催化化學線上線下混合式教學模式的構建與實踐*

龔 磊，黃喜根，劉 倩，黃長干，胡嘉麒

(江西農業大學化學與材料學院，江西 南昌 330045)

催化劑是提高化學反應速度和控制反應方向最有效的方法，催化劑及催化技術對現代化工生產過程具有舉足輕重的作用[1]。催化化學課程是物理化學、工業催化及相關專業研究生一門極為重要的專業課，其內容涵蓋廣泛，又與諸多前期課程(無機化學、有機化學、物理化學)的知識點相互滲透，具有內容多、知識點散、難度大等特點，且課時少(32學時)，實踐性強。提高催化化學課程的教學質量，對研究生掌握專業知識，在有限課時內增強實踐能力及創新能力，實現高層次創新型人才的培養目標具有重要意義。

教學模式對研究生教學是十分重要的，好的教學模式應該有利于學生的學習，能促進其掌握及運用相關專業知識。對催化化學課程來說，在有限的課時內，單一的課堂講解模式難以激發研究生的學習興趣，并有效地培養學生的實踐能力與創新能力。目前，信息技術與學科教學的融合已成為教育領域不可逆轉的潮流[2]，構建催化化學研究生課程線上線下混合式教學模式，充分利用線上學習的優勢，將線上資源與線下課堂有機結合，必定會對研究生能力的培養，以及推動同類研究生課程改革起到積極的促進作用。

本課題組在江西農業大學與超星泛雅共建的網絡教學平臺上自建了研究生催化化學線上課程，探索了混合式教學模式下線上線下課程內容的設定、具體教學手段及結合方式，對我校物化專業2020級研究生教學班級進行了線上線下混合式教學模式實踐，為類似課程混合式教學模式改革提供了參考。

1 合理規劃線上教學內容

傳授知識是課程教學的主要目的之一。我校化學相關專業的研究生催化化學課程共32學時，安排在第2學期講授，參考教材有科學出版社辛勤主編的《現代催化化學》、《現代催化研究方法新編》，大連理工大學出版社王桂茹主編的《催化劑與催化作用》以及化學工業出版社黃仲濤主編的《工業催化》等，其內容繁多，包括酸堿、金屬、過渡金屬氧(硫)化物、絡合物等幾大類催化劑的催化作用和原理，及催化劑表征技術等。為在有限課時內突出重點，根據線上學習的特點，首先對教材內容進行梳理、整合及分類，制作適宜線上學習的教學素材。

1.1 教學內容整合并模塊化

催化化學的授課對象是研究生一年級的學生，這個階段的學生已對本專業的基礎課程無機化學、有機化學、分析化學、物理化學、儀器分析、材料化學、化工原理等進行了系統學習，前期專業課程已系統地講授了化學熱力學、化學動力學、化學鍵理論等涉及催化的基礎知識及表征手段，因此，首先對這部分內容做適當刪減，例如絡合催化中的晶體場理論，催化過程中的化學吸附、固體酸催化劑中的胺滴定法等。為便于學生學習與記憶，線上教學內容往往具有碎片化的特點，即課程內容模塊化，知識點碎片化[3]。為適應線上學習特點，將教材內容以催化劑與催化機理為主線，分為若干個模塊：酸堿催化劑、金屬催化劑、過渡金屬氧化物/半導體催化劑、絡合催化劑，及其催化作用過程的基本機理及基本規律，各知識模塊再細分為知識單元(內含1～2個知識點)。整合后的教學內容不脫離大綱要求，知識體系完整，突出了催化基本概念與催化共性規律。

1.2 模塊內知識單元分類

現代認知心理學將知識分為陳述性知識和程序性知識，這兩類知識的獲得、保持與激活等有顯著差異[4]，陳述性知識可直接獲得，屬于習得型知識，適用于線上教學，而程序性知識需要反復練習才能掌握，適用于線下課堂教學。對各知識模塊內的知識單元按上述分類劃分，分別采用合適的教學方式。以絡合催化劑及催化作用模塊為例，絡合催化劑的應用、成健作用及絡合反應等需直接記憶的知識屬于陳述性知識，絡合催化反應的關鍵步驟、空位的形成、反應物的活化及催化機理等需要練習及講解的知識屬于程序性知識，各知識單元的具體分類如圖1所示，針對兩類知識單元的特點分別采用不同教學方式。

圖1 絡合催化劑及催化作用模塊知識單元分類及教學方式

2 混合教學模式設計

線上線下教學如何結合起來并沒有一個統一的范本，根據催化化學課程性質，確定線上與線下教學課時比例為2:8，后續可根據運行效果進行調整。

2.1 線上課程建設與教學

各知識點分類后，將適合線上學習的知識點制作成便于學生自學的素材，主要形式有電子講稿、PPT、文獻、視頻素材等，并根據所學內容設置線上提問、知識點討論及測試測驗等環節。根據教學計劃，課前布置學習任務及相關環節，由學生自主根據時間節點完成觀看、學習，并參加線上討論環節，完成課堂練習及測試等。教師及時觀察線上學習動態，積極互動，并答復討論區的各種疑問。線上學習具有隨時性、便利性，有助于學生自我規劃及自主學習能力的培養。

2.2 線下教學組織實施

催化化學是一門實踐性很強的課程，因此，線下課堂教學依然是不或缺的環節。結合線上教學內容，線下教學建立以學生為中心的教學模式，著力于研究生實踐能力與創新能力的培養。案例教學法(case-based learning，CBL)是以教學目標為導向，教師圍繞相關實例組織學生進行分析、討論、總結的一系列教學活動，該方法的優點是學生代入感強，利于培養學生分析問題、解決問題的能力[5]。如講解金屬氧化物催化劑氧化還原機理時，以丙烯催化氧化反應為案例[6]，討論催化劑中晶格氧是直接參與氧化反應，還是反應氣中的氧物種直接吸附在催化劑上與丙烯反應。那么如何驗證呢？以復合金屬氧化物MoO3-BiO3為催化劑，其中O為16O，反應氣中的O2選擇其同位素18O2，檢驗反應產物丙烯醛中的O是16O還是18O，如是16O，證明晶格氧參與了氧化反應過程，提供了O物種，如是18O，則說明催化劑中的晶格氧不參與氧化反應過程，催化劑只提供吸附位。這時告訴學生實驗結果，產物丙烯醛中的O為16O，證明金屬氧化物中的晶格氧參與了氧化反應。并且，隨著反應的進行，18O也出現在產物丙烯醛中，說明反應氣中的18O2能轉變成晶格氧，由此導出Mars-Van-Krevelen氧化還原機理。

另外，催化化學與當前諸多熱點領域如納米材料、環境污染治理、能源存儲轉化等都密切相關，研二的學生已經接觸過導師的科研項目，對科研前沿問題也有濃厚的興趣，因此還可以根據前述知識模塊，結合教師科研項目，選取具有前沿性、且切合學習催化基礎知識的研究案例。如學習金屬氧化物催化劑/催化作用模塊時，以CuO催化劑在富氫條件下催化氧化CO(CO-PROX)的研究為案例，提出問題、設計實驗、實驗驗證，引導學生思考催化劑測試、表征、設計等一系列問題，更好地理解、掌握相應的知識點。首先介紹研究背景，燃料電池以氫氣為燃料，可高效地將化學能轉變為電能，在移動能源應用方面極具市場前景。目前大規模工業制取的氫氣中不可避免地含有少量的CO，由于CO會使燃料電池中的Pt電極中毒，導致電池失效，因此有必要去除，CO-PROX反應是最經濟有效的去除方式之一。CO完全氧化在沒有催化劑的條件下需要的溫度可以理論計算，再給出CuO催化劑用于CO-PROX反應的實驗數據，通過分析數據得到，過渡金屬氧化物催化劑(如CuO)可以使其溫度范圍降至200～300 ℃。但循環測試數據表明CuO催化劑的可循環性差，這是因為CuO還原后易變成Cu0，成為H2的氧化活性中心，且燃料電池的最佳溫度范圍在80 ℃左右，那么如何解決這個問題，并進一步降低CO的完全氧化溫度？此時引入助催化劑及載體的作用知識點。結合先前的研究[7]，得出幾種金屬氧化物作為載體都有助催化作用，那么何種載體更合適呢？研究結果表明，CeO2載體在幾種載體中效果最好，引導學生思考為什么？利用哪些表征可以深層揭示CuO催化劑與CeO2載體的相互作用？經過引導思考，培養學生的推理能力及實驗設計能力。此時在平臺布置閱讀線上文獻任務。催化劑的制備方法有多種，文獻中的制備條件也各不相同，那么制備方法及制備條件對催化劑的性能有沒有影響呢？從本質上說影響的是什么呢？引導同學通過查閱文獻探討金屬氧化物催化劑有哪些制備方法，制備條件應如何控制，制備方法及條件如何影響金屬氧化物催化劑的物理化學性質，從而更深刻地理解Mars-Van-Krevelen催化機理。如何設計實驗驗證這些性質對催化性能有什么樣的影響，提高學生的實驗設計能力。通過上述學習進行催化劑設計，參考文獻提出方案，再共同分析方案的可行性，由此培養學生的創新實踐能力及科研思辨能力。案例教學設計如圖2所示。通過科研案例的剖析，不但使學生理解、掌握了課程內容，而且培養了學生的分析、思辨及創新實踐能力，使線下課程教學設計符合“兩性一度”的要求，即高階性、創新性、挑戰度，努力達到培養學生解決復雜問題的能力和高級思維的目標[8]。

圖2 線下教學金屬氧化物催化劑及催化作用(案例教學法)教學設計示意圖

3 教學效果分析

效果評價旨在評估教學改革的效果并發現存在的問題，為進一步優化教學模式提供參考。本研究對2020級物化專業研究生進行了催化化學課程線上線下混合式教學實踐，結束后進行了效果評價。評價由兩部分組成，一是成績評價，學習過程考核占總成績的30%，由在線學習記錄自動統計，包括視頻及資料觀看(20分)、章節習題(30分)、在線時長(20分)、討論(30分)等，課程結束后開卷考試成績占總成績的70%，題目類型有選擇、填空，及為選定反應設計催化劑并設計實驗驗證，主要考察學生掌握知識程度和解決實際問題的能力。對比采用傳統教學方法的2019級化學專業研究生，2020級研究生催化化學考試成績平均分更高，課程結束后一學期內，揭同學發表催化方向SCI研究論文1篇[9]。二是學生的主觀評價，由調查問卷及訪談構成。調查問卷共十題，訪談時間1 h，涉及平臺、線上教學資源、線下課堂及教學模式評價，學生基本給予正面評價，表明這一混合式教學模式得到學生的認可，但也存在以下一些問題。在線學習時，網絡及平臺會出現各種問題，如網絡不佳、平臺穩定性欠佳等；在線學習質量不高，學習時間、地點雖然靈活，但更易受周圍環境影響；單純追求在線學習時長沒有意義，刷視頻資料等即可加長在線學習時間，但沒有起到實際效果；線上討論環節不如課堂面對面討論效率高；混合式教學模式較傳統教學模式并未節省時間，師生都需花費更多時間在課程學習與教學上。因此，需進一步優化網絡教學素材，提高線上教學質量，具體指導及監督學生做好線上學習任務。

4 結 語

教學模式改革是提高課程質量的手段之一。線上教學與線下教學各有優勢，線上教學素材豐富、時間靈活，可提高學生學習興趣，充分培養自主學習能力，線下面對面可與學生實時互動，進行深度教學。我們催化化學課程組依據課程特點及線上線下教學的各自優勢，對教學內容進行了整合、分類，構建并實踐了線上線下混合式教學模式，該模式以學生為本，使學生更好地掌握了催化化學相關知識，同時注重學生實踐能力與創新能力的培養，研究生培養質量得到提升。