“雙碳”背景下的高等燃燒學課程教學改革與探索

李芳芹 曾卓雄 仇中柱 吳 江 李 彥

（上海電力大學能源與機械工程學院，上海 200090）

0 引言

溫室效應將引起全球氣溫上升，導致氣候異常、海平面上升、生態環境惡化。作為大國擔當，習近平總書記做出莊嚴承諾，我國力爭在2030年前二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現碳中和。這是對人類命運的負責。在此背景下，針對能源動力類專業的研究生培養也提出了新的挑戰和機遇。碳達峰、碳中和涉及各行各業，其如期實現最終靠的是科學技術、靠的是人才。國以才興，業以才旺，人才強國一直都是國家的重大戰略，研究生教育肩負著向國家各個領域輸送高層次專業人才的重要使命，關乎國家的長遠發展，自然也關乎雙碳計劃的如期實現。“高等燃燒學”作為上海電力大學工程熱物理學科和熱能工程學科研究生的必修專業課程之一，其授課內容與“雙碳計劃”“節能減排”緊密相關，包括燃燒動力學、燃燒熱力學、燃燒理論及模型、火焰傳播及其穩定性、氣體燃料、液體燃料和固體燃料的燃燒、燃燒污染物生成機理及控制方法等。這些知識點主要圍繞節能減排、碳達峰和碳中和進行講解。內容理論性強、概念多且抽象，同時又與電力生產過程聯系緊密，所以對學生的綜合學習能力要求較高。為了更好地適應國家“雙碳計劃”對人才的需求，課程組教師分析了本課程教學中存在的主要問題，提出了課程的教學改革目標，并對本課程進行了相應的課程改革和實踐。

1 高等燃燒學課程教學中存在的主要問題

1.1 課堂教學時數少，課堂授課受限

一方面研究生培養注重其自學能力和科學研究能力，所以培養過程對其必修學分要求并不高。我校工程熱物理學科和熱能工程學科要求學生應修課程學分不少于30學分；另一方面為拓展研究生知識面，學科開設的課程門數相對較多，這樣致使每門課程的學分不高。我校高等燃燒學課程為2學分，32課時。由于受到授課時數的限制，授課教師很難在課堂上帶領學生深入研究某些燃燒機理或額外補充太多相關的前沿知識。

1.2 理論教學為主，實踐教學缺少

由于課時少，再加上本課程涉及的機理和理論內容多，所以課堂教學主要以理論教學為主，實踐教學少之又少，授課過程中枯燥乏味。其燃燒過程中涉及很多理化現象和機理，比如燃燒動力學、燃燒熱力學等，這些內容比較抽象，很難直觀講解，致使學生理解起來有一定的難度，迫切需要增加實踐教學環節，增加授課趣味，提高學生的學習興趣和學習效果。

1.3 課程內容經典，缺少工程案例

本課程教學內容主要是按照講義教材進行教學的，教材中的內容雖然非常經典，但是對于某些最新的前沿知識，特別是工程應用案例無法做到及時更新。在“雙碳計劃”背景下，需要適時加入實現雙碳目標的知識內容。

2 高等燃燒學課程教學改革目標

課題組教師經過多次研討、調研，充分考慮本學科研究生的培養目標、學生基礎情況（很多學生本科階段沒有學習過工程燃燒學）、結合國家“雙碳計劃”，確定了本課程的教學改革目標。具體如下：（1）更新課程內容，深入挖掘燃燒過程中涉及的節能減排、碳達峰和碳中和內容，引入低碳、高效穩燃、節能減排等最新技術。（2）以工程問題引領方式實施教學過程，提高學生的學習興趣和課程參與度；（3）線上線下混合式教學，拓展學生的學習維度，解決課堂教學時數受限問題。（4）思政融入課堂，培養學生樹立正確的人生觀和價值觀，培養他們的職業認同感和社會責任心。

3 高等燃燒學教學改革與實踐的具體內容

3.1 “雙碳”背景下，緊密結合電力行業發展，優化教學內容

根據“碳達峰”和“碳中和”的含義與發展要求，結合我國能源結構現狀，對于電力行業來說，實現“雙碳目標”的路徑主要有：清潔低碳化電力生產、碳捕集及資源化利用和氫能源發展等。目前，我國能源結構正在大幅調整，綠色能源發電比例不斷提高，但根據BP報告，2020年中國燃煤發電占中國發電量4917.7/7779.1×100%=63.2%，由此看出化石燃料在電力行業發展中仍起主導地位。而化石燃料燃燒生成的主要產物就是二氧化碳，與“雙碳計劃”聯系緊密。

結合清潔低碳化電力生產和碳捕集及資源化利用方面，本課程優化教學內容，重點強調：高效低碳燃燒原理及技術、穩定燃燒原理及技術、污染物生成機理及控制措施等，同時增加二氧化碳的生成機理及捕集技術。此外，根據我國“碳達峰、碳中和”發展現狀，本課程結合先進的燃燒技術、教師團隊的科研成果，緊跟火力發電鍋爐燃燒的發展前沿，聚焦課程的教學熱點、難點和重點問題，增加最前沿的相關知識和技術。

3.2 以工程問題引領方式實施教學

圍繞“雙碳計劃”，課程內容以典型工程案例形式提出，激起學生的學習興趣、引導學生利用所學知識分析問題或者提出新的問題，進而培養他們解決問題的能力。比如講到燃燒的穩定性內容時，以大型燃煤電站鍋爐的“低負荷穩燃”問題為典型案例，引導學生分析為什么鍋爐低負荷時穩燃問題非常重要？為什么會出現這個問題？從燃燒的角度，利用哪些理論來指導解決這個問題？學生把上述問題分析透徹之后，接著提出在工程應用中有哪些技術實現穩燃？學生充分思考后，教師引入鈍體燃燒技術、濃淡燃燒技術、穩燃器技術等，分析這些技術實現穩燃的工作原理。最后再深挖實現穩燃的其他途徑，比如“廣義回熱”，探討該技術在實現清潔高效穩燃中應用的可能性。

3.3 線上線下混合式教學，拓展學生學習維度

為解決本課程課堂時數少但授課內容多的矛盾，課題組采用了線上線下混合式多維度教學。線上線下教學又分為第一課堂和第二課堂，第一課堂是按著教務安排的教學時間進行，第二課堂則是利用課外時間進行。這樣可以彌補課程時數少的問題。第一課堂的線下授課主要是課堂教學，在教室內完成，進行理論內容的講解；第一課堂的線上授課主要是利用互聯網、騰訊會議等平臺，進行專題討論、案例分析等內容；第二課堂的線下授課主要是在實驗室進行，在相應的教學平臺或科研平臺上進行相關燃燒實驗的研究或者科創項目的開展；第二課堂的線上內容只要是燃燒數值模擬方面的專題講解，包括軟件使用、物理模型建立、網格劃分、邊界條件的給定、燃燒模型的選擇等。這部分內容主要針對感興趣的學生。比如在講到火焰傳播和火焰結構組成等內容時，開展開放性實驗，有興趣的同學可以到實驗室進行探究Bensun火焰及Smithell火焰、本生燈法層流火焰傳播等；在講到穩定燃燒技術時，課外線上指導學生學習建模軟件和模擬計算軟件，并進行相關穩燃技術（比如鈍體燃燒器）的數值仿真計算；在講到高效低碳燃燒技術等內容時，開展線上專題討論（如廣義回熱及其實現高效低碳燃燒的應用等）。本課程通過采用多種教學方法和手段，線上線下混合、課內課外結合，激發學生的學習興趣和求知欲，同時增加他們的動手能力。另外，對接全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽，開展相應的科創指導，培養學生的創新能力，而獲獎的學生又會有很強的榮譽感。

3.4 思政融入教學，實現專業教學和課程育人有機結合

充分挖掘課程思政元素，將社會主義核心價值觀貫穿本課程教學的整個過程中，培養學生樹立正確的人生觀和價值觀。專業教學和職業道德培育有機融合，培養愛國、敬業，有專業素養和職業道德感的專業人才。

依據教學內容，通過教師收集整理的人物事跡紀錄片、演講視頻、人物傳記等資料，適時加入教學內容中去，實現專業教學和課程育人的有機結合。比如講解到燃燒發展史中的燃素學說和氧化學說內容時，以“現代化學之父”安托萬—洛朗·拉瓦錫為人物典型。為了解釋“燃燒”這一常見的化學現象，德國醫生斯塔爾提出燃素說，認為物質在空氣中燃燒是物質失去燃素，空氣得到燃素的過程。很多化學家都擁護這一說法。然而面對這一問題，拉瓦錫卻持保留態度，并設計了著名的鐘罩實驗對硫、錫和鉛在空氣中燃燒的現象進行研究。通過金屬煅燒實驗，他提出了燃燒作用的氧化學說。拉瓦錫不隨波逐流和對待科學的嚴謹態度值得人們學習。再比如燃燒技術發展史部分中講到燃燒在航空航天事業中的應用時，以我國“兩彈一星”錢學森作為人物典型，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、為國奉獻的精神激勵人們前進。另外，在講到燃燒對人類生存環境的影響時，引入“雙碳計劃”，分析這一計劃提出的背景。讓學生明白“雙碳”目標的提出是我國主動承擔應對全球氣候變化責任的大國擔當，學生油然而生出滿滿的民族自豪感。同時，作為能源動力類專業的研究生，充分了解本專業是與實現“雙碳”目標密不可分的專業之一，讓他們充滿職業認同感和責任感。

3.5 翻轉課堂培養學生的自主性

將節能減排、“雙碳計劃”等與本課程教學內容相關的國家戰略或典型工程案例引入教學內容中來。通過分組討論，師生互動，還可以借助互聯網、騰訊會議等平臺實現課堂翻轉。學生為主，教師為輔，變教師授課為教師引導，學生由被動接收變為主動學習。針對某一知識點，學生分組進行查閱并整理資料，制作課件，在課堂上分別講述他們的觀點。疏密之處，由其他學生或者教師補充。結束后教師進行分組打分，作為學生平時成績的參考之一。這樣不僅可以提高他們的小組協作能力，還可以鍛煉他們的語言表達能力。

4 結語

作為學校培養人才的一線教師，要時刻不忘立德樹人之初心，牢記為黨育人為國育才之使命。作為能源動力類研究生的必修課程，高等燃燒學課程授課過程中，要緊跟國家發展戰略規劃，及時更新前沿知識，融入思政教育。為了解決本授課內容多而課程課堂時數少的矛盾，課程組采用線上線下混合、第一課堂和第二課堂結合的教學方式，拓展了有限的課堂課程學時，實現課程的專業知識教學目標。為了解決本課程理論性強學生難理解的問題，課程組采用工程案例引導式教學方法，并通過開放性實驗和模擬仿真軟件的使用，更直觀地把課程內容反映出來，激發學生的學習興趣和學習熱情。另外，根據研究生思政培育要求，在課程內容中加入了思政元素。課程組積極挖掘各知識點涉及的思政元素，以典型人物、事件等作為思政內容，適時融入課程內容。

本課程教學內容與國家節能減排和“雙碳計劃”戰略緊密相關，此背景下，課題組進行了高等燃燒學課程教學內容和教學方法的改革及實踐，形成了滿足研究生培養專業課程建設要求的教學內容體系和教學方法。通過開放性教學實驗室、科研實驗室等增加學生的實踐動手能力；采用線上線下混合式教學模式，拓展學生的知識面。通過本課程的教學改革，加強了學生對本課程知識的了解和掌握，能夠應用所學知識對實際工程中遇到的燃燒問題進行解釋。