實驗輔助教學在“燃燒理論”課程中的應用研究

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“燃燒理論”課程的基本情況，分析了課程教學過程中存在的主要問題，并提出將經典的燃燒實驗裝置引入“燃燒理論”課程的教學，以輔助學生對燃燒學知識的理解。燃燒實驗裝置主要有預混火焰爐、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構、實驗現象、實驗輔助教學的流程。利用上述燃燒實驗裝置開展“燃燒理論”課程實踐教學，獲得了良好的教學效果。實踐表明，實驗輔助教學可以激發學生對“燃燒理論”課程的學習興趣，加深學生對抽象燃燒學知識的認識和理解，并進一步培養學生實驗操作的動手能力，為學生今后開展燃燒學相關研究課題奠定基礎。

[關鍵詞] 燃燒理論;實驗;輔助教學;研究生課程

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

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

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

一、引言

航空航天技術的發展是以空天發動機技術的發展為基礎的。當前，我國的航空航天技術在大飛機研制、國際空間站建設、火星探測等領域不斷取得突破，這離不開空天發動機技術的進步。其中，以化學能為能量來源的空天發動機是絕大多數航空航天飛行器的動力裝置。在這類發動機中，通過燃燒過程將推進劑或燃料的化學能轉化為工質內能，并通過噴管進一步轉化為飛行器的動能，實現高速飛行。燃燒過程作為空天發動機中重要的能量轉化環節，深入了解燃燒過程對空天發動機的設計具有十分重要的意義。隨著航空航天技術的發展，燃燒學在國內許多高校都被作為專業課進行教學，其重要性也不斷得到凸顯。

二、“燃燒理論”課程的基本情況

（一）課程現狀

國防科技大學的“燃燒理論”課程是本校航空宇航科學與技術專業的基礎課程。該課程共計54課時，其中課堂講授45課時，課程實踐9課時。課堂授課內容主要包括課程緒論、化學熱力學與化學動力學基礎、多組分反應流體基本守恒方程、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期刊近期發表的英文文獻，聯系課程所學燃燒理論知識，并進行文獻閱讀理解報告[1]。選課學生主要為碩士和博士研究生，包括軍人學院、地方生學員和其他單位的修課生學員，學生的專業背景均為空天發動機相關專業。

學生通過系統地學習本門課程，可以掌握經典的燃燒科學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、液態和固態燃料的燃燒特點和規律，包括燃料著火的形成和條件、火焰傳播和火焰穩定、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值處理方法;了解目前燃燒科學的前沿發展動態和發展趨勢。該課程的主要任務是通過各個教學環節，運用各種教學手段和方法，使學生能夠系統掌握燃燒科學的基本理論和方法，為后續“發動機燃燒過程數值分析”和“高等燃燒學”等課程的學習提供基礎理論。通過學習此課程，學生能夠對典型空天發動機，包括固體火箭發動機、液體火箭發動機和沖壓發動機內部的典型燃燒過程、燃燒現象、燃燒規律和燃燒機理有較為深入的認識，掌握從事改進該類燃燒設備、提高燃燒效率、避免燃燒異常現象、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動機、熱能工程和環境工程等專業的研究工作奠定了扎實的基礎。

（二）課程問題分析

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

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

2.學生對典型燃燒過程缺乏直觀、深刻的認識。通過課堂調查統計，大多數學生沒有機會直接觀察典型的燃燒過程，例如預混火焰的傳播過程、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。這些燃燒現象在我們的日常生活中很少見，但對于燃燒理論知識的學習又十分重要。學生在學習過程中，主要是通過想象力對這些燃燒現象進行構思，缺乏直觀、深刻的認識。

3.燃燒理論知識與實驗操作實踐存在一定的脫節。本門課程的大多數學生在課程學習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習可以為學生構建一套較強的理論知識體系，但難以與實際的實驗操作聯系在一起，這就導致學生在從事課題研究過程中難以直接設計相關燃燒過程的實驗研究系統。因此，在對基礎理論知識進行授課的同時，應以一定的實驗輔助教學提升學生的綜合素質。

三、實驗輔助教學構想

虛擬仿真實驗雖然可以近乎真實地模擬燃燒實驗現象[3]，但虛擬仿真實驗難以使學生直接觀察到真實的燃燒現象，且不能鍛煉學生的動手能力。實驗教學在培養學生嚴謹的科學思維和創新能力、理論聯系實際等方面有著不可替代的作用[4，5]，并且能夠為學生在理論知識學習和工程實踐之間架起一座橋梁，為學生日后從事相關專業研究奠定重要的基礎。因此，為了突出“燃燒學”理論發展與工程運用并重的學科特點，“燃燒理論”課程將實驗教學引入課程教學，利用一定的實驗實際操作，加深學生對典型燃燒基本過程的認識和理解，并培養學生的實際操作能力。