浅谈《工业催化》课程教学的改革与创新

王 芳

(青岛科技大学 化工学院，山东 青岛 266042)

化工行业作为国民经济的重要产业之一，其发展程度已经成为衡量国家工业化和现代化水平的一个重要标志。工业催化作为化工行业的重要技术组成部分，它的发展水平决定化工生产过程能否实现以及过程的经济指标是否先进。现代化工生产过程提供的化学品中大约有85%是借助于催化过程生产的，可以说"没有催化剂，就不可能建立现代的化学工业"。催化科学的研究和发展对化学工业乃至整个工业界技术的进步都有着举足轻重的作用，纵观当今的炼油工业、石化工业、环保工程乃至食品、制药等工业工程中许多新反应工艺、产品的开发，企业经济效益的优化都与催化技术密切相关，作为工业催化理论和技术支撑的催化科学，在新工科背景下，对其教学目标又有了新的要求。众所周知，催化科学是建立在化学、材料、物理及化学工程等基础学科上而又有着自己特点的应用学科，该课程作为一门交叉学科，具有较强的综合性、实践性，课程内容宽泛且理论性较强，导致学生学习难度较大，如何能在有限的课程学时内构建新型课程结构，高质量完成教学目标的同时提升学生的专业素养和创新能力，已成为高校课程教学中所亟需解决的问题。本文从教学内容、教学方法和考核方式三个方面进行改革探讨，旨在改变传统的教学模式，建立适宜于新工科背景下工程教育人才培养需求的新型教学体系。

1 探索升华教学内容，激发学习兴趣

孔子说过：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”。兴趣是学习最有效的驱动力。这就需要教师在教学中传递知识的同时，充分调动学生的学习兴趣，正所谓“授之以鱼不如授之以渔”，使学生参与其中掌握学习方法，享受到学习的乐趣，从而主动去学习，激发学生学习的动机，更好的完成工业催化教学的任务[1-2]。这是提高学生学习效率的最有效的途径。催化剂作为催化技术的核心，对催化工艺的发展具有举足轻重的作用。新型催化剂的研发，不仅是新催化工艺诞生的源泉，也是技术飞跃的动力。故本课程教学内容的主线必将围绕着催化剂来展开，对此我们基于以下三点对教学内容进行改革：一是要正确引导教学思路。这涉及到知识点的选择问题。在教学大纲的范畴内，尽量选取概括性程度较高、循序渐进而又重点突出的知识，譬如可以现代工业生产中采用的催化剂和催化反应为起点，从工艺、结构、化学性能等角度分析影响其催化性能的众多因素，结合相关基础学科的理论知识点来准确、简明的阐述其根本的原理和规律，从而充分认识催化剂的作用和反应机理，达到掌握基本知识和基本理论的目的，让学生有效掌握教学内容。在教学过程中，凡是教学内容涉及到在化学工业发展史上具有里程碑式意义的催化剂，譬如合成氨催化剂、沸石分子筛催化剂等，在讲述催化剂的结构、性能的同时，还可以引导学生查阅相关资料，了解该类催化剂的研发史，这样一方面可以拓宽学生的知识面，帮助学生充分理解该催化剂，增加求知欲，另一方面还能培养学生的自我学习能力及文献查阅能力。二要注重理论联系实际。绝大多数工业化学品的生产过程都涉及到催化剂，纵观催化科学的发展史可以看出催化的快速发展离不开现代化学工业需求的推动，因此我们在课堂教学内容的选取上需要立足工程背景，体现工科特色的同时，注重理工结合。以工程技术的观点组织教材，在教学中融入工程技术背景，并将科学研究的方法和过程融合在课堂中。以与化工生产及人们日常生活密切相关的化工产品为切入点，引导并展开相关催化知识点探讨，激发学生学习催化相关的知识的积极性，增强学生利用一定的化学知识去分析、解决工程实际问题的能力，推动课堂教学的发展和质量的提高。三是要做到与时俱进。催化剂的作用就在于增加一个热力学上可行的反应的速度，使催化反应按照一个新的、在能量上更有利的途径进行。因此催化反应总是发生在一个特定的催化体系中，由于反应物分子的不同、所用催化剂种类多的差别以及反应条件的差异，使得催化作用可以按照不同的机理进行。这就使催化这门科学无论在实际应用中，还是在理论探讨上，都有很丰富的研究内容，并仍处于不断发展之中。迄今为止，一个实用催化剂的研究与开发，仍然被认为是一种“技艺”，需要通过大量的实验来获得。这是因为要科学地选择催化剂，必须弄清许多基本问题，如活性中心是怎样形成的？它在反应过程中如何变化？解决这些问题需要多学科的知识，在实践的基础上不断发展和完善。在此大背景之下，对教师的催化专业素养提出了更高的要求，只有教师及时了解催化行业的相关研究进展，并将其扩充到课堂教学之中，才能使学生在感知最新的学科动态的同时感受到学科科学技术的魅力，从而提高学生的学习兴趣，培养学生的创新能力。

2 丰富教学方法，提升教学质量

教学方法作为传授课程知识体系的手段，其科学与否直接关系到教学效果的好坏。高校的工业催化课程作为一门实践性和理论性紧密联系的课程，大部分学生缺乏化工生产实践，造成理论和实践脱节，传统的填鸭式教学，不利于学生充分理解相关知识和理论。这样不仅会降低学生的学习趣味性、积极性，另一方面也不利于高品质课堂教学的展开。因此，为提高学生的学习质量，确保以能力培养为核心的教学理念的有效实施，迫切需要对传统的教学方法进行一定形式的改革和创新[3]。改变传统教学模式中以教师为中心的格局，在教学中强调学生的中心主体地位，充分发挥学生的自主能动性及创新性。(1)注重兴趣式引导。在导入新知识点的时候，灵活运用背景案例提出科学问题，引导学生用科学的方法分析解决其中的技术难题，调动学生的求知欲和学习兴趣，激发学生的创新意识[4]。如在讲授用能带理论来阐述过渡金属催化剂电子因素与催化作用的关系时，首先介绍氨的工业合成发展史，继而指出合成氨工业的关键技术催化剂，然后提出一个问题，铁、钴、镍3种金属哪一种最适合作合成氨反应的主催化剂？从而引出理论知识点d带空穴，通过对该概念的阐述，引导学生运用过渡金属催化剂d带空穴和催化活性的关联关系来解决所提出的问题，进而阐明能带理论。(5)充分利用多媒体技术。本课程的课堂教学涉及大量的微观抽象的知识点，这些知识点的学习难度较大，若运用现代教学手段，将一些看不见摸不着的结构、理论等运用实物模型、图表、视频等手段直观的展示出来，搭建宏观与微观的桥梁，增加学生的感性认识，这样不仅有助于理解,同时能激发学生积极讨论探究，培养学生的创新思维能力。例如在介绍ZSM-5、X、MCM-41等沸石分子筛的结构时，仅凭语言描述学生可能很难理解，如果教师利用多媒体手段将沸石分子筛的骨架结构制作成三维动画，让学生一边观察分子筛空间的结构模型，一边听教师的讲解，自然会加深该知识点认识和理解。课后督促学生通过查阅资料，了解工业上常用沸石分子筛的结构单元及类型，了解分子筛的结构与其催化性能之间的关系，加强学生对沸石分子筛的重视。三、案例教学。本课程的应用性很强，若学生有一定的实践经验将有助于相关理论知识的理解,而工厂实践经验的缺乏, 必然导致理论和实际脱节，造成理解深度不够，故教学中要尽可能多的融入实践案例。选取在工业催化学科的发展史上具有代表性和典型性的催化剂案例，譬如以在石油炼化发展史上有划时代意义的稀土沸石分子筛裂化催化剂为研究和学习的对象，组织学生交流提问，主动发现案例中涉及的有关原理、物化性质等问题，激发学生讨论油品裂化催化的构效关系、反应机理、失活机理及稀土元素对裂化催化剂催化性能的影响因素，分析当前裂化催化剂的种类、结构、合成工艺等，从中提炼出解决问题的方案及涉及的相关知识点。在这过程中教师一定要注意引导学生树立工程意识，在运用催化基本原理、技术等相关的基础知识解决问题时，需要综合考虑该技术的可行性，评价其在生产操作中的安全性和经济性。四、推进互动式教学。强调学生在课堂教学中的主体地位，通过相关知识点的设置讨论题，引导学生结合所学内容和案例，主动发现问题、提出问题、分析问题，每小组派一名学生将解决问题的方案通过多媒体课件形式展示给大家，在这个教学环节中，学生需要通过调研和文献查阅来收集信息，浏览信息的过程中自然而然的了解了相关研究进展及技术研发前景，在准备多媒体课件过程中，还需结合课程知识整合资料做到融会贯通，这样不仅调动了学生的积极性及课堂参与意识，激发了学习兴趣，有利于知识的理解，同时提高了学生的分析问题和解决问题的能力，体会到团队协作精神的重要性[5]。

3 多层次考核，激发能动性

鉴于工业催化这门课程实践性强，知识面较广，且涉及的知识点多而散，传统的闭卷考核方式不能科学全面的体现学生对该课程相关知识点的掌握程度。为了更加系统的了解学生的学习情况，提高学生的积极性及对课程的重视程度，可将传统闭卷改为多层次的考核[6-7]。将单一笔试考核改为笔试与课堂讨论、案例分享及调查研究报告等相结合的多层次考核方法来评定学生的学习成绩。具体实施如下:(1)笔试内容(占60%)主要考核本课程教学大纲规定的要求学生熟练掌握的理论基础知识。(2)将需要重点掌握的相关知识点作为题目，引导学生进行课堂讨论，鼓励学生在课堂上将自己查阅文献或调研得来的相关素材进行讲解演示，占20%。教师根据演示内容的科学性、逻辑性等给予相应打分。这种考核方式能够有效激发学生的能动性，并让教师及时发现学生学习的薄弱环节，加以引导。(3)课堂互动讨论占10%。课堂讲述过程中，针对授课重点与学生进行互动提问，一般为比较宽泛的题目，比如结合络合催化剂的催化作用实例简述络合催化的一般原理，根据学生回答情况予以加分；另外，鼓励学生就课堂知识进行探讨并提出疑问，并对提出有深度问题的同学予以加分，用此方法来增强学生独立思考问题的积极性。(4)课后作业解答情况,占10%。完成课后作业的过程也是巩固课堂所学知识的过程，并将平时作业计入课程总分，可提高学生对作业的重视,提高学习效果。

4 结语

为了使学生更好地掌握工业催化的相关知识，工业催化作为一门实践性强的专业基础课，在课程教学中除了要注重催化相关基础知识的讲解，应融入当今化工行业有代表性的新型催化材料、催化反应体系、催化研究手段和表征技术等内容，加强理论与实践的联系，通过对有代表性的实例分析，引导学生充分发挥自主创新意识，将所学知识应用到化工单元操作过程中基本问题的解决，熟悉催化科学技术的发展方向，为今后的工作打好基础。同时，在今后长期的教学实践中要不断的完善和总结，及时发现教学存在的问题，不断进行改进和交流，借鉴并融合优秀的的教学方法，提高课堂的教学效果，实现培养创新型人才的目标。