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(jì)問題，以水煤漿實(shí)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(jì)了基礎(chǔ)認(rèn)知、課程實(shí)踐和科研創(chuàng)新三個(gè)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(jí)提升的教學(xué)實(shí)踐，實(shí)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(jì)；培養(yǎng)方案；創(chuàng)新；思維

［基金項(xiàng)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(xiàng)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(hào)］ G642.4［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 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(jì)，2019年我國用于煤化工原料的水煤漿產(chǎn)能已達(dá)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(jì)的單位，先后承擔(dān)了國家“六五”至“九五”期間的攻關(guān)項(xiàng)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(xiàn)，先后獲得國家、省部、協(xié)會(huì)各類獎(jiǎng)項(xiàng)。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(diǎn)和課堂思政來源點(diǎn)。然而，水煤漿相關(guān)知識(shí)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(dú)的課程在本科階段加以系統(tǒng)地講授。因此在教學(xué)實(shí)踐中，我們根據(jù)不同培養(yǎng)需求構(gòu)建了面向基礎(chǔ)認(rèn)知、課程實(shí)踐和科研創(chuàng)新三個(gè)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(shí)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(shí)水平的前提下，通過課程實(shí)踐培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，即能夠在原有知識(shí)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過思考和實(shí)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(jì)既要滿足高校教育對學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)踐能力，還要在理論及實(shí)踐教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)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(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。本文以“水煤漿制備實(shí)驗(yàn)”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(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練三個(gè)不同層次的教學(xué)需求，而三個(gè)層次的教學(xué)學(xué)時(shí)分配完全不同。因此，我們有針對性地設(shè)計(jì)了三個(gè)不同層次和深度的教學(xué)方案，分別面向基礎(chǔ)認(rèn)知、課程實(shí)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(rèn)知

該層次主要面向水煤漿基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)講解，旨在使學(xué)生能夠自主制備水煤漿，并理解在顆粒級(jí)配與分散劑的共同作用下，煤顆粒和水構(gòu)成勻散、流動(dòng)的漿體的基本原理，屬于以觀察與認(rèn)知為核心的、科普性的演示實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)。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(jì)和數(shù)據(jù)采集分析，主要教學(xué)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。

1.煤樣、分散劑的準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)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(jī)中進(jìn)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(shí)間，細(xì)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(jìn)行分級(jí)，取篩上物作為最終實(shí)驗(yàn)用粗樣；對所研磨出的細(xì)樣，利用0.045 mm篩孔篩子進(jìn)行分級(jí)，取篩下物作為最終實(shí)驗(yàn)用細(xì)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(shí)驗(yàn)觀察級(jí)配。實(shí)驗(yàn)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(xì)樣的質(zhì)量比1∶1開展實(shí)驗(yàn)，校驗(yàn)所選煤樣的成漿性，以剪切率為100 s-1時(shí)的表觀黏度不高于800 mPa·s時(shí)的制漿濃度為目標(biāo)，確定清水和分散劑的用量。

2.實(shí)踐操作與現(xiàn)象解釋。稱取粗樣50 g和細(xì)樣50 g，分別置于兩個(gè)250 mL的燒杯中，然后向兩個(gè)燒杯中分別加入上步得到的清水量和分散機(jī)溶液量的各一半，并用攪拌棒攪拌，從而使兩個(gè)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(dòng)態(tài)；細(xì)樣的潤濕速度偏慢，且?guī)缀蹩床坏轿鏊簶觾H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(shí)對其原因進(jìn)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(shí)由于窄分布的顆粒堆積時(shí)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(xì)樣而言，由于粒度細(xì)、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(xì)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(gè)混合樣品逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ば郧抑饾u流動(dòng)的似原油類流體。此時(shí)，準(zhǔn)備1個(gè)250 mL的空燒杯，將所制成的樣品緩慢傾倒，進(jìn)一步觀察到整個(gè)樣品以一種具有一定黏性的流體形式流動(dòng)到空燒杯的過程。該過程顯示了級(jí)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(shí)踐

該層次主要面向礦物加工工程“專業(yè)綜合設(shè)計(jì)”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(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，并能夠結(jié)合課堂教授的相關(guān)理論知識(shí)對結(jié)果進(jìn)行分析，從而在完成學(xué)習(xí)任務(wù)的同時(shí)加深對水煤漿這個(gè)固、液兩相高濃度勻散體系的認(rèn)識(shí)。受限于課時(shí)要求，在教學(xué)實(shí)踐中采用小組分工的形式開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工作。針對此層次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如下。

1.煤樣的選取、處理與分析。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)材料，學(xué)生需要對三種煤樣進(jìn)行破碎、研磨，分別獲得粗、細(xì)樣品。此外，依據(jù)專業(yè)所學(xué)知識(shí)，學(xué)生需要對樣品進(jìn)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(shí)，利用煤成漿性判定方程，計(jì)算并判斷相應(yīng)煤樣的成漿性，以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［6］。

2.硬件條件支撐。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)需要提供的儀器設(shè)備主要有：馬弗爐、恒溫干燥箱、無級(jí)變速攪拌器、分析天平、電子天平、旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、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(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析。針對級(jí)配（粗、細(xì)樣品的比例）、分散劑（種類及用量）、加水量（控制制漿濃度）三個(gè)條件開展水煤漿制備實(shí)驗(yàn)，利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)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(jí)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(shí)，需要學(xué)生利用Herschel–Bulkley方程對剪切率、切應(yīng)力進(jìn)行擬合運(yùn)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(diǎn)。

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(jì)的小組開展上述實(shí)驗(yàn)工作。小組成員通過內(nèi)部協(xié)調(diào)分工，協(xié)同開展實(shí)驗(yàn)工作，且全部實(shí)驗(yàn)條件由學(xué)生檢索相應(yīng)的學(xué)術(shù)研究成果和預(yù)實(shí)驗(yàn)自主確定。完成全部實(shí)驗(yàn)工作后，依據(jù)任務(wù)分工的不同，學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jì)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(shí)融會(huì)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(gè)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(jì)開展為期四學(xué)期的培養(yǎng)。因此，該層次的時(shí)間更為充足，相應(yīng)地培養(yǎng)和訓(xùn)練會(huì)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(shí)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(jì)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(jìn)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(shí)需求等，形成確定的創(chuàng)新科研課題項(xiàng)目?？蒲行〗M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(bào)告，由指導(dǎo)教師進(jìn)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(jì)開發(fā)、成漿機(jī)制和理論研究等。除了所需進(jìn)行的水煤漿制備實(shí)驗(yàn)研究外，還需要開展機(jī)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(shí)面對以“結(jié)果尋優(yōu)”為主的工程思維［9］和以“過程機(jī)制”為主的學(xué)術(shù)思維［10］的雙重培養(yǎng)過程。

2.立項(xiàng)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(shí)、開展學(xué)術(shù)資料調(diào)研工作的同時(shí)，要進(jìn)入指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)。指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)和解釋相關(guān)科研儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法的作用，同時(shí)對研究方案的制訂進(jìn)行深入指導(dǎo)，尤其是針對“過程機(jī)制”的實(shí)驗(yàn)及檢測分析方法的指導(dǎo)。此外，立項(xiàng)階段需要撰寫立項(xiàng)報(bào)告，學(xué)生應(yīng)充分認(rèn)識(shí)立項(xiàng)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(jì)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(jì)劃，按時(shí)并高質(zhì)量地開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究工作?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作和過程與“課程實(shí)踐”層次的方式基本一致，但是增加了大量的需要在前期進(jìn)行預(yù)檢驗(yàn)的內(nèi)容，以保證不同條件參數(shù)取值范圍的合理性。同時(shí)，指導(dǎo)教師的工作重點(diǎn)由宏觀、基礎(chǔ)知識(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，結(jié)合國內(nèi)外研究文獻(xiàn)資料的調(diào)研情況，進(jìn)一步檢查實(shí)驗(yàn)方案并查缺補(bǔ)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(bào)告或項(xiàng)目書參加競賽，再或者將所研究數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)是對不同學(xué)術(shù)文獻(xiàn)撰寫方式的介紹、講解，并重點(diǎn)強(qiáng)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(gè)完整的科研過程，強(qiáng)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(shí)驗(yàn)類及實(shí)踐類課程不應(yīng)僅是對課堂理論教學(xué)的輔助和補(bǔ)充，也不應(yīng)僅是學(xué)科基本科研實(shí)驗(yàn)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(gè)宏觀、對學(xué)生未來發(fā)展有價(jià)值的目標(biāo)。

相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，即便是同一個(gè)主題的教學(xué)內(nèi)容，也可以根據(jù)學(xué)科教學(xué)體系進(jìn)行系統(tǒng)化和差異化的設(shè)計(jì)，從而實(shí)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(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)中，針對不同的培養(yǎng)需求，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)認(rèn)知、課程實(shí)踐和科研創(chuàng)新三個(gè)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(jí)提升的教學(xué)實(shí)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(shí)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(rèn)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(jì)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(shí)踐教學(xué)取得了良好的教學(xué)效果，具有良好的實(shí)踐性和可擴(kuò)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