基于学生能力培养的化学反应工程教学改革与实践——以“黑磷的催化法制备”为例

廉培超，牛丽辉，陈鑫智，刘红红，李雪梅，梅 毅

(昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明 650500)

《化学反应工程》作为化工专业学生的核心课程，涉及的知识领域广泛，与《物理化学》《化工热力学》《流体力学》《化工传递过程》《高等数学》等课程有着密切的联系，对于夯实学生的专业知识基础、强化工程分析能力具有十分重要的作用。但由于《化学反应工程》这门课程的教学内容多以及学科交叉紧密的特点[1]，在传统的教学过程中普遍存在理论与实践相脱节、学生存在畏惧心理、学生学习效率低等问题。学生为了通过这门课程的测试，只能依靠死记硬背的方式被动获取知识，而这种方法不仅会使学生对这门课程感到更加枯燥乏味，还不能将所学的知识灵活运用到实际问题中。

本文主要针对目前工科院校普遍存在的传统教学体系对学生创新能力和实践能力培养不足的问题，以新工科建设为引领，以立德树人为根本，基于“创新、实践、个性化发展相融合”的教学理念，结合云南地方特色及磷化工科研工作基础，以“黑磷的催化法制备”为例，开展《化学反应工程》课程建设工作，将《化学反应工程》建设为具有云南地方特色的课程，为云南地方经济发展所需人才的培养构建坚实的课程体系。

1 人才培养所存在的问题及改革

完整的人才培养模式应该是在先进的教育思想指导下构建人才培养目标，根据人才培养目标确定人才培养过程，实现人才培养过程要有相应的人才培养制度作为保障，按照一定的标准对人才培养过程和人才培养质量进行评价，并及时进行反馈和调节[2]。然而，目前人才培养模式大都以传统的教学培养模式为主，重知识、轻能力，重传授、轻思考，重理论、轻实践的教学方式在一定程度上背离了提高人才质量的初衷。传统的教学培养模式主要以老师为中心，一般是由老师根据课程教学内容对其进行相应的讲解，学生的主要任务是接收老师传达的知识，一切以传达知识的有效程度作为衡量标准[3]。再加上《化学反应工程》与《物理化学》《化工热力学》《流体力学》《化工传递过程》《优化与控制》《高等数学》等课程有着密切的联系，对于大多数学生来说《化学反应工程》所涉课程基础薄弱，加之枯燥的教学模式导致学生缺乏学习主动性，不会主动思考问题，更不会自觉的研究、探索科学问题，使其学习变得更加枯燥、呆板、完全表面化和外在化，不再有丰富而深刻的内心体验。这种“填鸭式”教学模式极大程度地扼杀了学生的创新思维，导致学生思维僵化，难以学以致用。这与党的十八大明确提出的“培养学生社会责任感，创新精神，实践能力”的要求并不相符。

为了改善这种以老师为中心的传统教学模式的缺陷，笔者根据课程特点，采取能调动学生自主学习性的教学模式——以学生为主体。在教学过程中，笔者结合云南地方特色及磷化工科研工作基础，以“黑磷的催化法制备”为例，对所涉及的相关理论知识进行讲解，将问题分配给学生，由学生根据问题去查阅相关的资料，设计解决问题的相关方案，以讨论的形式对方案进行改进，最后根据方案开展相关实验。对实验过程中遇到的问题，由学生运用理论知识，自主解决问题，培养学生学以致用的能力。通过对传统教学模式的改革，让学生从思想上转变“以老师为中心”的教学模式，从行动上让学生做课堂的主人，从而培养学生独立分析问题、解决问题的能力。同时，培养学生的创新能力和实践能力。

2 “黑磷的催化法制备”具体实例

笔者本着追求真理，严谨治学的求实精神，潜心研究，结合“黑磷的催化法制备”研究课题，带领学生深入学习《化学反应工程》课程，采用“理论知识+实践教学”相结合的方法，通过研讨式教学的方式，调动学生自主学习与探究学习的积极性;通过小组汇报的方式，培养学生组织协调能力;通过学生之间的互动交流，产生思维碰撞，培养学生创新能力;通过实验教学，培养学生实践能力。

2.1 介绍背景，引出主题

这一环节旨在通过简单的背景介绍，引导学生对相关主题有所了解，同时针对现有现象，提出系列问题，以小组为单位，让学生通过小组讨论的形式思考问题、分析问题，从而提出解决问题的方法，并将其带入到课程内容。

笔者在上课初期让学生观看我国磷矿资源分布及其应用领域相关的视频，通过视频和讲解的方式向大家介绍背景：我国磷矿资源丰富，位居世界第2位，主要分布在云南、贵州、四川、湖南、湖北等五个省份(云南省磷矿储量位居全国第一)，然而，我国的磷矿资源大多用于生产黄磷、磷肥等基础磷化工产品，造成了产品结构不合理，企业持续亏损的现状[4]。由此笔者提出问题 “如何看待磷化工企业这一现象？”，学生通过调研文献认为这一现象是由于基础磷化工产品产能相对过剩造成的，磷化工企业急需转型升级，以此实现磷化工产业的精细化发展。此时，笔者引导学生了解磷化工产业转型升级的重点是发展精细磷化工产品，而黑磷作为一种新型精细磷化工产品，它具有很多优异的性能，如高载流子迁移率、可调节的直接带隙、良好的光电性能、高达 2596 mAh/g 的理论比容量以及好的各向异性等特点，在传感、储能、催化、医药等领域具有很好的应用前景[5]。但是它的应用受限于其苛刻的制备方法。目前报道的黑磷制备方法存在原料成本高、制备规模小等问题，导致目前市场上销售的黑磷价格居高不下(高达数千元每克)，严重阻碍了黑磷的应用与发展。而催化法具有反应耗时短、操作简单的特点有望实现黑磷的低成本、规模化制备[6]，从而引出“黑磷的催化法制备”这一主题。

2.2 深入主题，学习理论

这一阶段，目的在于学生对《化学反应工程》课程中催化机理、气固相反应过程、反应器章节的掌握，为后续学生实践能力和创新能力的培养奠定理论基础。实施方法则以“黑磷的催化法制备”为切入点，以课上问答、课下总结的形式对所涉内容进行认知和学习。

笔者引导学生深入这一主题，通过动画演示的方式介绍基于磷碘锡催化剂的黑磷制备机理[7]——气固气反应机制：气化的固体原料与固体催化剂反应生成过渡态气体，过渡态气体转化生成固体生成物[8-11]。针对这一反应机理提问学生：“这一催化反应如何使黑磷实现较高的转化率及纯度？”，学生通过思考认为催化反应过程中，催化剂对反应起到加快化学反应速率的作用。产物纯度可能与转化率有关。此时笔者带领学生对黑磷催化法机理进行深度剖析：首先，通过机理的认知，我们发现此反应为气固相催化过程，从而引导学生去了解什么是气固相催化反应？我们所了解的黑磷催化法制备机理是否符合这一过程？常见的哪些反应同样属于气固催化反应？通过这些问题的引入，使学生自主去寻找问题的答案，并以分组汇报的形式进行展示，并在讲评过程中对知识进行梳理与总结;其次，针对学生所提出的催化剂对反应的影响，引导学生去思考催化剂为什么会加快反应速率？催化剂的种类有哪些？催化剂的组成包括哪几个部分？影响催化剂性能的因素有哪些？催化剂的制备方法有哪些？等一系列与催化剂相关的问题，让学生以思维导图的形式进行梳理与总结;最后，笔者与学生剖析影响黑磷纯度的原因，可能是黑磷制备过程中存在串联副反应，导致制备出来的黑磷含有杂质，这与黑磷制备所使用的反应器有着密切联系。因此，笔者向学生介绍反应器章节相关内容，启发学生在实践过程中可以通过反应器的设计与优化抑制副反应的发生，进而提升黑磷纯度。

2.3 实践操作，培养创新

这一环节笔者主要采用实践教学的方式，培养学生实践能力以及创新意识。针对基于磷碘锡催化剂的黑磷制备进行反应器的设计，引导学生通过《化学反应工程》中的催化机理、气固相反应过程、反应器章节的学习，设计出不同反应器。笔者将这些方案汇总后与学生交流，进行大致方案的确定，这其中并不包括实验具体细节的确定，具体设计方案则由学生以“互联网+化学反应工程”课模设计大赛的形式进行确定，笔者则在此基础上通过提问、点评的方式进行指导，直到学生目标清晰、思路明确。通过上述方案的实施，最终呈现出一个较为完整的实验方案：根据黑磷制备的气固气反应机制，最终设计出气固相催化反应固定床反应器，装置如图1所示，通过温度梯度的调控，实现原料与催化剂的分离，进而抑制副反应的发生。在此基础之上，开展相关实验，针对实验中遇到的问题，求助书本中的理论知识进行解决，比如：图1设计的固定床反应器虽然实现了原料与催化剂的分离，但黑磷产物转化率较低，首次转化率为85%，并随着催化剂循环次数的增加导致转化率大幅度降低，面对制备过程中首次转化率低，催化剂易失活的问题，学生在书本中找到了解决办法，通过将现有催化剂进行破碎成型，增加催化剂的活性位点从而解决催化剂首次使用转化率低的问题。同时催化剂粒径对其转化也有一定影响，学生自主设计催化剂粒径对黑磷转化率影响的探究实验，最终通过实验确定了催化剂粒径的大小。而针对催化剂重复使用率低的问题，学生分析整个反应历程发现催化剂存在烧结现象，并查阅相关文献，认为催化剂在使用过程中所处环境局部温度过高发生烧结从而造成催化剂失活的现象，由此学生思考通过助剂的加入来提高催化剂性能，采取加入导热性较好的助剂来改善性能，最终，改进后的催化剂使黑磷的首次转化率可达96%，催化剂重复使用9次后仍能达到80%，进一步证明当初的猜想是正确的，成功实现了反应器的设计与优化。学生在实践操作过程中不仅对学到的知识做到了融会贯通，同时还充满了成就感，使学习不再枯燥，真正意义上做到了以化工理论知识解决实际问题的目的。同时，鼓励学生参加“大学生学科竞赛”“大学生创新创业训练计划”等各类活动，进一步培养学生的创新意识与实践能力。

图1 气固相催化反应固定床反应器

2.4 评分改革，培养能力

本课程的评分体系构建为“3+5+2”模式，线下考核成绩占总成绩的30%，课堂表现占总成绩的50%，其中课堂表现中：20%的成绩为学生上课回答问题情况，这一比值的提高，主要是为了带动学生参与课堂、调动学生思考问题的积极性;10%的成绩为小组汇报情况，这一分值主要是根据汇报情况进行打分，分数则为整个小组学生的成绩，目的是锻炼学生之间的团结协作意识;剩余20%的成绩则为各个学生实验方案的自主设计情况，主要培养学生的创新能力以及对理论知识的掌握情况。创新实践活动占总成绩的20%，这一部分学生可以通过论文、创新创业项目、知识竞赛等形式进行获取，重点在于对活动的积极参与，旨在培养学生创新意识和实践能力。

3 实施的成果

3.1 教学成果

笔者所指导的学生申报的大学生创新创业项目：“黑磷：后起之秀，梦幻材料”荣获第三届云南省“互联网+创新创业大赛”金奖;创新创业项目：“昆明黑磷科技服务有限责任公司”荣获第四届云南省“互联网+创新创业大赛”金奖;创新训练项目：“黑磷的催化法制备及形成机制研究”获得省级立项并入选2021年第十届全国大学生创新创业年会;参赛作品：“黑磷制备反应器的设计”荣获2020年第三届全国“互联网+化学反应工程”课模设计大赛三等奖。

3.2 创业成果

笔者为了进一步提升学生的创新与实践能力，在“黑磷的催化法制备”研究工作的基础上指导学生创立了昆明黑磷科技服务有限责任公司，开发出一系列黑磷及纳米黑磷产品，并将产品提供给了中科院大连化物所、复旦大学、西北工业大学、兰州大学等国内知名科研院所，且得到了大家的一致好评。

3.3 教书育人

笔者长期工作在教学科研一线，教学过程中注重科教融合，教学效果多次被评为优秀，荣获云南省高等教育教学成果奖二等奖1项，荣获昆明理工大学教学成果一等奖、特等奖各1项，荣获红云园丁优秀教师奖1项。先后培养研究生十余人，指导的2篇研究生毕业论文入选云南省优秀硕士学位论文，指导的2名硕士研究生荣获“省级三好学生”的称号。培养本科生数十人，其中指导的2篇本科生毕业论文入选昆明理工大学优秀学位论文。

4 结论

通过对“黑磷的催化法制备”实验的探索及初步实施，采用“理论知识+实践教学”相结合的方法，将理论知识融合至实验教学中不仅可以加深学生对理论的理解，培养学生的科研思维，提高学生分析问题、解决问题的能力，还可以培养学生团队协作精神以及创新能力。希望本文的教学实例给传统教学提供新的思路，为培养学生的学习兴趣、实践能力以及创新能力提供帮助。