面向培養需求的水煤漿實踐教學構架

涂亞楠 孫美潔

［摘 要］ 針對同一主題教學面向不同層次培養需求的課程設計問題，以水煤漿實踐教學為例，分析了在教學過程中的不同培養需求，并有針對性地設計了基礎認知、課程實踐和科研創新三個層次的培養方案，開展了面向興趣引導、系統學習和深入探討的逐步深入、逐級提升的教學實踐，實現了工程思維和學術思維的協同提升，有利于對不同層次、不同學科背景學生基本能力的差異化培養，更符合新形勢下對本科教育的新要求。

［關鍵詞］ 本科；教學設計；培養方案；創新；思維

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

［作者簡介］ 涂亞楠（1984—），男，山東濰坊人，博士，中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院副教授，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，中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院講師（通信作者），主要從事煤炭分選和潔凈煤技術研究。

［中圖分類號］ G642.4［文獻標識碼］ 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和原料技術。據統計，2019年我國用于煤化工原料的水煤漿產能已達2億噸以上［1-2］。中國礦業大學（北京）是國內最早從事水煤漿制漿技術研究開發與工程設計的單位，先后承擔了國家“六五”至“九五”期間的攻關項目，得到過教育部“211工程”和聯合國與國際科學文化中心的支持，開發出了完全自主的制漿技術，形成了相對完整的制漿理論體系，為我國能源技術的發展做出了重要貢獻，先后獲得國家、省部、協會各類獎項。因此，水煤漿制備相關技術成為中國礦業大學（北京）礦物加工工程專業的特色教學點和課堂思政來源點。然而，水煤漿相關知識主要源于“工藝礦物學”“礦物加工學”“顆粒學”等礦物加工工程專業教學必然涉及的課程。為避免重復教學，“水煤漿制備技術”不宜作為一門單獨的課程在本科階段加以系統地講授。因此在教學實踐中，我們根據不同培養需求構建了面向基礎認知、課程實踐和科研創新三個不同層次和深度的方案，分別對應了興趣引導、系統學習和深入探討的教學目的，以匹配不同學生的實際學習需求。

一、課程培養需求分析

高校的教學任務是在提高學生基礎知識水平的前提下，通過課程實踐培養創新型人才，即能夠在原有知識的基礎上，經過思考和實踐，有所突破和創新的高素質人才。這就要求各專業培養方案及課程設計既要滿足高校教育對學生基礎知識的培養要求，又能結合具體的學科發展情況來提高學生的實踐能力，還要在理論及實踐教學過程中引導學生主動思考，掌握工程與學術思維方法，提升學生的創新能力［3-5］。然而，不同專業、不同層次的學生對相應課程的需求是不同的，這就對教學設計提出了新的挑戰。本文以“水煤漿制備實驗”主題為例，該主題面對非本專業選修及本專業導論、專業課及專業綜合設計、大學生創新訓練三個不同層次的教學需求，而三個層次的教學學時分配完全不同。因此，我們有針對性地設計了三個不同層次和深度的教學方案，分別面向基礎認知、課程實踐和科研創新，以適應不同的培養需求和目標。

二、方案構架

（一）基礎認知

該層次主要面向水煤漿基礎知識點講解，旨在使學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格的條件設計和數據采集分析，主要教學和實驗設計如下。

1.煤樣、分散劑的準備。實驗前，由課程責任教師提前準備好煤樣，首選高變質程度煙煤。對原始煤樣經過空氣干燥、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分散劑，建議以萘磺酸鈉甲醛縮合物為其主要成分。課程責任教師提前以粗樣與細樣的質量比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，確定清水和分散劑的用量。

2.實踐操作與現象解釋。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，并最終呈現煤顆粒和水共存的泥水狀態，且快速析水，不呈現似流體的流動態；細樣的潤濕速度偏慢，且幾乎看不到析水，煤樣僅僅是變得潮濕，基本呈現離散狀態。課程教師可在現象發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，導致最終呈現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移到粗樣燒杯中，并繼續攪拌。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變為具有一定黏性且逐漸流動的似原油類流體。此時，準備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中的重要性，并且呈現出類似“魔術”般的效果，對吸引學生注意力、培養學生的學習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“專業綜合設計”課程教學，旨在使學生能夠根據影響水煤漿流變性的關鍵因素來設計相應的實驗，并能夠結合課堂教授的相關理論知識對結果進行分析，從而在完成學習任務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，在教學實踐中采用小組分工的形式開展相應的實驗工作。針對此層次的實驗設計方案如下。

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

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

3.制漿實驗與數據分析。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的切應力，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，需要學生利用Herschel–Bulkley方程對剪切率、切應力進行擬合運算，并利用所得結果判斷所得水煤漿樣品的屈服性、塑性等特點。

4.課程任務分配與考核。學生通過自由選題和分組后，擬定研究本方向專業綜合設計的小組開展上述實驗工作。小組成員通過內部協調分工，協同開展實驗工作，且全部實驗條件由學生檢索相應的學術研究成果和預實驗自主確定。完成全部實驗工作后，依據任務分工的不同，學生根據自己的實驗工作撰寫相應的、符合學術論文規范的論文，教師對論文的規范性、內容完整性、論述合理性、分析深入性進行綜合考核，給出相應的成績，論文成績可作為學生考核的依據。

（三）科研創新

該層次面向以科研創新能力為主要培養目標的大學生創新訓練計劃，旨在通過系統化、規范化、前沿化的科學研究訓練，使學生對所學知識融會貫通，初步建立科研思維、學術思維，并具備初步的科研能力，這是一個需要長期培養和訓練的過程。在我校的教學培養方案中，從第二學年下學期的選題訓練開始，直到第四學年上學期的結題截止，共計開展為期四學期的培養。因此，該層次的時間更為充足，相應地培養和訓練會更加的系統化、深入化和前沿化，并融入指導教師的科研課題中。在我校的實踐中，該層次與全程導師制深度融合［7-8］。針對此層次的各階段任務計劃如下。

1.選題階段。在本階段，學生組建科研小組與指導教師進行深入交流，以初步了解指導教師科研課題的重要意義、相關科研發展趨勢、基礎背景知識需求等，形成確定的創新科研課題項目。科研小組成員基于指導教師的建議，開展資料調研、目標制定、研究內容構建等工作，最終形成選題報告，由指導教師進行指導、評閱和考評。從水煤漿制備研究來看，相應地學術研究所涵蓋的主要內容包括：低階煤提質制漿、化工廢水制漿、非煤粉體制漿、分散劑設計開發、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，學生需要同時面對以“結果尋優”為主的工程思維［9］和以“過程機制”為主的學術思維［10］的雙重培養過程。

2.立項階段。在本階段，科研小組在深入學習基礎專業知識、開展學術資料調研工作的同時，要進入指導教師實驗室進行參觀學習。指導教師負責引導和解釋相關科研儀器設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，尤其是針對“過程機制”的實驗及檢測分析方法的指導。此外，立項階段需要撰寫立項報告，學生應充分認識立項背景、調研相關研究成果、凝練相應的科學問題、抽提研究目標，并以問題為導向構建完整的研究內容與相應的研究方案和計劃。

3.研究階段。在本階段，科研小組成員依據指定的研究方案和計劃，按時并高質量地開展相應的實驗研究工作。基礎實驗操作和過程與“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檢驗的內容，以保證不同條件參數取值范圍的合理性。同時，指導教師的工作重點由宏觀、基礎知識的解答轉移到研究方案的構建、解析、優化等方面，著重講解以“結果尋優”為主的工程思維和以“過程機制”為主的學術思維兩者之間的差異及相互關系，著力引導學生思維的全面化、深入化發展。

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

結語

大學培養階段的實驗類及實踐類課程不應僅是對課堂理論教學的輔助和補充，也不應僅是學科基本科研實驗基礎能力的培訓，還應有其內在的邏輯性以及更具前瞻、更符合學科發展需求、更能體現科研學術思維培養的功能和作用，從而完善教學培養體系。此外，培養內容不宜僅局限于學科內，還應面向一個宏觀、對學生未來發展有價值的目標。

相應的教學設計，即便是同一個主題的教學內容，也可以根據學科教學體系進行系統化和差異化的設計，從而實現以學生為主體，以能力提升為中心的培養目標。如在我校與水煤漿制備相關的實驗和實踐教學中，針對不同的培養需求，設計了基礎認知、課程實踐和科研創新三個層次的培養方案，開展了面向興趣引導、系統學習和深入探討的逐步深入、逐級提升的教學實踐，尤其重視工程思維和學術思維的協同提升，有利于不同層次、不同學科背景的學生基本能力的差異化培養。

經過多年的教學實踐，水煤漿教學的相關方法不僅拓寬了學生對本專業的認知范圍，更有效引導了感興趣的學生依托“大學生創新訓練計劃”參與到水煤漿制備技術研究中，或發表學術論文，或依托相應研究參與各類競賽；部分學生則選擇考取（保送）我校研究生以深入參與水煤漿技術前沿科研工作。水煤漿實踐教學取得了良好的教學效果，具有良好的實踐性和可擴展性。

參考文獻

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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