應用化學專業催化化學課程教學改革的探索與實踐

蔣青青

(中南民族大學化學與材料科學學院，湖北武漢 430074)

化學工業是國民經濟的支撐產業之一，化學工業的發展程度是國家工業化和現代化水平的一個重要衡量標志?？v觀化學工業的發展，催化劑發揮著無可替代的作用，超過90%化工產品的生產與催化技術密切相關，可以說沒有催化劑就沒有現代的化學工業。催化技術廣泛應用于石油加工、能源、高分子材料、制藥以及環境保護等諸多領域，是現代化學工業的核心技術。因此，化學化工等專業學生在本科階段學習“催化化學”這門課程是非常必要的。

催化化學是應用化學專業重要的專業必修課之一，其主要任務是使學生熟悉和掌握催化作用的基本概念和基本原理，了解催化劑設計和制備方法，催化劑在典型化工過程中的作用，熟悉催化劑測試和表征的常用方法，為培養化工專業工程師提供堅實的催化理論基礎。催化是一門實踐性很強的應用課程，催化理論與物理化學、化學工程、有機化學、精細化工等專業學科相互交叉融合，內容繁多并且雜亂，以學生的知識水平難以把握相關的知識和理論。筆者在教學期間，不斷有學生反映該課程學習有一定難度，理解深度不夠，導致學生學習積極性不高?！洞呋瘜W》學時有限，只有32學時，課程學時較短而需要講授的內容卻十分復雜，如何在完成教學任務的同時，盡可能的提升學生學習的積極主動性，讓學生愛上這門略顯枯燥而又非常主要的催化化學課呢，這是擺在我們面前亟待解決的問題。因此，我們在課程內容、教學模式、實踐教學、課程考核等方面的改革做了一些初步的探索和實踐。

1 整合教學內容

催化化學專業性強，研究進展和知識更新快，覆蓋石油化工、煤化工、精細化工等領域，涉及物理化學、化學工程、有機化學、精細化工等學科，由此而生的新知識和新技術也日益增多，需要經常更新教學內容。為了使本校應用化學專業的本科生較好的學習和掌握催化課程的內容，尤其是對實際化學工業生產中所涉及的催化原理及技術有較好的理解，讓部分學生成為具有堅實的開發、研究和使用催化劑能力的高層次工程技術人才，部分學生勝任催化領域研究工作，為此，我們對課程教學內容進行了整合，并重新編寫了教學大綱，嘗試構建一套適應應用型人才培養的課程體系。改進后的教學內容可劃分為三大部分:第一部分安排4學時，以代表性工業催化劑的應用示例(例如合成氨過程，石油化工過程，煤化工過程，醫藥合成過程等)以及催化諾貝爾獎示例(交叉偶聯反應，不對稱合成等)，讓學生對催化研究的重要性有所了解，提高學生探究催化知識的熱情，并產生濃厚的學術興趣。第二部分安排26學時，主要講授催化劑相關的基本概念，吸附原理，催化劑評價指標，以及酸堿、金屬、金屬氧化物(硫化物)、絡合物催化劑的不同催化機理。通過該部分的學習，使學生掌握催化劑的基本概念，催化作用的基本原理，催化反應類型，催化劑制備和表征技術，使學生對催化科學理論有一定的了解，為從事催化領域研究打下堅實的基礎。第三部分安排6學時，主要進行專題討論，將光催化、電催化、單原子催化、酶催化等催化領域最新科研動態講授給學生，為學生的畢業論文與將來的研究生工作提供前沿信息，為英文文獻的閱讀打下基礎。

2 改革教學方法

教學方法的好壞直接關系到學生的學習興趣和教學質量的高低。因此，對于催化化學這門理論性和應用性較強的課程來說，需要對傳統的教學方法進行一定形式的改革。第一，引入啟發式教學，例如在講到超薄二維半導體在光催化研究中的應用時，讓學生思考討論為什么此結構的催化劑會表現出優異的性能，讓學生總結并理解影響催化反應活性的影響，例如超大比表面積，超多吸附位點，以及超短的電子空穴傳輸路徑等，并引起學生對于石墨烯以及類石墨烯催化劑材料的關注。第二，引入案例式教學，針對教學內容中某一章節內容的知識點，通過案例為線索，將多個知識點串聯起來，加深了學生對課程內容的理解。比如，在講授分子篩擇形催化這一部分內容時，以PX(對二甲苯)的制備工藝為案例，講述了分子篩催化劑的組成、催化劑性能和擇形催化反應機理，通過鄰二甲苯與間二甲苯在ZSM－5分子篩孔道內的中間態變化過程，讓學生形象的認識擇形催化，并介紹重要工業原料PX的生產工藝流程。

除專業知識的內容講授外，我們將增加英文文獻閱讀討論部分。催化理論和催化技術更新的速度非常快，而國際上催化領域方面的新技術、新知識都發表在主流英文期刊上面，英文文獻閱讀對培養學生的自主學習、創新能力也是非常重要的。我們每兩周給學生發放一次最新的文獻資料，讓學生自己選擇感興趣的一篇，組成一個小團隊，通過文獻閱讀、總結，舉行小型報告會的形式，培養學生綜合能力的目的。另外，還增加了互動的環節，提高學生的注意力，提高學生參與科研的能力，達到本門課程的授課目的，體現了以人為本，以能力培養為核心的教學理念。

3 配套實踐教學課程

《催化化學》是一門應用性很強、實踐性和理論性緊密聯系的課程，但大多數學生沒有從事催化劑相關領域工作的實踐經歷，理論和實際相脫節，直接填鴨式的將知識點灌輸給學生，會讓學生覺得枯燥反味，產生畏難情緒，失去對本課程的興趣。因而構建與實際應用結合緊密的課程實踐體系成為整個教學過程中的重要組成部分。上述問題可通過學院安排的石化實習基地與專業綜合實驗與來解決。

首先是加強校外實習基地建設，我院與中國石化荊門石化有限公司建立了實習基地，為校外實習教學提供了良好的平臺，通過72學時的荊門石化實習，學生先后參觀了催化裂化、催化重整、催化加氫、加氫精制等大型工業催化過程，通過石化行業的考察，學生意識到從上游的油品生產到下游的聚乙烯，聚丙烯的制備，絕大部分過程都有催化劑的參與，也能更深刻的理解催化劑在整個化工過程中的重要性，我們的衣食住行每一件事都離不開催化劑在背后的作用，加深了學生對課程相關理論知識的理解。

其次通過綜合實驗、專業實驗共計96個學時的自主選題實驗，讓學生了解催化相關前沿研究內容。鼓勵學生結合興趣自主選題，在教師指導下完成某一方向的研究工作。例如，本實驗室長期開展光催化轉化二氧化碳、電催化分解水的相關研究工作，每年提供4～6個位置讓本科學生參與到相關研究中。讓學生們通過參與項目研究，使其在催化劑組分的設計、催化劑的制備、催化劑的結構和性能表征、數據整理和分析、撰寫論文等方面得到全面的鍛煉，提升了他們的創新能力和科研實踐能力。

4 改革考核形式

課程的考核能夠直接反映學生對理論知識的掌握程度，是整個教學過程的重要組成部分之一。源自應試教育的考核模式還停留在“課堂授課－布置作業－期末考試”的單調模式，這種不僅枯燥無味，學生通過硬性記憶完成考試，很多時候并沒有理解課程內容，考試結束后學習內容全部忘記，嚴重違背了素質教育的初衷和要求，不利于學生綜合素質的提高，所以教學改革要同時對課程授課方式和課程考核方式進行改革。為了激發學生學習興趣和提高學生對該課程的重視，考核方法采取期末考核和平時考核相結合。期末考核主要考察學生對基礎知識的理解和掌握情況，考試題型則主要以主觀討論題為主，目的主要是考察學生對知識的綜合運用能力，減少客觀題，避免學生為了應付考試死記硬背，成績占總成績的60%。另外一部分成績為綜述撰寫，選擇自己感興趣的催化領域，寫一篇綜述，成績占總成績的20%。平時考核成績主要由課堂表現組成，占總成績的20%。通過課堂小論文與期末考試相結合的考核形式，充分調動了學生的學習積極性，發揮了學生的主觀能動性，培養了學生的自我學習能力和科研能力，提升了學生的專業興趣，檢驗了教師的教學效果和學生的學習效果。

5 總結

催化化學課程專業面廣、實踐性強，涉及化學、化工、材料等學科，并與化工過程、國民經濟發展關聯緊密，催化知識的教學效果將直接影響到學生從事化工生產的實際能力和水平。為促進學生更好地把握教學內容，筆者對該課程的教學進行一定的改革探索，打破傳統的單一教學模式，通過整合教學內容、引入案例式教學與啟發式教學方法，配套實踐課程、改革考核方式等一系列措施，改革實踐取得了良好的效果，提高了教學質量。學生評價到:對催化反應工程有了一個系統、具體的了解，而不再是一些抽象的概念，理論與實踐得到了最好的結合，學生的評價是對我們辛苦工作最好的肯定。