面向培養(yǎng)需求的水煤漿實踐教學(xué)構(gòu)架

涂亞楠 孫美潔

［摘 要］ 針對同一主題教學(xué)面向不同層次培養(yǎng)需求的課程設(shè)計問題，以水煤漿實踐教學(xué)為例，分析了在教學(xué)過程中的不同培養(yǎng)需求，并有針對性地設(shè)計了基礎(chǔ)認知、課程實踐和科研創(chuàng)新三個層次的培養(yǎng)方案，開展了面向興趣引導(dǎo)、系統(tǒng)學(xué)習(xí)和深入探討的逐步深入、逐級提升的教學(xué)實踐，實現(xiàn)了工程思維和學(xué)術(shù)思維的協(xié)同提升，有利于對不同層次、不同學(xué)科背景學(xué)生基本能力的差異化培養(yǎng)，更符合新形勢下對本科教育的新要求。

［關(guān)鍵詞］ 本科；教學(xué)設(shè)計；培養(yǎng)方案；創(chuàng)新；思維

［基金項目］ 2021年度中國礦業(yè)大學(xué)（北京）本科教育教學(xué)改革與研究項目“工程思維指導(dǎo)下‘固體廢物資源化利用課程教學(xué)模式改革”（J210307）

［作者簡介］ 涂亞楠（1984—），男，山東濰坊人，博士，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院副教授，主要從事水煤漿制備和固體廢物資源化利用研究；孫美潔（1988—），女，山東威海人，博士，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事煤炭分選和潔凈煤技術(shù)研究。

［中圖分類號］ G642.4［文獻標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）21-0132-04［收稿日期］ 2022-08-31

水煤漿是一種由煤、水和少量添加劑制備而成的高濃度勻相粗分散體，其制備過程包含重要的燃料技術(shù)和原料技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計，2019年我國用于煤化工原料的水煤漿產(chǎn)能已達2億噸以上［1-2］。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）是國內(nèi)最早從事水煤漿制漿技術(shù)研究開發(fā)與工程設(shè)計的單位，先后承擔(dān)了國家“六五”至“九五”期間的攻關(guān)項目，得到過教育部“211工程”和聯(lián)合國與國際科學(xué)文化中心的支持，開發(fā)出了完全自主的制漿技術(shù)，形成了相對完整的制漿理論體系，為我國能源技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻，先后獲得國家、省部、協(xié)會各類獎項。因此，水煤漿制備相關(guān)技術(shù)成為中國礦業(yè)大學(xué)（北京）礦物加工工程專業(yè)的特色教學(xué)點和課堂思政來源點。然而，水煤漿相關(guān)知識主要源于“工藝礦物學(xué)”“礦物加工學(xué)”“顆粒學(xué)”等礦物加工工程專業(yè)教學(xué)必然涉及的課程。為避免重復(fù)教學(xué)，“水煤漿制備技術(shù)”不宜作為一門單獨的課程在本科階段加以系統(tǒng)地講授。因此在教學(xué)實踐中，我們根據(jù)不同培養(yǎng)需求構(gòu)建了面向基礎(chǔ)認知、課程實踐和科研創(chuàng)新三個不同層次和深度的方案，分別對應(yīng)了興趣引導(dǎo)、系統(tǒng)學(xué)習(xí)和深入探討的教學(xué)目的，以匹配不同學(xué)生的實際學(xué)習(xí)需求。

一、課程培養(yǎng)需求分析

高校的教學(xué)任務(wù)是在提高學(xué)生基礎(chǔ)知識水平的前提下，通過課程實踐培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，即能夠在原有知識的基礎(chǔ)上，經(jīng)過思考和實踐，有所突破和創(chuàng)新的高素質(zhì)人才。這就要求各專業(yè)培養(yǎng)方案及課程設(shè)計既要滿足高校教育對學(xué)生基礎(chǔ)知識的培養(yǎng)要求，又能結(jié)合具體的學(xué)科發(fā)展情況來提高學(xué)生的實踐能力，還要在理論及實踐教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生主動思考，掌握工程與學(xué)術(shù)思維方法，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力［3-5］。然而，不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生對相應(yīng)課程的需求是不同的，這就對教學(xué)設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。本文以“水煤漿制備實驗”主題為例，該主題面對非本專業(yè)選修及本專業(yè)導(dǎo)論、專業(yè)課及專業(yè)綜合設(shè)計、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練三個不同層次的教學(xué)需求，而三個層次的教學(xué)學(xué)時分配完全不同。因此，我們有針對性地設(shè)計了三個不同層次和深度的教學(xué)方案，分別面向基礎(chǔ)認知、課程實踐和科研創(chuàng)新，以適應(yīng)不同的培養(yǎng)需求和目標(biāo)。

二、方案構(gòu)架

（一）基礎(chǔ)認知

該層次主要面向水煤漿基礎(chǔ)知識點講解，旨在使學(xué)生能夠自主制備水煤漿，并理解在顆粒級配與分散劑的共同作用下，煤顆粒和水構(gòu)成勻散、流動的漿體的基本原理，屬于以觀察與認知為核心的、科普性的演示實踐類實驗。因此，在該層次的需求中并不需要特別嚴(yán)格的條件設(shè)計和數(shù)據(jù)采集分析，主要教學(xué)和實驗設(shè)計如下。

1.煤樣、分散劑的準(zhǔn)備。實驗前，由課程責(zé)任教師提前準(zhǔn)備好煤樣，首選高變質(zhì)程度煙煤。對原始煤樣經(jīng)過空氣干燥、破碎后，置于球磨機中進行兩種形式的研磨。其中，粗樣研磨以98%物料通過0.3 mm篩孔篩子為基準(zhǔn)控制研磨時間，細樣推薦研磨2～3 h。對所研磨出的粗樣，利用0.074 mm篩孔篩子進行分級，取篩上物作為最終實驗用粗樣；對所研磨出的細樣，利用0.045 mm篩孔篩子進行分級，取篩下物作為最終實驗用細樣。上述操作旨在獲得粒度分布差異足夠大的兩種樣品，以便后面實驗觀察級配。實驗選取的分散劑可以為一般的工業(yè)分散劑，建議以萘磺酸鈉甲醛縮合物為其主要成分。課程責(zé)任教師提前以粗樣與細樣的質(zhì)量比1∶1開展實驗，校驗所選煤樣的成漿性，以剪切率為100 s-1時的表觀黏度不高于800 mPa·s時的制漿濃度為目標(biāo)，確定清水和分散劑的用量。

2.實踐操作與現(xiàn)象解釋。稱取粗樣50 g和細樣50 g，分別置于兩個250 mL的燒杯中，然后向兩個燒杯中分別加入上步得到的清水量和分散機溶液量的各一半，并用攪拌棒攪拌，從而使兩個燒杯中的物料固體質(zhì)量濃度相等。在攪拌中可觀察到：粗樣的潤濕速度較快，并最終呈現(xiàn)煤顆粒和水共存的泥水狀態(tài)，且快速析水，不呈現(xiàn)似流體的流動態(tài)；細樣的潤濕速度偏慢，且?guī)缀蹩床坏轿鏊?，煤樣僅僅是變得潮濕，基本呈現(xiàn)離散狀態(tài)。課程教師可在現(xiàn)象發(fā)生時對其原因進行解釋：對于粗樣而言，因粒度粗、分布窄且比表面積小，呈現(xiàn)出水量過量的問題，同時由于窄分布的顆粒堆積時存在大量的空隙，導(dǎo)致最終呈現(xiàn)出的是沙泥類的煤水混合物。對于細樣而言，由于粒度細、比表面積大，總體呈現(xiàn)出水量不足，水僅僅是潤濕了煤樣，無法分散顆粒。

上述操作完成后，利用樣品勺將細樣燒杯中的物料盡可能全部轉(zhuǎn)移到粗樣燒杯中，并繼續(xù)攪拌。在攪拌過程中，隨著兩種樣品逐漸融合，整個混合樣品逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ば郧抑饾u流動的似原油類流體。此時，準(zhǔn)備1個250 mL的空燒杯，將所制成的樣品緩慢傾倒，進一步觀察到整個樣品以一種具有一定黏性的流體形式流動到空燒杯的過程。該過程顯示了級配在水煤漿制備技術(shù)中的重要性，并且呈現(xiàn)出類似“魔術(shù)”般的效果，對吸引學(xué)生注意力、培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣具有良好的效果。

（二）課程實踐

該層次主要面向礦物加工工程“專業(yè)綜合設(shè)計”課程教學(xué)，旨在使學(xué)生能夠根據(jù)影響水煤漿流變性的關(guān)鍵因素來設(shè)計相應(yīng)的實驗，并能夠結(jié)合課堂教授的相關(guān)理論知識對結(jié)果進行分析，從而在完成學(xué)習(xí)任務(wù)的同時加深對水煤漿這個固、液兩相高濃度勻散體系的認識。受限于課時要求，在教學(xué)實踐中采用小組分工的形式開展相應(yīng)的實驗工作。針對此層次的實驗設(shè)計方案如下。

1.煤樣的選取、處理與分析。實驗一般選取褐煤（低變質(zhì)程度）、長焰煤（低變質(zhì)程度）、焦煤（瘦煤的高變質(zhì)程度）三種變質(zhì)程度差異大的煤樣作為實驗材料，學(xué)生需要對三種煤樣進行破碎、研磨，分別獲得粗、細樣品。此外，依據(jù)專業(yè)所學(xué)知識，學(xué)生需要對樣品進行工業(yè)分析和元素分析，獲得基礎(chǔ)的樣品數(shù)據(jù)。同時，利用煤成漿性判定方程，計算并判斷相應(yīng)煤樣的成漿性，以指導(dǎo)實驗設(shè)計［6］。

2.硬件條件支撐。實驗的儀器設(shè)備、煤樣、藥劑等基礎(chǔ)條件由指導(dǎo)教師提供。開展相應(yīng)實驗需要提供的儀器設(shè)備主要有：馬弗爐、恒溫干燥箱、無級變速攪拌器、分析天平、電子天平、旋轉(zhuǎn)黏度計、快速水分儀、激光粒度分析儀以及相關(guān)的常規(guī)玻璃儀器（如攪拌棒、燒杯、滴管等）。

3.制漿實驗與數(shù)據(jù)分析。針對級配（粗、細樣品的比例）、分散劑（種類及用量）、加水量（控制制漿濃度）三個條件開展水煤漿制備實驗，利用旋轉(zhuǎn)黏度計測量不同條件下水煤漿樣品在不同剪切率下的表觀黏度和相應(yīng)的切應(yīng)力，分別獲得不同煤樣的級配-定黏濃度曲線、分散劑用量（種類）-定黏濃度曲線、濃度-黏度曲線。同時，需要學(xué)生利用Herschel–Bulkley方程對剪切率、切應(yīng)力進行擬合運算，并利用所得結(jié)果判斷所得水煤漿樣品的屈服性、塑性等特點。

4.課程任務(wù)分配與考核。學(xué)生通過自由選題和分組后，擬定研究本方向?qū)I(yè)綜合設(shè)計的小組開展上述實驗工作。小組成員通過內(nèi)部協(xié)調(diào)分工，協(xié)同開展實驗工作，且全部實驗條件由學(xué)生檢索相應(yīng)的學(xué)術(shù)研究成果和預(yù)實驗自主確定。完成全部實驗工作后，依據(jù)任務(wù)分工的不同，學(xué)生根據(jù)自己的實驗工作撰寫相應(yīng)的、符合學(xué)術(shù)論文規(guī)范的論文，教師對論文的規(guī)范性、內(nèi)容完整性、論述合理性、分析深入性進行綜合考核，給出相應(yīng)的成績，論文成績可作為學(xué)生考核的依據(jù)。

（三）科研創(chuàng)新

該層次面向以科研創(chuàng)新能力為主要培養(yǎng)目標(biāo)的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃，旨在通過系統(tǒng)化、規(guī)范化、前沿化的科學(xué)研究訓(xùn)練，使學(xué)生對所學(xué)知識融會貫通，初步建立科研思維、學(xué)術(shù)思維，并具備初步的科研能力，這是一個需要長期培養(yǎng)和訓(xùn)練的過程。在我校的教學(xué)培養(yǎng)方案中，從第二學(xué)年下學(xué)期的選題訓(xùn)練開始，直到第四學(xué)年上學(xué)期的結(jié)題截止，共計開展為期四學(xué)期的培養(yǎng)。因此，該層次的時間更為充足，相應(yīng)地培養(yǎng)和訓(xùn)練會更加的系統(tǒng)化、深入化和前沿化，并融入指導(dǎo)教師的科研課題中。在我校的實踐中，該層次與全程導(dǎo)師制深度融合［7-8］。針對此層次的各階段任務(wù)計劃如下。

1.選題階段。在本階段，學(xué)生組建科研小組與指導(dǎo)教師進行深入交流，以初步了解指導(dǎo)教師科研課題的重要意義、相關(guān)科研發(fā)展趨勢、基礎(chǔ)背景知識需求等，形成確定的創(chuàng)新科研課題項目。科研小組成員基于指導(dǎo)教師的建議，開展資料調(diào)研、目標(biāo)制定、研究內(nèi)容構(gòu)建等工作，最終形成選題報告，由指導(dǎo)教師進行指導(dǎo)、評閱和考評。從水煤漿制備研究來看，相應(yīng)地學(xué)術(shù)研究所涵蓋的主要內(nèi)容包括：低階煤提質(zhì)制漿、化工廢水制漿、非煤粉體制漿、分散劑設(shè)計開發(fā)、成漿機制和理論研究等。除了所需進行的水煤漿制備實驗研究外，還需要開展機理分析研究工作。也就是說，從選題階段開始，學(xué)生需要同時面對以“結(jié)果尋優(yōu)”為主的工程思維［9］和以“過程機制”為主的學(xué)術(shù)思維［10］的雙重培養(yǎng)過程。

2.立項階段。在本階段，科研小組在深入學(xué)習(xí)基礎(chǔ)專業(yè)知識、開展學(xué)術(shù)資料調(diào)研工作的同時，要進入指導(dǎo)教師實驗室進行參觀學(xué)習(xí)。指導(dǎo)教師負責(zé)引導(dǎo)和解釋相關(guān)科研儀器設(shè)備及實驗方法的作用，同時對研究方案的制訂進行深入指導(dǎo)，尤其是針對“過程機制”的實驗及檢測分析方法的指導(dǎo)。此外，立項階段需要撰寫立項報告，學(xué)生應(yīng)充分認識立項背景、調(diào)研相關(guān)研究成果、凝練相應(yīng)的科學(xué)問題、抽提研究目標(biāo)，并以問題為導(dǎo)向構(gòu)建完整的研究內(nèi)容與相應(yīng)的研究方案和計劃。

3.研究階段。在本階段，科研小組成員依據(jù)指定的研究方案和計劃，按時并高質(zhì)量地開展相應(yīng)的實驗研究工作?；A(chǔ)實驗操作和過程與“課程實踐”層次的方式基本一致，但是增加了大量的需要在前期進行預(yù)檢驗的內(nèi)容，以保證不同條件參數(shù)取值范圍的合理性。同時，指導(dǎo)教師的工作重點由宏觀、基礎(chǔ)知識的解答轉(zhuǎn)移到研究方案的構(gòu)建、解析、優(yōu)化等方面，著重講解以“結(jié)果尋優(yōu)”為主的工程思維和以“過程機制”為主的學(xué)術(shù)思維兩者之間的差異及相互關(guān)系，著力引導(dǎo)學(xué)生思維的全面化、深入化發(fā)展。

4.結(jié)題與考核階段。在本階段，科研小組成員將整理所開展的實驗研究數(shù)據(jù)，結(jié)合國內(nèi)外研究文獻資料的調(diào)研情況，進一步檢查實驗方案并查缺補漏，然后按照學(xué)術(shù)論文的規(guī)范撰寫學(xué)術(shù)論文并投稿，或者整理成相應(yīng)的研究報告或項目書參加競賽，再或者將所研究數(shù)據(jù)進行抽提，形成專利書并提交申請。本階段指導(dǎo)教師的工作重點是對不同學(xué)術(shù)文獻撰寫方式的介紹、講解，并重點強調(diào)文本規(guī)范性、行文邏輯性和學(xué)術(shù)道德。本階段不僅有量化的成果指標(biāo)，更有相應(yīng)地答辯和考核，從而帶領(lǐng)學(xué)生完成一個完整的科研過程，強化對學(xué)生科研能力的培養(yǎng)。

結(jié)語

大學(xué)培養(yǎng)階段的實驗類及實踐類課程不應(yīng)僅是對課堂理論教學(xué)的輔助和補充，也不應(yīng)僅是學(xué)科基本科研實驗基礎(chǔ)能力的培訓(xùn)，還應(yīng)有其內(nèi)在的邏輯性以及更具前瞻、更符合學(xué)科發(fā)展需求、更能體現(xiàn)科研學(xué)術(shù)思維培養(yǎng)的功能和作用，從而完善教學(xué)培養(yǎng)體系。此外，培養(yǎng)內(nèi)容不宜僅局限于學(xué)科內(nèi)，還應(yīng)面向一個宏觀、對學(xué)生未來發(fā)展有價值的目標(biāo)。

相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計，即便是同一個主題的教學(xué)內(nèi)容，也可以根據(jù)學(xué)科教學(xué)體系進行系統(tǒng)化和差異化的設(shè)計，從而實現(xiàn)以學(xué)生為主體，以能力提升為中心的培養(yǎng)目標(biāo)。如在我校與水煤漿制備相關(guān)的實驗和實踐教學(xué)中，針對不同的培養(yǎng)需求，設(shè)計了基礎(chǔ)認知、課程實踐和科研創(chuàng)新三個層次的培養(yǎng)方案，開展了面向興趣引導(dǎo)、系統(tǒng)學(xué)習(xí)和深入探討的逐步深入、逐級提升的教學(xué)實踐，尤其重視工程思維和學(xué)術(shù)思維的協(xié)同提升，有利于不同層次、不同學(xué)科背景的學(xué)生基本能力的差異化培養(yǎng)。

經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，水煤漿教學(xué)的相關(guān)方法不僅拓寬了學(xué)生對本專業(yè)的認知范圍，更有效引導(dǎo)了感興趣的學(xué)生依托“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃”參與到水煤漿制備技術(shù)研究中，或發(fā)表學(xué)術(shù)論文，或依托相應(yīng)研究參與各類競賽；部分學(xué)生則選擇考?。ūＫ停┪倚Ｑ芯可陨钊?yún)⑴c水煤漿技術(shù)前沿科研工作。水煤漿實踐教學(xué)取得了良好的教學(xué)效果，具有良好的實踐性和可擴展性。

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Training Demand-oriented Practical Teaching Framework of Coal Water Mixture

TU Ya-nan， SUN Mei-jie

（School of Chemical & Environmental Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China）

Abstract： In view of the curriculum design of the same subject teaching facing the training needs of different levels， this paper takes the practical teaching of coal water mixture as an example to analyze the different training needs in the teaching process. The training programs of “basic cognition”， “curriculum practice” and “scientific research innovation” are designed pertinently， and the teaching practice of gradually deepening and improving step by step is carried out for “interest guidance”， “systematic learning” and “in-depth discussion”. In teaching design， special attention is paid to the coordinated promotion of “engineering thinking” and “academic thinking”， which is conducive to the differential cultivation of the basic abilities of college students at different levels and different disciplines， and is more in line with the new requirements of undergraduate education under the new situation.

Key words： undergraduate; instructional design; training plan; innovation; thinking