“燃燒與污染控制”教學(xué)效果改善分析

摘要：“燃燒與污染控制”課程內(nèi)容包括“燃燒學(xué)”“污染物控制”兩部分，具有理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、技術(shù)更新快以及與實(shí)踐聯(lián)系緊密等課程特點(diǎn)。結(jié)合幾年的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)教學(xué)過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，提出合理選擇教材、合理制訂教學(xué)內(nèi)容及合理采用教學(xué)手段等一些改善課程教學(xué)的建議。

關(guān)鍵詞：課程特點(diǎn)；教學(xué)內(nèi)容實(shí)踐；課程教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）23-0123-02

世界能源主要來(lái)源于礦物質(zhì)燃料的燃燒，而礦物質(zhì)燃料的燃燒又是硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、二氧化碳（CO2）及細(xì)顆粒物（PM2.5）等各種大氣污染物的主要來(lái)源。[1]“燃燒與污染控制”是在“燃燒學(xué)”課程的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)前燃燒污染物控制問(wèn)題越來(lái)越突出的情況下發(fā)展起來(lái)的一門較新的學(xué)科。該課程既研究礦物質(zhì)燃料的燃燒過(guò)程及化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，又研究燃燒導(dǎo)致的大氣污染物排放控制的專門學(xué)科。

盡管近幾年來(lái)“燃燒與污染控制”這門課程有了很大的發(fā)展，各高校在教學(xué)方面也積累了很多經(jīng)驗(yàn)，但與“工程熱力學(xué)”“流體力學(xué)”等傳統(tǒng)主干課相比，該課程的教學(xué)依然存在不少問(wèn)題，如學(xué)生普遍反映該課程理論難度大、知識(shí)點(diǎn)多且零散、對(duì)數(shù)學(xué)要求高等。[2]

為此，筆者結(jié)合幾年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐對(duì)該課程教學(xué)過(guò)程中遇到的一些困難及解決方法進(jìn)行梳理和總結(jié)，并對(duì)“燃燒與污染控制”課程教學(xué)內(nèi)容的制訂及教學(xué)手段的選擇提出了自己的意見(jiàn)。

一、課程內(nèi)容及特點(diǎn)

1.課程內(nèi)容

“燃燒與污染控制”主要包括化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、燃料的著火理論、火焰的傳播與穩(wěn)定理論及湍流燃燒理論模型等基礎(chǔ)理論；液體燃料、固體燃料的燃燒過(guò)程及其經(jīng)典的模型；SOx、NOx等污染物的形成及分解機(jī)理以及主要的污染物控制技術(shù)。在污染物控制部分，由于近年來(lái)國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題愈加重視，新的污染物控制要求、控制內(nèi)容及相應(yīng)的新的污染物控制理論及技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如PM2.5的產(chǎn)生機(jī)理及控制理論、控制技術(shù)，CO2的捕集與處理技術(shù)等。

通過(guò)相關(guān)內(nèi)容的講解，使學(xué)生了解燃燒及燃燒污染物生成的基本原理，了解掌握最新的污染物控制技術(shù)，學(xué)會(huì)抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，從而理論聯(lián)系實(shí)際，利用所學(xué)知識(shí)解決工程中的實(shí)際問(wèn)題。

2.課程特點(diǎn)

“燃燒與污染控制”課程燃燒學(xué)部分涉及到傳熱、傳質(zhì)、傳動(dòng)量及化學(xué)反應(yīng)，也就是俗稱的“三傳一反”，知識(shí)點(diǎn)多、理論性強(qiáng)、學(xué)科交叉性強(qiáng)。[3]因此，一方面，該課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生很好地掌握“工程熱力學(xué)”“流體力學(xué)”和“傳熱學(xué)”等專業(yè)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容；另一方面，該課程的學(xué)習(xí)又促進(jìn)了學(xué)生對(duì)上述課程知識(shí)點(diǎn)的理解。

相比較而言，燃燒部分理論性更強(qiáng)，是一門典型的實(shí)驗(yàn)研究和理論總結(jié)相結(jié)合的學(xué)科。由于燃燒過(guò)程的復(fù)雜性，截至目前，燃燒科學(xué)的研究仍然以實(shí)驗(yàn)研究為主。先進(jìn)診斷技術(shù)的不斷出現(xiàn)使得燃燒實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)更加可靠、準(zhǔn)確。[4]20世紀(jì)以來(lái)，著火模型、火焰?zhèn)鞑ダ碚摗⒎磻?yīng)流體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)等的建立使燃燒理論有了長(zhǎng)足的發(fā)展。并且，隨著大型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使得采用數(shù)值模擬方法研究燃燒過(guò)程已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。[5]這些都促進(jìn)了燃燒學(xué)的發(fā)展。但這些理論模型大多以偏微分方程的形式出現(xiàn)，導(dǎo)致僅學(xué)過(guò)常微分方程的本科生很難理解。這要求授課的老師探索找到適合本科生知識(shí)結(jié)構(gòu)及認(rèn)知水平的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段。

污染物控制部分主要研究燃燒導(dǎo)致的大氣污染物的產(chǎn)生機(jī)理、燃燒中及燃燒后控制大氣污染物產(chǎn)生及排放的主要技術(shù)手段。事實(shí)上，C、N、S元素既是常見(jiàn)燃料的組分，參與燃燒反應(yīng)過(guò)程，同時(shí)其反應(yīng)生成物CO2、NOx、SOx又是大氣污染物的主要成分。因此，該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)與燃燒學(xué)部分的學(xué)習(xí)緊密聯(lián)系。污染物控制除了從機(jī)理上分析研究污染物生產(chǎn)及控制外，更注重實(shí)踐環(huán)節(jié)，即污染物控制的主要技術(shù)手段及方法的介紹。由于我國(guó)近年來(lái)愈發(fā)重視大氣污染物控制，新的污染物控制內(nèi)容、新的污染物控制理論及方法不斷出現(xiàn)，這就要求老師不斷追蹤新知識(shí)、新技術(shù)，不斷充實(shí)、更新自己的專業(yè)知識(shí)。

二、教學(xué)方法

1.教材的選擇

“燃燒與污染控制”這門課程知識(shí)點(diǎn)多、理論性強(qiáng)、概念抽象，如何上好這門課，選擇好的教材是非常重要的環(huán)節(jié)。只有選擇好的教材才能根據(jù)教材合理制訂教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)計(jì)劃，進(jìn)而有效促進(jìn)教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)。目前市面上發(fā)行的教材一般都側(cè)重于“燃燒學(xué)”部分，“燃燒污染物控制”部分往往不作為重點(diǎn)，只是捎帶介紹。這些教材主要有國(guó)外教材的國(guó)內(nèi)翻譯版和國(guó)內(nèi)教材兩類，這兩類教材各有特點(diǎn)。[6]將“燃燒學(xué)”“燃燒污染物控制”作為重點(diǎn)的教材只有由浙江大學(xué)岑可法院士領(lǐng)銜編寫(xiě)的《燃燒與污染控制》。筆者認(rèn)為，合適的教材應(yīng)該能夠與學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)及認(rèn)知能力相適應(yīng)，與該課程的教學(xué)目標(biāo)相適應(yīng)。

針對(duì)本課程的特點(diǎn)，教材的內(nèi)容要全且新，尤其是污染物控制部分，應(yīng)能夠較好地反映當(dāng)前的理論發(fā)展水平及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。教材內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、燃燒物理基礎(chǔ)、液體及固體燃料的燃燒、各種主要燃燒染污物的形成機(jī)理及控制方法等。由于是面向本科生的教材，應(yīng)當(dāng)內(nèi)容簡(jiǎn)單易懂，表述深入淺出，實(shí)例豐富直觀，結(jié)構(gòu)邏輯清晰，能有效銜接理論分析與工程實(shí)例。這樣才能使學(xué)生學(xué)起來(lái)不感到沉悶單調(diào)、枯燥乏味。目前國(guó)內(nèi)出版的《燃燒與污染控制》教材要么理論性太強(qiáng)，要么涵蓋內(nèi)容不全面，要么針對(duì)性太強(qiáng)，總之都存在這樣或那樣的問(wèn)題。

2.教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容系指教學(xué)過(guò)程中同師生發(fā)生交互作用、服務(wù)于教學(xué)目的達(dá)成的動(dòng)態(tài)生成的素材及信息，是教學(xué)的核心。[7]教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該具有目標(biāo)性、實(shí)效性、科學(xué)性、啟發(fā)性。對(duì)于“燃燒與污染控制”教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，筆者認(rèn)為應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

（1）內(nèi)容要重點(diǎn)突出，有的放矢。該課程內(nèi)容包括化學(xué)熱力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、著火理論、火焰?zhèn)鞑ヅc穩(wěn)定理論、液體燃料及固體燃料的燃燒和燃燒污染物控制等部分，但在各部分內(nèi)容的講解上要有重點(diǎn)。“燃燒學(xué)”部分，化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)是該部分的理論基礎(chǔ)，可合二為一，講解內(nèi)容包括化學(xué)平衡、熱化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)速率、質(zhì)量作用定律、活化分子碰撞理論及鏈鎖反應(yīng)理論等。其中，熱化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)速率和鏈鎖反應(yīng)理論應(yīng)作重點(diǎn)講解。關(guān)于著火理論，授課重點(diǎn)放在閉口系統(tǒng)著火理論模型的建立和結(jié)果分析上，并分析燃燒放熱量和散熱量隨溫度的變化曲線，確定著火溫度與初始溫度、物理化學(xué)因素和散熱強(qiáng)度的關(guān)系。對(duì)于火焰?zhèn)鞑ヅc穩(wěn)定理論，授課的重點(diǎn)在火焰?zhèn)鞑ジ拍睢衫嗑S奇理論、氣體的動(dòng)力燃燒與擴(kuò)散燃燒及火焰穩(wěn)定的基本原理與方法的講解，并介紹防止火焰吹脫和回火的措施，以及來(lái)流速度、火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c圓錐型氣體火焰高度的關(guān)系。對(duì)于液體燃料及固體燃料的燃燒，液體燃料的霧化、蒸發(fā)模型及擴(kuò)散燃燒，碳的燃燒化學(xué)反應(yīng)及碳粒的燃燒速度作為授課重點(diǎn)。“燃燒污染物控制”部分的重點(diǎn)放在燃燒過(guò)程中SOx、NOx的生成機(jī)理，燃燒過(guò)程中SOx、NOx的脫除以及燃燒后脫硫脫硝技術(shù)，并介紹PM2.5的生成與脫除技術(shù)的最新進(jìn)展，CO2的收集控制技術(shù)。介紹理論模型時(shí)，應(yīng)更注重理論模型物理意義的解釋。

（2）理論與實(shí)踐結(jié)合。“燃燒與污染控制”是一門理論性及實(shí)踐性都很強(qiáng)的學(xué)科。課程涉及的相關(guān)理論模型較為抽象，不易掌握。因此，該課程的教學(xué)內(nèi)容必須與工程或生活實(shí)踐緊密結(jié)合。如“燃燒學(xué)”部分，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)過(guò)程中必須將理論與具體工程案例或燃燒相關(guān)生活案例相結(jié)合，以具體案例作為切入點(diǎn)，將復(fù)雜抽象的理論概念穿插到生動(dòng)、具體的案例中進(jìn)行講解。要開(kāi)設(shè)必要的實(shí)驗(yàn)課，如本生燈測(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒚旱墓I(yè)分析和元素分析、預(yù)混火焰濃度測(cè)量、聯(lián)合脫硫脫硝實(shí)驗(yàn)及煙氣分析儀測(cè)定煙氣成分等。對(duì)于熱能動(dòng)力專業(yè)的本科生，筆者結(jié)合鍋爐的設(shè)計(jì)案例，利用燃燒學(xué)理論解讀爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燃燒器布置、風(fēng)量確定、爐膛點(diǎn)火這些具體方案設(shè)計(jì)背后的理論依據(jù)，從而強(qiáng)化對(duì)燃燒理論的理解。結(jié)合家用燃?xì)庠钆_(tái)，講解燃料與空氣的混合原理。安排學(xué)生參觀熱電廠的脫硫脫硝及除塵裝置等污染物控制設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)分析各種技術(shù)設(shè)備的設(shè)計(jì)原理，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)污染物形成機(jī)理及控制技術(shù)的認(rèn)識(shí)，使書(shū)本理論與實(shí)踐統(tǒng)一。

3.教學(xué)方法的設(shè)計(jì)

（1）采用啟發(fā)式教育。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主人，“教”是為“學(xué)”服務(wù)的，“教”不是統(tǒng)治“學(xué)”，也不是代替“學(xué)”，教師的“教”是啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生的“學(xué)”。就“燃燒與污染控制”課程的教學(xué)而言，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)從學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)及認(rèn)知能力出發(fā)，結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，采用提問(wèn)、討論、案例分析等多種方式，讓學(xué)生參與到老師的教學(xué)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使他們?cè)诨钴S、開(kāi)放的教學(xué)氛圍中理解掌握燃燒與污染控制相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，并能使用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)分析解決實(shí)際問(wèn)題。問(wèn)題的提出要有引導(dǎo)性、針對(duì)性，要圍繞教學(xué)目標(biāo)，否則難以達(dá)到預(yù)期效果。

（2）多媒體教學(xué)與板書(shū)的有機(jī)結(jié)合。現(xiàn)在，各種多媒體技術(shù)已經(jīng)廣泛進(jìn)入課堂教學(xué)，成為課堂教學(xué)的重要手段，對(duì)傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)形成了巨大的沖擊。多媒體教學(xué)課件圖文并茂、內(nèi)容豐富、信息量大。就“燃燒與污染控制”而言，燃燒過(guò)程和污染物控制設(shè)備可以被生動(dòng)地展示出來(lái)，使學(xué)生能夠更加深刻、有效地理解相關(guān)理論概念。[8]但是，使用多媒體技術(shù)授課時(shí)，老師講課的速度加快，信息量增加，學(xué)生的思維跟不上。[9]板書(shū)比較靈活，對(duì)于復(fù)雜理論模型可以引領(lǐng)學(xué)生的思維，鞭辟入里地進(jìn)行推導(dǎo)，融會(huì)貫通。但是，板書(shū)速度慢、效率低。因此，在“燃燒與污染控制”課程教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)將多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)板書(shū)有機(jī)結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到最佳的教學(xué)效果。

（3）多種考核手段的結(jié)合使用。在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)采用多樣化的考核手段，了解學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，督促學(xué)生的學(xué)習(xí)。課堂提問(wèn)、課后作業(yè)、案例分析、階段考試等都可以作為考核手段。但無(wú)論采用何種形式的考核手段都應(yīng)當(dāng)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，增加學(xué)生對(duì)本課程本專業(yè)的認(rèn)識(shí)為出發(fā)點(diǎn)。

三、結(jié)論

綜上所述，“燃燒與污染控制”涉及傳熱、傳質(zhì)、傳動(dòng)量及化學(xué)反應(yīng)，融合了工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、高等數(shù)學(xué)等方面的知識(shí)。在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)點(diǎn)面集合，重點(diǎn)突出，理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，不斷更新教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，作為老師，需要不斷學(xué)習(xí)，及時(shí)掌握該課程新的知識(shí)點(diǎn)，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）