《工业催化基础》课程内容的提炼与教学方法的探讨

宋金玲+　蔡颖+　董忠平　胡锋

摘要： 《工业催化基础》课程是基于内蒙古科技大学材料化学专业的其中一个方向——工业催化方向设置的一门专业基础课程。本文简述了该课程的教学目标、教学重点、难点及教材，并对课程内容进行了提炼，结合学情探讨了教学方法，为增强学生的自主学习意识及学习能力提供思路。

Abstract： "Foundation of Industrial Catalysis" course is based on one of the directions of material chemistry major， industrial catalytic direction to set a professional basic course. This paper briefly describes the teaching goal of the course， the emphases and difficulties and the teaching material， and the course contents have been refined. Based on the circs of the students， the teaching methods have been discussed， in order to provide some ideas for enhancing students autonomous learning awareness and ability.

关键词： 工业催化；课程内容；教学方法

Key words： industrial catalysis；course contents；teaching methods

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0243-02

材料化学是近年来随着材料科学的快速发展与社会需求的日益增加而形成的一门新兴的交叉学科，是工程、信息、新能源等高科技产业和技术发展的重要基础。结合内蒙古科技大学学科建设的需要以及人才培养和地方经济发展的需求，林冶学院于2009年申报了材料化学专业，由于各方面的迫切需求当年就被获批，并于2010年9月招收了第一批新生[1]。材料化学专业依据专业特色设置了两个专业方向，一是能源材料，二是工业催化，而《工业催化基础》课程是基于工业催化方向设置的一门专业基础课程[2]。

《工业催化基础》课程的总体教学目标是让学生了解工业催化发展史及催化剂的实际应用以激发学生对该课程的兴趣；掌握催化作用的基本理论、各类催化剂的定义、特点、作用机制，并依据此理论进行催化剂的初步设计；掌握催化剂的各种制备方法的原理及过程，并能运用常用方法制备实际的催化剂；系统掌握工业催化的基本概念、基本原理、基本方法及技巧，为后续专业课的学习、毕业论文以及毕业后从事催化研究和生产开发打下基础，通过该课程的学习不仅获得催化类相关专业知识，更重要的是增强学生自主学习、积极思考问题的意识，提高学生的综合素质和创新能力。

本课程的教学重点包括催化原理及各类催化剂的特征、制备催化剂的方法、催化剂的设计思路。教学难点主要为各类催化剂的作用机制。基于上述课程的定位、教学目标、教学难点及重点的考虑，我们选择化学工业出版社出版的由黄仲涛、耿建铭主编的《工业催化》第二版作为本课程的教材。本教材为“十一五”、“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。全书大体可分为六部分，第一部分介绍工业催化的发展史，第二部分介绍催化原理及各类催化剂的特征，第三部分介绍催化剂的制备与使用，第四部分介绍催化剂的设计，第五部分介绍催化剂的最新实际应用，第六部分介绍催化剂的表征技术[3]。

本书的编排及脉络非常适合本课程的设计思路，基于本课程学时（48）限制，只讲述前四部分，即基础内容，包括催化发展史——催化原理——催化剂的制备——催化剂的设计，提炼为《工业催化基础》课程的基本教学内容。第五部分可让学生自学，增加学生对已学习的催化基础理论进行深入理解和领会。第六部分内容结合别的表征方法在后续专业选修课中开设。

本课程设置在第四学期，为材料化学专业本科二年级学生开设。开课之前，通过学生档案了解该年级学生的生源状况、高考成绩，以及本课程前导相关课程，如：稀土元素分析化学、物理化学、无机化学、有机化学、结构化学等的结课成绩，从而确定该课程需要拓展的内容及其难易程度。虽然该年级的学生有一定的理论基础，接受知识的能力较强，但大部分学生自主学习能力不高。

针对上述学情及教学目标，我们主要采用的教法，包括讲授法、关联法、探究讨论法、启发引导法、演示法、实验法和练习法。对于易理解的内容常采用讲授法；每次课或每章结束后，采用关联法进行贯穿所讲述的内容，以提高学生对所学知识的宏观把握能力；针对实际的抽象操作，采用实际的实验方法进行联系（实验法）；对每章节讲述的内容布置相应的作业题及练习题（练习法），并对学生的任何问题可进行解答。

针对课程的重点及难点，常以问题驱动，让学生进行讨论（即讨论法），以激发学生思维的主动性，促进相关知识的回顾，有的通过生活实例、现象及常见的实验现象进行联系、启发（启发引导法），将难理解的问题简单化，结合直观形象的多媒体动画、图片（演示法），采用循序渐进的方式加以解释，使学生对重点、难点达到理解掌握的程度。比如，在催化领域中一类重要的催化剂，即“分子筛”催化剂，我们预先会设置一个问题，即“什么是筛子”，依据生活常识，学生肯定知道其是具有尺寸不同的孔结构用于分离颗粒大小不同物质的生活用具。

依次类推出“分子筛”即为具有不同的孔隙结构用于分离分子大小的工具，这就基本给出了其特征，再结合实例，比如通过甲醇与苯合成二甲基苯，其两个甲基的相对位置可能有三种，即邻位、间位及对位，而对位产物往往是设计者需要得到的目标产物，仔细分析对比这三种产物，其分子的大小不同，即对位产物相比其他两种产物的尺寸要小，那么这样的一个要求就需要借助于分子筛催化剂来完成，可以设计该催化剂的孔只允许对位产物出去，而邻位、间位产物留在孔隙中，从而可有效提高目标产物的产率，这即为一类重要的催化“择形催化”催化反应的选择性取决于分子孔径的相对大小，上述过程结合多媒体讲解会更容易理解。

类似的问题比如催化作用的本质为不改变反应的Gibbs自由能，只改变化学反应的速率，将其类比为“从大山一边到达大山的另一边”，没有催化剂的情况相当于是“山路”，加入催化剂的情况相当于是“隧道”，因此加入催化剂后从相同的地点出发到达相同的目的地，穿越“隧道”要比越过“高山”的速率明显加快，即“改变了行车路径，降低了位能”。在化学里，其实就是“改变了反应路径，降低了活化能”，这也就道出了催化作用的本质。将催化剂比作婚姻的“月老”来解释“催化剂只参与反应的过程而不参与反应的结果”。

以“多相催化的反应步骤”为例阐述讲课的思路及教法的联系，首先通过“均相催化”的缺点，如反应物、产物及催化剂难易分离，引入多相催化的概念，并进行对比解释，多相催化克服了均相催化的缺点，因此90%以上的催化反应均是多相催化，那么多相催化是怎么进行的呢？从而自然过渡到应讲述的内容。随后可以设置几个相关问题让学生讨论，如：“活性炭是如何去除家装材料中的有毒气体的？”、“硅藻泥是如何净化空气的？”。经讨论之后，我们会让学生进行回答，学生联系物理化学的知识回答一些关键词，如：“吸附”、“反应”、“作用”等等。这些词也正是“多相催化反应的关键步骤”，继而我们可以加以引导，大家说的这些过程前提条件就是这些物种（反应物与催化剂）必须接触，那对于气体（反应物）与固体（催化剂）怎么才能接触呢？人和人怎么才能接触呢？那就必须两个人“走”到一定的距离。

对于人的“走”就相当于物种的“扩散”，从较远处到较近处，即为外扩散、内扩散，扩散地接触了才能发生作用，即“吸附”，吸附的疏松即为“物理吸附”，吸附的紧密即为“化学吸附”，进一步作用即可发生反应形成别的物种，即产物，产物要脱离催化剂，即与刚才的反应物吸附进行相反的过程，即“脱附”“扩散”。

通过上述提问阐述即可得出多相催化的反应步骤包括：“扩散——吸附——反应——脱附——扩散”。反过来，我们可以再重新系统地解释一下最开始提出的两个问题，并将新学的知识贯穿进去，这样即可让学生进一步深化理解所学的知识。

上述教法可以将难解问题简单化，专业问题生活化，抽象问题形象化，进而可激发学生的学习兴趣，提高学生主动联系思考的意识，促进学生认真听课、主动讨论问题，另外针对讲述的内容布置相关的作业、练习，查阅催化类的文献及相关书籍，针对催化剂的制备设置相关实验，以进一步达到对本课程内容的掌握、理解与升华。

通过课前课后交流、答疑、课堂小测验、提问讨论、作业批改、督导听课收集教学效果的反馈及评价，并结合每学期学生的结课成绩、学生答卷的情况调整教法及教学过程的设计与讲述。

参考文献：

[1]宋金玲，蔡颖，王瑞芬，张国芳，周玉杰，樊文军.材料化学专业人才培养模式的研究与实践[J].价值工程，2011（5）：273-274.

[2]宋金玲，蔡颖，董忠平，吴楠楠，胡锋，等.材料化学专业课程体系改革的研究与实践[J].科教文汇，2013（11）：59，63.

[3]黄仲涛，耿建铭，编著.工业催化[M].第二版.北京：化学工业出版社，2014.