淺談《工業催化》課程教學的改革與創新

王 芳

(青島科技大學 化工學院，山東 青島 266042)

化工行業作為國民經濟的重要產業之一，其發展程度已經成為衡量國家工業化和現代化水平的一個重要標志。工業催化作為化工行業的重要技術組成部分，它的發展水平決定化工生產過程能否實現以及過程的經濟指標是否先進。現代化工生產過程提供的化學品中大約有85%是借助于催化過程生產的，可以說"沒有催化劑，就不可能建立現代的化學工業"。催化科學的研究和發展對化學工業乃至整個工業界技術的進步都有著舉足輕重的作用，縱觀當今的煉油工業、石化工業、環保工程乃至食品、制藥等工業工程中許多新反應工藝、產品的開發，企業經濟效益的優化都與催化技術密切相關，作為工業催化理論和技術支撐的催化科學，在新工科背景下，對其教學目標又有了新的要求。眾所周知，催化科學是建立在化學、材料、物理及化學工程等基礎學科上而又有著自己特點的應用學科，該課程作為一門交叉學科，具有較強的綜合性、實踐性，課程內容寬泛且理論性較強，導致學生學習難度較大，如何能在有限的課程學時內構建新型課程結構，高質量完成教學目標的同時提升學生的專業素養和創新能力，已成為高校課程教學中所亟需解決的問題。本文從教學內容、教學方法和考核方式三個方面進行改革探討，旨在改變傳統的教學模式，建立適宜于新工科背景下工程教育人才培養需求的新型教學體系。

1 探索升華教學內容，激發學習興趣

孔子說過：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”。興趣是學習最有效的驅動力。這就需要教師在教學中傳遞知識的同時，充分調動學生的學習興趣，正所謂“授之以魚不如授之以漁”，使學生參與其中掌握學習方法，享受到學習的樂趣，從而主動去學習，激發學生學習的動機，更好的完成工業催化教學的任務[1-2]。這是提高學生學習效率的最有效的途徑。催化劑作為催化技術的核心，對催化工藝的發展具有舉足輕重的作用。新型催化劑的研發，不僅是新催化工藝誕生的源泉，也是技術飛躍的動力。故本課程教學內容的主線必將圍繞著催化劑來展開，對此我們基于以下三點對教學內容進行改革：一是要正確引導教學思路。這涉及到知識點的選擇問題。在教學大綱的范疇內，盡量選取概括性程度較高、循序漸進而又重點突出的知識，譬如可以現代工業生產中采用的催化劑和催化反應為起點，從工藝、結構、化學性能等角度分析影響其催化性能的眾多因素，結合相關基礎學科的理論知識點來準確、簡明的闡述其根本的原理和規律，從而充分認識催化劑的作用和反應機理，達到掌握基本知識和基本理論的目的，讓學生有效掌握教學內容。在教學過程中，凡是教學內容涉及到在化學工業發展史上具有里程碑式意義的催化劑，譬如合成氨催化劑、沸石分子篩催化劑等，在講述催化劑的結構、性能的同時，還可以引導學生查閱相關資料，了解該類催化劑的研發史，這樣一方面可以拓寬學生的知識面，幫助學生充分理解該催化劑，增加求知欲，另一方面還能培養學生的自我學習能力及文獻查閱能力。二要注重理論聯系實際。絕大多數工業化學品的生產過程都涉及到催化劑，縱觀催化科學的發展史可以看出催化的快速發展離不開現代化學工業需求的推動，因此我們在課堂教學內容的選取上需要立足工程背景，體現工科特色的同時，注重理工結合。以工程技術的觀點組織教材，在教學中融入工程技術背景，并將科學研究的方法和過程融合在課堂中。以與化工生產及人們日常生活密切相關的化工產品為切入點，引導并展開相關催化知識點探討，激發學生學習催化相關的知識的積極性，增強學生利用一定的化學知識去分析、解決工程實際問題的能力，推動課堂教學的發展和質量的提高。三是要做到與時俱進。催化劑的作用就在于增加一個熱力學上可行的反應的速度，使催化反應按照一個新的、在能量上更有利的途徑進行。因此催化反應總是發生在一個特定的催化體系中，由于反應物分子的不同、所用催化劑種類多的差別以及反應條件的差異，使得催化作用可以按照不同的機理進行。這就使催化這門科學無論在實際應用中，還是在理論探討上，都有很豐富的研究內容，并仍處于不斷發展之中。迄今為止，一個實用催化劑的研究與開發，仍然被認為是一種“技藝”，需要通過大量的實驗來獲得。這是因為要科學地選擇催化劑，必須弄清許多基本問題，如活性中心是怎樣形成的？它在反應過程中如何變化？解決這些問題需要多學科的知識，在實踐的基礎上不斷發展和完善。在此大背景之下，對教師的催化專業素養提出了更高的要求，只有教師及時了解催化行業的相關研究進展，并將其擴充到課堂教學之中，才能使學生在感知最新的學科動態的同時感受到學科科學技術的魅力，從而提高學生的學習興趣，培養學生的創新能力。

2 豐富教學方法，提升教學質量

教學方法作為傳授課程知識體系的手段，其科學與否直接關系到教學效果的好壞。高校的工業催化課程作為一門實踐性和理論性緊密聯系的課程，大部分學生缺乏化工生產實踐，造成理論和實踐脫節，傳統的填鴨式教學，不利于學生充分理解相關知識和理論。這樣不僅會降低學生的學習趣味性、積極性，另一方面也不利于高品質課堂教學的展開。因此，為提高學生的學習質量，確保以能力培養為核心的教學理念的有效實施，迫切需要對傳統的教學方法進行一定形式的改革和創新[3]。改變傳統教學模式中以教師為中心的格局，在教學中強調學生的中心主體地位，充分發揮學生的自主能動性及創新性。(1)注重興趣式引導。在導入新知識點的時候，靈活運用背景案例提出科學問題，引導學生用科學的方法分析解決其中的技術難題，調動學生的求知欲和學習興趣，激發學生的創新意識[4]。如在講授用能帶理論來闡述過渡金屬催化劑電子因素與催化作用的關系時，首先介紹氨的工業合成發展史，繼而指出合成氨工業的關鍵技術催化劑，然后提出一個問題，鐵、鈷、鎳3種金屬哪一種最適合作合成氨反應的主催化劑？從而引出理論知識點d帶空穴，通過對該概念的闡述，引導學生運用過渡金屬催化劑d帶空穴和催化活性的關聯關系來解決所提出的問題，進而闡明能帶理論。(5)充分利用多媒體技術。本課程的課堂教學涉及大量的微觀抽象的知識點，這些知識點的學習難度較大，若運用現代教學手段，將一些看不見摸不著的結構、理論等運用實物模型、圖表、視頻等手段直觀的展示出來，搭建宏觀與微觀的橋梁，增加學生的感性認識，這樣不僅有助于理解,同時能激發學生積極討論探究，培養學生的創新思維能力。例如在介紹ZSM-5、X、MCM-41等沸石分子篩的結構時，僅憑語言描述學生可能很難理解，如果教師利用多媒體手段將沸石分子篩的骨架結構制作成三維動畫，讓學生一邊觀察分子篩空間的結構模型，一邊聽教師的講解，自然會加深該知識點認識和理解。課后督促學生通過查閱資料，了解工業上常用沸石分子篩的結構單元及類型，了解分子篩的結構與其催化性能之間的關系，加強學生對沸石分子篩的重視。三、案例教學。本課程的應用性很強，若學生有一定的實踐經驗將有助于相關理論知識的理解,而工廠實踐經驗的缺乏, 必然導致理論和實際脫節，造成理解深度不夠，故教學中要盡可能多的融入實踐案例。選取在工業催化學科的發展史上具有代表性和典型性的催化劑案例，譬如以在石油煉化發展史上有劃時代意義的稀土沸石分子篩裂化催化劑為研究和學習的對象，組織學生交流提問，主動發現案例中涉及的有關原理、物化性質等問題，激發學生討論油品裂化催化的構效關系、反應機理、失活機理及稀土元素對裂化催化劑催化性能的影響因素，分析當前裂化催化劑的種類、結構、合成工藝等，從中提煉出解決問題的方案及涉及的相關知識點。在這過程中教師一定要注意引導學生樹立工程意識，在運用催化基本原理、技術等相關的基礎知識解決問題時，需要綜合考慮該技術的可行性，評價其在生產操作中的安全性和經濟性。四、推進互動式教學。強調學生在課堂教學中的主體地位，通過相關知識點的設置討論題，引導學生結合所學內容和案例，主動發現問題、提出問題、分析問題，每小組派一名學生將解決問題的方案通過多媒體課件形式展示給大家，在這個教學環節中，學生需要通過調研和文獻查閱來收集信息，瀏覽信息的過程中自然而然的了解了相關研究進展及技術研發前景，在準備多媒體課件過程中，還需結合課程知識整合資料做到融會貫通，這樣不僅調動了學生的積極性及課堂參與意識，激發了學習興趣，有利于知識的理解，同時提高了學生的分析問題和解決問題的能力，體會到團隊協作精神的重要性[5]。

3 多層次考核，激發能動性

鑒于工業催化這門課程實踐性強，知識面較廣，且涉及的知識點多而散，傳統的閉卷考核方式不能科學全面的體現學生對該課程相關知識點的掌握程度。為了更加系統的了解學生的學習情況，提高學生的積極性及對課程的重視程度，可將傳統閉卷改為多層次的考核[6-7]。將單一筆試考核改為筆試與課堂討論、案例分享及調查研究報告等相結合的多層次考核方法來評定學生的學習成績。具體實施如下:(1)筆試內容(占60%)主要考核本課程教學大綱規定的要求學生熟練掌握的理論基礎知識。(2)將需要重點掌握的相關知識點作為題目，引導學生進行課堂討論，鼓勵學生在課堂上將自己查閱文獻或調研得來的相關素材進行講解演示，占20%。教師根據演示內容的科學性、邏輯性等給予相應打分。這種考核方式能夠有效激發學生的能動性，并讓教師及時發現學生學習的薄弱環節，加以引導。(3)課堂互動討論占10%。課堂講述過程中，針對授課重點與學生進行互動提問，一般為比較寬泛的題目，比如結合絡合催化劑的催化作用實例簡述絡合催化的一般原理，根據學生回答情況予以加分；另外，鼓勵學生就課堂知識進行探討并提出疑問，并對提出有深度問題的同學予以加分，用此方法來增強學生獨立思考問題的積極性。(4)課后作業解答情況,占10%。完成課后作業的過程也是鞏固課堂所學知識的過程，并將平時作業計入課程總分，可提高學生對作業的重視,提高學習效果。

4 結語

為了使學生更好地掌握工業催化的相關知識，工業催化作為一門實踐性強的專業基礎課，在課程教學中除了要注重催化相關基礎知識的講解，應融入當今化工行業有代表性的新型催化材料、催化反應體系、催化研究手段和表征技術等內容，加強理論與實踐的聯系，通過對有代表性的實例分析，引導學生充分發揮自主創新意識，將所學知識應用到化工單元操作過程中基本問題的解決，熟悉催化科學技術的發展方向，為今后的工作打好基礎。同時，在今后長期的教學實踐中要不斷的完善和總結，及時發現教學存在的問題，不斷進行改進和交流，借鑒并融合優秀的的教學方法，提高課堂的教學效果，實現培養創新型人才的目標。