燃烧学课程教学反思和改进措施*

冼圣贤 贾明生 徐青 李昊炜

广东海洋大学机械与动力工程学院 广东湛江 524088

0 引言

自21 世纪初以来，中国高等教育开始大规模扩招，短短二十余年，中国的高等教育以史无前例的速度实现了由精英教育向大众教育的转型。但庞大的教育规模和极短的转型期，也带来了教育质量降低的问题[1]。为提高教学质量，打造更多“金课”，先进教育思想的指导是不可或缺的。成果导向教育（Outcome-Based Education，OBE）是以学生为本，注重教学成果的先进理念，其核心思想为：1）教学目标应当为学生通过教育能获得的知识和取得的成果；2）教学实施的目的应当聚焦于如何引导和帮助学生实现最终的学习；3）教学评价则应当基于学习成果的目标对学生学习效果的考核与评价[2]。高等教育中，OBE 并非只是口号，高校教师应身体力行，将OBE 理念落实到课程层面，对课程的设计、实施和评价进行改革和实践。翻转课堂模式是契合OBE 理念、以学生为本的授课模式。与传统课堂讲授模式不同，翻转课堂模式颠倒了知识传授和知识内化的教学流程[3]，借助互联网技术，将传统的授课过程转移到课堂外，而传统授课中重视程度不高的答疑解惑过程则在课堂内完成[4]。通过授课模式的革新，提高学生课程知识的掌握程度，激发学生的自主学习能力，并最终提高课程的质量。

燃烧学是能源与动力工程专业的专业课，是一门综合性、交叉性较强的课程，其涵盖了工程热力学、传热学、流体力学、物理化学等课程的知识点，主要研究燃料燃烧过程中热能的释放、转换以及利用的机理，其较强的工程实践性和深奥的燃烧机理都增大了学生的理解难度[5]。本文针对广东海洋大学能源与动力工程专业某学期课程教学情况，反思课程教学过程中存在的问题，并基于翻转课堂模式，优化了教学流程，以期提高学生的积极主动性、改善课程目标的达成情况。

1 燃烧学的课程特点

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，其内容涵盖了能源与动力工程专业的大部分专业基础课[6]。燃烧理论的建立和提出综合了实验研究和机理分析：实验现象囊括了典型工程设备（锅炉、内燃机、涡轮机等）、日常生活用具（家用炉灶、焊枪等）和建筑设施的燃烧现象，而机理分析则包含着火与灭火理论、火焰传播规律、燃烧产物的生成机理等[7]。燃烧学的学习可为学生以后从事能源、环境工程和火灾防治等方面的工作打下坚实的基础[8]。但同时，复杂的燃烧现象和机理又要求学生在流动、传热和热力学等领域有较为扎实的知识储备，才能在较少的课时内掌握燃料的燃烧机理。因此，燃烧学的教学存在课时少任务量大的难点。如何调动学生的积极性，使其在尽可能短的时间内掌握授课内容是教师亟待解决的问题。

2 课程教学中出现的问题

广东海洋大学能源与动力工程专业的燃烧学课程在工程热力学、流体力学泵与风机等专业基础课之后开设。从课程设置角度来看，学生在学习燃烧学前，已有相关的知识储备，但根据考试结果，学生对燃烧学的理解程度仍有所欠缺。

图1 和2 分别代表两个教学班的期末考试卷面成绩，从图中可以看到，两个班级的成绩分布类似，主要集中在60 ～69 和70 ～79 两个分数段。两个班级的平均分也相近，分别为67.51 分和65.53 分，不及格率分别为19.23%和20.69%。从试卷的得分率来看，学生对于日常生活中涉及燃烧学的现象了解较为透彻，但对于一些基本概念、基本原理理解不深，对燃烧学在工业上的应用缺乏全面的认识。

图1 班级1 的期末考试卷面成绩分布情况

图2 班级2 的期末考试卷面成绩分布情况

结合考试成绩和学生的学情反映，总结归纳燃烧学教学过程中所存在的问题。

2.1 教学方法单一

燃烧学的传统教学方式是课堂授课模式，教师主要利用上课时间向学生传授知识，并通过课后布置作业检验学生对新知识的掌握程度。学生获取知识的途径单一，对于理解难度大且课时量少的燃烧学，学生在上课时间只能机械接受知识，不利于学生的发散思维以及创新意识的培养。此外，大锅饭式教学难以实现因材施教，容易导致接受能力较弱或专业基础较弱的学生难以理解燃烧学的核心内容，进而失去学习的信心和积极性。由于对授课内容的不理解，部分学生会通过抄袭的方式完成教师所布置的课后作业，这一方面不利于学生养成诚实守信的品格，另一方面也不利于教师掌握学生的学习进度，从而误判学生对知识的掌握水平，进一步增大师生之间的理解鸿沟。

2.2 课程难度高

燃烧学的主要内容是气、液、固三相燃料的燃烧机理，其内容包括函数、假说、模型以及微观层面机理分析等，整体的接受和理解难度较高；且由于学生工程实践经验较少，对于工程上的燃烧现象缺乏相应的概念，这也增大了学生理解的难度。传统的课堂授课模式主要讲授理论知识，介绍燃烧原理及工业装置，所列举的案例多为工业装置的运行现象，对于日常生活中的现象却少有提及，缺乏工程应用与日常生活的关联。

综上，授课内容与工程应用和科学研究密切相关，却与学生日常生活割裂，学生对燃烧学知识理解困难，接受程度较低，从而导致教学质量降低。

2.3 学生积极性差

学生对燃烧学的学习主观能动性低主要由两方面引起：一方面，课程知识环环相扣且难度较高，学生课堂分神容易导致知识脱节，从而产生厌学心理；另一方面，传统授课模式主要是教师的知识输出，只强调了教师的主导地位，却忽略了学生在教学过程中的重要作用，学生在课程教学中的参与度低，难以激发学生的自主学习意识。

综上所述，教学模式单一、课程内容难度高、学生积极性差是传统授课模式质量不高的主要原因。为此，后续燃烧学的教学将基于翻转课堂模式进行改进，通过网络教学平台为学生提供网络教学资源，提高学生对专业知识的掌握程度；同时，通过学生的研讨报告，增强学生自主学习的能力，提高学生在课程教学中的参与度。通过课程教育改革，解决燃烧学教学过程中的痛点，提高教学质量。

3 基于翻转课堂模式的课程改进

基于燃烧学课程教学过程中遇到的问题，抓住燃烧学教学中“课时少任务量大”这个关键问题，对课程教学进行针对性改进，改进路线如图3 所示。

图3 燃烧学教学过程改进路线

3.1 制作微课并引导学生自主学习

根据燃烧学的教学大纲，梳理课程中的难点，并针对性地录制微课。燃烧学中的“绝热火焰温度”“链锁反应”“一维火焰传播理论”等内容是课程的重难点，针对每一个知识点，录制讲解视频，每个视频的时长控制在10 分钟以内。通过将难点内容拆解、缩短微课的时长，降低学生的理解难度，减轻学生的学习压力。将微课上传到网课平台，在课前督促学生进行自主学习，通过网站后台获取学生学习微课的时长、次数等信息，并督促学生在课前完成相应章节的预习工作，确保所有学生在课前完成微课内容的学习。

3.2 抓住问题并针对性教学

以问题为导向，在教学过程中紧密围绕学生学习过程中的疑问，进行有的放矢的教学。短小精悍的微课难以使学生掌握课程的全貌，学生在微课学习过程中难免会产生许多不理解的地方。在完成微课制作和上传后，鼓励学生在学习微课的同时进行自主思考，在学习通或微信、QQ 等社交平台上收集学生提出的问题。通过课前的问题收集和课上的提问，可以获取学生学习过程中的共性问题，在课堂授课时可以抓住主要问题进行重点讲解。根据学生反映的问题，在课前调整授课侧重点，对学生不理解的知识点进行重点讲解。此外，在课前还可根据知识点进行问题设计和案例收集。在授课时通过学生对问题的回答情况，了解学生对微课内容的掌握程度，并在知识点讲解过程中，穿插现实生活中的案例，通过典型案例的分析，加深学生对知识点的理解，提高学生对燃烧现象的分析能力。最后，课上对重难点内容进行概括性总结，巩固学生对知识点的记忆。通过“微课教学—答疑解惑—难点重温”的教学过程，帮助学生掌握并巩固知识。

3.3 鼓励学生团队合作探究

设定调研目标，划分学习小组进行研讨。学生既要学习燃烧机理，也要学习燃烧技术。照本宣科的教学方式既难以向学生传授先进的技术，也难以实现复杂工业装置的具象化呈现。根据燃烧学的教学大纲，选取工程应用类的知识点，要求学生进行分组调研。将学生划分为多个5 ～6 人的学习小组，每个小组选取一个课题进行调研，可选的课题包括“高效燃烧技术”“污染物控制与脱除技术”“先进火灾防治技术”等。针对每一个课题，要求学习小组分工合作，利用学校和网络教育资源，尽可能多地搜集资料，从能源政策背景、技术原理、应用案例、发展历程等方面进行系统性的描述，并通过小组讨论，评价技术的优劣，分析其发展的前景。最后，各学习小组将各自的调研结果在课堂上进行展示，向学生讲授先进的工程技术。通过小组合作探究的方式，增强学生对新技术的理解，提高学生的参与度，提高学生团队协作能力和自主学习意识。

4 燃烧学的课程教案

在OBE 理念的指导下，基于翻转课堂模式对燃烧学的课程教案进行优化设计，提取每章节的重难点内容录制微课，并选取工程实践性强的内容作为学生调研的课题。具体如下。

4.1 课程教学总体目标

掌握热力学第一、第二定律的内涵，热化学的机理以及相应的数学模型，辨别不同燃料的物理特征和化学组成，了解着火的形式和条件、火焰的传播、燃烧产物的生成机理及燃烧污染物控制等燃烧学的基础理论知识。清楚热化学反应的基本定律及应用，理解燃烧过程的数学模型和相应的假设，掌握燃烧问题求解的基本方法。通过本课程的学习，使学生掌握燃烧学理论及应用的基础知识，培养学生解决实际问题的思路和方法。

实现基础概念和复杂工程问题的紧密关联，学会分析工程设备的燃烧现象，能够熟练解决工程改造和设计中相关的燃烧计算问题，并能针对性地提出提高燃烧效率的方案和措施；同时可以分析建筑物火灾的起因以及相应的防治措施。通过先进燃烧技术的学习，还可拓宽学生的知识面，培养学生综合分析问题的能力，增强学生理论结合实践应用的能力。

4.2 课程教学内容计划

4.2.1 绪论

该部分主要讲授燃烧学的概况，以增进学生的了解。本章主要内容包括：1）燃烧的定义、燃烧与国民经济和能源的关系；2）工程燃烧与燃烧设备；3）工程燃烧设备的基本性能要求；4）工程燃烧的研究及发展，强化燃烧、控制污染，火灾的产生、传播及防止。

4.2.2 燃料及特性

该部分主要介绍燃料的理化特性，主要内容包括：1）燃料的特征及分类及我国目前的燃料概况；2）燃料的元素分析和工业分析，燃料各成分的分析基准，燃料的发热量及测定方法；3）煤的分类标准以及各类煤的理化特性，煤的燃烧特性以及相应的燃烧指标；4）煤灰在不同温度下的理化特征以及其引发的问题，包括熔融、结渣和沾污；5）燃料的分类及其理化特性，包括黏度、闪点等；6）燃料的分类、化学组成以及理化特征。其中，微课主要讲授典型的气液固燃料特性：煤的灰熔融特性、石油的黏度和闪点、天然气的爆炸极限。

4.2.3 燃烧化学热力学和化学动力学

该部分主要介绍燃烧反应的热力学基础和化学动力学基础，主要内容包括：1）燃烧反应的生成热、反应热和燃烧热的定义以及求解方法；2）燃烧反应的自由能求解，燃烧反应达到热力学平衡的条件以及相应的绝热火焰温度；3）燃烧反应的分类以及相应的定义，反应速度、反应平衡常数的定义及求解；4）反应温度、活化能、反应压力、物质浓度对燃烧反应速率的影响；5）有效碰撞理论和过渡态理论的定义，链式反应和复杂催化反应的定义。其中，微课主要讲授关键参数的概念和求解：绝热火焰温度的求解、反应平衡常数的求解、链式反应的定义。

4.2.4 着火与灭火理论

该部分主要介绍着火与灭火的现象及其机理，主要内容包括：1）热着火和链式着火的概念，并分辨自然着火与强迫着火的区别；2）谢苗诺夫热着火理论与相应的数学模型，热着火的影响因素以及热自燃界限；3）链锁自燃的基本理论；4）强迫着火理论及相应的数学模型，工程上的点燃方法；5）基于热自燃理论和链锁自燃理论的灭火机理，灭火的方式和灭火剂的选择。其中，微课主要讲授着火与灭火的数学模型：谢苗诺夫热着火理论；三种着火方式的区别和联系。学习小组研讨的可选课题为工业锅炉的点燃方法、火灾现场的灭火方法。

4.2.5 固燃料燃烧

该部分主要针对煤的燃烧现象进行介绍和机理分析，主要内容包括：1）煤的热解、燃烧、气化等热转化过程的特征；2）煤的均相着火、非均相着火、联合着火以及煤粒着火的影响因素；3）碳的燃烧化学反应的模型以及一、二次反应的影响；4）煤粉着火实质以及煤粉气流着火的影响因素；5）层流燃烧、沸腾燃烧和流化床燃烧的设备特征及燃烧控制。其中，微课主要讲授煤粉和煤粒的燃烧特性：碳粒的多层燃烧机理；锅炉运行参数与煤粉着火的关联。学习小组研讨的可选课题为工业锅炉强化燃烧的措施、气固流动状态对煤粉燃烧的影响。

4.2.6 燃烧污染物产生与控制

该部分主要介绍污染物的调控手段，主要内容包括：1）燃烧过程中炭黑、SOx、NOx 等污染物的生成机理；2）燃烧过程中的污染物控制技术以及烟气中的污染物脱除技术。学习小组研讨的可选课题为：工业锅炉产生的污染物与煤种、运行参数的关联；SOx 和NOx 的原位脱除技术；SOx 和NOx 的协同脱除技术；烟气净化技术。

5 结束语

本文针对广东海洋大学能源与动力工程专业燃烧学课程教学过程开展反思。根据考试成绩和学生反映，发现燃烧学教学存在教学模式单一、课程难度大、学生积极性不高等问题。为此，后续拟基于翻转课堂模式优化设计燃烧学的课程教案，建立“微课教学—答疑解惑—难点重温”的教学流程以及鼓励学生自主研讨工程实践性强的课题，通过提高学生的理解和自主学习积极性，提高课程教学效果。