實驗輔助教學(xué)在“燃燒理論”課程中的應(yīng)用研究

馮運超 馬立坤 朱家健 那旭東 趙玉新

[摘 要] 通過介紹國防科技大學(xué)“燃燒理論”課程的基本情況，分析了課程教學(xué)過程中存在的主要問題，并提出將經(jīng)典的燃燒實驗裝置引入“燃燒理論”課程的教學(xué)，以輔助學(xué)生對燃燒學(xué)知識的理解。燃燒實驗裝置主要有預(yù)混火焰爐、擴散火焰爐、金屬粉末燃燒實驗裝置和固體推進劑燃燒實驗裝置，介紹了這四種典型燃燒實驗裝置的主要結(jié)構(gòu)、實驗現(xiàn)象、實驗輔助教學(xué)的流程。利用上述燃燒實驗裝置開展“燃燒理論”課程實踐教學(xué)，獲得了良好的教學(xué)效果。實踐表明，實驗輔助教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生對“燃燒理論”課程的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對抽象燃燒學(xué)知識的認(rèn)識和理解，并進一步培養(yǎng)學(xué)生實驗操作的動手能力，為學(xué)生今后開展燃燒學(xué)相關(guān)研究課題奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 燃燒理論;實驗;輔助教學(xué);研究生課程

[基金項目] 2020年度湖南省教育廳湖南省學(xué)位與研究生教育改革研究項目“基于開源軟件的燃燒學(xué)教學(xué)輔助平臺搭建與學(xué)員實踐能力培養(yǎng)”（2020JGYB017）;2020年度湖南省教育廳湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“基于問題導(dǎo)向的‘燃燒學(xué)原理研究性教學(xué)改革探索與實踐”（HNJG-2020-0009）

[作者簡介] 馮運超（1989—），男，河北邢臺人，工學(xué)博士，國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院講師，主要從事航空宇航推進理論與工程學(xué)科理論研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）39-0128-04? ? [收稿日期] 2021-06-07

一、引言

航空航天技術(shù)的發(fā)展是以空天發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)的。當(dāng)前，我國的航空航天技術(shù)在大飛機研制、國際空間站建設(shè)、火星探測等領(lǐng)域不斷取得突破，這離不開空天發(fā)動機技術(shù)的進步。其中，以化學(xué)能為能量來源的空天發(fā)動機是絕大多數(shù)航空航天飛行器的動力裝置。在這類發(fā)動機中，通過燃燒過程將推進劑或燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)內(nèi)能，并通過噴管進一步轉(zhuǎn)化為飛行器的動能，實現(xiàn)高速飛行。燃燒過程作為空天發(fā)動機中重要的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，深入了解燃燒過程對空天發(fā)動機的設(shè)計具有十分重要的意義。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，燃燒學(xué)在國內(nèi)許多高校都被作為專業(yè)課進行教學(xué)，其重要性也不斷得到凸顯。

二、“燃燒理論”課程的基本情況

（一）課程現(xiàn)狀

國防科技大學(xué)的“燃燒理論”課程是本校航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程。該課程共計54課時，其中課堂講授45課時，課程實踐9課時。課堂授課內(nèi)容主要包括課程緒論、化學(xué)熱力學(xué)與化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)、多組分反應(yīng)流體基本守恒方程、燃料的著火理論、層流燃燒、湍流燃燒、液滴與噴霧燃燒、固體顆粒與推進劑燃燒等;課程實踐以文獻閱讀報告的形式完成，主要通過閱讀國際一流燃燒學(xué)期刊近期發(fā)表的英文文獻，聯(lián)系課程所學(xué)燃燒理論知識，并進行文獻閱讀理解報告[1]。選課學(xué)生主要為碩士和博士研究生，包括軍人學(xué)院、地方生學(xué)員和其他單位的修課生學(xué)員，學(xué)生的專業(yè)背景均為空天發(fā)動機相關(guān)專業(yè)。

學(xué)生通過系統(tǒng)地學(xué)習(xí)本門課程，可以掌握經(jīng)典的燃燒科學(xué)基本理論和對工程問題的燃燒建模與求解方法;能夠掌握典型氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料的燃燒特點和規(guī)律，包括燃料著火的形成和條件、火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娣€(wěn)定、固體顆粒和金屬顆粒的燃燒模型等;掌握湍流燃燒問題中常用的湍流燃燒模型和數(shù)值處理方法;了解目前燃燒科學(xué)的前沿發(fā)展動態(tài)和發(fā)展趨勢。該課程的主要任務(wù)是通過各個教學(xué)環(huán)節(jié)，運用各種教學(xué)手段和方法，使學(xué)生能夠系統(tǒng)掌握燃燒科學(xué)的基本理論和方法，為后續(xù)“發(fā)動機燃燒過程數(shù)值分析”和“高等燃燒學(xué)”等課程的學(xué)習(xí)提供基礎(chǔ)理論。通過學(xué)習(xí)此課程，學(xué)生能夠?qū)Φ湫涂仗彀l(fā)動機，包括固體火箭發(fā)動機、液體火箭發(fā)動機和沖壓發(fā)動機內(nèi)部的典型燃燒過程、燃燒現(xiàn)象、燃燒規(guī)律和燃燒機理有較為深入的認(rèn)識，掌握從事改進該類燃燒設(shè)備、提高燃燒效率、避免燃燒異常現(xiàn)象、控制和減少有害污染物排放的基本理論，并為以后從事空天發(fā)動機、熱能工程和環(huán)境工程等專業(yè)的研究工作奠定了扎實的基礎(chǔ)。

（二）課程問題分析

“燃燒理論”課程是一門綜合性的專業(yè)課程，對專業(yè)知識要求較高，其先修課程主要包括“流體力學(xué)”“工程熱力學(xué)”“傳熱學(xué)”和“計算流體力學(xué)”等。該課程涉及的知識面廣、難度系數(shù)大、專業(yè)理論性強、知識更新快[2] （P196-205），同時，很多知識點十分抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較吃力，導(dǎo)致授課效果不佳。在多年的課程教學(xué)過程中，我們梳理了在該門課程教學(xué)中存在的主要問題。

1.該課程對學(xué)生興趣點的回應(yīng)不夠。很多學(xué)生對典型的燃燒現(xiàn)象表現(xiàn)出十分濃厚的興趣，比如層流燃燒火焰和湍流燃燒火焰的結(jié)構(gòu)、液滴蒸發(fā)燃燒的火焰現(xiàn)象、固體推進劑和金屬粉末燃料燃燒現(xiàn)象等，然而在以往的教學(xué)過程中，主要通過實驗錄像或動畫模擬的手段向?qū)W生宏觀介紹上述典型燃燒現(xiàn)象，難以進一步激發(fā)學(xué)生對相應(yīng)知識點的學(xué)習(xí)興趣和加深學(xué)生對燃燒理論知識的理解。

2.學(xué)生對典型燃燒過程缺乏直觀、深刻的認(rèn)識。通過課堂調(diào)查統(tǒng)計，大多數(shù)學(xué)生沒有機會直接觀察典型的燃燒過程，例如預(yù)混火焰的傳播過程、液滴燃燒過程、金屬粉末燃燒過程和固體推進劑燃燒過程等。這些燃燒現(xiàn)象在我們的日常生活中很少見，但對于燃燒理論知識的學(xué)習(xí)又十分重要。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，主要是通過想象力對這些燃燒現(xiàn)象進行構(gòu)思，缺乏直觀、深刻的認(rèn)識。

3.燃燒理論知識與實驗操作實踐存在一定的脫節(jié)。本門課程的大多數(shù)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)之后會參與課題組的科研課題研究。課堂中大量的理論知識學(xué)習(xí)可以為學(xué)生構(gòu)建一套較強的理論知識體系，但難以與實際的實驗操作聯(lián)系在一起，這就導(dǎo)致學(xué)生在從事課題研究過程中難以直接設(shè)計相關(guān)燃燒過程的實驗研究系統(tǒng)。因此，在對基礎(chǔ)理論知識進行授課的同時，應(yīng)以一定的實驗輔助教學(xué)提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

三、實驗輔助教學(xué)構(gòu)想

虛擬仿真實驗雖然可以近乎真實地模擬燃燒實驗現(xiàn)象[3]，但虛擬仿真實驗難以使學(xué)生直接觀察到真實的燃燒現(xiàn)象，且不能鍛煉學(xué)生的動手能力。實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和創(chuàng)新能力、理論聯(lián)系實際等方面有著不可替代的作用[4，5]，并且能夠為學(xué)生在理論知識學(xué)習(xí)和工程實踐之間架起一座橋梁，為學(xué)生日后從事相關(guān)專業(yè)研究奠定重要的基礎(chǔ)。因此，為了突出“燃燒學(xué)”理論發(fā)展與工程運用并重的學(xué)科特點，“燃燒理論”課程將實驗教學(xué)引入課程教學(xué)，利用一定的實驗實際操作，加深學(xué)生對典型燃燒基本過程的認(rèn)識和理解，并培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力。