工程燃烧学课程教学改革与探索

李芳芹 吴 江 仇中柱 李 彦 程智海

（上海电力大学 能源与机械工程学院，上海 200090）

0 引言

上海电力大学能源与动力工程专业是国家一流本科专业，是一个具有鲜明发电行业背景的能源动力类专业。目前，本专业包含精英班、卓越工程师班、平行班和中本贯通班四类型班级。工程燃烧学课程是本专业必修的专业基础课程，其前修课程有：高等数学、传热学、工程热力学、流体力学等。其是锅炉原理和燃气轮机及联合循环的先修基础课程。工程燃烧学是研究燃料燃烧的一门科学，本课程的主要内容包括燃料分类、燃料组成及形成过程、燃料的物理化学性质；燃料燃烧化学反应动力学基础、化学反应热力学基础、热力着火理论、连锁反应理论、射流混合过程；火焰传播、火焰稳定性、燃烧污染物生成机理及控制等。其讲授的知识涉及能源的高效利用、污染物生成机理、环境污染防治以及CO2减排等。本课程是一门知识涉及面广、理论性强的主干专业基础学位课程。在国家一流本科专业课程建设背景下，同时为了适应行业对能源与动力工程专业人才的需求，强化学生工程应用能力和创新能力的培养，课题组开展了相应的教学内容、教学方式方法等方面的改革和实践。

上海电力大学能动专业的工程燃烧学授课内容主要围绕火电厂电站锅炉燃料燃烧涉及的理论和机理进行，这些知识点与电力生产过程联系紧密，因此讲授过程中必须将理论与实践紧密结合，使学生学习掌握理论知识的同时还可以将理论与实际联系起来，掌握理论应用于实践的方法。结合实践教学，培养学生严谨的科学思维和创新能力、理论联系实际，提高学生的综合能力。在工程燃烧学课程教学过程中，运用工程燃烧学的基本知识及方法解决工程实际问题是教学的目的也是教学的难点。为此，必须加强实践教学环节，增加综合性实践实验内容，以助学生对工程燃烧学课程理论教学内容的理解和解决工程实际问题方法的掌握。

1 工程燃烧学课程教学中存在的主要问题

（1）课程教学时数少。由于受到本科教学总课时的限制，该校能动专业工程燃烧学设置了32课时，而本课程是一门理论性很强的课程，再加上燃烧技术发展迅速，虽然本课程已采取多样化的教学手段，但是由于受到授课时数的限制，授课教师很难在课堂上补充太多相关的前沿知识或在课堂上带领学生深入研究某些燃烧机理。（2）理论教学为主，缺少实践教学。由于课时少，再加上本课程涉及的机理和理论内容多，所以教学主要以理论教学位置，实践教学少之又少。另外，由于燃烧是一个十分复杂的燃烧过程，其中有很多理化现象和机理，比如，燃烧动力学和燃烧热力学，这些内容很难具有直观性，从而使得理论讲解比较抽象，学生理解起来有一定的难度，应继续增加实践教学环节。（3）教学形式单一。工程燃烧学”的教学方法采取的仍然是教师单方面的讲授，填鸭式教学。这种教学方法可以使学生在短时间内有了较多的知识了解，但课后学生往往不会再去主动思考，缺乏深刻理解和掌握，同时学生对课外知识的拓展不重视。（4）课程评价考核体系简单。目前，本课程的考核一般采用期末考试（70%）和平常成绩（30%）相结合的方式。这种考核方式主要注重学生理论知识的掌握，而往往忽略了学生实践能力的培养；同时这种考核方式容易让学生掌握考试的特点，而忽略了日常的学习。导致很多平时上课不认真听讲、不认真思考的学生，他们通过好的作业和考试之前临时抱佛脚的突击学习方式获得较好的成绩。这样，学生只是短时记忆，并没有真正地掌握所学知识点，没有形成长久记忆。

2 教学改革与实践解决的问题及目标

针对目前该课程存在的上述问题，结合本专业的特点，依照一流本科课程的教学目标，课题组制定了本课程教学改革要解决的重点问题和目标——提升课程的高阶性、突出创新性和增加挑战度。具体包括：（1）如何优化理论和实践课程的内容，强调广度和深度，既能较扎实地掌握燃料燃烧的基本原理，又能把这些理论知识与锅炉燃料的实际燃烧联系起来，比如，稳燃技术和方法、低NO x燃烧技术和方法等，实现从理论到实践，再从实践到理论的不断深化的良性循环。（2）如何改变传统教师主导的单向教学方式为师生互动的双向教学方式，大力推进现代信息技术与教学深度融合，积极引导学生进行探究式与个性化学习。（3）如何改变传统教学中重理论轻实践的教学模式，各个教学环节都以工程应用能力为核心，对某些燃烧专题，聘请企业人员进课堂或学生到生产一线现场学习。（4）如何解决课时少，教学任务重的问题。通过开展第二课堂、线上线下相结合等方式来实现。把相关的实践实验、理论深入研讨、前沿知识拓展等放在第二课堂，或者线上进行，增强学生的实践动手能力、拓展学生的知识视野，加强学生对本课程知识点的理解和长久记忆。（5）如何激发学生对科创活动的兴趣，培育学生突破习惯性认知模式，培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的精神和能力。

3 教学改革与实践的总体思路

3.1 调整课程教学内容遵循“两性一度”标准

以“应用”为目标、“电力”为特色整合教学内容面向国家和华东地区经济社会发展战略需求，紧跟火力发电锅炉燃烧的发展前沿，聚焦课程的教学热点、难点和重点问题，把目前最先进的稳燃技术、低NO x燃烧技术等引入教学中来。另外，在有限的时间里，合理分配各部分课时，根据课程的教学目标，要求学生重点掌握燃料成分及燃烧物质平衡、化学反应动力学和热力学、热力着火理论、火焰传播过程、火焰稳定性等主要问题。在讲解各个知识点时，把思政融入课堂，比如，在绪论中讲解燃烧时，把我国四大发明之一的火药引入课堂；讲解燃烧技术发展时，针对航空航天发动机中的燃烧技术，引入目前我国航空航天取得的成就，使学生油然而生自豪感和爱国情怀；播放太空对接画面，培养学生精益求精的工匠精神。

3.2 教学方法体现先进性与互动性

大力推进现代信息技术与教学深度融合，积极引导学生进行探究式与个性化学习。一方面，采用计算机网络和多媒体现代化手段进行课程教学，完成了工程燃烧学慕课建设。组织学生以小组形式，就某些燃烧专题进行探讨。针对射流特性，采用计算流体软件进行模拟计算，演示射流的扩散和发展。同样，讲解稳定燃烧技术中的钝体稳焰器时，也采用计算流体软件模拟计算，演示钝体对流体射流的影响和其实现稳燃的原理。讲解有焰燃烧和无焰燃烧时，让学生观察打火机燃料燃烧和烟头燃烧的区别，等等。这样可以提高教学的生动性、直观性和互动性，加深了学生对知识点的了解和掌握，同时增强专业的认同感和分析解决问题的综合能力。另一方面，对接企业生产过程，聘请企业人员进课堂，在课程中引入工程案例进行大研讨，提高学生的探知兴趣和创新感悟。讲授燃烧污染物控制机理这部分内容时，课堂放在我们教师科研实验室，边做实验边讲解，以研促教，增强学生的学习兴趣和求知欲，培养他们的综合能力。

3.3 实践教学促进理论教学，培养学生的创新性思维

将科研融于课堂教学，既可激发学生的兴趣，又可以培养学生的创新性思维；利用第二课堂、互联网平台和校内科研实验瓶体，使得工程燃烧学课程在授课前、授课中和授课后，实践教学环节贯串始终。上海电力大学能动专业学生第四学期期末安排有专业实习：组织学生去火力发电厂或燃烧设备生产厂进行为期两周的实践活动，了解燃烧设备及烟气净化设备的构造和工作原理、观看燃料在炉内的燃烧现象等。通过专业实习，使学生对燃烧及燃烧设备有了大概的了解，为第五学期工程燃烧学课程的学习奠定基础。课堂授课时，讲授某些燃烧现象时（如有焰无焰燃烧），增设一些简单易操作的实验，增强直观可视性；或者采用动画方式进行某些知识的讲解，比如，链式反应这部分内容；另外，利用第二课堂或互联网平台，对有兴趣的学生讲授一些简单相关的燃烧数值计算知识，使他们可以采用数值模拟的方法对相关教学内容进行模拟计算，比如，直流射流和旋转射流的传播等，使学生在获得新知识和技能的同时，加深了对本课程相关内容的了解和掌握。另外，平时学院教师的相关科研实验室对学生都是开放的，有兴趣的学生可以在这些实验室开展相关的实验探究，比如，采用热重分析仪探究燃料的燃烧特征温度、污染物控制实验平台上探究影响烟气脱硝脱硫的因素、利用马弗炉和灰熔点仪研究煤灰的熔融性等。实验室里，学生也可以自行设计实验装置。这样通过实践活动，充分激发学生的求知欲望和探索精神，有效增强学生的动手操作能力，培养独立工作能力和创造性思维。学生形成了浓厚的科创兴趣后，积极参加各种科创竞赛，并获得了多项奖项。比如，“火电厂炉膛和风管综合维护装置的设计和研制”等获得全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛国家级三等奖、“燃煤电站锅炉高温炉膛结焦结渣机器人处置系统”等获得上海市“科技创造杯”竞赛二等奖、“火力电厂炉膛内壁综合维护机器人”等获得陈嘉庚青少年发明奖（上海）二等奖。

3.4 校企研合作师资队伍建设的双师化

培养学生的科创能力，必须拥有一支专业素养高、科创能力强的课题组教师队伍。为此，教研室和课题组一方面引进企业高级人才加入本课题组，比如，程智海老师来自上海发电设备成套设计研究院；另一方面鼓励教师去生产企业下厂实践，比如，李彦老师2年全脱产参加了安徽平山电厂二期135万千瓦燃煤机组的建设工程；课题组中多位老师既是专任教师又是工程师和仿真培训师等。同时通过与企业和设计研究院所建立校企合作关系，建立有效的人员互相交流学习、共同进行科技攻关的合作机制，为建设应用型、创新性师资队伍创造有利条件，使得教师队伍向工程化“双师型”方向发展。

3.5 过程化考核方式

本课程传统考核方式的为期末考试（70%）和平常成绩（30%），平时成绩包括出勤情况和作业完成情况。这种考核方式具有一定的片面性和不公平性，因此，本课程进行教学改革时，把传统考核方式为改过程化考核方式。过程化考核的成绩由四部分组成：期末考试成绩（50%）+各章节测验成绩（25%）+平时成绩（20%）+创新实践实验（5%）。这种考核方式，充分考虑了学生的平时学习态度、对各章节的掌握程度、课程知识的长久记忆能力以及创新能力的体现。过程化考核方式提高了学生对本课程的掌握程度，受到学生的欢迎，实施效果良好。

3.6 课程思政进课堂，提升人文素养

工程燃烧学课程理论性相对较强，授课内容略显枯燥乏味，如果在各章讲解过程中加入思政内容，不仅可以使得授课内容活泼生趣，同时正能量的思政内容，也可以使学生具有积极进取的生活态度、充分的文化自信和坚定的青年担当。

以课程知识为主线，充分挖掘各章节知识点相关的思政元素，课堂上教师给学生导入正能量、正思维、正精进的人物、事件等。比如，我国电力行业的发电设备及技术等从无到有、从弱小到在世界上发挥举足轻重作用的过程、从消化吸收到自主创新的历程；两弹一星导弹之父钱学森院士突破重重困难，让中国走到了世界前沿；四大发明的火药，火箭、航空航天燃料及其燃烧特性等都被引入本课程的授课课堂中。这样融思政教育于无形，提高学生人文素养的同时，激发他们爱国、敬业、精益求精、追求突破、追求革新的创新情怀与动力，负起青年一代应有的担当。

4 结语

针对上海电力大学能源与动力工程专业的实际情况，课题组进行了工程燃烧学课程教学内容和教学方法的改革及实践。形成了满足新工科背景下国家级一流本科专业课程建设要求的教学内容体系和教学方法，包括开放性教学实验室、科研实验室、专业实习等。有利于学生充分理解并掌握教学内容，增强动手能力和创新能力培养；采用第二课堂、线上讨论课等形式，拓展学生的知识面。通过本课程的教学改革，学生对本课程知识的掌握大幅提高，通过接受新的教学体系、教学内容和教学方法，学生的专业素养得到了进一步提高，课程的及格率稳中有升；同时，以满足高水平应用型能源与动力专业人才培养需要为目标的师资队伍建设，提高了师资队伍的教学水平与实践能力。