面向碳中和的“先进燃烧理论与技术”新课程体系探索

［摘 要］ “先进燃烧理论与技术”是一门面向碳中和目标设置的新课程，作为经典燃烧学的补充，该课程以“双碳”目标为引领，以经典燃烧理论为基础，符合能源与动力专业新工科研究生培养要求。分别从新课程的系统设计与教学模式探索，以及课程思政融入方面详细阐述了该课程的教学目标、内容设计、特色教学方法、多元评价体系和课程思政切入点。面向“双碳”目标的要求，能源与动力领域新工科人才的培养面临巨大挑战，切实调整传统专业课程体系的设计，为新时代能源转型下的研究型人才培养提供支撑。

［关键词］ 碳中和；燃烧学；新课程体系；研究生教育；课程思政

［基金项目］ 2021年度北京科技大学研究生教育教学改革项目“‘双碳’目标下的‘先进燃烧理论与技术’新课程及教学体系建设”；2021年度北京科技大学研究生教育教学改革项目“从‘唯论文’倾向到‘四个面向’引领的能动学科研究生多维度培养体系探索”；2022年度北京科技大学研究生教育教学改革项目“面向战略性新兴产业的能动学科‘三维一体’研究生培养体系改革与实践”

［作者简介］ 李诗媛（1979—），女，内蒙古赤峰人，博士，北京科技大学能源与环境工程学院教授，博士生导师，热科学与能源工程系主任，主要从事低碳清洁燃烧技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）42-0083-04 ［收稿日期］ 2023-05-10

2020年9月，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上强调，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和［1］。面向“双碳”目标，我国将以新发展理念为引领，在推动高质量发展中促进经济社会发展全面绿色转型。特别是在能源与动力领域，传统技术的应用将面临巨大的挑战，“双碳”目标为技术的升级换代和新技术的开发提供巨大的牵引。因此，能源与动力领域新工科人才的培养也面临巨大挑战［2］。

一、现状与存在问题

“燃烧学”（部分高校命名为工程燃烧学）是能源与动力工程本科专业必修的专业基础课程。作为燃烧学知识的延续和拓展，研究生培养阶段大部分高校设置“高等燃烧学”课程作为必修课或选修课。“高等燃烧学”是一门理论性很强的课程［3］。由于燃烧本身是一个十分复杂的现象，包含大量物理化学过程和机理，如燃烧动力学、燃烧热力学等，理论比较抽象，学生理解起来有一定的难度，学生在学习之后反馈在应用方面比较困难。因此，“高等燃烧学”课程持续进行改革和新教学方法的尝试［4-6］，然而课程仍然是基于传统燃烧学内容。基于以上在“燃烧学”这一专业基础课程的教学方面遇到的问题，以及针对面向碳中和目标的要求，目前的课程体系仍然存在以下问题。

1.“高等燃烧学”课程内容围绕传统固体、气体和液体燃料的燃烧理论和燃烧技术进行讲解。由于学时有限和课程目标的原因，课程在讲授的过程中较少突出低碳技术、减碳技术以及碳捕集技术等与“双碳”目标相一致的其他先进的燃烧理论与技术。因此，仅通过专业基础课“高等燃烧学”不能满足碳中和目标下的新工科人才培养的需要。

2.“高等燃烧学”课程内容理论性较强，实践教学内容相对较少。燃烧理论与应用技术的关联，以及如何将燃烧理论应用到燃烧新技术的开发中是新工科研究生培养的关键，因此培养体系需要考虑结合应用和实践的内容设计。

二、新课程的系统设计与教学模式探索

作为专业基础课“高等燃烧学”的补充和拓展，探索设计“先进燃烧理论与技术”新课程。

（一）教学目标

以“双碳”目标为引领，以经典燃烧理论为基础，讲授内容从传统化石燃料燃烧，拓展到低碳燃料燃烧、固体废弃物焚烧，讲授低碳燃烧技术、燃烧中碳捕集理论和技术，重点加强理论与技术的结合和应用，培养新时代能源转型下的新工科研究型人才。

1.掌握固体燃料燃烧理论和技术发展历程；掌握低碳燃烧的内涵和技术措施；掌握低碳燃料的内涵和燃烧应用技术。

2.掌握固体燃料燃烧过程中污染物控制理论和技术；掌握燃烧中二氧化碳捕集技术的原理和技术。

3.清楚我国能源领域面向碳中和的技术研发方向和现状，能够结合学习的专业知识分析碳中和实现路径和技术发展趋势。

（二）教学内容设计

新课程教学内容从燃料种类和燃烧技术两个维度展开，突出燃料特殊性带来的技术差异，以及同一燃烧技术的共性问题。从传统燃料到低碳燃料，从传统燃烧技术到低碳燃烧技术、减碳技术和碳捕集技术。将以上内容有机结合，“双碳”目标贯穿整个课程体系。

围绕低碳燃料、低碳燃烧技术和碳捕集技术，课程主要内容包括概述、燃烧学基础概念和理论回顾、循环流化床燃烧技术、先进煤粉燃烧技术、固体废弃物焚烧技术、生物质燃烧技术、富氧燃烧技术和化学链燃烧技术共八章。第一章概述中重点讲解为了实现“双碳”目标，燃烧领域技术的发展趋势。后续每章讲解的技术包括技术原理、代表性技术及应用、相应的污染物控制技术，同时包括技术发展的历程以及未来的趋势等。

新课程体系包括的燃料种类为传统化石能源煤炭、含碳可再生能源生物质燃料、含碳固体废弃物（如生活垃圾、污泥等）。先进燃烧技术包括循环流化床燃烧技术、高效低碳煤粉旋流燃烧技术、各种先进的生活垃圾焚烧和污泥干化焚烧技术、富氧燃烧技术、化学链燃烧技术。贯穿燃料特性、燃烧理论、燃烧技术和燃烧设备，从基础理论、关键技术到工业应用，建设具有特色的新课程体系。

其中生物质燃烧技术和固体废弃物焚烧技术是煤炭的替代燃料的燃烧技术，富氧燃烧和化学链燃烧是燃烧中二氧化碳捕集技术。因此，在整个课程内容中既涵盖了经典的燃烧理论和技术，同时也包含了已应用的低碳燃烧技术和碳捕集技术。相比于传统“燃烧学”课程，新课程教学内容的特色体现在以下几个方面。

1.课程设置碳捕集燃烧技术内容。碳捕集、利用和封存技术是解决含碳燃料燃烧产生的二氧化碳问题的重要途径之一。因此，“先进燃烧理论与技术”课程从燃烧学的角度，设置了燃烧中捕集二氧化碳技术的内容，包括富氧燃烧和化学链燃烧技术。由于这两项技术尚不完全成熟，还处于工业示范的阶段，因此本课程包括介绍技术原理、研发历程、存在问题和未来发展趋势等内容。

2.课程设置生物质燃料和固体废弃物的燃烧技术内容。为了实现碳达峰和碳中和目标，化石能源用量将逐渐减少，大量含碳的可再生能源和废弃物由于其物理化学性质与煤炭接近。因此，此类燃料与煤炭的掺烧或替代煤炭将成为趋势。生物质作为自然界唯一的含碳可再生固体燃料，其利用过程二氧化碳为近零排放，在欧美国家已大量替代煤炭被广泛利用。固体废弃物，如生活垃圾、污泥等，此类燃料在无害化处置的过程中利用其热量是低碳燃烧的重要内容。因此，“先进燃烧理论与技术”课程包括生物质、生活垃圾、污泥的燃烧技术原理、各种燃烧设备以及污染物控制等内容。

（三）教学方法设计

“先进燃烧理论与技术”课程为高年级本科生和研究生的选修课，将尝试采用研讨式为主的教学模式，打破传统的“灌输式”教学模式，构建以启发、研讨、实践为一体的多元教学方法。在教学方法上主要体现以下特色。

1.启发式教学。通过巧妙设计教案，从枯燥的基础理论出发，引导学生思考理论如何应用，同时思考理论与应用技术的关系。例如，在讲授燃烧反应动力学理论部分，如果只是“灌输式”地讲授理论和公式，学生并不清楚燃烧反应动力学在燃烧技术中如何应用；如果结合具体燃烧技术一起讲解，并讲解动力学如何指导燃烧器的优化，教学效果更佳。此外，在各种燃烧技术发展历程的介绍中，不断启发学生，使学生更多地体会发展规律和技术思路，而不是简单地记忆技术特点本身。

2.研讨式教学。“先进燃烧理论与技术”课程为选修课，通常班级控制在25人以内，因此为研讨式教学提供了便利条件。研讨分为两部分，一部分是学生自己讲解习题。例如，平时作业中计算绝热火焰温度的习题，计算比较复杂，通常学生掌握不好，类似这种重要的内容通过课堂上学生不同方法的讲解，形成讨论并加深学生对知识点的理解和掌握。另一部分是分主题小组讨论，根据最新的燃烧学研究领域，结合课程所学的知识，学生通过查阅文献资料，对某一主题开展研讨，不同学生可针对不同角度和侧重点，最终形成文献综述报告，并以小组为单位进行口头汇报，或者采用视频、微电影等形式均可。通过以学生为主，教师为辅的研讨式教学模式，充分培养学生的自主学习能力。

3.专家连线式教学。为了让学生更多地了解行业企业在技术研发方面的进展，课程通过线上与专家连线模式，邀请企业的高层次技术专家参与课堂式研讨和讲座式交流。这样不仅可以活跃课堂互动的氛围，还可以通过与专家连线让学生更直接获得更加专业的观点。此外，为了拓宽研究生的国际视野，“先进燃烧理论与技术”课程通过线上或线下与外国专家研讨学习内容，了解国外新的研究动态。通过与外国专家的英文交流，不仅可以增强研究生的英文表达能力，还可以拓宽研究生的国际化视野。同时，课程的PPT讲义将以中英文呈现，培养研究生在本领域英文学术论文撰写和学术交流的能力。

4.实践式教学。从培养新工科人才角度出发，“先进燃烧理论与技术”课程将紧密结合工程实际，注重技术应用，充分发挥主讲教师在工程研发方面的经历和经验作用。在课程讲授过程中渗透工程设计和应用的思维方式，从工程师的角度，理解技术研发和应用的客观规律，培养学生主动思考、精益求精、批判性思维能力、创新能力和工程化思维。同时，通过本科生的毕业实习、课堂多媒体教学（如动画、视频等）、实验装置以及实物模型观摩等多种途径，增加学生对所学知识的理解和掌握，能够将所学的知识点与应用相对应，建立对技术研发规律的初步认识。

（四）课程评价方法设计

课程评价采用多元化方法，打破传统平时成绩占比30%，考试成绩占比70%的模式。“先进燃烧理论与技术”课程的成绩包括课堂表现、小组讨论综合成绩、作业、考试、加分项成绩组成。课堂表现包括课上的听课状态、与教师和专家的互动情况、出勤率等；小组讨论综合成绩包括研究报告质量、口头汇报效果以及汇报形式等；加分项成绩包括口头汇报形式和效果，以及学生参加与本课程内容相关的竞赛活动等，鼓励学生开展具有创意的短视频、学术演讲以及研究成果海报等形式的成果展示。通过多元化的评价体系，改变传统应试模式，拓宽学生的学术视野，促进学生自主学习能力的培养。

三、课程思政融入新课程的切入点

结合课程思政建设，渗透工程意识培养。“先进燃烧理论与技术”课程在讲授各种燃料的燃烧技术的同时，不断渗透工程应用的内容，使枯燥的基础理论和技术原理，结合具体工程应用实例加深理解。通过知识讲授与案例研讨结合、线上线下结合以及学生研讨等形式，将课程思政内容潜移默化地融入课程知识体系中，进而形成课程思政知识体系，使学生在学习专业知识的过程中增进个人社会责任感、工程伦理意识、创新思维能力和大国工匠精神。

课程思政融入“先进燃烧理论与技术”课程的切入点体现在以下几方面。

1.激励学生思考自身担当、树立家国情怀。例如，通过对我国近40年电力装机容量的变化、发电的单位煤耗降幅、污染物排放控制、燃烧发电设备发展状况等对比分析，以及对我国能源事业发展的伟大成就的展示，对比我国能源技术与发达国家的差距和能源资源的差距，客观地呈现当下能源领域的现状和存在的问题，激励学生思考自身的责任担当、个人价值的实现，树立家国情怀。

2.培养工程思维和工程伦理意识。例如，通过讲解某地区垃圾焚烧发电厂工程因当地民众担心影响周边空气、水源和土壤，因此反对项目建设并激化为一起群体性社会事件。事后当地政府、涉事企业、相关专家与当地民众等多方之间展开充分沟通，从而使这一事件得以成功化解。通过此案例，使学生深刻理解工程与社会的关系、工程伦理中的利益原则、知情同意原则、公平正义原则、公众参与原则以及工程环境伦理原则等。