燃燒學課程教學反思和改進措施*

冼圣賢 賈明生 徐青 李昊煒

廣東海洋大學機械與動力工程學院 廣東湛江 524088

0 引言

自21 世紀初以來，中國高等教育開始大規模擴招，短短二十余年，中國的高等教育以史無前例的速度實現了由精英教育向大眾教育的轉型。但龐大的教育規模和極短的轉型期，也帶來了教育質量降低的問題[1]。為提高教學質量，打造更多“金課”，先進教育思想的指導是不可或缺的。成果導向教育（Outcome-Based Education，OBE）是以學生為本，注重教學成果的先進理念，其核心思想為：1）教學目標應當為學生通過教育能獲得的知識和取得的成果；2）教學實施的目的應當聚焦于如何引導和幫助學生實現最終的學習；3）教學評價則應當基于學習成果的目標對學生學習效果的考核與評價[2]。高等教育中，OBE 并非只是口號，高校教師應身體力行，將OBE 理念落實到課程層面，對課程的設計、實施和評價進行改革和實踐。翻轉課堂模式是契合OBE 理念、以學生為本的授課模式。與傳統課堂講授模式不同，翻轉課堂模式顛倒了知識傳授和知識內化的教學流程[3]，借助互聯網技術，將傳統的授課過程轉移到課堂外，而傳統授課中重視程度不高的答疑解惑過程則在課堂內完成[4]。通過授課模式的革新，提高學生課程知識的掌握程度，激發學生的自主學習能力，并最終提高課程的質量。

燃燒學是能源與動力工程專業的專業課，是一門綜合性、交叉性較強的課程，其涵蓋了工程熱力學、傳熱學、流體力學、物理化學等課程的知識點，主要研究燃料燃燒過程中熱能的釋放、轉換以及利用的機理，其較強的工程實踐性和深奧的燃燒機理都增大了學生的理解難度[5]。本文針對廣東海洋大學能源與動力工程專業某學期課程教學情況，反思課程教學過程中存在的問題，并基于翻轉課堂模式，優化了教學流程，以期提高學生的積極主動性、改善課程目標的達成情況。

1 燃燒學的課程特點

燃燒學是一門內容豐富、發展迅速、實用性很強的交叉性學科，其內容涵蓋了能源與動力工程專業的大部分專業基礎課[6]。燃燒理論的建立和提出綜合了實驗研究和機理分析：實驗現象囊括了典型工程設備（鍋爐、內燃機、渦輪機等）、日常生活用具（家用爐灶、焊槍等）和建筑設施的燃燒現象，而機理分析則包含著火與滅火理論、火焰傳播規律、燃燒產物的生成機理等[7]。燃燒學的學習可為學生以后從事能源、環境工程和火災防治等方面的工作打下堅實的基礎[8]。但同時，復雜的燃燒現象和機理又要求學生在流動、傳熱和熱力學等領域有較為扎實的知識儲備，才能在較少的課時內掌握燃料的燃燒機理。因此，燃燒學的教學存在課時少任務量大的難點。如何調動學生的積極性，使其在盡可能短的時間內掌握授課內容是教師亟待解決的問題。

2 課程教學中出現的問題

廣東海洋大學能源與動力工程專業的燃燒學課程在工程熱力學、流體力學泵與風機等專業基礎課之后開設。從課程設置角度來看，學生在學習燃燒學前，已有相關的知識儲備，但根據考試結果，學生對燃燒學的理解程度仍有所欠缺。

圖1 和2 分別代表兩個教學班的期末考試卷面成績，從圖中可以看到，兩個班級的成績分布類似，主要集中在60 ～69 和70 ～79 兩個分數段。兩個班級的平均分也相近，分別為67.51 分和65.53 分，不及格率分別為19.23%和20.69%。從試卷的得分率來看，學生對于日常生活中涉及燃燒學的現象了解較為透徹，但對于一些基本概念、基本原理理解不深，對燃燒學在工業上的應用缺乏全面的認識。

圖1 班級1 的期末考試卷面成績分布情況

圖2 班級2 的期末考試卷面成績分布情況

結合考試成績和學生的學情反映，總結歸納燃燒學教學過程中所存在的問題。

2.1 教學方法單一

燃燒學的傳統教學方式是課堂授課模式，教師主要利用上課時間向學生傳授知識，并通過課后布置作業檢驗學生對新知識的掌握程度。學生獲取知識的途徑單一，對于理解難度大且課時量少的燃燒學，學生在上課時間只能機械接受知識，不利于學生的發散思維以及創新意識的培養。此外，大鍋飯式教學難以實現因材施教，容易導致接受能力較弱或專業基礎較弱的學生難以理解燃燒學的核心內容，進而失去學習的信心和積極性。由于對授課內容的不理解，部分學生會通過抄襲的方式完成教師所布置的課后作業，這一方面不利于學生養成誠實守信的品格，另一方面也不利于教師掌握學生的學習進度，從而誤判學生對知識的掌握水平，進一步增大師生之間的理解鴻溝。

2.2 課程難度高

燃燒學的主要內容是氣、液、固三相燃料的燃燒機理，其內容包括函數、假說、模型以及微觀層面機理分析等，整體的接受和理解難度較高；且由于學生工程實踐經驗較少，對于工程上的燃燒現象缺乏相應的概念，這也增大了學生理解的難度。傳統的課堂授課模式主要講授理論知識，介紹燃燒原理及工業裝置，所列舉的案例多為工業裝置的運行現象，對于日常生活中的現象卻少有提及，缺乏工程應用與日常生活的關聯。

綜上，授課內容與工程應用和科學研究密切相關，卻與學生日常生活割裂，學生對燃燒學知識理解困難，接受程度較低，從而導致教學質量降低。

2.3 學生積極性差

學生對燃燒學的學習主觀能動性低主要由兩方面引起：一方面，課程知識環環相扣且難度較高，學生課堂分神容易導致知識脫節，從而產生厭學心理；另一方面，傳統授課模式主要是教師的知識輸出，只強調了教師的主導地位，卻忽略了學生在教學過程中的重要作用，學生在課程教學中的參與度低，難以激發學生的自主學習意識。

綜上所述，教學模式單一、課程內容難度高、學生積極性差是傳統授課模式質量不高的主要原因。為此，后續燃燒學的教學將基于翻轉課堂模式進行改進，通過網絡教學平臺為學生提供網絡教學資源，提高學生對專業知識的掌握程度；同時，通過學生的研討報告，增強學生自主學習的能力，提高學生在課程教學中的參與度。通過課程教育改革，解決燃燒學教學過程中的痛點，提高教學質量。

3 基于翻轉課堂模式的課程改進

基于燃燒學課程教學過程中遇到的問題，抓住燃燒學教學中“課時少任務量大”這個關鍵問題，對課程教學進行針對性改進，改進路線如圖3 所示。

圖3 燃燒學教學過程改進路線

3.1 制作微課并引導學生自主學習

根據燃燒學的教學大綱，梳理課程中的難點，并針對性地錄制微課。燃燒學中的“絕熱火焰溫度”“鏈鎖反應”“一維火焰傳播理論”等內容是課程的重難點，針對每一個知識點，錄制講解視頻，每個視頻的時長控制在10 分鐘以內。通過將難點內容拆解、縮短微課的時長，降低學生的理解難度，減輕學生的學習壓力。將微課上傳到網課平臺，在課前督促學生進行自主學習，通過網站后臺獲取學生學習微課的時長、次數等信息，并督促學生在課前完成相應章節的預習工作，確保所有學生在課前完成微課內容的學習。

3.2 抓住問題并針對性教學

以問題為導向，在教學過程中緊密圍繞學生學習過程中的疑問，進行有的放矢的教學。短小精悍的微課難以使學生掌握課程的全貌，學生在微課學習過程中難免會產生許多不理解的地方。在完成微課制作和上傳后，鼓勵學生在學習微課的同時進行自主思考，在學習通或微信、QQ 等社交平臺上收集學生提出的問題。通過課前的問題收集和課上的提問，可以獲取學生學習過程中的共性問題，在課堂授課時可以抓住主要問題進行重點講解。根據學生反映的問題，在課前調整授課側重點，對學生不理解的知識點進行重點講解。此外，在課前還可根據知識點進行問題設計和案例收集。在授課時通過學生對問題的回答情況，了解學生對微課內容的掌握程度，并在知識點講解過程中，穿插現實生活中的案例，通過典型案例的分析，加深學生對知識點的理解，提高學生對燃燒現象的分析能力。最后，課上對重難點內容進行概括性總結，鞏固學生對知識點的記憶。通過“微課教學—答疑解惑—難點重溫”的教學過程，幫助學生掌握并鞏固知識。

3.3 鼓勵學生團隊合作探究

設定調研目標，劃分學習小組進行研討。學生既要學習燃燒機理，也要學習燃燒技術。照本宣科的教學方式既難以向學生傳授先進的技術，也難以實現復雜工業裝置的具象化呈現。根據燃燒學的教學大綱，選取工程應用類的知識點，要求學生進行分組調研。將學生劃分為多個5 ～6 人的學習小組，每個小組選取一個課題進行調研，可選的課題包括“高效燃燒技術”“污染物控制與脫除技術”“先進火災防治技術”等。針對每一個課題，要求學習小組分工合作，利用學校和網絡教育資源，盡可能多地搜集資料，從能源政策背景、技術原理、應用案例、發展歷程等方面進行系統性的描述，并通過小組討論，評價技術的優劣，分析其發展的前景。最后，各學習小組將各自的調研結果在課堂上進行展示，向學生講授先進的工程技術。通過小組合作探究的方式，增強學生對新技術的理解，提高學生的參與度，提高學生團隊協作能力和自主學習意識。

4 燃燒學的課程教案

在OBE 理念的指導下，基于翻轉課堂模式對燃燒學的課程教案進行優化設計，提取每章節的重難點內容錄制微課，并選取工程實踐性強的內容作為學生調研的課題。具體如下。

4.1 課程教學總體目標

掌握熱力學第一、第二定律的內涵，熱化學的機理以及相應的數學模型，辨別不同燃料的物理特征和化學組成，了解著火的形式和條件、火焰的傳播、燃燒產物的生成機理及燃燒污染物控制等燃燒學的基礎理論知識。清楚熱化學反應的基本定律及應用，理解燃燒過程的數學模型和相應的假設，掌握燃燒問題求解的基本方法。通過本課程的學習，使學生掌握燃燒學理論及應用的基礎知識，培養學生解決實際問題的思路和方法。

實現基礎概念和復雜工程問題的緊密關聯，學會分析工程設備的燃燒現象，能夠熟練解決工程改造和設計中相關的燃燒計算問題，并能針對性地提出提高燃燒效率的方案和措施；同時可以分析建筑物火災的起因以及相應的防治措施。通過先進燃燒技術的學習，還可拓寬學生的知識面，培養學生綜合分析問題的能力，增強學生理論結合實踐應用的能力。

4.2 課程教學內容計劃

4.2.1 緒論

該部分主要講授燃燒學的概況，以增進學生的了解。本章主要內容包括：1）燃燒的定義、燃燒與國民經濟和能源的關系；2）工程燃燒與燃燒設備；3）工程燃燒設備的基本性能要求；4）工程燃燒的研究及發展，強化燃燒、控制污染，火災的產生、傳播及防止。

4.2.2 燃料及特性

該部分主要介紹燃料的理化特性，主要內容包括：1）燃料的特征及分類及我國目前的燃料概況；2）燃料的元素分析和工業分析，燃料各成分的分析基準，燃料的發熱量及測定方法；3）煤的分類標準以及各類煤的理化特性，煤的燃燒特性以及相應的燃燒指標；4）煤灰在不同溫度下的理化特征以及其引發的問題，包括熔融、結渣和沾污；5）燃料的分類及其理化特性，包括黏度、閃點等；6）燃料的分類、化學組成以及理化特征。其中，微課主要講授典型的氣液固燃料特性：煤的灰熔融特性、石油的黏度和閃點、天然氣的爆炸極限。

4.2.3 燃燒化學熱力學和化學動力學

該部分主要介紹燃燒反應的熱力學基礎和化學動力學基礎，主要內容包括：1）燃燒反應的生成熱、反應熱和燃燒熱的定義以及求解方法；2）燃燒反應的自由能求解，燃燒反應達到熱力學平衡的條件以及相應的絕熱火焰溫度；3）燃燒反應的分類以及相應的定義，反應速度、反應平衡常數的定義及求解；4）反應溫度、活化能、反應壓力、物質濃度對燃燒反應速率的影響；5）有效碰撞理論和過渡態理論的定義，鏈式反應和復雜催化反應的定義。其中，微課主要講授關鍵參數的概念和求解：絕熱火焰溫度的求解、反應平衡常數的求解、鏈式反應的定義。

4.2.4 著火與滅火理論

該部分主要介紹著火與滅火的現象及其機理，主要內容包括：1）熱著火和鏈式著火的概念，并分辨自然著火與強迫著火的區別；2）謝苗諾夫熱著火理論與相應的數學模型，熱著火的影響因素以及熱自燃界限；3）鏈鎖自燃的基本理論；4）強迫著火理論及相應的數學模型，工程上的點燃方法；5）基于熱自燃理論和鏈鎖自燃理論的滅火機理，滅火的方式和滅火劑的選擇。其中，微課主要講授著火與滅火的數學模型：謝苗諾夫熱著火理論；三種著火方式的區別和聯系。學習小組研討的可選課題為工業鍋爐的點燃方法、火災現場的滅火方法。

4.2.5 固燃料燃燒

該部分主要針對煤的燃燒現象進行介紹和機理分析，主要內容包括：1）煤的熱解、燃燒、氣化等熱轉化過程的特征；2）煤的均相著火、非均相著火、聯合著火以及煤粒著火的影響因素；3）碳的燃燒化學反應的模型以及一、二次反應的影響；4）煤粉著火實質以及煤粉氣流著火的影響因素；5）層流燃燒、沸騰燃燒和流化床燃燒的設備特征及燃燒控制。其中，微課主要講授煤粉和煤粒的燃燒特性：碳粒的多層燃燒機理；鍋爐運行參數與煤粉著火的關聯。學習小組研討的可選課題為工業鍋爐強化燃燒的措施、氣固流動狀態對煤粉燃燒的影響。

4.2.6 燃燒污染物產生與控制

該部分主要介紹污染物的調控手段，主要內容包括：1）燃燒過程中炭黑、SOx、NOx 等污染物的生成機理；2）燃燒過程中的污染物控制技術以及煙氣中的污染物脫除技術。學習小組研討的可選課題為：工業鍋爐產生的污染物與煤種、運行參數的關聯；SOx 和NOx 的原位脫除技術；SOx 和NOx 的協同脫除技術；煙氣凈化技術。

5 結束語

本文針對廣東海洋大學能源與動力工程專業燃燒學課程教學過程開展反思。根據考試成績和學生反映，發現燃燒學教學存在教學模式單一、課程難度大、學生積極性不高等問題。為此，后續擬基于翻轉課堂模式優化設計燃燒學的課程教案，建立“微課教學—答疑解惑—難點重溫”的教學流程以及鼓勵學生自主研討工程實踐性強的課題，通過提高學生的理解和自主學習積極性，提高課程教學效果。