“雙碳”背景下燃燒學教學的困境、機遇與挑戰

摘 "要：“雙碳”政策正促進我國能源供需的結構性調整。新能源技術的不斷涌現使傳統燃燒技術及應用面臨巨大挑戰。在這一背景下，燃燒學教學遇到了困境，也迎來了機遇與挑戰。如何引導學生辯證把握新能源和燃燒科學的關系，理解時代背景下燃燒學的新內涵和新使命，激發學生興趣，啟發學生創新思維，培養學生實踐能力，抓住燃燒學教學新機遇是教師需要思考的課題，旨在不斷提升教師知識水平和教學能力是實現教學設計目標的根本保障。

關鍵詞：燃燒學；“雙碳”；教學改革；人才培養

中圖分類號：G642.0 " "文獻標識碼：A " "文章編號：1673-7164（2024）29-0157-04

隨著全球氣候問題日益嚴峻，世界各國紛紛提出“雙碳”目標，即碳達峰和碳中和。這對燃燒科學提出了新的要求和挑戰，也為燃燒學發展帶來了新的機遇。

一、辯證把握新能源和燃燒科學的關系，擺脫教學困境

“雙碳”背景下，新能源技術如風能、太陽能、核能等得到了快速發展和應用，新能源具有清潔、可再生、低碳等優點，是實現碳中和的重要手段。新能源技術的應用使火力發電、內燃機等傳統燃燒技術受到沖擊。燃燒被片面地理解為產生大量二氧化碳等溫室氣體的過程，燃燒學教學也因此受到了一些負面影響。在教學中，教師應明確燃燒學教學的定位和培養目標，強調辯證把握新能源和燃燒科學的關系，使學生理解時代背景下燃燒學的內涵和外延，明晰燃燒學學習的目的和意義，端正學習態度，激發學習興趣，擺脫教學困境。

（一）學生主觀學習意愿一般，對燃燒學存在誤解

一些片面的觀點將燃燒理解為高污染、高排放、低效率的過程。這影響了教師的教學積極性和效果，降低了學生對燃燒學學習的興趣和動力。作者在燃燒學授課前對教學班內27名能源動力類三年級本科生進行了調查。結果表明，多數學生對燃燒學學習感興趣，少數學生對燃燒學教學充滿期待，仍有37%的學生對燃燒學興趣不足，學習積極性欠佳。深入了解得知，部分學生將燃燒學與新能源科學對立而觀，認為燃燒學的研究內容陳舊，不符合現代社會的需求，相應的工作機會較少，未來職業發展空間也較小。因此，燃燒學教學之初首先應消除學生對課程的偏見，糾正學生對燃燒學的錯誤認識，激發學生的學習意愿。

（二）“雙碳”背景下的燃燒科學定位與發展趨勢

燃燒在人類發展中扮演著重要角色，也必將在人類未來發展中繼續發揮關鍵作用。如今，燃燒學已經從一門傳統經驗科學發展成為一門涉及熱力學、動力學、流體力學、傳熱學、傳質學等諸多學科交叉的理論與實踐高度融合的科學體系。燃燒學的發展和相關人才培養對我國構建安全、高效、清潔、低碳的能源體系意義重大。燃燒學一直是我國能源動力工程專業本科生的專業核心基礎課程，對培養學生的科學思維、工程思維、全局意識、辯證意識及綜合實踐能力等有重要價值。“雙碳”背景下傳統燃燒過程圍繞著“高效”“清潔”“低碳”依然有許多問題值得研究，如低負荷下的穩燃問題，燃燒中的碳捕集問題等。

另外，新能源科學可視為燃燒科學的延伸，其發展也離不開對燃燒過程的深入了解。強調燃燒學基礎知識，通過深入學習傳統燃燒原理，學生能夠更好地理解新能源技術的本質和革新。鼓勵學生開展跨學科的研究與合作，激發學生的創新思維，將新能源技術與傳統燃燒技術相結合，推動能源技術的進步。例如，在氫燃燒領域運用燃燒學知識可保證燃燒安全，調控燃燒強度，提高燃燒效率，減少污染排放等。同時，新型燃料的燃燒機理及先進燃燒器設計要求燃燒理論和燃燒技術的進一步發展，燃燒科學仍有巨大的進步空間。

二、深刻理解燃燒學新內涵，搶抓教學發展新機遇

教師應正視燃燒學發展方向，才能在教學實踐中更好地引導學生學習燃燒學。實際教學過程中應做到以下四點：

（一）引起學生共鳴：燃燒原理及應用與生產生活息息相關

燃燒過程和燃燒技術與日常生產生活息息相關。例如，家中常用的燃氣灶點火過程是“火等氣”還是“氣等火”；蠟燭燃燒為何有的“無煙”有的“冒黑煙”；汽車加油為什么有“95號”和“92號”的區別；粉體或紡織品加工廠房為什么要除靜電等。諸如此類的問題應該是學生通過學習燃燒學相關知識后能夠從燃燒機理的層面加以解釋的。也正因可以將所學用于理解自然或日常過程中的現象，學生才更容易自發接納這門課程，認識到這門課程的實用性，才能學好這門課程。經調查可知，多數學生認可燃燒學對于日常生活的重要性，但仍有學生不完全認同燃燒學與生活的聯系，這就需要教師在教學過程中引導學生關注生活中的燃燒現象，引起學生共鳴，改變被動學習的狀態，主動學習燃燒學知識內容。根據前文調查結果，學生基本認可了燃燒學學習對未來就業升學的重要性，這也激勵教師要通過燃燒學課程更好地引導本科生明確擇業或升學方向。

（二）幫助學生理解：燃燒的安全、高效、清潔是“雙碳”的第一抓手

脫離國情談“雙碳”是不負責任的行為。“富煤貧油少氣”是我國能源結構的基本面，化石能源尤其煤炭在我國能源體系中占主體地位，起到了能源供應“穩定器”和“壓艙石”的作用。［1］長期以來電力供應是煤燃燒的主要任務，然而傳統燃燒方式下，煤燃燒所產生的二氧化碳和污染物對環境造成巨大壓力，探索先進發電技術，提高燃燒效率、清潔度及單位碳排放是推動節能減排、應對氣候變化的重要手段。超臨界發電技術、先進整體煤氣化燃氣蒸汽聯合循環技術、整體煤氣化燃料電池聯合循環技術、碳捕獲利用與封存技術等先進發電技術都是革新電力系統的重要手段，也是燃燒學需要解決的重要主要課題。［2］為實現“雙碳”目標，存量減煤減碳與增量綠色發展需要同步進行。燃煤發電正逐漸由能源供給主體向托底能源轉變，燃煤發電正逐步承擔深度調峰的功能，因此低負荷下的穩定燃燒及污染物控制對先進煤炭發電技術的創新意義重大。［3］除電力行業外，鋼鐵行業、水泥行業、化工行業等也涉及燃燒及碳排放的問題。［4］以鋼鐵行業為例，鋼鐵生產中大量的燃料用于高溫熔煉和熱處理過程。通過采用高效的燃燒技術，如先進的燃燒設備、高效燃燒控制系統以及燃燒過程的優化，可以提高能源利用效率，減少燃料的浪費，從而減少碳排放。采用焦炭類可再生能源或其他更清潔的燃料替代傳統的高碳燃料。加強燃燒過程的監測和控制，確保燃燒的穩定和高效，可以最大限度地減少不必要的能源浪費和碳排放。因此，運用好現有的燃燒理論和技術是實現雙碳的第一抓手，也是燃燒學教學的基本點。

（三）啟發學生創新：新型燃料及燃燒技術是燃燒轉型的重要課題

新型燃料如氫氣、氨、醇類等具有高能量密度、低碳排放等特點，是未來能源轉型的重要方向。從燃燒學的角度，這些新型燃料也帶來了新的發展機遇，如如何有效地點火和控制、如何減少副產物和污染物等。這些問題都需要借助先進的燃燒理論和技術來解決。應用方面，中國非常重視氫燃機的開發和應用，中國重燃在國電投湖北公司荊門工廠的F級燃氣輪機上進行了摻氫燃燒試驗研究及示范認證，為能源低碳轉型提供解決方案。［5］民用氫能利用主要包括天然氣摻氫燃燒等。摻氫會造成燃燒速率加快、火焰變短、燃燒強度增加、燃料泄漏風險提高、可燃范圍增大等。摻氫或純氫燃燒的煙氣成分會發生變化，如果燃燒控制不合理可能造成氮氧化物（NOx）排放濃度過高等問題。［6］這些也給燃燒科學發展提出了新的挑戰。相較于氫，氨具有生產工藝成熟、儲存運輸難度小等優勢，但氨燃燒存在反應活性較弱、著火困難、火焰傳播速度低、燃燒不穩定、NOx排放高等問題，對新型燃燒器設計及燃燒組織優化提出了挑戰。同時，建立相關氨燃燒化學反應動力學模型，探究氨燃料燃燒特性等也是先進燃燒科學的研究方向。［7］此外，甲醇內燃機、液體火箭、高超音速飛行器等新型應用領域這些領域中涉及極端條件下的高溫高壓高速復雜流動和化學反應過程，對傳統的燃燒模型和方法提出了新的挑戰和需求。這些領域也為燃燒學教學提供了新的視角和案例，可以激發學生的興趣和創新力。［8］

（四）培養學生能力：重視邏輯思維與實踐能力培養，鼓勵鉆研燃燒理論

燃燒學課程內容范圍較廣，學科知識體系深度交叉，具體的應用對象也多，且應用型高校的學生在理學基礎、思考深度和獨立研究能力方面與研究型高校的學生存在一定的差距，如果過分強調燃燒理論的講授，容易造成課程難度過大，具象化程度不足，學生被動接受知識，跟不上教學進度，產生疲倦甚至抵觸情緒等問題。［9］因此，燃燒學教學過程中應關注能源動力相關領域中最新工程技術的發展動態，引導學生解決工程實際問題，鼓勵學生能夠參與動手實踐。同時強調對燃燒學課程內容邏輯的理解，要求學生能夠運用所學知識分析、評估具體的燃燒現象或燃燒設備并提出優化意見。對于學習能力較強、學習興趣濃厚的學生，應該鼓勵學生深入鉆研燃燒基礎理論，為未來從事燃燒方向的基礎研究做好準備。

三、積極提升燃燒學教學技能，沉著應對教育新形勢

教學過程實現和教學效果達成需要教師教學能力及技能的支撐，順應燃燒學教學發展新形勢，持續更新教學內容，合理運用數字化教學新技術，使課程符合學生期望，“對癥下藥”才能培養出優秀的人才。這對教師教學過程的開展提出了新的挑戰。

（一）拓展并充實教師自身知識體系，突出個人知識特色

燃燒學課程內容包括燃料形成、分類、組成及理化性質；燃料燃燒化學反應熱力學動力學基礎；射流混合過程；火焰著火、傳播、穩定性；燃燒設備及燃燒組織特性；污染物生成及控制等。［10］因此，教師需要具備廣泛的知識面并能夠及時更新自身知識儲備。這要求教師能夠投入足夠的時間和精力，不斷跟進燃燒學最新的科技動態和前沿成果，與相關領域的專家和同行保持交流和合作，拓寬自身的視野和思路。在教學過程中教師可以結合自身研究特色，拓展燃燒學教學內容，激發學生學習興趣。

（二）掌握并合理運用新興教學手段，提高學生參與度

對于燃燒學課程，學生比較認可教師講授及板書的教學方式，同時希望在課程中引入一些提問、動畫視頻及課堂實驗等互動環節，也期待教師能夠在講授過程中介紹相關科研情況及就業情況，此外學生還希望教師能安排相應的作業和答疑環節。對翻轉課堂這類轉換教學主體，以學生分享為主的教學方式并不受學生青睞，這可能是由于學生對知識輸出過程的不適應和不自信，教師在采用諸如此類的新興教學方法時要特別注意技巧，以免適得其反。隨著科技發展，虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）、元宇宙教學融合技術在燃燒學教學中具有良好的應用前景。燃燒過程往往具有一定危險性，且對設備、場地、環境有一定的要求，通過數字化教育手段既可以保證燃燒過程的具象化、可視化，又可以保證安全性和互動性，方便學生理解，提高教學質量。［11-12］燃燒學課程學時有限，工程實踐教學平臺的構建及組織實施能有效地利用學生課后的時間，采用啟發式、討論式和參與式教學模式可以提高學生的工程實踐能力、自主學習能力、創新能力等。［13］

（三）更新并調整教材、教案、PPT等教學資料，適宜學科新發展

由于燃燒技術和應用領域在“雙碳”背景下發生了較大的變化，傳統的教材已經不能滿足當前的教學需求。因此，教師需要根據最新的科技發展和行業動態，追蹤“雙碳”背景下的燃燒學學科前沿問題、關鍵技術和發展趨勢，及時地對教材進行適當的調整和更新，增加低負荷燃燒、氫能利用、碳減排及清潔燃燒等內容，保證教材、教案、教學PPT與時俱進，保持課程體系的先進性與前沿性。［14］

四、結語

“雙碳”時代燃燒學教學存在一些困境，但更多的是新的機遇與挑戰。在傳統燃燒技術受到抑制的同時，新型燃燒技術的快速發展為燃燒學教學提供了廣闊的空間。教師應不斷拓展知識面，創新教學方法，更新教材內容，以適應“雙碳”時代的需求。燃燒學教學應該更好地服務于我國能源產業的發展，培養更多的優秀人才，為“雙碳”目標的實現貢獻力量。

參考文獻：

［1］ 賈鑫，韓振南，姜新東，等. 面向“雙碳”需求變革主要碳基能源利用模式的思考［J］. 中國發展，2022，22（04）：56-68.

［2］ 王哮江，劉鵬，李榮春，等. “雙碳”目標下先進發電技術研究進展及展望［J］. 熱力發電，2022，51（01）：52-59.

［3］ 董潔，喬建強. “雙碳”目標下先進煤炭清潔利用發電技術研究綜述［J］. 中國電力，2022，55（08）：202-212.

［4］ 趙震宇，姚舜，楊朔鵬，等. “雙碳”目標下：中國CCUS發展現狀、存在問題及建議［J］. 環境科學，2023，44（02）：1128-1138.

［5］ 李立新，張昭昭. 某型號F級燃氣輪機混氫燃燒的性能分析和工程實踐［J］. 動力工程學報，2022，42（10）：912-918.

［6］ 孟翔宇，陳銘韻，顧阿倫，等. “雙碳”目標下中國氫能發展戰略［J］. 天然氣工業，2022，42（04）：156-179.

［7］ 高正平，涂安琪，李天新，等. 面向零碳電力的氨燃燒技術研究進展［J］. 潔凈煤技術，2022，28（03）：173-184.

［8］ 魏安力. “雙碳”目標與能源轉型下內燃機的變革之選［J］. 上海汽車，2022（10）：1-2.

［9］ 鄧軍，貢琳慧，劉飛宇. “雙碳”目標下能動專業課程體系改革思考［J］. 大學，2022（23）：71-74.

［10］ 李芳芹，吳江，仇中柱，等. 工程燃燒學課程教學改革與探索［J］. 科技視界，2022（01）：78-80.

［11］ 李家科，劉欣，王艷香，等. VR技術在燃燒合成粉體實驗教學中的應用［J］. 科技視界，2022（02）：39-40.

［12］ 宋艷輝，陳歆琦，余彩霞. 元宇宙對課堂教學模式的變革影響研究［J］. 評價與管理， 2022，20（03）：57-60.

［13］ 凡鳳仙，胡曉紅. 熱能工程實踐教學改革的探索［J］. 上海理工大學學報（社會科學版），2020，42（02）：179-183.

［14］ 王秋麟，張守玉，周騖. “雙碳”背景下工程燃燒學課程思政建設探索與心得［J］. 吉林教育，2022（20）：21-23.

（責任編輯：邵秋露）

基金項目：2022年上海理工大學留學生全英授課專業建設項目“高等燃燒學”；2022年上海市科委啟明星培育（揚帆）計劃項目“融合圖像—光譜—微流化床熱重法的堿金屬基二氧化碳固體吸收劑脫碳反應動力學及過程可視化研究”（項目編號：22YF1429600）。

作者簡介：蔡天意（1991—），男，博士，上海理工大學講師，研究方向為顆粒、多相流測量方法及多相反應機理；張守玉（1971—），男，博士，上海理工大學教授，研究方向為生物質制備成型燃料；周騖（1986—），女，博士，上海理工大學教授，研究方向為顆粒及多相流測量方法及應用；楊薈楠（1983—），女，博士，上海理工大學教授，研究方向為氣液兩相多參數同步測量方法研究及應用；王秋麟（1987—），女，博士，上海理工大學副教授，研究方向為固廢資源化利用，污染物排放控制。