面向碳中和的“先進燃燒理論與技術”新課程體系探索

［摘 要］ “先進燃燒理論與技術”是一門面向碳中和目標設置的新課程，作為經典燃燒學的補充，該課程以“雙碳”目標為引領，以經典燃燒理論為基礎，符合能源與動力專業新工科研究生培養要求。分別從新課程的系統設計與教學模式探索，以及課程思政融入方面詳細闡述了該課程的教學目標、內容設計、特色教學方法、多元評價體系和課程思政切入點。面向“雙碳”目標的要求，能源與動力領域新工科人才的培養面臨巨大挑戰，切實調整傳統專業課程體系的設計，為新時代能源轉型下的研究型人才培養提供支撐。

［關鍵詞］ 碳中和；燃燒學；新課程體系；研究生教育；課程思政

［基金項目］ 2021年度北京科技大學研究生教育教學改革項目“‘雙碳’目標下的‘先進燃燒理論與技術’新課程及教學體系建設”；2021年度北京科技大學研究生教育教學改革項目“從‘唯論文’傾向到‘四個面向’引領的能動學科研究生多維度培養體系探索”；2022年度北京科技大學研究生教育教學改革項目“面向戰略性新興產業的能動學科‘三維一體’研究生培養體系改革與實踐”

［作者簡介］ 李詩媛（1979—），女，內蒙古赤峰人，博士，北京科技大學能源與環境工程學院教授，博士生導師，熱科學與能源工程系主任，主要從事低碳清潔燃燒技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）42-0083-04 ［收稿日期］ 2023-05-10

2020年9月，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上強調，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和［1］。面向“雙碳”目標，我國將以新發展理念為引領，在推動高質量發展中促進經濟社會發展全面綠色轉型。特別是在能源與動力領域，傳統技術的應用將面臨巨大的挑戰，“雙碳”目標為技術的升級換代和新技術的開發提供巨大的牽引。因此，能源與動力領域新工科人才的培養也面臨巨大挑戰［2］。

一、現狀與存在問題

“燃燒學”（部分高校命名為工程燃燒學）是能源與動力工程本科專業必修的專業基礎課程。作為燃燒學知識的延續和拓展，研究生培養階段大部分高校設置“高等燃燒學”課程作為必修課或選修課。“高等燃燒學”是一門理論性很強的課程［3］。由于燃燒本身是一個十分復雜的現象，包含大量物理化學過程和機理，如燃燒動力學、燃燒熱力學等，理論比較抽象，學生理解起來有一定的難度，學生在學習之后反饋在應用方面比較困難。因此，“高等燃燒學”課程持續進行改革和新教學方法的嘗試［4-6］，然而課程仍然是基于傳統燃燒學內容。基于以上在“燃燒學”這一專業基礎課程的教學方面遇到的問題，以及針對面向碳中和目標的要求，目前的課程體系仍然存在以下問題。

1.“高等燃燒學”課程內容圍繞傳統固體、氣體和液體燃料的燃燒理論和燃燒技術進行講解。由于學時有限和課程目標的原因，課程在講授的過程中較少突出低碳技術、減碳技術以及碳捕集技術等與“雙碳”目標相一致的其他先進的燃燒理論與技術。因此，僅通過專業基礎課“高等燃燒學”不能滿足碳中和目標下的新工科人才培養的需要。

2.“高等燃燒學”課程內容理論性較強，實踐教學內容相對較少。燃燒理論與應用技術的關聯，以及如何將燃燒理論應用到燃燒新技術的開發中是新工科研究生培養的關鍵，因此培養體系需要考慮結合應用和實踐的內容設計。

二、新課程的系統設計與教學模式探索

作為專業基礎課“高等燃燒學”的補充和拓展，探索設計“先進燃燒理論與技術”新課程。

（一）教學目標

以“雙碳”目標為引領，以經典燃燒理論為基礎，講授內容從傳統化石燃料燃燒，拓展到低碳燃料燃燒、固體廢棄物焚燒，講授低碳燃燒技術、燃燒中碳捕集理論和技術，重點加強理論與技術的結合和應用，培養新時代能源轉型下的新工科研究型人才。

1.掌握固體燃料燃燒理論和技術發展歷程；掌握低碳燃燒的內涵和技術措施；掌握低碳燃料的內涵和燃燒應用技術。

2.掌握固體燃料燃燒過程中污染物控制理論和技術；掌握燃燒中二氧化碳捕集技術的原理和技術。

3.清楚我國能源領域面向碳中和的技術研發方向和現狀，能夠結合學習的專業知識分析碳中和實現路徑和技術發展趨勢。

（二）教學內容設計

新課程教學內容從燃料種類和燃燒技術兩個維度展開，突出燃料特殊性帶來的技術差異，以及同一燃燒技術的共性問題。從傳統燃料到低碳燃料，從傳統燃燒技術到低碳燃燒技術、減碳技術和碳捕集技術。將以上內容有機結合，“雙碳”目標貫穿整個課程體系。

圍繞低碳燃料、低碳燃燒技術和碳捕集技術，課程主要內容包括概述、燃燒學基礎概念和理論回顧、循環流化床燃燒技術、先進煤粉燃燒技術、固體廢棄物焚燒技術、生物質燃燒技術、富氧燃燒技術和化學鏈燃燒技術共八章。第一章概述中重點講解為了實現“雙碳”目標，燃燒領域技術的發展趨勢。后續每章講解的技術包括技術原理、代表性技術及應用、相應的污染物控制技術，同時包括技術發展的歷程以及未來的趨勢等。

新課程體系包括的燃料種類為傳統化石能源煤炭、含碳可再生能源生物質燃料、含碳固體廢棄物（如生活垃圾、污泥等）。先進燃燒技術包括循環流化床燃燒技術、高效低碳煤粉旋流燃燒技術、各種先進的生活垃圾焚燒和污泥干化焚燒技術、富氧燃燒技術、化學鏈燃燒技術。貫穿燃料特性、燃燒理論、燃燒技術和燃燒設備，從基礎理論、關鍵技術到工業應用，建設具有特色的新課程體系。

其中生物質燃燒技術和固體廢棄物焚燒技術是煤炭的替代燃料的燃燒技術，富氧燃燒和化學鏈燃燒是燃燒中二氧化碳捕集技術。因此，在整個課程內容中既涵蓋了經典的燃燒理論和技術，同時也包含了已應用的低碳燃燒技術和碳捕集技術。相比于傳統“燃燒學”課程，新課程教學內容的特色體現在以下幾個方面。

1.課程設置碳捕集燃燒技術內容。碳捕集、利用和封存技術是解決含碳燃料燃燒產生的二氧化碳問題的重要途徑之一。因此，“先進燃燒理論與技術”課程從燃燒學的角度，設置了燃燒中捕集二氧化碳技術的內容，包括富氧燃燒和化學鏈燃燒技術。由于這兩項技術尚不完全成熟，還處于工業示范的階段，因此本課程包括介紹技術原理、研發歷程、存在問題和未來發展趨勢等內容。

2.課程設置生物質燃料和固體廢棄物的燃燒技術內容。為了實現碳達峰和碳中和目標，化石能源用量將逐漸減少，大量含碳的可再生能源和廢棄物由于其物理化學性質與煤炭接近。因此，此類燃料與煤炭的摻燒或替代煤炭將成為趨勢。生物質作為自然界唯一的含碳可再生固體燃料，其利用過程二氧化碳為近零排放，在歐美國家已大量替代煤炭被廣泛利用。固體廢棄物，如生活垃圾、污泥等，此類燃料在無害化處置的過程中利用其熱量是低碳燃燒的重要內容。因此，“先進燃燒理論與技術”課程包括生物質、生活垃圾、污泥的燃燒技術原理、各種燃燒設備以及污染物控制等內容。

（三）教學方法設計

“先進燃燒理論與技術”課程為高年級本科生和研究生的選修課，將嘗試采用研討式為主的教學模式，打破傳統的“灌輸式”教學模式，構建以啟發、研討、實踐為一體的多元教學方法。在教學方法上主要體現以下特色。

1.啟發式教學。通過巧妙設計教案，從枯燥的基礎理論出發，引導學生思考理論如何應用，同時思考理論與應用技術的關系。例如，在講授燃燒反應動力學理論部分，如果只是“灌輸式”地講授理論和公式，學生并不清楚燃燒反應動力學在燃燒技術中如何應用；如果結合具體燃燒技術一起講解，并講解動力學如何指導燃燒器的優化，教學效果更佳。此外，在各種燃燒技術發展歷程的介紹中，不斷啟發學生，使學生更多地體會發展規律和技術思路，而不是簡單地記憶技術特點本身。

2.研討式教學。“先進燃燒理論與技術”課程為選修課，通常班級控制在25人以內，因此為研討式教學提供了便利條件。研討分為兩部分，一部分是學生自己講解習題。例如，平時作業中計算絕熱火焰溫度的習題，計算比較復雜，通常學生掌握不好，類似這種重要的內容通過課堂上學生不同方法的講解，形成討論并加深學生對知識點的理解和掌握。另一部分是分主題小組討論，根據最新的燃燒學研究領域，結合課程所學的知識，學生通過查閱文獻資料，對某一主題開展研討，不同學生可針對不同角度和側重點，最終形成文獻綜述報告，并以小組為單位進行口頭匯報，或者采用視頻、微電影等形式均可。通過以學生為主，教師為輔的研討式教學模式，充分培養學生的自主學習能力。

3.專家連線式教學。為了讓學生更多地了解行業企業在技術研發方面的進展，課程通過線上與專家連線模式，邀請企業的高層次技術專家參與課堂式研討和講座式交流。這樣不僅可以活躍課堂互動的氛圍，還可以通過與專家連線讓學生更直接獲得更加專業的觀點。此外，為了拓寬研究生的國際視野，“先進燃燒理論與技術”課程通過線上或線下與外國專家研討學習內容，了解國外新的研究動態。通過與外國專家的英文交流，不僅可以增強研究生的英文表達能力，還可以拓寬研究生的國際化視野。同時，課程的PPT講義將以中英文呈現，培養研究生在本領域英文學術論文撰寫和學術交流的能力。

4.實踐式教學。從培養新工科人才角度出發，“先進燃燒理論與技術”課程將緊密結合工程實際，注重技術應用，充分發揮主講教師在工程研發方面的經歷和經驗作用。在課程講授過程中滲透工程設計和應用的思維方式，從工程師的角度，理解技術研發和應用的客觀規律，培養學生主動思考、精益求精、批判性思維能力、創新能力和工程化思維。同時，通過本科生的畢業實習、課堂多媒體教學（如動畫、視頻等）、實驗裝置以及實物模型觀摩等多種途徑，增加學生對所學知識的理解和掌握，能夠將所學的知識點與應用相對應，建立對技術研發規律的初步認識。

（四）課程評價方法設計

課程評價采用多元化方法，打破傳統平時成績占比30%，考試成績占比70%的模式。“先進燃燒理論與技術”課程的成績包括課堂表現、小組討論綜合成績、作業、考試、加分項成績組成。課堂表現包括課上的聽課狀態、與教師和專家的互動情況、出勤率等；小組討論綜合成績包括研究報告質量、口頭匯報效果以及匯報形式等；加分項成績包括口頭匯報形式和效果，以及學生參加與本課程內容相關的競賽活動等，鼓勵學生開展具有創意的短視頻、學術演講以及研究成果海報等形式的成果展示。通過多元化的評價體系，改變傳統應試模式，拓寬學生的學術視野，促進學生自主學習能力的培養。

三、課程思政融入新課程的切入點

結合課程思政建設，滲透工程意識培養。“先進燃燒理論與技術”課程在講授各種燃料的燃燒技術的同時，不斷滲透工程應用的內容，使枯燥的基礎理論和技術原理，結合具體工程應用實例加深理解。通過知識講授與案例研討結合、線上線下結合以及學生研討等形式，將課程思政內容潛移默化地融入課程知識體系中，進而形成課程思政知識體系，使學生在學習專業知識的過程中增進個人社會責任感、工程倫理意識、創新思維能力和大國工匠精神。

課程思政融入“先進燃燒理論與技術”課程的切入點體現在以下幾方面。

1.激勵學生思考自身擔當、樹立家國情懷。例如，通過對我國近40年電力裝機容量的變化、發電的單位煤耗降幅、污染物排放控制、燃燒發電設備發展狀況等對比分析，以及對我國能源事業發展的偉大成就的展示，對比我國能源技術與發達國家的差距和能源資源的差距，客觀地呈現當下能源領域的現狀和存在的問題，激勵學生思考自身的責任擔當、個人價值的實現，樹立家國情懷。

2.培養工程思維和工程倫理意識。例如，通過講解某地區垃圾焚燒發電廠工程因當地民眾擔心影響周邊空氣、水源和土壤，因此反對項目建設并激化為一起群體性社會事件。事后當地政府、涉事企業、相關專家與當地民眾等多方之間展開充分溝通，從而使這一事件得以成功化解。通過此案例，使學生深刻理解工程與社會的關系、工程倫理中的利益原則、知情同意原則、公平正義原則、公眾參與原則以及工程環境倫理原則等。

3.融入馬克思主義立場觀點方法。在課程中融入馬克思主義立場觀點方法。將內外因辯證原理、普遍聯系、否定之否定的辯證思想與具體的燃燒理論和技術的發展相結合，使學生建立對燃燒理論、能源利用技術以及產業體系的整體認知，從中培養學生的批判性思維能力和創新思維能力，樹立大國工匠精神。

4.培養學生合作共贏的團隊精神。通過設計小組討論課，3～4人合作完成一項學術報告并進行口頭討論。學生可結合自身的碩士課題研究方向，分工完成。通過小組合作，增強學生對團隊成員角色的責任意識。同時，通過案例講解團隊合作的重要性以及通過團隊完成的成功的技術攻關。

結語

面向碳中和目標，能源與動力領域新工科人才培養面臨著巨大挑戰，傳統經典的專業課程培養體系需要在國家重大需求的大背景下不斷更新和修訂。“先進燃燒理論與技術”這門新課程作為經典燃燒學的補充，為學生提供了更加貼近應用的課程選擇。“先進燃燒理論與技術”課程以“雙碳”目標為引領，以經典燃燒理論為基礎，設計符合能源與動力專業研究生培養的燃燒理論與技術新課程體系。講授內容從傳統化石燃料燃燒，拓展到可再生能源生物質燃料燃燒、固體廢棄物燃料焚燒，如生活垃圾、污泥等。同時，講授燃燒中碳捕集理論和技術，如富氧燃燒技術和化學鏈燃燒等先進燃燒理論和技術。新課程采用集啟發、研討、實踐為一體的多元教學方法，構建多元化的評價體系，并結合燃燒學的特點，融入思政元素。“先進燃燒理論與技術”新課程的設計和實踐，為新時代能源轉型下的新工科研究型人才培養提供支撐。

參考文獻

［1］習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話［EB/OL］.（2022-09-22）［2023-04-02］.https：//www.gov.cn/xinwen/2020-09/22/content_5546168.htm.

［2］吳嘯，沈炯.碳中和背景下能源動力專業碩士研究生培養課程體系構建研究［J］.中央民族大學學報（自然科學版），2022，31（2）：81-85.

［3］岑可法，姚強，駱仲泱，等.高等燃燒學［M］.杭州：浙江大學出版社，2002：1-5.

［4］張磊.《高等燃燒學》研究生課程的研討式教學改革與探索［J］.中國電力教育，2022（1）：55-56.

［5］王中賢，王涵.工程燃燒學教學內容優化研究與實踐［J］.教育教學論壇，2018（28）：151-152.

［6］李芳芹，曾卓雄，仇中柱，等.“雙碳”背景下的高等燃燒學課程教學改革與探索［J］.科技視界，2022（11）：62-64.

Research on the New Curriculum System of Advanced Combustion Theory and Technology

for Carbon Neutrality

LI Shi-yuan

（School of Energy and Environmental Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： Advanced Combustion Theory and Technology is a new course oriented to carbon neutral goal. As a supplement to classical combustion theory course， this course is guided by “double carbon” goal and based on classical combustion theory， which meets the requirements of new engineering graduate training in energy and power major. This paper expounds the teaching objectives， content design， characteristic teaching methods， multiple evaluation system and curriculum ideology and politics from the aspects of system design and teaching mode exploration of the new course. Facing the requirements of the “double carbon” goal， the training of new engineering talents in the field of energy and power is also facing great challenges. Effectively adjusting the design of the traditional professional curriculum system will provide support for the training of research-oriented talents under the energy transition in the new era.

Key words： carbon neutrality; Combustion Science; new curriculum system; postgraduate education; curriculum ideology and politics