实验辅助教学在“燃烧理论”课程中的应用研究

冯运超 马立坤 朱家健 那旭东 赵玉新

[摘 要] 通过介绍国防科技大学“燃烧理论”课程的基本情况，分析了课程教学过程中存在的主要问题，并提出将经典的燃烧实验装置引入“燃烧理论”课程的教学，以辅助学生对燃烧学知识的理解。燃烧实验装置主要有预混火焰炉、扩散火焰炉、金属粉末燃烧实验装置和固体推进剂燃烧实验装置，介绍了这四种典型燃烧实验装置的主要结构、实验现象、实验辅助教学的流程。利用上述燃烧实验装置开展“燃烧理论”课程实践教学，获得了良好的教学效果。实践表明，实验辅助教学可以激发学生对“燃烧理论”课程的学习兴趣，加深学生对抽象燃烧学知识的认识和理解，并进一步培养学生实验操作的动手能力，为学生今后开展燃烧学相关研究课题奠定基础。

[关键词] 燃烧理论;实验;辅助教学;研究生课程

[基金项目] 2020年度湖南省教育厅湖南省学位与研究生教育改革研究项目“基于开源软件的燃烧学教学辅助平台搭建与学员实践能力培养”（2020JGYB017）;2020年度湖南省教育厅湖南省普通高等学校教学改革研究项目“基于问题导向的‘燃烧学原理研究性教学改革探索与实践”（HNJG-2020-0009）

[作者简介] 冯运超（1989—），男，河北邢台人，工学博士，国防科技大学空天科学学院讲师，主要从事航空宇航推进理论与工程学科理论研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）39-0128-04    [收稿日期] 2021-06-07

一、引言

航空航天技术的发展是以空天发动机技术的发展为基础的。当前，我国的航空航天技术在大飞机研制、国际空间站建设、火星探测等领域不断取得突破，这离不开空天发动机技术的进步。其中，以化学能为能量来源的空天发动机是绝大多数航空航天飞行器的动力装置。在这类发动机中，通过燃烧过程将推进剂或燃料的化学能转化为工质内能，并通过喷管进一步转化为飞行器的动能，实现高速飞行。燃烧过程作为空天发动机中重要的能量转化环节，深入了解燃烧过程对空天发动机的设计具有十分重要的意义。随着航空航天技术的发展，燃烧学在国内许多高校都被作为专业课进行教学，其重要性也不断得到凸显。

二、“燃烧理论”课程的基本情况

（一）课程现状

国防科技大学的“燃烧理论”课程是本校航空宇航科学与技术专业的基础课程。该课程共计54课时，其中课堂讲授45课时，课程实践9课时。课堂授课内容主要包括课程绪论、化学热力学与化学动力学基础、多组分反应流体基本守恒方程、燃料的着火理论、层流燃烧、湍流燃烧、液滴与喷雾燃烧、固体颗粒与推进剂燃烧等;课程实践以文献阅读报告的形式完成，主要通过阅读国际一流燃烧学期刊近期发表的英文文献，联系课程所学燃烧理论知识，并进行文献阅读理解报告[1]。选课学生主要为硕士和博士研究生，包括军人学院、地方生学员和其他单位的修课生学员，学生的专业背景均为空天发动机相关专业。

学生通过系统地学习本门课程，可以掌握经典的燃烧科学基本理论和对工程问题的燃烧建模与求解方法;能够掌握典型气态、液态和固态燃料的燃烧特点和规律，包括燃料着火的形成和条件、火焰传播和火焰稳定、固体颗粒和金属颗粒的燃烧模型等;掌握湍流燃烧问题中常用的湍流燃烧模型和数值处理方法;了解目前燃烧科学的前沿发展动态和发展趋势。该课程的主要任务是通过各个教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生能够系统掌握燃烧科学的基本理论和方法，为后续“发动机燃烧过程数值分析”和“高等燃烧学”等课程的学习提供基础理论。通过学习此课程，学生能够对典型空天发动机，包括固体火箭发动机、液体火箭发动机和冲压发动机内部的典型燃烧过程、燃烧现象、燃烧规律和燃烧机理有较为深入的认识，掌握从事改进该类燃烧设备、提高燃烧效率、避免燃烧异常现象、控制和减少有害污染物排放的基本理论，并为以后从事空天发动机、热能工程和环境工程等专业的研究工作奠定了扎实的基础。

（二）课程问题分析

“燃烧理论”课程是一门综合性的专业课程，对专业知识要求较高，其先修课程主要包括“流体力学”“工程热力学”“传热学”和“计算流体力学”等。该课程涉及的知识面广、难度系数大、专业理论性强、知识更新快[2] （P196-205），同时，很多知识点十分抽象，学生学习起来比较吃力，导致授课效果不佳。在多年的课程教学过程中，我们梳理了在该门课程教学中存在的主要问题。

1.该课程对学生兴趣点的回应不够。很多学生对典型的燃烧现象表现出十分浓厚的兴趣，比如层流燃烧火焰和湍流燃烧火焰的结构、液滴蒸发燃烧的火焰现象、固体推进剂和金属粉末燃料燃烧现象等，然而在以往的教学过程中，主要通过实验录像或动画模拟的手段向学生宏观介绍上述典型燃烧现象，难以进一步激发学生对相应知识点的学习兴趣和加深学生对燃烧理论知识的理解。

2.学生对典型燃烧过程缺乏直观、深刻的认识。通过课堂调查统计，大多数学生没有机会直接观察典型的燃烧过程，例如预混火焰的传播过程、液滴燃烧过程、金属粉末燃烧过程和固体推进剂燃烧过程等。这些燃烧现象在我们的日常生活中很少见，但对于燃烧理论知识的学习又十分重要。学生在学习过程中，主要是通过想象力对这些燃烧现象进行构思，缺乏直观、深刻的认识。

3.燃烧理论知识与实验操作实践存在一定的脱节。本门课程的大多数学生在课程学习之后会参与课题组的科研课题研究。课堂中大量的理論知识学习可以为学生构建一套较强的理论知识体系，但难以与实际的实验操作联系在一起，这就导致学生在从事课题研究过程中难以直接设计相关燃烧过程的实验研究系统。因此，在对基础理论知识进行授课的同时，应以一定的实验辅助教学提升学生的综合素质。

三、实验辅助教学构想

虚拟仿真实验虽然可以近乎真实地模拟燃烧实验现象[3]，但虚拟仿真实验难以使学生直接观察到真实的燃烧现象，且不能锻炼学生的动手能力。实验教学在培养学生严谨的科学思维和创新能力、理论联系实际等方面有着不可替代的作用[4，5]，并且能够为学生在理论知识学习和工程实践之间架起一座桥梁，为学生日后从事相关专业研究奠定重要的基础。因此，为了突出“燃烧学”理论发展与工程运用并重的学科特点，“燃烧理论”课程将实验教学引入课程教学，利用一定的实验实际操作，加深学生对典型燃烧基本过程的认识和理解，并培养学生的实际操作能力。