基于學生能力培養(yǎng)的化學反應工程教學改革與實踐
——以“黑磷的催化法制備”為例

廉培超，牛麗輝，陳鑫智，劉紅紅，李雪梅，梅 毅

(昆明理工大學 化學工程學院，云南 昆明 650500)

《化學反應工程》作為化工專業(yè)學生的核心課程，涉及的知識領域廣泛，與《物理化學》《化工熱力學》《流體力學》《化工傳遞過程》《高等數學》等課程有著密切的聯系，對于夯實學生的專業(yè)知識基礎、強化工程分析能力具有十分重要的作用。但由于《化學反應工程》這門課程的教學內容多以及學科交叉緊密的特點[1]，在傳統(tǒng)的教學過程中普遍存在理論與實踐相脫節(jié)、學生存在畏懼心理、學生學習效率低等問題。學生為了通過這門課程的測試，只能依靠死記硬背的方式被動獲取知識，而這種方法不僅會使學生對這門課程感到更加枯燥乏味，還不能將所學的知識靈活運用到實際問題中。

本文主要針對目前工科院校普遍存在的傳統(tǒng)教學體系對學生創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)不足的問題，以新工科建設為引領，以立德樹人為根本，基于“創(chuàng)新、實踐、個性化發(fā)展相融合”的教學理念，結合云南地方特色及磷化工科研工作基礎，以“黑磷的催化法制備”為例，開展《化學反應工程》課程建設工作，將《化學反應工程》建設為具有云南地方特色的課程，為云南地方經濟發(fā)展所需人才的培養(yǎng)構建堅實的課程體系。

1 人才培養(yǎng)所存在的問題及改革

完整的人才培養(yǎng)模式應該是在先進的教育思想指導下構建人才培養(yǎng)目標，根據人才培養(yǎng)目標確定人才培養(yǎng)過程，實現人才培養(yǎng)過程要有相應的人才培養(yǎng)制度作為保障，按照一定的標準對人才培養(yǎng)過程和人才培養(yǎng)質量進行評價，并及時進行反饋和調節(jié)[2]。然而，目前人才培養(yǎng)模式大都以傳統(tǒng)的教學培養(yǎng)模式為主，重知識、輕能力，重傳授、輕思考，重理論、輕實踐的教學方式在一定程度上背離了提高人才質量的初衷。傳統(tǒng)的教學培養(yǎng)模式主要以老師為中心，一般是由老師根據課程教學內容對其進行相應的講解，學生的主要任務是接收老師傳達的知識，一切以傳達知識的有效程度作為衡量標準[3]。再加上《化學反應工程》與《物理化學》《化工熱力學》《流體力學》《化工傳遞過程》《優(yōu)化與控制》《高等數學》等課程有著密切的聯系，對于大多數學生來說《化學反應工程》所涉課程基礎薄弱，加之枯燥的教學模式導致學生缺乏學習主動性，不會主動思考問題，更不會自覺的研究、探索科學問題，使其學習變得更加枯燥、呆板、完全表面化和外在化，不再有豐富而深刻的內心體驗。這種“填鴨式”教學模式極大程度地扼殺了學生的創(chuàng)新思維，導致學生思維僵化，難以學以致用。這與黨的十八大明確提出的“培養(yǎng)學生社會責任感，創(chuàng)新精神，實踐能力”的要求并不相符。

為了改善這種以老師為中心的傳統(tǒng)教學模式的缺陷，筆者根據課程特點，采取能調動學生自主學習性的教學模式——以學生為主體。在教學過程中，筆者結合云南地方特色及磷化工科研工作基礎，以“黑磷的催化法制備”為例，對所涉及的相關理論知識進行講解，將問題分配給學生，由學生根據問題去查閱相關的資料，設計解決問題的相關方案，以討論的形式對方案進行改進，最后根據方案開展相關實驗。對實驗過程中遇到的問題，由學生運用理論知識，自主解決問題，培養(yǎng)學生學以致用的能力。通過對傳統(tǒng)教學模式的改革，讓學生從思想上轉變“以老師為中心”的教學模式，從行動上讓學生做課堂的主人，從而培養(yǎng)學生獨立分析問題、解決問題的能力。同時，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

2 “黑磷的催化法制備”具體實例

筆者本著追求真理，嚴謹治學的求實精神，潛心研究，結合“黑磷的催化法制備”研究課題，帶領學生深入學習《化學反應工程》課程，采用“理論知識+實踐教學”相結合的方法，通過研討式教學的方式，調動學生自主學習與探究學習的積極性;通過小組匯報的方式，培養(yǎng)學生組織協調能力;通過學生之間的互動交流，產生思維碰撞，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力;通過實驗教學，培養(yǎng)學生實踐能力。

2.1 介紹背景，引出主題

這一環(huán)節(jié)旨在通過簡單的背景介紹，引導學生對相關主題有所了解，同時針對現有現象，提出系列問題，以小組為單位，讓學生通過小組討論的形式思考問題、分析問題，從而提出解決問題的方法，并將其帶入到課程內容。

筆者在上課初期讓學生觀看我國磷礦資源分布及其應用領域相關的視頻，通過視頻和講解的方式向大家介紹背景：我國磷礦資源豐富，位居世界第2位，主要分布在云南、貴州、四川、湖南、湖北等五個省份(云南省磷礦儲量位居全國第一)，然而，我國的磷礦資源大多用于生產黃磷、磷肥等基礎磷化工產品，造成了產品結構不合理，企業(yè)持續(xù)虧損的現狀[4]。由此筆者提出問題 “如何看待磷化工企業(yè)這一現象？”，學生通過調研文獻認為這一現象是由于基礎磷化工產品產能相對過剩造成的，磷化工企業(yè)急需轉型升級，以此實現磷化工產業(yè)的精細化發(fā)展。此時，筆者引導學生了解磷化工產業(yè)轉型升級的重點是發(fā)展精細磷化工產品，而黑磷作為一種新型精細磷化工產品，它具有很多優(yōu)異的性能，如高載流子遷移率、可調節(jié)的直接帶隙、良好的光電性能、高達 2596 mAh/g 的理論比容量以及好的各向異性等特點，在傳感、儲能、催化、醫(yī)藥等領域具有很好的應用前景[5]。但是它的應用受限于其苛刻的制備方法。目前報道的黑磷制備方法存在原料成本高、制備規(guī)模小等問題，導致目前市場上銷售的黑磷價格居高不下(高達數千元每克)，嚴重阻礙了黑磷的應用與發(fā)展。而催化法具有反應耗時短、操作簡單的特點有望實現黑磷的低成本、規(guī)模化制備[6]，從而引出“黑磷的催化法制備”這一主題。

2.2 深入主題，學習理論

這一階段，目的在于學生對《化學反應工程》課程中催化機理、氣固相反應過程、反應器章節(jié)的掌握，為后續(xù)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定理論基礎。實施方法則以“黑磷的催化法制備”為切入點，以課上問答、課下總結的形式對所涉內容進行認知和學習。

筆者引導學生深入這一主題，通過動畫演示的方式介紹基于磷碘錫催化劑的黑磷制備機理[7]——氣固氣反應機制：氣化的固體原料與固體催化劑反應生成過渡態(tài)氣體，過渡態(tài)氣體轉化生成固體生成物[8-11]。針對這一反應機理提問學生：“這一催化反應如何使黑磷實現較高的轉化率及純度？”，學生通過思考認為催化反應過程中，催化劑對反應起到加快化學反應速率的作用。產物純度可能與轉化率有關。此時筆者帶領學生對黑磷催化法機理進行深度剖析：首先，通過機理的認知，我們發(fā)現此反應為氣固相催化過程，從而引導學生去了解什么是氣固相催化反應？我們所了解的黑磷催化法制備機理是否符合這一過程？常見的哪些反應同樣屬于氣固催化反應？通過這些問題的引入，使學生自主去尋找問題的答案，并以分組匯報的形式進行展示，并在講評過程中對知識進行梳理與總結;其次，針對學生所提出的催化劑對反應的影響，引導學生去思考催化劑為什么會加快反應速率？催化劑的種類有哪些？催化劑的組成包括哪幾個部分？影響催化劑性能的因素有哪些？催化劑的制備方法有哪些？等一系列與催化劑相關的問題，讓學生以思維導圖的形式進行梳理與總結;最后，筆者與學生剖析影響黑磷純度的原因，可能是黑磷制備過程中存在串聯副反應，導致制備出來的黑磷含有雜質，這與黑磷制備所使用的反應器有著密切聯系。因此，筆者向學生介紹反應器章節(jié)相關內容，啟發(fā)學生在實踐過程中可以通過反應器的設計與優(yōu)化抑制副反應的發(fā)生，進而提升黑磷純度。

2.3 實踐操作，培養(yǎng)創(chuàng)新

這一環(huán)節(jié)筆者主要采用實踐教學的方式，培養(yǎng)學生實踐能力以及創(chuàng)新意識。針對基于磷碘錫催化劑的黑磷制備進行反應器的設計，引導學生通過《化學反應工程》中的催化機理、氣固相反應過程、反應器章節(jié)的學習，設計出不同反應器。筆者將這些方案匯總后與學生交流，進行大致方案的確定，這其中并不包括實驗具體細節(jié)的確定，具體設計方案則由學生以“互聯網+化學反應工程”課模設計大賽的形式進行確定，筆者則在此基礎上通過提問、點評的方式進行指導，直到學生目標清晰、思路明確。通過上述方案的實施，最終呈現出一個較為完整的實驗方案：根據黑磷制備的氣固氣反應機制，最終設計出氣固相催化反應固定床反應器，裝置如圖1所示，通過溫度梯度的調控，實現原料與催化劑的分離，進而抑制副反應的發(fā)生。在此基礎之上，開展相關實驗，針對實驗中遇到的問題，求助書本中的理論知識進行解決，比如：圖1設計的固定床反應器雖然實現了原料與催化劑的分離，但黑磷產物轉化率較低，首次轉化率為85%，并隨著催化劑循環(huán)次數的增加導致轉化率大幅度降低，面對制備過程中首次轉化率低，催化劑易失活的問題，學生在書本中找到了解決辦法，通過將現有催化劑進行破碎成型，增加催化劑的活性位點從而解決催化劑首次使用轉化率低的問題。同時催化劑粒徑對其轉化也有一定影響，學生自主設計催化劑粒徑對黑磷轉化率影響的探究實驗，最終通過實驗確定了催化劑粒徑的大小。而針對催化劑重復使用率低的問題，學生分析整個反應歷程發(fā)現催化劑存在燒結現象，并查閱相關文獻，認為催化劑在使用過程中所處環(huán)境局部溫度過高發(fā)生燒結從而造成催化劑失活的現象，由此學生思考通過助劑的加入來提高催化劑性能，采取加入導熱性較好的助劑來改善性能，最終，改進后的催化劑使黑磷的首次轉化率可達96%，催化劑重復使用9次后仍能達到80%，進一步證明當初的猜想是正確的，成功實現了反應器的設計與優(yōu)化。學生在實踐操作過程中不僅對學到的知識做到了融會貫通，同時還充滿了成就感，使學習不再枯燥，真正意義上做到了以化工理論知識解決實際問題的目的。同時，鼓勵學生參加“大學生學科競賽”“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”等各類活動，進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與實踐能力。

圖1 氣固相催化反應固定床反應器

2.4 評分改革，培養(yǎng)能力

本課程的評分體系構建為“3+5+2”模式，線下考核成績占總成績的30%，課堂表現占總成績的50%，其中課堂表現中：20%的成績?yōu)閷W生上課回答問題情況，這一比值的提高，主要是為了帶動學生參與課堂、調動學生思考問題的積極性;10%的成績?yōu)樾〗M匯報情況，這一分值主要是根據匯報情況進行打分，分數則為整個小組學生的成績，目的是鍛煉學生之間的團結協作意識;剩余20%的成績則為各個學生實驗方案的自主設計情況，主要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力以及對理論知識的掌握情況。創(chuàng)新實踐活動占總成績的20%，這一部分學生可以通過論文、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、知識競賽等形式進行獲取，重點在于對活動的積極參與，旨在培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和實踐能力。

3 實施的成果

3.1 教學成果

筆者所指導的學生申報的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目：“黑磷：后起之秀，夢幻材料”榮獲第三屆云南省“互聯網+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”金獎;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目：“昆明黑磷科技服務有限責任公司”榮獲第四屆云南省“互聯網+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”金獎;創(chuàng)新訓練項目：“黑磷的催化法制備及形成機制研究”獲得省級立項并入選2021年第十屆全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會;參賽作品：“黑磷制備反應器的設計”榮獲2020年第三屆全國“互聯網+化學反應工程”課模設計大賽三等獎。

3.2 創(chuàng)業(yè)成果

筆者為了進一步提升學生的創(chuàng)新與實踐能力，在“黑磷的催化法制備”研究工作的基礎上指導學生創(chuàng)立了昆明黑磷科技服務有限責任公司，開發(fā)出一系列黑磷及納米黑磷產品，并將產品提供給了中科院大連化物所、復旦大學、西北工業(yè)大學、蘭州大學等國內知名科研院所，且得到了大家的一致好評。

3.3 教書育人

筆者長期工作在教學科研一線，教學過程中注重科教融合，教學效果多次被評為優(yōu)秀，榮獲云南省高等教育教學成果獎二等獎1項，榮獲昆明理工大學教學成果一等獎、特等獎各1項，榮獲紅云園丁優(yōu)秀教師獎1項。先后培養(yǎng)研究生十余人，指導的2篇研究生畢業(yè)論文入選云南省優(yōu)秀碩士學位論文，指導的2名碩士研究生榮獲“省級三好學生”的稱號。培養(yǎng)本科生數十人，其中指導的2篇本科生畢業(yè)論文入選昆明理工大學優(yōu)秀學位論文。

4 結論

通過對“黑磷的催化法制備”實驗的探索及初步實施，采用“理論知識+實踐教學”相結合的方法，將理論知識融合至實驗教學中不僅可以加深學生對理論的理解，培養(yǎng)學生的科研思維，提高學生分析問題、解決問題的能力，還可以培養(yǎng)學生團隊協作精神以及創(chuàng)新能力。希望本文的教學實例給傳統(tǒng)教學提供新的思路，為培養(yǎng)學生的學習興趣、實踐能力以及創(chuàng)新能力提供幫助。