“双碳”背景下的高等燃烧学课程教学改革与探索

李芳芹 曾卓雄 仇中柱 吴 江 李 彦

（上海电力大学能源与机械工程学院，上海 200090）

0 引言

温室效应将引起全球气温上升，导致气候异常、海平面上升、生态环境恶化。作为大国担当，习近平总书记做出庄严承诺，我国力争在2030年前二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和。这是对人类命运的负责。在此背景下，针对能源动力类专业的研究生培养也提出了新的挑战和机遇。碳达峰、碳中和涉及各行各业，其如期实现最终靠的是科学技术、靠的是人才。国以才兴，业以才旺，人才强国一直都是国家的重大战略，研究生教育肩负着向国家各个领域输送高层次专业人才的重要使命，关乎国家的长远发展，自然也关乎双碳计划的如期实现。“高等燃烧学”作为上海电力大学工程热物理学科和热能工程学科研究生的必修专业课程之一，其授课内容与“双碳计划”“节能减排”紧密相关，包括燃烧动力学、燃烧热力学、燃烧理论及模型、火焰传播及其稳定性、气体燃料、液体燃料和固体燃料的燃烧、燃烧污染物生成机理及控制方法等。这些知识点主要围绕节能减排、碳达峰和碳中和进行讲解。内容理论性强、概念多且抽象，同时又与电力生产过程联系紧密，所以对学生的综合学习能力要求较高。为了更好地适应国家“双碳计划”对人才的需求，课程组教师分析了本课程教学中存在的主要问题，提出了课程的教学改革目标，并对本课程进行了相应的课程改革和实践。

1 高等燃烧学课程教学中存在的主要问题

1.1 课堂教学时数少，课堂授课受限

一方面研究生培养注重其自学能力和科学研究能力，所以培养过程对其必修学分要求并不高。我校工程热物理学科和热能工程学科要求学生应修课程学分不少于30学分；另一方面为拓展研究生知识面，学科开设的课程门数相对较多，这样致使每门课程的学分不高。我校高等燃烧学课程为2学分，32课时。由于受到授课时数的限制，授课教师很难在课堂上带领学生深入研究某些燃烧机理或额外补充太多相关的前沿知识。

1.2 理论教学为主，实践教学缺少

由于课时少，再加上本课程涉及的机理和理论内容多，所以课堂教学主要以理论教学为主，实践教学少之又少，授课过程中枯燥乏味。其燃烧过程中涉及很多理化现象和机理，比如燃烧动力学、燃烧热力学等，这些内容比较抽象，很难直观讲解，致使学生理解起来有一定的难度，迫切需要增加实践教学环节，增加授课趣味，提高学生的学习兴趣和学习效果。

1.3 课程内容经典，缺少工程案例

本课程教学内容主要是按照讲义教材进行教学的，教材中的内容虽然非常经典，但是对于某些最新的前沿知识，特别是工程应用案例无法做到及时更新。在“双碳计划”背景下，需要适时加入实现双碳目标的知识内容。

2 高等燃烧学课程教学改革目标

课题组教师经过多次研讨、调研，充分考虑本学科研究生的培养目标、学生基础情况（很多学生本科阶段没有学习过工程燃烧学）、结合国家“双碳计划”，确定了本课程的教学改革目标。具体如下：（1）更新课程内容，深入挖掘燃烧过程中涉及的节能减排、碳达峰和碳中和内容，引入低碳、高效稳燃、节能减排等最新技术。（2）以工程问题引领方式实施教学过程，提高学生的学习兴趣和课程参与度；（3）线上线下混合式教学，拓展学生的学习维度，解决课堂教学时数受限问题。（4）思政融入课堂，培养学生树立正确的人生观和价值观，培养他们的职业认同感和社会责任心。

3 高等燃烧学教学改革与实践的具体内容

3.1 “双碳”背景下，紧密结合电力行业发展，优化教学内容

根据“碳达峰”和“碳中和”的含义与发展要求，结合我国能源结构现状，对于电力行业来说，实现“双碳目标”的路径主要有：清洁低碳化电力生产、碳捕集及资源化利用和氢能源发展等。目前，我国能源结构正在大幅调整，绿色能源发电比例不断提高，但根据BP报告，2020年中国燃煤发电占中国发电量4917.7/7779.1×100%=63.2%，由此看出化石燃料在电力行业发展中仍起主导地位。而化石燃料燃烧生成的主要产物就是二氧化碳，与“双碳计划”联系紧密。

结合清洁低碳化电力生产和碳捕集及资源化利用方面，本课程优化教学内容，重点强调：高效低碳燃烧原理及技术、稳定燃烧原理及技术、污染物生成机理及控制措施等，同时增加二氧化碳的生成机理及捕集技术。此外，根据我国“碳达峰、碳中和”发展现状，本课程结合先进的燃烧技术、教师团队的科研成果，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，增加最前沿的相关知识和技术。

3.2 以工程问题引领方式实施教学

围绕“双碳计划”，课程内容以典型工程案例形式提出，激起学生的学习兴趣、引导学生利用所学知识分析问题或者提出新的问题，进而培养他们解决问题的能力。比如讲到燃烧的稳定性内容时，以大型燃煤电站锅炉的“低负荷稳燃”问题为典型案例，引导学生分析为什么锅炉低负荷时稳燃问题非常重要？为什么会出现这个问题？从燃烧的角度，利用哪些理论来指导解决这个问题？学生把上述问题分析透彻之后，接着提出在工程应用中有哪些技术实现稳燃？学生充分思考后，教师引入钝体燃烧技术、浓淡燃烧技术、稳燃器技术等，分析这些技术实现稳燃的工作原理。最后再深挖实现稳燃的其他途径，比如“广义回热”，探讨该技术在实现清洁高效稳燃中应用的可能性。

3.3 线上线下混合式教学，拓展学生学习维度

为解决本课程课堂时数少但授课内容多的矛盾，课题组采用了线上线下混合式多维度教学。线上线下教学又分为第一课堂和第二课堂，第一课堂是按着教务安排的教学时间进行，第二课堂则是利用课外时间进行。这样可以弥补课程时数少的问题。第一课堂的线下授课主要是课堂教学，在教室内完成，进行理论内容的讲解；第一课堂的线上授课主要是利用互联网、腾讯会议等平台，进行专题讨论、案例分析等内容；第二课堂的线下授课主要是在实验室进行，在相应的教学平台或科研平台上进行相关燃烧实验的研究或者科创项目的开展；第二课堂的线上内容只要是燃烧数值模拟方面的专题讲解，包括软件使用、物理模型建立、网格划分、边界条件的给定、燃烧模型的选择等。这部分内容主要针对感兴趣的学生。比如在讲到火焰传播和火焰结构组成等内容时，开展开放性实验，有兴趣的同学可以到实验室进行探究Bensun火焰及Smithell火焰、本生灯法层流火焰传播等；在讲到稳定燃烧技术时，课外线上指导学生学习建模软件和模拟计算软件，并进行相关稳燃技术（比如钝体燃烧器）的数值仿真计算；在讲到高效低碳燃烧技术等内容时，开展线上专题讨论（如广义回热及其实现高效低碳燃烧的应用等）。本课程通过采用多种教学方法和手段，线上线下混合、课内课外结合，激发学生的学习兴趣和求知欲，同时增加他们的动手能力。另外，对接全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛，开展相应的科创指导，培养学生的创新能力，而获奖的学生又会有很强的荣誉感。

3.4 思政融入教学，实现专业教学和课程育人有机结合

充分挖掘课程思政元素，将社会主义核心价值观贯穿本课程教学的整个过程中，培养学生树立正确的人生观和价值观。专业教学和职业道德培育有机融合，培养爱国、敬业，有专业素养和职业道德感的专业人才。

依据教学内容，通过教师收集整理的人物事迹纪录片、演讲视频、人物传记等资料，适时加入教学内容中去，实现专业教学和课程育人的有机结合。比如讲解到燃烧发展史中的燃素学说和氧化学说内容时，以“现代化学之父”安托万—洛朗·拉瓦锡为人物典型。为了解释“燃烧”这一常见的化学现象，德国医生斯塔尔提出燃素说，认为物质在空气中燃烧是物质失去燃素，空气得到燃素的过程。很多化学家都拥护这一说法。然而面对这一问题，拉瓦锡却持保留态度，并设计了著名的钟罩实验对硫、锡和铅在空气中燃烧的现象进行研究。通过金属煅烧实验，他提出了燃烧作用的氧化学说。拉瓦锡不随波逐流和对待科学的严谨态度值得人们学习。再比如燃烧技术发展史部分中讲到燃烧在航空航天事业中的应用时，以我国“两弹一星”钱学森作为人物典型，在那样艰苦的条件下，其孜孜不倦地求索与钻研、其不怕困难、绝不放弃、为国奉献的精神激励人们前进。另外，在讲到燃烧对人类生存环境的影响时，引入“双碳计划”，分析这一计划提出的背景。让学生明白“双碳”目标的提出是我国主动承担应对全球气候变化责任的大国担当，学生油然而生出满满的民族自豪感。同时，作为能源动力类专业的研究生，充分了解本专业是与实现“双碳”目标密不可分的专业之一，让他们充满职业认同感和责任感。

3.5 翻转课堂培养学生的自主性

将节能减排、“双碳计划”等与本课程教学内容相关的国家战略或典型工程案例引入教学内容中来。通过分组讨论，师生互动，还可以借助互联网、腾讯会议等平台实现课堂翻转。学生为主，教师为辅，变教师授课为教师引导，学生由被动接收变为主动学习。针对某一知识点，学生分组进行查阅并整理资料，制作课件，在课堂上分别讲述他们的观点。疏密之处，由其他学生或者教师补充。结束后教师进行分组打分，作为学生平时成绩的参考之一。这样不仅可以提高他们的小组协作能力，还可以锻炼他们的语言表达能力。

4 结语

作为学校培养人才的一线教师，要时刻不忘立德树人之初心，牢记为党育人为国育才之使命。作为能源动力类研究生的必修课程，高等燃烧学课程授课过程中，要紧跟国家发展战略规划，及时更新前沿知识，融入思政教育。为了解决本授课内容多而课程课堂时数少的矛盾，课程组采用线上线下混合、第一课堂和第二课堂结合的教学方式，拓展了有限的课堂课程学时，实现课程的专业知识教学目标。为了解决本课程理论性强学生难理解的问题，课程组采用工程案例引导式教学方法，并通过开放性实验和模拟仿真软件的使用，更直观地把课程内容反映出来，激发学生的学习兴趣和学习热情。另外，根据研究生思政培育要求，在课程内容中加入了思政元素。课程组积极挖掘各知识点涉及的思政元素，以典型人物、事件等作为思政内容，适时融入课程内容。

本课程教学内容与国家节能减排和“双碳计划”战略紧密相关，此背景下，课题组进行了高等燃烧学课程教学内容和教学方法的改革及实践，形成了满足研究生培养专业课程建设要求的教学内容体系和教学方法。通过开放性教学实验室、科研实验室等增加学生的实践动手能力；采用线上线下混合式教学模式，拓展学生的知识面。通过本课程的教学改革，加强了学生对本课程知识的了解和掌握，能够应用所学知识对实际工程中遇到的燃烧问题进行解释。