“课程思政”建设经验分享 | 封萍:《矿物加工工程设计》

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课程教学设计

课程名称：矿物加工工程设计课程教材：《选煤厂工艺设计与建设》（黄波，谢华，李志勇，崔广文，王成江，刘珊 编著）课程简介：《选矿厂设计》是矿物加工工程的专业核心必修课程。该课程的目的是要让学生了解设计工作的通用知识，熟悉选矿（煤）厂设计的全过程，掌握选矿（煤）厂设计的专业知识，为学生的毕业设计以及将来的工作打下基础。结合章节：第三章 选煤工艺设计第4节 跳汰分选环节的设计与布置教学目标：①知识目标：使学生了解跳汰机分选的原理，明确分选对象及该方法的局限性，掌握跳汰分选环节在工艺设计中的作用，能够根据煤质资料进行跳汰环境的设计。②能力目标：提高学生对于复杂专业问题的分析能力。③思政目标：使学生深刻理解“大浪淘沙”的精神，树立正确的专业认识，学习矿业前辈们“吹尽狂沙始到金”的顽强拼搏的精神，培养学生坚强、奉献的品格。教学内容：本小节主要讲授以下内容：①概念：跳汰分选②跳汰分选原理：位能学说与动力学学说、流态化理论③跳汰分选环节设计：跳汰机的分类、跳汰的工艺设计教学重点：①理解跳汰的概念②理解跳汰分选的原理与局限性③掌握跳汰分选环节设计教学难点及对策：难点一：跳汰分选原理难点分析：跳汰分选的原理涉及固液两相及多密度多粒度颗粒的运动，学生对于跳汰分选的原理难于具象。解决方法：利用动画展示跳汰分选原理可以帮助学生理解各颗粒的运动规律，利用现场拍摄的照片和视频协助学生将跳汰过程具象化，有助于理解该过程的颗粒运动。利用现实生活的实例与科学家的故事，增进知识理解。难点二：跳汰环节的工艺设计难点分析：跳汰环节的工艺设计根据煤质资料不同具有较大的灵活性，学生难于短时间内掌握。解决方法：通过设计的分步讲解及案例的具体分析，使学生能够在实例中理解设计过程的灵活性。

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教学过程组织

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教学案例

①诗词与矿物加工科学的融合之美：《浪淘沙九首》与《浪淘沙·北戴河》浪淘沙是词牌名，我国著名诗人白居易、刘禹锡均以此作诗词，以述志感怀。“千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金”是唐代文学家刘禹锡的组诗作品《浪淘沙九首》中最广为流传的诗句之一，大意为要经过千遍万遍的过滤，历尽千辛万苦，最终才能淘尽泥沙得到闪闪发光的黄金。古诗借助淘金淘沙的民间风情和自然现象过渡到人文情怀，表现了诗人的世事发展变化，金子和才人不会被永远埋没的积极思想。1954年夏天毛主席于秦皇岛北戴河开会时创作《浪淘沙·北戴河》，不仅描绘了北戴河海滨夏秋之交的壮丽景色，更展示了无产阶级革命家前无古人的雄伟气魄和汪洋浩瀚的博大胸怀。成语“大浪淘沙”其义也与诗词具有相通之处，意为大浪中洗净沙石，除去杂质，比喻在激烈的斗争中经受考验、筛选。“浪淘沙”这一过程与矿物加工工程中的跳汰分选极为相近。跳汰选矿是指利用强烈振动造成的垂直交变介质（通常是水或空气）流，使矿粒按相对密度分层并通过适当方法分别收取轻重矿物，以达到分选目的的重力选矿过程。是处理密度差较大的粗粒矿石最有效的重选方法之一。物料在垂直脉动介质中反复升落实现分层，最终实现轻重颗粒的分离。跳汰可用于选别含钨、含金的砂矿，也可以用于分选煤炭。选煤方面，使用跳汰机已有100多年历史，从1830年出现的手动跳汰机，到现在的筛下空气室跳汰机，均凝聚着国内外研究者的心血。在我国煤炭分选中，二十世纪60年代起，跳汰选煤占很大比重，跳汰选煤曾占全部入选原煤量的70%。跳汰选煤适合处理的粒度级别较宽，在150~0.5mm范围；既可不分级入选，也可分级入选。跳汰选煤的适应性较强，除非难选与极难选煤，均可优先考虑采用跳汰的方法处理。②流态化工程先驱——郭慕孙院士跳汰分选是流态化科学的一种应用，谈到我国流态化科学与工程，不得不谈起郭慕孙院士。郭慕孙先生是一位在国际科技界具有深远影响的中国科学家，是国际流态化学科的奠基人和开拓者，在流态化基础理论的创立和工业应用两方面都取得了杰出的成就。1989年荣获国际流态化学界最高奖——首届国际流态化成就奖，1997年获“美国化工学会流态化奖”，同年当选为瑞士工程科学院外籍院士， 2008年被美国化学工程师学会评选为化学工程百年开创时代50位杰出化工科学家，成为获此荣誉的唯一亚洲科学家。固体颗粒的流态化是当代物质加工工业的核心技术，郭慕孙先生为该学科的基础理论建立做出了重大贡献。1948年他在普林斯顿大学的硕士论文工作“固体颗粒的流态化”在美国“化工进展”期刊上发表，首次观测到液/固和气/固流态化的差异，提出了“散式”和“聚式”流态化的新概念，并根据实验数据建立了颗粒与流体的相互作用和运动规律的模型。该篇论文是国际学术界公认的流态化学科奠基性论著，直至今日，仍被后人的论文及工业界所广泛运用。郭慕孙1956年回国后，1963年提出了“广义流态化”理论。他将那种颗粒和流体同时有进有出的流态化称之为广义流态化。绘制出流态化相图，成功预见了八种操作状态，其中就包括随后在1980-90年代成为研究热点并广为工业应用的快速流化床和下行流化床。这一成果于1982年获国家自然科学二等奖。1980年代，当国外科学家正热衷于建立流化床气泡模型时，郭慕孙认为流化床中的气泡导致气体短路，降低了气固接触效率，应当研究抑制气泡产生的理论和方法。于是他另辟蹊径，通过构建稀相流态化、多层浅床流态化和快速流态化等无气泡体系实现了“无气泡气固接触”。其中快速流态化的研究成果享誉国内外，他最先预判并最先通过实验证明了快速流化床中颗粒聚团的存在，他和李佑楚通过大量实验数据归纳绘制了“流态化状态图”，建立了快速流态化流动模型，国际学术界称为Li- Kwauk模型，被广泛采用。“无气泡气固接触”理论于1990年获国家自然科学二等奖。上世纪80年代后期到90年代，郭慕孙指导学生研究如何抑制流化床中的气泡和颗粒聚团，强化传递与反应，提出了气固流态化的散式化理论和方法获中科院自然科学一等奖；同时指导学生研究如何预测流化床中颗粒聚团形成的介尺度结构，建立了能量最小多尺度模型（EMMS），并成功应用于其他复杂系统。先后获中科院自然科学一等奖和国家自然科学三等奖。2000年80岁高龄时，主编巨著“流态化手册”，历经8年，2008年该部316万字的“流态化手册”出版，当年被评为国家新闻出版总署“三个一百”原创图书，2011年又获得中国新闻出版最高奖—第二届中国出版政府奖图书奖。同时郭慕孙担任国际著名期刊CHEMICAL ENGINEERING SCIENCE的地区编辑，兢兢业业工作了11年，为该刊的发展及提高做出了重要贡献。2003年83岁高龄时，创办了SCI英文期刊PARTICUOLOGY，并担任主编，短短几年已在国际颗粒类期刊中名列前茅。郭慕孙先生一贯致力于用流态化理论与技术解决我国化工、矿产资源利用重大需求。从1957年起，通过与企业合作，将多项实验成果扩大至工业中试，先后进行了含铜铁矿的流态化硫酸化焙烧、贫铁矿的流态化磁化焙烧、红土矿流态化还原焙烧、钒钛铁矿的直接还原焙烧等多个项目。其中流态化磁化焙烧贫铁矿获中科院重大科技成果奖、红土矿还原焙烧获全国科技大会奖。这些工作都极具前瞻性，对当今的研究仍具重要的指导作用。如焙烧含铜铁矿采用的稀相换热技术比法国提出稀相换热超前20多年，目前中科院过程所在云南越钢集团进行的10万吨/年工业中试、在四川攀钢进行的1万吨/年钒钛铁矿氧化还原焙烧工业示范就是在郭慕孙前期工作的基础上进一步发展起来的。1989年郭慕孙在我国率先提出低阶煤燃烧或气化前，先经低温热解将其中的挥发组分提取，进一步制备油气燃料和化学品的分级综合利用方案，称为“煤拔头”。他随后于1995年提出具体的“煤拔头工艺”，2004年进一步提出“煤拔头三快工艺方案”。这些前瞻性工作为我国开创新的煤炭利用模式奠定了基础。早在1959年郭慕孙就洞察到化学工程的原理和方法已经扩展应用到冶金、能源、材料、制药、食品等过程工业，化学工程应扩展为过程工程。于是撰写了“过程工程研究”的论文，详细阐明了过程工程的科学内涵。上世纪90年代，郭慕孙先生再次发表了“过程工程”的论文，提出过程工程的基础理论是“三传一反+X”的著名论点，鼓励人们发现和创造其中“X”的理论内涵，得到国内外学术界的广泛响应。2001年，在他及所领导班子的推动下将“化工冶金研究所”更名为“过程工程研究所”。1978年他参加了中科院方毅院长组织的科学规划，根据国际化工学科的发展前沿，对化工提出了四个科研方向：传递过程、化学反应工程、生物化工和颗粒学。他带领中科院化冶所与1986年在我国最早创建了生物工程实验室，1988年提升为生化工程国家重点实验室，1984年最早筹建了颗粒技术研究室，并于1986年亲自组织创立了中国颗粒学会，并担任首届学会理事长，使我国的生物化工与颗粒技术得到空前大发展。（节选自《郭慕孙院士的代表性成就和贡献》）

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教学反思

在进行专业学理性教育时，不仅希望学生学习到专业知识，锻炼灵活掌握与应用的能力，更重要的是培养科学与艺术的结合，并从专业老一辈科学家身上发现和学习坚韧的品格。后者很大程度上决定了学生在今后生活尤其是专业生涯的起点。古往今来，老一辈的科学家无一不是科学与艺术优秀的结合者。郭慕孙院士除了在流态化科学方面的巨大贡献，还创建了动艺几何；毛主席既是一位杰出的军事家，也是伟大的诗人；我国数学家苏步青院士是中国微分几何学派创始人，同时一生作诗五百余首，是位著名的数学诗人。科学与艺术从来都是文理相通、辩证统一的。从专业知识中挖掘艺术，从艺术中发现科学思想，能够激发学生兴趣，同时深刻理解科学中蕴含的哲学思想。

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学生心得体会

（2017级学生心得体会）这堂课让我们了解并学习了跳汰的相关知识。从诗词《浪淘沙》引入，开头别具一格又生动形象。首先，我们一起阅读了教材的相关内容，初步明确了将要讲述的内容。重点主要有跳汰分选的原理、不同种类跳汰机与跳汰工艺。之前物理选矿也讲过跳汰的相关知识，但是只是粗略的带过。这堂课让大家真真切切的有了一定的理解。老师很用心地制作了动画，来展示跳汰分选的原理，还展示了相应的照片和视频，生动形象，打破了单纯教材文字及图片的抽象感，我们不觉得难懂，容易昏昏欲睡的专业课突然也变得有意思了起来。大家也积极地在老师的提问下被带动积极地思考，不怕犯错，大胆地回答问题。最后，也是印象最深刻的部分，封老师给我们讲了郭慕孙院士，流态化的先驱。我们观看了郭院士纪录片的重点片段，深深地被他的科研态度、不怕吃苦、几十年如一日的形象所触动，也颇感矿物加工专业发展的不容易，坚定了好好学习的决心。真是很难忘，很生动的一节课！点赞！