摘要：本文结合当前大学课程教学改革形势，以北京航空航天大学精品课程“燃烧与燃烧室”为例，探索从历史的角度如何深化课程教学改革。结合实际教学例子，说明了采用历史分析方法对课程教学效果及科学研究方法的有效促进作用。
关键词：燃烧；历史角度；精品课；教学改革
当前，结合国内外科技形势的发展，如何培养高水平、创新性人才，实现我国科教兴国的战略方针，是各类学校尤其是培养本科生的各类高等院校所面临的重要课题。
在能源与动力研究领域中，燃烧及燃烧室可以说是大学生在所有专业理论课中的高端课程，因为其先修课程包括大学数学、物理、化学、流体力学、热力学、传热学、发动机结构及原理等多种专业基础课。而上述各门课程的学习都非常之不轻松，涉及很深奥的数学物理问题。因此，如何在进行“燃烧与燃烧室”课程教学过程中，把握大学生的学习方向、充分调动学习积极性，是一个非常重要的教学研究问题。
教学改革的深化方法与途径很多，比如加强实践教学环节、开辟网络教学、实施双语教学等。本文以北京航空航天大学精品课程“燃烧与燃烧室”教学为例。试图从燃烧学发展历史的角度，初步探索如何从历史的角度深化教学改革。
从哲学的角度来讲，历史是一个好老师。它能起到催人猛醒、引人深思的重要作用。而历史发展过程中的各种曲折、规律，既是我们极好的分析案例，也是调动学习积极性的有效工具。
下面，结合北京航空航天大学能源与动力工程学院的“燃烧与燃烧室”课堂教学，举例分析一下燃烧学中的历史发展过程对课程教学的深化与促进作用。
一、以史为鉴，催人猛醒
常言说，前车之鉴，后世之师。历史是一面很好的镜子，可以为我们照耀未来的路，避免我们重蹈覆辙。巧合的是，燃烧学研究的发展过程，恰好给我们提供了这样一面镜子。
根据英国一家著名报刊《卫报》在2000年前后所作的一个评选活动，对人类在1000年至2000年这一千年之间所发生的事件进行筛选，从而评选出了所谓“十大干年之最”。不幸的是，根据这家报纸公布的结果，燃烧学研究历史进程中曾经提出的古老学说——燃素说，被评选为“最大的科学错误”。
对于我们从事燃烧学研究的学者而言，这无疑是一个当头棒喝，催人猛醒。
为什么当选?历史曾经发生了什么?
根据该报刊的评选说明，之所以把“燃素说”评为千年来“最大的科学错误”，是因为这一学说虽然在现在看来错误明显，但在1650-1750年这大约100年间，它曾风靡一时，很长时间被奉为毋庸置疑的经典理论。
其实，所谓“燃素说”，是指该学说认为，就像元素周期表中所列的各种元素一样，火也是一种元素。只不过，当时门捷列夫还未诞生，元素周期表还未成形。燃素说认为，火是一种物质，由无数细小而活泼的微粒构成。这种火的微粒既能同其他元素结合而形成化合物，也能以游离方式存在，它弥散在大气当中，给人以热的感觉。由这种火的微粒构成的元素称为“燃素”。
按照燃素说的解释，一切与燃烧有关的化学变化均可归结为物质吸收与释放燃素的过程。如煅烧金属，认为燃素从中逸出，变成煅灰，即：
金属-燃素=煅灰
而煅灰引起木炭燃烧，则认为煅灰从木炭中吸收燃素，使金属重生，即：
煅灰+燃素=金属
且燃素说认为，物体中含燃素越多，燃烧越旺。
该学说在1650-1750期间(约100年)曾经流行全球，直到法国科学家Lavoisier(拉瓦锡)于1777年发现氧元素后，该学说才宣告结束。
100年是个什么概念?香港从被强行租借到回归，不过才100年。
每当在课堂上讲到这些，同学们都回睁大眼睛，全神贯注地听下去。偶尔会有个别同学发出疑问：为什么会这样?难道这期间没人反对吗?
问得好哇!
在当初没有发现氧元素之前，大家普遍认为天地五行(即所谓金、木、水、火、土)皆为构成宇宙万物的基本元素。自然，火也就被认为是其中的一种元素。巧合的是，如果把火看成是一个元素，还真能解释大部分燃烧现象，而其他理论则无法做到。这样一来，更加深了对燃素说的信任。因此，这样一种错误的学说流行了近百年。
不能说在这期间没人反对，因为燃素说不能解释另外一些燃烧现象。但反对者无法提出更合理的解释，因此也就不了了之。
从这个历史故事，至少给我们两个重要启示：首先，作为燃烧科学研究工作者，我们虽然首先要有大胆假设的精神，但必须做到小心求证。一定要以燃素说为鉴，真正吸取教训，避免在今后的研究中犯类似错误。其次，在科学研究过程中，犯错误也在所难免，一定不能盲目迷信现有理论或者专家，作为科研工作者，必须要有创新精神，要敢于挑战现有理论。
这个案例充分说明了在燃烧教学过程中，以史为鉴，催人猛醒的教学效果。
二、纵观历史，引人深思
回顾燃烧理论及燃烧技术发展史，不难看出，当我们中华民族沉湎于吟诗作画等精神层面的研究时，国外的科学技术水平飞速发展。由此，也涌现出了一大批知名燃烧学者。比如200多年以前的Thompson(汤普逊)，根据火焰淬熄理论发明了防止矿井内瓦斯爆炸的安全灯；1855年的Bunsen(本生)，发明了测量火焰传播速度的本生灯；1900年的Chapman(切普曼)和Jouguet(乔给特)，联合发现了常规燃烧(定义为缓燃)与爆震燃烧的区别，并计算了爆震波的速度，等等。
遗憾的是，仔细品味燃烧发展史，我们会发现，历史上的知名学者主要来自德国、法国、英国、美国、挪威、匈牙利、俄罗斯等西方国家，而来自亚洲，尤其是中国的学者几乎没有。
即便是在我们现在引以为傲的唐宋盛世，虽然不乏传颂至今的伟大诗人，却没有涌现几个国内外知名科学家。这说明什么?
我们在唐宋盛世主要发展的文化艺术等精神层面的研究，即便也有陶瓷工艺之类的技术研究，也大多是服务于文化艺术的发展，而并非为了发展生产力。借用哲学观点，物质是第一性的，精神是第二性的。历史的事实已经证明，合理的社会发展布局，应当是在优先重视发展科学技术等理工类研究的基础上，再深入开展文化艺术等文科类研究。否则，唐宋盛世的虚假繁荣景象就会再现。
通过这些历史回顾，在燃烧教学过程中，不仅使学生了解了燃烧历史，学会思索未来如何为国争光，还增强了对理工科知识学习的信心，为今后的研究铺平了道路。
三、回顾历史，激发兴趣
这里所说的回顾历史，是指专属燃烧学研究的各种国际大奖的获奖史。
众所周知，燃烧与燃烧室研究属于传统机械类学科。从诺贝尔奖的设立理念来看，再出色的燃烧研究学者也不大可能获得诺贝尔奖。
那么，这是否说明，我们从事燃烧与燃烧室研究就
没有前途、没人重视了呢?
非也!
为了鼓励国际燃烧学者进行创新研究，迄今，国际上专门为燃烧与燃烧室研究人员设立了三大奖项(也有人称之为燃烧界的诺贝尔奖)。它们分别是1958年设立的Bemard Lewis奖、Alfred Egerton奖、以及1990年设立的Zeldovich奖，所有这些奖项都是每两年评选一次。
为了加深对燃烧前沿问题研究进展的了解，结合课堂教学，我们还千方百计寻找机会，把一些获奖学者请到学校来，促成学生与大师的良性互动。迄今为止，来校交流过的国际燃烧大师包括美国加州大学Irvin分校的Sifignano院士、美国乔治理工大学的Zinn院士、澳大利亚的Bilger教授、美国卡内基一梅隆大学的Chigier教授等。结合这些学术活动的历史回顾，起到了很好的促进课堂教学作用，大大激发了学生的学习兴趣，也为今后的研究指明了方向。
四、分析历史，掌握方法
通过分析历史进程，还可以帮助学生理解掌握科学的研究方法。比方说，在进行燃烧学中层流火焰传播方程教学时，依据流体力学中的基本偏微分控制方程组——即所谓Navier-Stokes方程组，再补充微元体能量守恒方程，对一维平面火焰，可推导出层流火焰传播方程如下：
ρ∞SLcp/dT/dx=d/dx(λ/dT/dx)+RfQ
式中各符号的物理意义见文献。
推导出层流火焰传播方程并不是我们的最终目的，从方程中求解出所谓层流火焰传播速度(即方程中的物理量SL)才是我们想要的结果。
问题在于，上述常微分方程看似简单，却无法积分出结果。因为方程中有源项存在，而且源项的表达式非常复杂。
怎么办?每到这时，我在课堂上总要向同学们提问：如果我们的前人没有解决这个问题，如果是你来面对这个问题，你该如何处理?
在学生尝试性的回答之后，我们再来看看我们的前人是如何处理的。这时，我会从前人的多种处理方法中，向同学们介绍其中物理意义最清楚、最容易理解的方法，比方说zeldovich等人提出的“分区近似法”。
所谓“分区近似法”，是指根据实际火焰中的各种物理量分布特点，把看似很薄的火焰面进一步细分成两层，其中第一层的各种物理量的变化较慢，因而可以认为在这一层中源项很小，故可以忽略不计，则方程在这一层中可简化为：
ρ∞SLcp/dT/dx=d/dx(λ/dT/dx)+RfQ
显然，从该方程可以积分求解出这一层边界上的温度梯度。
而第二层的物理量变化很快，且其变化快的原因是源项突然增加所致。因此，我们可以忽略方程中的右边那一项，从而将方程简化为：
d/dx(λ/dT/dx)+RfQ=0
虽然源项仍然很复杂，但其在该层内的定积分具有很清楚的物理意义：火焰面内的平均燃烧放热速度。由此，我们可以得到第二层边界上的温度梯度。
分别从两个方程积分得到的边界温度梯度应该相等。这样，我们就最终得到了层流火焰传播速度的解析公式，换句话说，我们对看似难以求解的层流火焰传播方程进行了近似积分求解。
通过这个例子，可以很好地培养学生将数学与物理紧密联系起来的能力。对于今后可能遇到的难以求解的数学方程，完全可以结合其描述的物理问题，进行各种物理简化，抓大放小，掌握本质规律，从而简化数学方程，最终得到分析解。作为理工科大学生，培养科学的数学物理方法是非常重要的环节，也是今后解决各种实际问题的重要工具。
五、历史发展的量变到质变规律
中学时代我们就已经学过，事物发展的一个重要规律是量变到质变。把这一规律应用到“燃烧与燃烧室”课程教学当中，对实际燃烧物理问题的分析有很大的指导意义。比方说，液体射流的断裂破碎过程分析。
在实际燃烧室中，为了维持稳定燃烧，燃料喷射是一个很重要的环节。在很多动力装置当中，都采用液体燃料通过小孔直接喷入燃烧室的设计方法。问题在于，燃料通过小孔形成的液体射流是如何逐步断裂、破碎、并形成许多大小不等的液滴的呢?
鉴于这一过程对随后的燃料燃烧特性，包括火焰长度、温度分布、稳定燃烧范围、燃烧污染等，具有极大的影响，分析清楚这一实际过程是非常重要的。
按照事物发展的量变到质变规律，我们有理由认为，液体射流的破碎现象(看成是质变)不是突然发生的，在破碎之前必然有一个连续渐变的过程。如果认为断裂是突然的，即射流直径突然变为零，那么，断裂之前射流直径应该有一个波动变化。根据这一分析，我们的前辈们设计了相应的试验方法，试图通过实验观测技术来发现液体射流破碎之前的细微变化。正是通过他们的艰苦努力，我们现在知道，射流在刚刚从喷孔喷射出来时，由于大自然无处不在的各种干扰，会在射流表面形成一些表面波。随着射流的喷射运动，这些表面波中的绝大多数会逐步放大，即波的振幅越来越大，从而造成射流直径在破碎之前有规律的收缩一放大现象。当这种收缩一放大现象发展到一定程度之后，最终将造成射流断裂破碎。
根据这一观测现象及基本分析，我们确信，要真正理解射流破碎这一质变过程，必须先掌握射流表面波变化这些渐变过程。
由此，我们的前辈们发展了稳定性理论，即认为表面波如果不放大，则射流系统是稳定的，否则，射流系统是不稳定的。将该问题转化为在什么条件下射流会不稳定，且最不稳定的那些表面波将最终控制射流的破碎过程。这样，在实际课堂教学中，就比较容易地把学生带到了相当深奥和复杂的稳定性理论分析当中。
通过这个例子，可以很好地培养学生分析实际问题(特别是非定常问题)的能力，从历史发展的过程入手，运用量变到质变规律，可以帮助我们看清事物发展的本质规律。
六、历史发展的螺旋前进规律
同样，中学时代我们也学过，事物发展的另一个重要规律是螺旋前进。对于许多前沿性的、难度很大的研究课题而言，理解并运用好这一基本规律是十分重要的。比方说，超音速燃烧问题。
其实，早在1965年前后，由于火箭发动机技术的发展，人类已经可以研制出飞行速度极快(飞行速度约为音速的5～6倍)的导弹。但是，在火箭发动机中，燃料和氧化剂都需要自行携带。特别是氧化剂，以液氢一液氧发动机为例，每带1吨液氢，就需要带8吨液氧。既然空气中有取之不尽的氧气，为什么我们不能减少自带氧气，转而从空气中吸取氧气呢?
问题在于，如果从空气中提取氧气，由于飞行速度极快，不可能像常规冲压发动机那样，先将气流速度降
为低于音速，然后再燃烧加热，最后膨胀排出，从而产生推动飞行器前进的动力。因为在极快飞行速度下，如果先将气流速度降为低于音速，则会导致气流温度大幅上升，以至于接近、甚至超过燃料燃烧温度。这样一来，燃烧热就无法加入到气流当中，也就无法产生推动飞行器前进的动力。因此，如果想在极快飞行速度下从空气中取氧燃烧，必须采用所谓超音速燃烧技术，即保持气流速度大于音速，降低气流温度上升幅度，在超音速气流中组织燃烧，从而使燃烧后的热能能加入到气流当中去。
这就是美国于1964年启动超音速燃烧冲压发动机(HRE)计划的最初目的。
想法很好，实际研究结果如何呢?美国经过10年的艰苦研究，于1974年提交了HRE发动机。在极快飞行速度下，该发动机产生的净推力为负值。换句话说，该发动机在极快飞行速度下根本就不可能产生推力。
这一下热闹了，美国国会讨论吵翻了天。事实是否真像某些议员们所说：我们花费巨额经费研究，只换来了一句话：超燃冲压发动机是不可行的。
美国正式停止了研究资助，全世界其他国家也跟风停止了相应研究。当然，出于保密原因，很多国家(包括中国)不可能及时得到美国的研究情报，因此，相应的研究计划以及停止研究时期与美国的计划存在时间上的偏差。
不过，美国的科学家们不同意国会议员们的想法，他们相信事物发展的螺旋前进规律。尽管暂时遇到技术难关，但基本方向还是没错。因此，在小额研究资助下，还是不懈进行基础技术研究，终于在10年之后有了突破，并成功说服国会继续投资。
随后的研究基本顺利，并最终在2004年成功完成了极快飞行速度的两次实验飞行，飞行器的飞行速度分别为音速的7倍和10倍。
这个例子充分说明，在科学研究的道路上，没有平坦的路可走。只有确信大方向没有错，就不要被暂时的失败或困难所吓倒。相信事物发展的螺旋前进规律，坚忍不拔，刻苦努力，最终就一定会成功的!
当然，结合实际燃烧教学，还有很多实例，上述例子只是其中一部分。
总而言之，如果在课堂教学中深挖历史发展过程，详细分析历史渊源，对燃烧教学的深化是大有裨益的。这也是作者在从事燃烧教学过程当中很重要的心得体会。
[责任编辑：陈立民]