摘要:“燃烧学”作为热能动力类专业的主要专业基础课程,近年来越来越受到重视。本文针对“燃烧学”这门学科的特点,结合国内外高校“燃烧学“课程特点和发展趋势,从课程特点、主要授课内容、授课重点、难点和教学方法的改革和创新等方面,提出了系统的意见和建议,这对于不断提高教学效果和热能动力类专业基础课建设将起到示范作用。
关键词:热能动力;燃烧学;课程教学;教学改革
作者简介:曹玉春(1973-),男,江苏盐城人,郑州大学化工与能源学院热能与动力工程系,副教授,工学博士,主要研究方向:燃烧学课程教学与科研;吴金星(1968-),男,河南开封人,郑州大学化工与能源学院热能与动力工程系主任,教授,工学博士,主要研究方向:节能技术。(河南 郑州 450001)
基金项目:本文系河南省教育厅自然科学2007和2009年度基金资助(项目编号:20074800060、2009A480004)的研究成果。
目前,世界总能源的80%来自煤、石油、天然气等矿物燃料的燃烧,而且绝大部分污染物和CO2的排放也源自于燃烧。“燃烧学”正是研究化石燃料化学能向热能转换的一门专门的学问,在能源高效利用、污染有效控制等节能减排方面具有举足轻重的地位,是一门既古老又年青的学科,随着世界范围内能源危机和环境问题的日益突出,“燃烧学”作为基础应用研究正受到各国的重视。
在我国普通高等院校能源动力类专业的课程设置中,最初“燃烧学”的基本知识是作为讲授“锅炉原理”、“发动机”、“内燃机原理”等课程的一部分内容,近年来随着越来越多的高校将本科教育教学改革定位为“通识教育基础上的宽口径专业教育”,“燃烧学”课程在绝大多数普通高等院校能源动力类人才培养计划中作为热能动力、航空航天、安全与能源环境等工科专业本科生的专业基础课程而独立开设,“燃烧学”的课程教学效果对能源动力类专业基础课的教学改革具有非常重要的意义。
通过近年来的不断努力,各院校在“燃烧学”课程的教学方面已经取得了不错的成就,积累了不少经验,但作为一门较新的课程,在不少方面仍需要进一步的完善和发展。为更好地促进“燃烧学”课程的教学,笔者结合国内外“燃烧学”课程发展特点及趋势,结合几年来讲授热能与动力工程专业本科生“燃烧学”课程的一些具体体会,对课程的教学改革进行了总结,并就自己的一些方法进行介绍,期望广大同行给予批评指正。
一、“燃烧学”课程特点及教学手段
1.“燃烧学”学科特点
“燃烧学”是一门内容丰富、发展迅速、实用性很强的交叉性学科,燃烧科学目前正在从一门传统的经验科学成为一门系统基础应用学科,研究内容涉及热力学、流体力学、化学动力学、传热传质学、物理学等以数学为基础的综合理论体系。燃烧科学发展的最重要的形式是理论的发展,而理论的发展正是科学实践的结果,也就是研究方法的发展。燃烧理论的建立是实验研究和理论总结的结合。由于燃烧过程的复杂性,到目前为止,燃烧科学的研究,仍然以实验研究为主。但理论和数学模型的方法正显得越来越重要。
现代先进激光诊断技术的出现,改进了燃烧试验方法,提高了测试精度,为深入研究燃烧现象及其规律提供了重要手段和精确可靠的试验数据。随着计算机运行速度的提高和近年来大规模并行计算的发展,越来越多的科学家系统地把计算流体力学方法用于燃烧研究,建立了燃烧的物理模型和数值计算方法,用它可以定量地预测燃烧过程和燃烧设备的性能,从此“燃烧学”的研究进入从定性到定量、从宏观到微观的新阶段。
目前“燃烧学”的研究仍然从两方面进行,一方面是燃烧理论的研究,研究燃烧过程所涉及的各种基本现象的机理,如燃料的着火、熄火、火焰传播及火焰稳定、预混火焰、扩散火焰、层流和湍流燃烧、液滴燃烧、碳粒燃烧、煤的热解和燃烧、燃烧产物的形成等过程的机理。另一方面是燃烧技术的研究,应用燃烧基本理论解决工程技术中的各种实际燃烧问题,如对现有燃烧方法进行分析和改进,对新的燃烧方法进行探索和实践,提高燃料利用范围和利用效率,实现对燃烧过程的控制,控制燃烧过程中污染物质的生成和排放等等。
2.“燃烧学”课程主要内容
课程通过对经典的“燃烧学”基础理论、燃烧装置结构特点及燃料燃烧及排放特性等内容的系统讲解,做到让学生学会考察基本热流科学知识(工程热力学、传热传质学、化学反应动力学和工程流体力学)和燃烧问题之间的联系,学会抓主要矛盾、忽略次要矛盾以简化物理模型的分析方法,并由此学会如何去分析基本的燃烧现象和如何从基本理论出发去创造性地解决实际工程中的燃烧问题,从而培养学生能够透过燃烧现象分析其内在本质的能力。
3.课程重点、难点及教学手段
课程重点既将“燃烧学”领域的基本概念、来龙去脉,以及一些基本的理论、完整而精炼的演绎、具体的演算实例作为授课重点,同时展示和讲解将相关燃烧技术、设备和设施特点,这样一方面使学生对燃烧现象背后的本质有所了解掌握,同时对燃烧理论在实际工业及生产中的应用有比较深刻的认识。课程力求注重课堂教学和基本燃烧实验相结合实践型教学方法,培养学生在对基本实验现象有深刻的认知的同时来生动地学习和掌握基础的燃烧理论。“燃烧学”课程不仅适用于能源动力系统及自动化专业、化学工程、机械工程相关领域的本科教学,为成为优秀的工程师打基础,又可以为未来学习高级的燃烧课程和走上学术科研道路做准备。
因为化学热力学和热科学传递现象耦合过程过于复杂,产生了火焰结构、火焰传播速度、火焰稳定、火焰极限、点火和熄灭等诸多物理化学现象或知识,导致讲授过程出现如下难点。
(1)学生对于传递现象、Fick扩散定律方程以及Arrinus定律这些宏观唯象模型的物理本质理解存在一定困难。
(2)学生对于层流预混火焰、层流扩散火焰、液滴火焰等没有直观认识,直接进行课堂讲授部分学生存在接受困难的问题。
(3)着火与熄火及火焰传播和稳定性理论。着火与熄火理论均基于预混气,充分讲明热自燃与点燃以及热自燃与链锁自燃之间的差别与联系,对谢苗诺夫热自燃理论、强迫着火的零值梯度理论及着火感应期、最小点火能量等内容,概念性强,有很强的理论深度。掌握火焰传播的本质,必须使学生区别低速及高速气流中火焰稳定的不同与相同之处。
针对上述难点,在课程授课的时候,及时帮助学生补充和复习物理化学、流体力学和工程热力学方面的知识。通过类比和案例教学的方法,使学生融会贯通所学的相关知识。例如将Fick扩散定律、傅里叶定律、牛顿冷却定律进行类比,这样有助于学生记忆和理解质量传递。同时课程通过增加教学实验,教学过程中要注重理论与实践相结合,通过分析实例,将枯燥的理论与生动的实例相接合,并运用多媒体方式以及实验教学手段,让学生的学习兴趣与学习能力得到提高。
二、教学方法改革与创新
过去我们的“燃烧学”课程教学偏重燃烧设备和工程实践,基本满足于应用和对现象的解释层面。相比较而言,国外知名学府“燃烧学”教学则偏重基础理论和原理推导、尤其是燃烧火焰机理研究。我们的这种传统教学方法虽然可以直接铸就从事火力发电、汽车、航空等行业的应用型专门人才,但是相对来讲不利于培养从事燃烧基础理论方面的研究人才,这与一些国际顶级名校“燃烧学”课程设置差距太大,也不利于培养学生在基于燃烧知识的能源动力高效利用方面原始创新的能力。
1.结合专业特点,不断更新教学内容
由于“燃烧学”内容非常丰富,而实际课时一般又较少,因此讲授过程中不可能一应俱全。笔者在授课过程中围绕“燃烧学”的基本理论、基本概念和主要燃烧技术,力求突出重点,把教学内容按一般了解、熟悉和掌握等不同层次进行授课。
目前,无论是燃烧理论还是燃烧技术,仍然处于不断发展的状态。因此,“燃烧学”课程的内容也不应一成不变,而应与时俱迸,不断更新。由于“燃烧学”教材内容一般是相对固定的,显然单靠教材并不能达到课程设立的目的,因此,在授课过程中能够适时对教学内容进行调整,定期修改教学大纲,除了一些基本理论外,对于教学中涉及到的最新研究动态、工程技术方面的进展等内容,经常进行补充、更新和删减,力求追踪当代科技的最新成果,将当代燃烧学科发展过程中的新成就、新思想和新发展及时传授给学生,不断开拓学生视野。例如,在介绍课程燃烧污染控制这部分内容的时候,引导学生了解现代煤燃烧过程中CO2减排和储存方面的最新技术,并对这些技术从燃烧原理角度上给予解释。这样,学生不但了解了世界上最新的有关洁净煤燃烧技术的有关研究内容,同时也培养了学生以后独立获取“燃烧学”方面的研究进展信息的能力。
同时,在授课过程中实行部分双语教学。主讲教师在每节课给出相关科技术语的英文单词,每章的小结采用英语进行,并布置部分英文参考教材和文献。对此,大部分学生认为这是加深对学科基本理论理解、提高科技英语水平与国际学科发展同步的极好方法和手段,欢迎教学改革。
2.利用现代媒体技术,提高课堂教学效果
为了提高课堂教学效果,避免单调板书和理论推导给学生带来的枯燥、乏味。在授课过程中,充分利用现代多媒体技术,制作开发适合于课堂教学风格的多媒体教学课件,这些课件图文并茂、内容丰富、条理清晰醒目、信息量大、启迪性强。特别是一些复杂的燃烧现象及过程,通过制作Flash动画,可以把燃烧过程的细节深刻地展示出来,使学生既有感性认识,又上升到一定的理性认识高度。授课时将网上收集的素材与讲授内容有机地链接在一起,配合课堂教学,使教学效果明显得到提高。
与此同时,充分利用网络技术,建立“燃烧学”课程网站,开展网络辅导和教学。将课程教学大纲、多媒体教学课件、电子教材、习题库、习题解答,实验指导、在线答疑系统等网络资源上网,形成网络资源库,充分利用网络的交互性功能,实现教师与学生互动交流。基于丰富的网络资源,学生可以利用课程网站自学、预习、复习、答疑、拓展“燃烧学”知识面。网络化教学的开展,大大方便了学生学习该课程,掌握知识点。
3.加强实践教学环节,培养实践创新能力
“燃烧学”是一门试验研究结合理论的一门学科,为此,在开始这门课程的时候,必须重视加强学生实验环节的培训。结合教学内容,“燃烧学”课程主要开设的实验包括:本生灯火焰实验、煤的工业分析和元素分析、煤的发热量测定、烟气分析仪测定烟气成分等。
在开设的实验课中,尽可能多地设立一些不注明实验步骤或只有大致方法步骤的实验,让学生自己在实验前写出详细的实验步骤、所用附件、事先编好的程序,然后再做实验。在实验报告中也强调对实验中出现的现象进行分析、讨论,寻找理解依据,给出合理的解释及结果等。同时,为了帮助学有余力的学生了解“燃烧学”在节能减排、气候变化等方面的最新应用,组织学生参与课程组老师的一些课题,如指导学生利用著名化学反应动力学软件Chemkin计算典型工况条件下气体火焰结构和排放特性,这样不仅拓展了学生视野,同时给学生展示才华的机会,培养学生的实践创新能力。
4.授课过程补充必要的物理化学和流体力学基础知识
如前所述,“燃烧学”的许多基本概念和理论属于物理化学和流体力学等学科范畴,同时需要一些相关的基础知识。对于热能动力专业的工科学生来说,教师在讲授这些内容时有必要对相关知识进行适当补充。例如,燃烧动力学内容直接关系到燃烧效率和污染物的生成控制,对熟悉和掌握燃烧现象背后的化学反应机理非常关键。在讲授这部分内容的时候,及时补充物理化学中化学反应动力学内容,指导学生经常关注美国国家标准局(NIST)化学反应动力学数据库网站内容的更新,这样有助于学生对于燃烧速度、火焰结构和污染物生成机理这些燃烧基本理论的理解,同时能够收到较好的教学效果。
5.开拓学生视野,激发学习兴趣
在授课的同时,利用各种机会聘请国内外同行专家进行专题讲座,加深和拓宽学生的理论知识,并指导学生查看课程相关的参考资料、文献、最新的期刊等,这样将大量获取专业信息变成了学生课外自学的内容,使课堂教学有效地延伸到了课外,从而调动了学生学习的积极性,取得了事半功倍的效果。另外要求“燃烧学”课程相关授课教师不定期给学生进行至少一次前沿讲座,讲座内容包括在本学科所从事研究领域的技术发展前沿,这样的教学形式和内容让学生在系统学习专业知识的同时,及时了解了所学专业技术的发展现状,极大地增强了学生学习的兴趣和自觉性。同时,通过开展学术前沿讲座让学生了解学科发展的最新动态。
对于一部分学有余力的学生,组织他们参与到教师在燃烧方面的科研工作中,以此激发和鼓励一部分优秀学生进行创新思维,主动与教师合作,提前开始其专业领域的科学研究工作,培养学生开展科学研究工作的能力。
6.系统梳理课程内容,便于学生理解和贯通
“燃烧学”课程章节较多,内容丰富,为了学生能够深刻理解所学的知识,我们从两个层面来引导学生学习课程内容。第一个层面是从流动和反应的耦合现象来认识燃烧现象,从流动和反应的相互影响额差异性来分析和比较不同的燃烧现象之间的特征和差异;第二个层面是透过燃烧现象了解其本质,任何一个燃烧问题的数学物理描述都可以用控制方程和单值性条件来表示。控制方程包括质量守恒、动量守恒和能量守恒,单值性条件包括物理条件、时间条件、边界条件等。对于燃烧问题,动量方程牵涉到流动和传递现象,能量方程牵涉到能量转换的化学反应动力学。我们要求学生在考虑燃烧问题的时候,多从上述两个层面思考问题,这样学生很容易理解和记忆所学的知识,并做到融会贯通。
三、结论
作为热能动力类专业一门重要的专业基础课程,“燃烧学”扮演着重要角色,是对学生所学工程热力学、传热学、流体力学等知识的综合运用和交叉。热能与动力工程专业本科开设“燃烧学”课程符合国家和企业对人才培养的要求,能拓宽学生的知识面和视野,为学生以后从事相关工作打下必要的基础。“燃烧学”课程也具有一些不同于其他专业课程的特点,在教学过程中应针对这些特点采取相应的措施来改进教学效果。在“燃烧学”教学过程中,根据课程特点及重点、难点,采取讲授燃烧基础理论和主要燃烧技术和装备并重的教学理论,将现代多媒体和网络技术融入到课程教学中,加强学生实践能力的培养,不断更新教学内容。通过笔者几年来的教学实践表明,“燃烧学”课程取得了比较好的效果,基本达到了开设此课程的初衷和目的。
参考文献:
[1]许晋源,徐通模.燃烧学(第二版)[M].北京:机械工程出版社,1989.
[2]周立行.燃烧理论和化学流体力学[M].北京:科学出版社,1986.
[3]岑可法,姚强,骆仲泱,等.燃烧理论与污染控制[M].北京:机械工业出版社,2004.
[4]Stephen R.Turns. An introduction to combustion: Concepts and application [M].New York:McGraw-Hill International,1996.
(责任编辑:苏宇嵬)