电厂热能动力工程专业“燃烧学”教学内容设计

摘　要:“燃烧学”是电厂热能动力工程专业的一门重要的技术基础课程,在学生的专业知识学习中,起着承上启下的衔接作用,非常重要。但由于燃烧学发展迅速、内容丰富,编排合适的教学内容和体系实属不易。本文以华北水利水电学院开设“燃烧学”课程的实践为例,从“燃烧学”课程的定位、国内外燃烧学教材编排风格和内容设计、我校“燃烧学”课程教学内容的鳊排准则三个方面进行了详细的介绍,最后对我校“燃烧学”课程的具体教学内容进行了陈述,以期对电厂热能动力工程专业燃烧学教材建设和教学改革起到一定的推动作用。

关键词:电厂热能动力工程专业;燃烧学;教学内容设计

作者简介:王保文(1975-),男,陕西宝鸡人,华北水利水电学院电力学院,讲师,工学博士,主要研究方向:煤燃烧污染控制;王为术(1972-),男,重庆人,华北水利水电学院电力学院,副教授,工学博士,主要研究方向:多相流动和传热。(河南郑州430074)

基金项目:本文系华北水利水电学院高层次人才资助项目(项目编号:201012)的研究成果。

燃烧过程在电力生产’钢铁炼制、水泥煅烧、工业加热、建筑采暖、运输驱动、火灾防护、材料合成等诸多方面都有着广泛的应用,而燃烧学就是研究燃烧过程的一般规律和应用的一门学科,在提高燃料利用率和燃烧过程的效率、推动燃烧技术的发展、设计经济高效的燃烧装置、控制并减少各类燃烧污染物的排放以及规避预防火灾等不利燃烧事件中都非常重要。燃烧学内容丰富、发展迅速、学科交叉性强,涉及到热力学、化学反应动力学、流体力学、传热传质学、高等数学等诸多学科门类,是热能动力工程、航天动力、推进技术、能源与环境、消防以及安全等工程专业的一门重要的理论和技术基础课程。因此在上述相关专业开设“燃烧学”课程非常必要,对于学生回顾深化所学过的“热力学”、“流体力学”和“传热学”等专业基础课程,深入学习掌握后续专业课程,培养锻炼学生利用所学理论知识分析、解决实际燃烧问题的能力,都有着非常重要的作用。

鉴于燃烧学本身内容宽泛、难度较大,相关知识点学生理解掌握困难,普通院校独立开设“燃烧学”课程还是具有一定的难度。以热能动力工程专业为例,相关教材数量虽多,但内容分化明显,或者宽泛庞杂、林林总总;或者专业针对性过强,不堪使用。在此,笔者以华北水利水电学院(以下简称“我校”)电厂热能动力工程专业“燃烧学”课程的教学内容体系设计为例加以介绍,希望和国内同行进行交流商榷,以期本课程在热能动力工程专业相关院校能够生根发芽,大力发展。

一、“燃烧学”课程定位

在对“燃烧学”课程内容体系进行设计前,需要对本门课程进行准确定位。首先,从学科角度讲,认识到“燃烧学”课程的衔接和过渡作用,本课程向上承接“热力学”、“流体力学”、“传热学”等前期专业基础课程,是对上述基础课程内容的拓展和深化;向下则与后续的“锅炉原理”等专业课程紧密相连,为学生理解掌握相关专业知识奠定基础。而就电厂热能动力工程专业而言,“燃烧学”课程需要进行工程化设计,摈弃其中过于艰深的理论知识和冗长繁难的公式推导,以锻炼培养学生的工程思维意识、激发学生学习后续专业课程的热情、提高学生理论联系实际、解决工程实际问题的能力。

二、电厂热能动力工程专业“燃烧学”课程设计

基于“燃烧学”课程的“桥梁”作用和工程化要求,对我校电厂热能动力工程专业“燃烧学”课程的教学内容进行了广泛调研、合理取舍,采取多种有效措施加以设计,具体如下。

1.当前燃烧学教材调查

从18世纪由俄国科学家罗蒙诺索夫和法国化学家拉瓦锡揭示燃烧的本质开始,燃烧学经过数百年的发展,在各种现代科学以及先进实验技术手段的使用和推动下蓬勃发展、不断深入,显示了旺盛的生命力和广阔的应用前景。这些内容也在国内外的燃烧学教材中得到一定程度的体现,使得国内外的教材内容显示出了不同编著思路和专业倾向。

首先就教材的编著思路和风格而言,国内外教材差异明显。国外原版教材以及相应的中文翻译版本,内容上都体现了工程化的特点,以国内较为常见Glassman、Williams、Kuo、TUrns等人编著的教材为例,突出优点在于内容浅显易懂、实例丰富、编排合理、讲解细致、由浅入深,而且大都经过至少一次的修订,充分反映了当前学科的最新发展动向和研究成果,但不足的是很多理论和知识点都贯穿渗透人具体的习题和实例当中,无法体现理论和相关知识点之间的连贯性,鉴于课时有限,难以充分讲解;而国内的教材,重在燃烧学理论的传授和方法的解析,整个内容都淹没在繁难冗长的数学推导中,实例不足,使学生学习起来沉闷单调、枯燥乏味,难以起到“燃烧学”课程在前期专业基础课和后续专业课之间的衔接和过渡作用。

而就教材的内容取含和编排而言,国外教材以Turns的为例,内容主要包括化学热力学、化学动力学、燃烧物理基础、气体燃料燃烧所形成的不同火焰类型(包括层流预混和扩散火焰、湍流预混和扩散火焰)、液滴以及固体的燃烧,最后还对燃料燃烧所排放的污染物的危害及预混和扩散燃烧过程中所排放的污染物进行了简单的介绍。因此,从内容上体现了专业的宽泛性,针对性不强,既适合于热能动力工程专业,也适用于航天动力、能源环境工程等专业,而国内的教材,内容专业倾向性则过于明显,以西北工业大学严传俊的燃烧学教材为例,主要适用于航天动力工程专业。而热能工程专业著名学者所编写的教材则很多偏重于燃烧装置及其中的燃烧现象的介绍,比如许晋源、徐旭常和傅维镳等人的燃烧学教材,这对于没有专业课程背景的学生来说,内容过于抽象。而另外如岑可法等人的燃烧学教材,则主要用于讲解燃烧过程的数学模化和计算,这对于数值计算和计算机编程没有一定造诣的普通大学生来说,要想在短时期内理解和掌握,实属不易。

2.电厂热能动力工程专业燃烧学课程设计准则

基于以上对国内外燃烧学教材编排思路和内容特点的调研分析,基于我校电厂热能动力工程专业学生知识特点和就业趋向以及学校资源条件的分析,在对我校“燃烧学”课程教学内容进行设计时,实行“立体化”设计思路,并制定了以下四个设计准则,即不同课程之间联系紧密化、课程本身不同知识点之间设计有序化、课程本身知识点总量设计精练化、课程具体知识点设计层次化。

(1)不同课程之间联系紧密化。鉴于“燃烧学”在前期专业基础课(比如“热力学”、“流体力学”和“传热学”)以及后续专业课(比如“锅炉原理”)之间的桥梁和纽带作用,因此在燃烧学本身内容设计前,先对我校的“热力学”、“流体力学”和“传热学”等专业基础课以及后续的专业课比如“锅炉原理”等的授课大纲以及知识点讲授情况进行详细的调查、做到了然于胸,确保“燃烧学”课程知识点设计与学生前期所学的专业基础课程的对接以及与后续专业课的联系,做到既可以巩固加

深学生对前期专业基础课的理解、拓宽学生的思路并引导学生利用所学知识点分析简单的燃烧现象、解决实际燃烧过程中的简单问题的能力,又能激发学生学习后续专业课程的热情、培养学生学习后续专业课的积极性和主动性。

(2)课程本身不同知识点之间设计有序化。在“燃烧学”课程本身知识点设计次序上,要由浅入深、层层推进、脉络清晰,便于学生学习掌握。因此,这些知识点严格按照燃烧学本身的发展简史进行编写,内容主要由燃烧学基础理论和燃料燃烧基本过程两部分组成。

首先在燃烧学基础理论部分,内容主要由基于热力学第一、二定律的燃烧热化学知识,基于化学反应动力学的燃烧动力学知识以及基于工程流体力学和传热传质学的燃烧物理学三个章节组成,其次,在燃料燃烧基本过程部分,基于前一部分的燃烧理论基础知识,首先讲授气、液和固体不同燃料的着火,然后再讲授上述燃料的燃烧及火焰的稳定方面的一些基础理论和现象。另外,由于燃烧污染物如SO₂、NO_x等的控制和治理是当前的热点问题,因此最后,再利用所学的前两部分知识对燃烧污染物(包括SO₂、NO_x)的形成机理和控制方法做简单分析介绍。这样不仅保证了课程知识点的有序和连贯性、符合学生对新知识点的认知特点,而且非常有利于学生的深入学习并拓宽学生的专业知识视野。

(3)课程本身知识点总量设计精练化。由于燃烧学发展迅速、内容丰富。鉴于学时以及学生知识结构所限,在“燃烧学”课程内容设计时一定要精练化,在够用基础上稍有拓宽即可,因此液体燃料的燃烧和一些相关的特定燃烧技术比如油滴的喷雾燃烧以及燃烧的诊断技术、燃烧过程的数值模拟等,稍作介绍即可,留待学生学习完后续专业课程后,再加以拓宽学习。

(4)课程具体知识点设计层次化。最后,对于“燃烧学”课程具体知识点的设计,要贯穿层次化的思路,即同一知识点的难易程度要进行层次化设计,对课程中的每一个知识点根据其在课程中的总体地位和重要程度按照“了解、理解、掌握”等不同层次进行分级定位,同时,根据学生个体水平的差异,对同一知识点的内容也要进行层次化设计,在满足分级定位要求和大部分学生学习基础上,对那些学有余力的学生进行进一步的拓宽设计。比如燃烧热化学一章中绝热燃烧温度的计算,对于普通的学生则只要会进行简单组分燃料氧化燃烧绝热温度的计算即可,而对于少数学有余力的学生,则可更进一步进行复杂组分燃料氧化燃烧绝热温度的迭代计算,并完成一些通用计算程序的编制。

3.电厂热能动力工程专业“燃烧学”课程具体设计内容

最后,基于我校电厂热能动力工程专业“燃烧学”课程的定位、国内外相关燃烧学教材内容和编排风格的调研分析以及课程内容设计准则,基于Turns、岑可法等人的燃烧学教材,对我校“燃烧学”课程具体内容进行了合理设计。具体内容主要由燃烧热化学、燃烧反应动力学、燃烧物理基础、以气体燃料为主并辅助一定的以煤为典型固体燃料的燃料着火理论、燃烧火焰的传播理论和稳定方法以及燃烧污染物的形成机理和控制方法六部分组成,学时数稳定在32个。

三、结论

“燃烧学”课程在电厂热能动力工程专业学生的学习过程中,起着承上启下的衔接作用,非常重要。但由于燃烧学发展迅速、内容丰富,编排适合我校具体情况的教学内容和体系实属不易,本文以我校开设“燃烧学”课程的实践为例,从“燃烧学”课程的定位、国内外燃烧学教材的调研、“燃烧学”课程教学内容的编排准则三个方面进行了详细的介绍,最后对我校“燃烧学”课程的教学具体内容进行了陈述。总之,我校“燃烧学”课程的内容和教学体系设计从总体上思路清晰、脉络连贯、内容充实、层次分明,很好地完成了我校“燃烧学”课程的既定目标和要求。

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