“雙碳”背景下的高等燃燒學(xué)課程教學(xué)改革與探索

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）

0 引言

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。

1 高等燃燒學(xué)課程教學(xué)中存在的主要問題

1.1 課堂教學(xué)時(shí)數(shù)少，課堂授課受限

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)。

1.2 理論教學(xué)為主，實(shí)踐教學(xué)缺少

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。

1.3 課程內(nèi)容經(jīng)典，缺少工程案例

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。

2 高等燃燒學(xué)課程教學(xué)改革目標(biāo)

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。

3 高等燃燒學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐的具體內(nèi)容

3.1 “雙碳”背景下，緊密結(jié)合電力行業(yè)發(fā)展，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

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)。

3.2 以工程問題引領(lǐng)方式實(shí)施教學(xué)

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。

3.3 線上線下混合式教學(xué)，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)維度

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。

3.4 思政融入教學(xué)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)教學(xué)和課程育人有機(jī)結(jié)合

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。

3.5 翻轉(zhuǎn)課堂培養(yǎng)學(xué)生的自主性

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。

4 結(jié)語

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。