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燃料燃燒所排放的大量的SO2、NOx、CO2等有害氣體對環境構成了嚴重威脅。

華東理工大學能源與動力工程專業隸屬于能源化工系，該專業由1952年華東理工大學成立所設立的“燃料化工”專業經過長期的發展調整演變而來，是一個研究領域更寬廣、更適應于時代所需的專業。“燃燒學”是研究燃料燃燒過程中化學能轉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，以及教學側重點逐漸由理論向實際應用轉移，本著培養新一代“燃燒學”應用型人才的原則，本課程所選用的教材也經歷了一番調整。從最開始的中國建筑工業出版社出版的《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》，符合課程強調的“燃燒學”的工程實用性，培養學生學以致用、理論聯系實際的能力和素養。同時也向同學們推薦了清華大學能源與動力專業選擇的教材《燃燒學導論：概念與運用》第三版以及經典英文教材《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，配套進行課程實驗鞏固理論知識，最后通過科研創新項目，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”是熱能工程專業的主要專業基礎課之一。通過本課程的學習，要求掌握各種燃料的形成、結構和特性；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燃具的設計計算能力以及燃燒系統運行調節方面的技能。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，結合我校煤的潔凈技術的發展，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）對于傳遞現象、Fick擴散定律方程以及Arrinus定律這些抽象模型的物理本質理解存在一定的困難。（2）對于層流預混火焰、層流擴散火焰、液滴火焰等燃燒現象沒有直觀認識。（3）著火與熄火及火焰傳播和穩定性理論。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教學模式：

（1）修訂教學大綱，優化教學內容,刪繁就簡，在教學中突出重點，避免由于內容過多導致學生接受程度低，從而概念混亂。另一方面，充分利用現代教學手段，制作圖文并茂，條理清晰，內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。讓學生能夠對“燃燒學”有一個直觀的認識，再結合課本的理論知識，達到一個良好的教學效果。在前期課程教學中我們發現同學們關于“燃燒溫度、燃燒檢測和燃燒效率”的理論比較抽象。于是我們考慮結合工程項目“熱工測試和熱平衡計算”的案例，以及工廠現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合的案例，對學習內容更有興趣。

（2）改進教學方法，將啟發式、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節。課堂雙向提問包括課前老師檢查性提問和課后學生質疑性提問。課前老師檢查性提問是指在課前老師將與下節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容，發現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。課后學生質疑性提問是指在老師對本節課知識講解完畢以后會留下小段時間收集學生們對本節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量，從而為專業課堂進行思政教育提供了堅實的基礎。在分組討論環節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表自己觀點的機會，體現了學生在課堂上的主人公地位。培養學生的協作精神，增強學生的參與感，激發學生的思政學習興趣，從討論中獲得啟發。

（3）編寫習題集和試題庫，收集一定量高質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容中概念難以理解，理論公式沒有直觀感受的問題。通過能源化工實驗室的現有設備，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）畢業設計（垃圾焚燒爐燃燒與煙氣系統的設計）：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保要求的煙氣系統，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、原理與實驗數據得出結論，并且總結實驗中的誤差與操作難點。經過這樣一個完整的實驗過程，讓學生動手與動腦結合，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，同時訓練學生的創新與實踐能力。

3 科研創新的應用

“燃燒學”內容繁多，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新訓練部分，將科研項目直接與課程內容相結合，幫助學生理解課程內容以及課程內容的科研應用。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。

同時結合我校開展的大學生創新實踐活動（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 結論

綜上所述，通過對教學內容和方法的優化，用專業實驗培養學生的動手實踐能力，讓學生能夠從中理解課堂的教學內容，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，使課程內容符合社會對高素質人才的要求，使學生對專業的發展有全面的了解，著重培養基礎厚實、知識面寬的具有工程設計和改造能力的理工科人才。