面向培养需求的水煤浆实践教学构架

［摘 要］ 针对同一主题教学面向不同层次培养需求的课程设计问题，以水煤浆实践教学为例，分析了在教学过程中的不同培养需求，并有针对性地设计了基础认知、课程实践和科研创新三个层次的培养方案，开展了面向兴趣引导、系统学习和深入探讨的逐步深入、逐级提升的教学实践，实现了工程思维和学术思维的协同提升，有利于对不同层次、不同学科背景学生基本能力的差异化培养，更符合新形势下对本科教育的新要求。

［关键词］ 本科；教学设计；培养方案；创新；思维

［基金项目］ 2021年度中国矿业大学（北京）本科教育教学改革与研究项目“工程思维指导下‘固体废物资源化利用’课程教学模式改革”（J210307）

［作者简介］ 涂亚楠（1984—），男，山东潍坊人，博士，中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院副教授，主要从事水煤浆制备和固体废物资源化利用研究；孙美洁（1988—），女，山东威海人，博士，中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院讲师（通信作者），主要从事煤炭分选和洁净煤技术研究。

［中图分类号］ G642.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）21-0132-04 ［收稿日期］ 2022-08-31

水煤浆是一种由煤、水和少量添加剂制备而成的高浓度匀相粗分散体，其制备过程包含重要的燃料技术和原料技术。据统计，2019年我国用于煤化工原料的水煤浆产能已达2亿吨以上［1-2］。中国矿业大学（北京）是国内最早从事水煤浆制浆技术研究开发与工程设计的单位，先后承担了国家“六五”至“九五”期间的攻关项目，得到过教育部“211工程”和联合国与国际科学文化中心的支持，开发出了完全自主的制浆技术，形成了相对完整的制浆理论体系，为我国能源技术的发展做出了重要贡献，先后获得国家、省部、协会各类奖项。因此，水煤浆制备相关技术成为中国矿业大学（北京）矿物加工工程专业的特色教学点和课堂思政来源点。然而，水煤浆相关知识主要源于“工艺矿物学”“矿物加工学”“颗粒学”等矿物加工工程专业教学必然涉及的课程。为避免重复教学，“水煤浆制备技术”不宜作为一门单独的课程在本科阶段加以系统地讲授。因此在教学实践中，我们根据不同培养需求构建了面向基础认知、课程实践和科研创新三个不同层次和深度的方案，分别对应了兴趣引导、系统学习和深入探讨的教学目的，以匹配不同学生的实际学习需求。

一、课程培养需求分析

高校的教学任务是在提高学生基础知识水平的前提下，通过课程实践培养创新型人才，即能够在原有知识的基础上，经过思考和实践，有所突破和创新的高素质人才。这就要求各专业培养方案及课程设计既要满足高校教育对学生基础知识的培养要求，又能结合具体的学科发展情况来提高学生的实践能力，还要在理论及实践教学过程中引导学生主动思考，掌握工程与学术思维方法，提升学生的创新能力［3-5］。然而，不同专业、不同层次的学生对相应课程的需求是不同的，这就对教学设计提出了新的挑战。本文以“水煤浆制备实验”主题为例，该主题面对非本专业选修及本专业导论、专业课及专业综合设计、大学生创新训练三个不同层次的教学需求，而三个层次的教学学时分配完全不同。因此，我们有针对性地设计了三个不同层次和深度的教学方案，分别面向基础认知、课程实践和科研创新，以适应不同的培养需求和目标。

二、方案构架

（一）基础认知

该层次主要面向水煤浆基础知识点讲解，旨在使学生能够自主制备水煤浆，并理解在颗粒级配与分散剂的共同作用下，煤颗粒和水构成匀散、流动的浆体的基本原理，属于以观察与认知为核心的、科普性的演示实践类实验。因此，在该层次的需求中并不需要特别严格的条件设计和数据采集分析，主要教学和实验设计如下。

1.煤样、分散剂的准备。实验前，由课程责任教师提前准备好煤样，首选高变质程度烟煤。对原始煤样经过空气干燥、破碎后，置于球磨机中进行两种形式的研磨。其中，粗样研磨以98%物料通过0.3 mm筛孔筛子为基准控制研磨时间，细样推荐研磨2～3 h。对所研磨出的粗样，利用0.074 mm筛孔筛子进行分级，取筛上物作为最终实验用粗样；对所研磨出的细样，利用0.045 mm筛孔筛子进行分级，取筛下物作为最终实验用细样。上述操作旨在获得粒度分布差异足够大的两种样品，以便后面实验观察级配。实验选取的分散剂可以为一般的工业分散剂，建议以萘磺酸钠甲醛缩合物为其主要成分。课程责任教师提前以粗样与细样的质量比1∶1开展实验，校验所选煤样的成浆性，以剪切率为100 s-1时的表观黏度不高于800 mPa·s时的制浆浓度为目标，确定清水和分散剂的用量。

2.实践操作与现象解释。称取粗样50 g和细样50 g，分别置于两个250 mL的烧杯中，然后向两个烧杯中分别加入上步得到的清水量和分散机溶液量的各一半，并用搅拌棒搅拌，从而使两个烧杯中的物料固体质量浓度相等。在搅拌中可观察到：粗样的润湿速度较快，并最终呈现煤颗粒和水共存的泥水状态，且快速析水，不呈现似流体的流动态；细样的润湿速度偏慢，且几乎看不到析水，煤样仅仅是变得潮湿，基本呈现离散状态。课程教师可在现象发生时对其原因进行解释：对于粗样而言，因粒度粗、分布窄且比表面积小，呈现出水量过量的问题，同时由于窄分布的颗粒堆积时存在大量的空隙，导致最终呈现出的是沙泥类的煤水混合物。对于细样而言，由于粒度细、比表面积大，总体呈现出水量不足，水仅仅是润湿了煤样，无法分散颗粒。

上述操作完成后，利用样品勺将细样烧杯中的物料尽可能全部转移到粗样烧杯中，并继续搅拌。在搅拌过程中，随着两种样品逐渐融合，整个混合样品逐渐转变为具有一定黏性且逐渐流动的似原油类流体。此时，准备1个250 mL的空烧杯，将所制成的样品缓慢倾倒，进一步观察到整个样品以一种具有一定黏性的流体形式流动到空烧杯的过程。该过程显示了级配在水煤浆制备技术中的重要性，并且呈现出类似“魔术”般的效果，对吸引学生注意力、培养学生的学习兴趣具有良好的效果。

（二）课程实践

该层次主要面向矿物加工工程“专业综合设计”课程教学，旨在使学生能够根据影响水煤浆流变性的关键因素来设计相应的实验，并能够结合课堂教授的相关理论知识对结果进行分析，从而在完成学习任务的同时加深对水煤浆这个固、液两相高浓度匀散体系的认识。受限于课时要求，在教学实践中采用小组分工的形式开展相应的实验工作。针对此层次的实验设计方案如下。

1.煤样的选取、处理与分析。实验一般选取褐煤（低变质程度）、长焰煤（低变质程度）、焦煤（瘦煤的高变质程度）三种变质程度差异大的煤样作为实验材料，学生需要对三种煤样进行破碎、研磨，分别获得粗、细样品。此外，依据专业所学知识，学生需要对样品进行工业分析和元素分析，获得基础的样品数据。同时，利用煤成浆性判定方程，计算并判断相应煤样的成浆性，以指导实验设计［6］。

2.硬件条件支撑。实验的仪器设备、煤样、药剂等基础条件由指导教师提供。开展相应实验需要提供的仪器设备主要有：马弗炉、恒温干燥箱、无级变速搅拌器、分析天平、电子天平、旋转黏度计、快速水分仪、激光粒度分析仪以及相关的常规玻璃仪器（如搅拌棒、烧杯、滴管等）。

3.制浆实验与数据分析。针对级配（粗、细样品的比例）、分散剂（种类及用量）、加水量（控制制浆浓度）三个条件开展水煤浆制备实验，利用旋转黏度计测量不同条件下水煤浆样品在不同剪切率下的表观黏度和相应的切应力，分别获得不同煤样的级配-定黏浓度曲线、分散剂用量（种类）-定黏浓度曲线、浓度-黏度曲线。同时，需要学生利用Herschel–Bulkley方程对剪切率、切应力进行拟合运算，并利用所得结果判断所得水煤浆样品的屈服性、塑性等特点。

4.课程任务分配与考核。学生通过自由选题和分组后，拟定研究本方向专业综合设计的小组开展上述实验工作。小组成员通过内部协调分工，协同开展实验工作，且全部实验条件由学生检索相应的学术研究成果和预实验自主确定。完成全部实验工作后，依据任务分工的不同，学生根据自己的实验工作撰写相应的、符合学术论文规范的论文，教师对论文的规范性、内容完整性、论述合理性、分析深入性进行综合考核，给出相应的成绩，论文成绩可作为学生考核的依据。

（三）科研创新

该层次面向以科研创新能力为主要培养目标的大学生创新训练计划，旨在通过系统化、规范化、前沿化的科学研究训练，使学生对所学知识融会贯通，初步建立科研思维、学术思维，并具备初步的科研能力，这是一个需要长期培养和训练的过程。在我校的教学培养方案中，从第二学年下学期的选题训练开始，直到第四学年上学期的结题截止，共计开展为期四学期的培养。因此，该层次的时间更为充足，相应地培养和训练会更加的系统化、深入化和前沿化，并融入指导教师的科研课题中。在我校的实践中，该层次与全程导师制深度融合［7-8］。针对此层次的各阶段任务计划如下。

1.选题阶段。在本阶段，学生组建科研小组与指导教师进行深入交流，以初步了解指导教师科研课题的重要意义、相关科研发展趋势、基础背景知识需求等，形成确定的创新科研课题项目。科研小组成员基于指导教师的建议，开展资料调研、目标制定、研究内容构建等工作，最终形成选题报告，由指导教师进行指导、评阅和考评。从水煤浆制备研究来看，相应地学术研究所涵盖的主要内容包括：低阶煤提质制浆、化工废水制浆、非煤粉体制浆、分散剂设计开发、成浆机制和理论研究等。除了所需进行的水煤浆制备实验研究外，还需要开展机理分析研究工作。也就是说，从选题阶段开始，学生需要同时面对以“结果寻优”为主的工程思维［9］和以“过程机制”为主的学术思维［10］的双重培养过程。

2.立项阶段。在本阶段，科研小组在深入学习基础专业知识、开展学术资料调研工作的同时，要进入指导教师实验室进行参观学习。指导教师负责引导和解释相关科研仪器设备及实验方法的作用，同时对研究方案的制订进行深入指导，尤其是针对“过程机制”的实验及检测分析方法的指导。此外，立项阶段需要撰写立项报告，学生应充分认识立项背景、调研相关研究成果、凝练相应的科学问题、抽提研究目标，并以问题为导向构建完整的研究内容与相应的研究方案和计划。

3.研究阶段。在本阶段，科研小组成员依据指定的研究方案和计划，按时并高质量地开展相应的实验研究工作。基础实验操作和过程与“课程实践”层次的方式基本一致，但是增加了大量的需要在前期进行预检验的内容，以保证不同条件参数取值范围的合理性。同时，指导教师的工作重点由宏观、基础知识的解答转移到研究方案的构建、解析、优化等方面，着重讲解以“结果寻优”为主的工程思维和以“过程机制”为主的学术思维两者之间的差异及相互关系，着力引导学生思维的全面化、深入化发展。

4.结题与考核阶段。在本阶段，科研小组成员将整理所开展的实验研究数据，结合国内外研究文献资料的调研情况，进一步检查实验方案并查缺补漏，然后按照学术论文的规范撰写学术论文并投稿，或者整理成相应的研究报告或项目书参加竞赛，再或者将所研究数据进行抽提，形成专利书并提交申请。本阶段指导教师的工作重点是对不同学术文献撰写方式的介绍、讲解，并重点强调文本规范性、行文逻辑性和学术道德。本阶段不仅有量化的成果指标，更有相应地答辩和考核，从而带领学生完成一个完整的科研过程，强化对学生科研能力的培养。

结语

大学培养阶段的实验类及实践类课程不应仅是对课堂理论教学的辅助和补充，也不应仅是学科基本科研实验基础能力的培训，还应有其内在的逻辑性以及更具前瞻、更符合学科发展需求、更能体现科研学术思维培养的功能和作用，从而完善教学培养体系。此外，培养内容不宜仅局限于学科内，还应面向一个宏观、对学生未来发展有价值的目标。

相应的教学设计，即便是同一个主题的教学内容，也可以根据学科教学体系进行系统化和差异化的设计，从而实现以学生为主体，以能力提升为中心的培养目标。如在我校与水煤浆制备相关的实验和实践教学中，针对不同的培养需求，设计了基础认知、课程实践和科研创新三个层次的培养方案，开展了面向兴趣引导、系统学习和深入探讨的逐步深入、逐级提升的教学实践，尤其重视工程思维和学术思维的协同提升，有利于不同层次、不同学科背景的学生基本能力的差异化培养。