息相關(guān)

燃燒過程和燃燒技術(shù)與日常生產(chǎn)生活息息相關(guān)。例如，家中常用的燃氣灶點火過程是“火等氣”還是“氣等火”；蠟燭燃燒為何有的“無煙”有的“冒黑煙”；汽車加油為什么有“95號”和“92號”的區(qū)別；粉體或紡織品加工廠房為什么要除靜電等。諸如此類的問題應(yīng)該是學生通過學習燃燒學相關(guān)知識后能夠從燃燒機理的層面加以解釋的。也正因可以將所學用于理解自然或日常過程中的現(xiàn)象，學生才更容易自發(fā)接納這門課程，認識到這門課程的實用性，才能學好這門課程。經(jīng)調(diào)查可知，多數(shù)學生認可燃燒學對于日常生活的重要性，但仍有學生不完全認同燃燒學與生活的聯(lián)系，這就需要教師在教學過程中引導(dǎo)學生關(guān)注生活中的燃燒現(xiàn)象，引起學生共鳴，改變被動學習的狀態(tài)，主動學習燃燒學知識內(nèi)容。根據(jù)前文調(diào)查結(jié)果，學生基本認可了燃燒學學習對未來就業(yè)升學的重要性，這也激勵教師要通過燃燒學課程更好地引導(dǎo)本科生明確擇業(yè)或升學方向。

（二）幫助學生理解：燃燒的安全、高效、清潔是“雙碳”的第一抓手

脫離國情談“雙碳”是不負責任的行為。“富煤貧油少氣”是我國能源結(jié)構(gòu)的基本面，化石能源尤其煤炭在我國能源體系中占主體地位，起到了能源供應(yīng)“穩(wěn)定器”和“壓艙石”的作用。［1］長期以來電力供應(yīng)是煤燃燒的主要任務(wù)，然而傳統(tǒng)燃燒方式下，煤燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳和污染物對環(huán)境造成巨大壓力，探索先進發(fā)電技術(shù)，提高燃燒效率、清潔度及單位碳排放是推動節(jié)能減排、應(yīng)對氣候變化的重要手段。超臨界發(fā)電技術(shù)、先進整體煤氣化燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)、整體煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)技術(shù)、碳捕獲利用與封存技術(shù)等先進發(fā)電技術(shù)都是革新電力系統(tǒng)的重要手段，也是燃燒學需要解決的重要主要課題。［2］為實現(xiàn)“雙碳”目標，存量減煤減碳與增量綠色發(fā)展需要同步進行。燃煤發(fā)電正逐漸由能源供給主體向托底能源轉(zhuǎn)變，燃煤發(fā)電正逐步承擔深度調(diào)峰的功能，因此低負荷下的穩(wěn)定燃燒及污染物控制對先進煤炭發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新意義重大。［3］除電力行業(yè)外，鋼鐵行業(yè)、水泥行業(yè)、化工行業(yè)等也涉及燃燒及碳排放的問題。［4］以鋼鐵行業(yè)為例，鋼鐵生產(chǎn)中大量的燃料用于高溫熔煉和熱處理過程。通過采用高效的燃燒技術(shù)，如先進的燃燒設(shè)備、高效燃燒控制系統(tǒng)以及燃燒過程的優(yōu)化，可以提高能源利用效率，減少燃料的浪費，從而減少碳排放。采用焦炭類可再生能源或其他更清潔的燃料替代傳統(tǒng)的高碳燃料。加強燃燒過程的監(jiān)測和控制，確保燃燒的穩(wěn)定和高效，可以最大限度地減少不必要的能源浪費和碳排放。因此，運用好現(xiàn)有的燃燒理論和技術(shù)是實現(xiàn)雙碳的第一抓手，也是燃燒學教學的基本點。

（三）啟發(fā)學生創(chuàng)新：新型燃料及燃燒技術(shù)是燃燒轉(zhuǎn)型的重要課題

新型燃料如氫氣、氨、醇類等具有高能量密度、低碳排放等特點，是未來能源轉(zhuǎn)型的重要方向。從燃燒學的角度，這些新型燃料也帶來了新的發(fā)展機遇，如如何有效地點火和控制、如何減少副產(chǎn)物和污染物等。這些問題都需要借助先進的燃燒理論和技術(shù)來解決。應(yīng)用方面，中國非常重視氫燃機的開發(fā)和應(yīng)用，中國重燃在國電投湖北公司荊門工廠的F級燃氣輪機上進行了摻氫燃燒試驗研究及示范認證，為能源低碳轉(zhuǎn)型提供解決方案。［5］民用氫能利用主要包括天然氣摻氫燃燒等。摻氫會造成燃燒速率加快、火焰變短、燃燒強度增加、燃料泄漏風險提高、可燃范圍增大等。摻氫或純氫燃燒的煙氣成分會發(fā)生變化，如果燃燒控制不合理可能造成氮氧化物（NOx）排放濃度過高等問題。［6］這些也給燃燒科學發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。相較于氫，氨具有生產(chǎn)工藝成熟、儲存運輸難度小等優(yōu)勢，但氨燃燒存在反應(yīng)活性較弱、著火困難、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?、燃燒不穩(wěn)定、NOx排放高等問題，對新型燃燒器設(shè)計及燃燒組織優(yōu)化提出了挑戰(zhàn)。同時，建立相關(guān)氨燃燒化學反應(yīng)動力學模型，探究氨燃料燃燒特性等也是先進燃燒科學的研究方向。［7］此外，甲醇內(nèi)燃機、液體火箭、高超音速飛行器等新型應(yīng)用領(lǐng)域這些領(lǐng)域中涉及極端條件下的高溫高壓高速復(fù)雜流動和化學反應(yīng)過程，對傳統(tǒng)的燃燒模型和方法提出了新的挑戰(zhàn)和需求。這些領(lǐng)域也為燃燒學教學提供了新的視角和案例，可以激發(fā)學生的興趣和創(chuàng)新力。［8］

（四）培養(yǎng)學生能力：重視邏輯思維與實踐能力培養(yǎng)，鼓勵鉆研燃燒理論

燃燒學課程內(nèi)容范圍較廣，學科知識體系深度交叉，具體的應(yīng)用對象也多，且應(yīng)用型高校的學生在理學基礎(chǔ)、思考深度和獨立研究能力方面與研究型高校的學生存在一定的差距，如果過分強調(diào)燃燒理論的講授，容易造成課程難度過大，具象化程度不足，學生被動接受知識，跟不上教學進度，產(chǎn)生疲倦甚至抵觸情緒等問題。［9］因此，燃燒學教學過程中應(yīng)關(guān)注能源動力相關(guān)領(lǐng)域中最新工程技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，引導(dǎo)學生解決工程實際問題，鼓勵學生能夠參與動手實踐。同時強調(diào)對燃燒學課程內(nèi)容邏輯的理解，要求學生能夠運用所學知識分析、評估具體的燃燒現(xiàn)象或燃燒設(shè)備并提出優(yōu)化意見。對于學習能力較強、學習興趣濃厚的學生，應(yīng)該鼓勵學生深入鉆研燃燒基礎(chǔ)理論，為未來從事燃燒方向的基礎(chǔ)研究做好準備。

三、積極提升燃燒學教學技能，沉著應(yīng)對教育新形勢

教學過程實現(xiàn)和教學效果達成需要教師教學能力及技能的支撐，順應(yīng)燃燒學教學發(fā)展新形勢，持續(xù)更新教學內(nèi)容，合理運用數(shù)字化教學新技術(shù)，使課程符合學生期望，“對癥下藥”才能培養(yǎng)出優(yōu)秀的人才。這對教師教學過程的開展提出了新的挑戰(zhàn)。

（一）拓展并充實教師自身知識體系，突出個人知識特色

燃燒學課程內(nèi)容包括燃料形成、分類、組成及理化性質(zhì)；燃料燃燒化學反應(yīng)熱力學動力學基礎(chǔ)；射流混合過程；火焰著火、傳播、穩(wěn)定性；燃燒設(shè)備及燃燒組織特性；污染物生成及控制等。［10］因此，教師需要具備廣泛的知識面并能夠及時更新自身知識儲備。這要求教師能夠投入足夠的時間和精力，不斷跟進燃燒學最新的科技動態(tài)和前沿成果，與相關(guān)領(lǐng)域的專家和同行保持交流和合作，拓寬自身的視野和思路。在教學過程中教師可以結(jié)合自身研究特色，拓展燃燒學教學內(nèi)容，激發(fā)學生學習興趣。

（二）掌握并合理運用新興教學手段，提高學生參與度

對于燃燒學課程，學生比較認可教師講授及板書的教學方式，同時希望在課程中引入一些提問、動畫視頻及課堂實驗等互動環(huán)節(jié)，也期待教師能夠在講授過程中介紹相關(guān)科研情況及就業(yè)情況，此外學生還希望教師能安排相應(yīng)的作業(yè)和答疑環(huán)節(jié)。對翻轉(zhuǎn)課堂這類轉(zhuǎn)換教學主體，以學生分享為主的教學方式并不受學生青睞，這可能是由于學生對知識輸出過程的不適應(yīng)和不自信，教師在采用諸如此類的新興教學方法時要特別注意技巧，以免適得其反。隨著科技發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）、元宇宙教學融合技術(shù)在燃燒學教學中具有良好的應(yīng)用前景。燃燒過程往往具有一定危險性，且對設(shè)備、場地、環(huán)境有一定的要求，通過數(shù)字化教育手段既可以保證燃燒過程的具象化、可視化，又可以保證安全性和互動性，方便學生理解，提高教學質(zhì)量。［11-12］燃燒學課程學時有限，工程實踐教學平臺的構(gòu)建及組織實施能有效地利用學生課后的時間，采用啟發(fā)式、討論式和參與式教學模式可以提高學生的工程實踐能力、自主學習能力、創(chuàng)新能力等。［13］

（三）更新并調(diào)整教材、教案、PPT等教學資料，適宜學科新發(fā)展

由于燃燒技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域在“雙碳”背景下發(fā)生了較大的變化，傳統(tǒng)的教材已經(jīng)不能滿足當前的教學需求。因此，教師需要根據(jù)最新的科技發(fā)展和行業(yè)動態(tài)，追蹤“雙碳”背景下的燃燒學學科前沿問題、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢，及時地對教材進行適當?shù)恼{(diào)整和更新，增加低負荷燃燒、氫能利用、碳減排及清潔燃燒等內(nèi)容，保證教材、教案、教學PPT與時俱進，保持課程體系的先進性與前沿性。［14］

四、結(jié)語

“雙碳”時代燃燒學教學存在一些困境，但更多的是新的機遇與挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)燃燒技術(shù)受到抑制的同時，新型燃燒技術(shù)的快速發(fā)展為燃燒學教學提供了廣闊的空間。教師應(yīng)不斷拓展知識面，創(chuàng)新教學方法，更新教材內(nèi)容，以適應(yīng)“雙碳”時代的需求。燃燒學教學應(yīng)該更好地服務(wù)于我國能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)更多的優(yōu)秀人才，為“雙碳”目標的實現(xiàn)貢獻力量。

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（責任編輯：邵秋露）

基金項目：2022年上海理工大學留學生全英授課專業(yè)建設(shè)項目“高等燃燒學”；2022年上海市科委啟明星培育（揚帆）計劃項目“融合圖像—光譜—微流化床熱重法的堿金屬基二氧化碳固體吸收劑脫碳反應(yīng)動力學及過程可視化研究”（項目編號：22YF1429600）。

作者簡介：蔡天意（1991—），男，博士，上海理工大學講師，研究方向為顆粒、多相流測量方法及多相反應(yīng)機理；張守玉（1971—），男，博士，上海理工大學教授，研究方向為生物質(zhì)制備成型燃料；周騖（1986—），女，博士，上海理工大學教授，研究方向為顆粒及多相流測量方法及應(yīng)用；楊薈楠（1983—），女，博士，上海理工大學教授，研究方向為氣液兩相多參數(shù)同步測量方法研究及應(yīng)用；王秋麟（1987—），女，博士，上海理工大學副教授，研究方向為固廢資源化利用，污染物排放控制。