《工業(yè)催化》課程教學(xué)探索與實(shí)踐*

張　旭，徐靜莉，孫國(guó)富

(許昌學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南　許昌　461000)

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《工業(yè)催化》課程教學(xué)探索與實(shí)踐*

張旭，徐靜莉，孫國(guó)富

(許昌學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南許昌461000)

以高?；I(yè)必修課程《工業(yè)催化》為研究對(duì)象，針對(duì)該課程的特點(diǎn)，以培養(yǎng)具有堅(jiān)實(shí)的開(kāi)發(fā)、研究和應(yīng)用催化劑能力的高層次工程技術(shù)人才為目標(biāo)，在課程內(nèi)容、教學(xué)模式、多媒體教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)建設(shè)和考核方式等方面進(jìn)行了一些教學(xué)探索和實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生上課積極性明顯提高。學(xué)生評(píng)教結(jié)果表明，學(xué)生對(duì)該課程授課教師的滿意程度也大大提高。

工業(yè)催化；教學(xué)探索；教學(xué)實(shí)踐

《工業(yè)催化》課程是化工類方向?qū)W生的必修課程。目前，現(xiàn)代燃料工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)，80%以上采用催化過(guò)程。該課程有較強(qiáng)的應(yīng)用性，催化理論和化工實(shí)踐并重，教學(xué)目的是使學(xué)生系統(tǒng)地掌握工業(yè)催化的基本概念、基本原理、基本方法及技巧，了解催化劑設(shè)計(jì)、測(cè)試和表征的一般知識(shí)和規(guī)律，熟悉催化劑性能的評(píng)價(jià)方法和技術(shù)，為培養(yǎng)化工專業(yè)工程師提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[1-2]。然而在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，由于該課程與多門學(xué)科相互交叉、滲透和融合，且大多數(shù)學(xué)生沒(méi)有從事催化生產(chǎn)的實(shí)踐經(jīng)歷。如按照常規(guī)的教學(xué)方法進(jìn)行講解，學(xué)生難以把握相關(guān)的知識(shí)和理論，普遍反映該課程學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)習(xí)積極性普遍不高。針對(duì)上述問(wèn)題，我們?cè)谡n程內(nèi)容、教學(xué)模式、多媒體教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)建設(shè)和考核方式等方面進(jìn)行了一些教學(xué)探索和實(shí)踐。

1　整合更新內(nèi)容

隨著現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展，催化工藝及技術(shù)不斷更新。對(duì)這些新工藝及新技術(shù)的學(xué)習(xí)，對(duì)于學(xué)生能否成為高層次工程技術(shù)人才，能否勝任將來(lái)所從事的催化領(lǐng)域研究工作具有重要的理論指導(dǎo)意義[3]。

為了達(dá)到這一目標(biāo)，將《工業(yè)催化》教學(xué)內(nèi)容分為兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段講授催化和催化劑的基本定義、特征、催化原理、催化劑的失活和再生及諸多影響因素、催化劑的設(shè)計(jì)和制備、催化劑的活性評(píng)價(jià)與表征等。通過(guò)這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟練掌握催化原理和方法，對(duì)他們下一步閱讀專業(yè)文獻(xiàn)和從事研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；第二個(gè)階段講授本學(xué)科的新進(jìn)展。這部分教學(xué)為了更加直觀，多采用舉例方式進(jìn)行講解。如我們?cè)谥v述催化劑中毒時(shí)，就指出中毒現(xiàn)象的本質(zhì)是微量雜質(zhì)和催化劑活性中心的某種化學(xué)作用，形成沒(méi)有活性的物種，在氣固多相催化反應(yīng)中形成的是吸附絡(luò)合物。在合成氨中用的鐵系催化劑中，水和氧是毒物；石油化工行業(yè)中的催化重整、催化加氫都要使用催化劑(如Pt、Ni等)，而原料油品中往往含有微量硫、氮化合物會(huì)使催化劑中毒，給煉化過(guò)程帶來(lái)很大影響，因此在對(duì)油品催化前要進(jìn)行脫硫、脫氮處理。在講述固體酸催化劑這一部分時(shí)，強(qiáng)調(diào)分子篩是比液體酸更加環(huán)保的一種固體酸催化劑，它具有大的比表面積、規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的吸附性和離子交換性能。不僅可解決均相反應(yīng)帶來(lái)的問(wèn)題，而且無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，可在高溫范圍內(nèi)使用。如我們現(xiàn)在的洗衣粉中大都加入了A型分子篩，它起到軟化水質(zhì)和吸附污垢的作用。此外，更新和整合教學(xué)內(nèi)容時(shí)應(yīng)盡量與本校的研究特色和教師的研究方向相一致，著重選擇本院教師在研課題中與催化相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行講解，部分學(xué)生對(duì)此產(chǎn)生極大興趣，主動(dòng)要求提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行與催化劑制備相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作，從而增強(qiáng)了學(xué)生參與畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的主動(dòng)性。從課堂效果看，與其他偏離本校特色的催化內(nèi)容相比較，學(xué)生對(duì)該部分的學(xué)習(xí)更有興趣。

2　引入互動(dòng)教學(xué)模式

互動(dòng)式教學(xué)模式，就是通過(guò)營(yíng)造雙邊互動(dòng)的教學(xué)環(huán)境，在教學(xué)雙方平等交流探討的過(guò)程中，達(dá)到不同觀點(diǎn)碰撞交融，進(jìn)而激發(fā)教學(xué)雙方的主動(dòng)性和探索性[4]。教學(xué)過(guò)程不僅是教師向?qū)W生傳授知識(shí)的過(guò)程，同時(shí)也是學(xué)生主動(dòng)探索知識(shí)的過(guò)程。在實(shí)踐教學(xué)中，教師把學(xué)生分為若干組進(jìn)行討論分析。如在講授反應(yīng)類型中的自由基反應(yīng)時(shí)，教師首先提出一個(gè)問(wèn)題“自由基是不是催化劑？”，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，一部分學(xué)生認(rèn)為自由基是催化劑，理由是在一些反應(yīng)中加入自由基，可極大的加快反應(yīng)速率；另一部分學(xué)生持相反意見(jiàn)。最終，從催化劑的特點(diǎn)“反應(yīng)中不被明顯消耗的化學(xué)物質(zhì)”出發(fā)對(duì)其進(jìn)行辨別。自由基在反應(yīng)過(guò)程中相互發(fā)生碰撞或和其它中間物種結(jié)合生成穩(wěn)定的化合物，也就是在反應(yīng)中它被消耗掉。因此，自由基不屬于催化劑。同理，光、熱、電子及磁場(chǎng)等物理因素也不屬于催化劑。又如在講授主催化劑原材料的選擇時(shí)，提出一個(gè)問(wèn)題：在合成氨反應(yīng)中，從Fe、Os、Pd金屬中選擇哪一種作為催化劑最合適? 從而引出從吸附熱的數(shù)據(jù)去推斷催化劑活性的概念?；瘜W(xué)吸附是固體催化劑表面活化過(guò)程，吸附鍵太弱，不利于舊鍵的活化，而太強(qiáng)又不利于新鍵的生成，只有反應(yīng)氣體在催化劑表面上以適中的強(qiáng)度進(jìn)行化學(xué)吸附時(shí)，其催化活性才最好。學(xué)生在查找氣體在金屬上吸附數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析討論：Fe和Os因能使N2、H2發(fā)生離解吸附，它們是有效的合成氨催化劑；Pd對(duì)N2能發(fā)生物理吸附，卻不能發(fā)生化學(xué)吸附，因此不宜選作合成氨催化劑。通過(guò)這種師生間的雙向互動(dòng)交流，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解。

3　充分利用多媒體教學(xué)

講解微觀抽象的知識(shí)時(shí)，可以運(yùn)用圖表、實(shí)物模型、多媒體等直觀手段進(jìn)行形象化教學(xué)?！豆I(yè)催化》課程較為抽象，初次接觸的學(xué)生極不適應(yīng)。采用黑板板書等傳統(tǒng)方式講解催化劑結(jié)構(gòu)、微觀組成與其活性間的關(guān)系時(shí)，學(xué)生不易理解，且感覺(jué)乏味和枯燥。采用多媒體課件中的圖片、動(dòng)畫、錄像可有效解決這一問(wèn)題[5-6]。如在講解分子篩擇形催化時(shí)，教師利用多媒體手段制作分子篩吸附反應(yīng)物的動(dòng)畫。在動(dòng)畫中設(shè)計(jì)具有獨(dú)特孔道結(jié)構(gòu)物質(zhì)作為分子篩，分子篩外部形態(tài)各異的懸浮物質(zhì)作為反應(yīng)物。當(dāng)反應(yīng)物分子與分子篩接觸時(shí)，比分子篩孔徑小的反應(yīng)物可被吸附進(jìn)入分子篩孔道，和分子篩孔道內(nèi)大量的活性中心反應(yīng)；而比分子篩孔徑大的反應(yīng)物分子則不能被吸附進(jìn)入，只能和分子篩外表面少量的活性中心起作用。通過(guò)這種直觀的動(dòng)畫方式，使學(xué)生清晰了解到分子篩可以對(duì)反應(yīng)物進(jìn)行篩分，從而進(jìn)行選擇性催化。隨后，教師進(jìn)一步講解分子篩的類型，不同類型的分子篩具有不同的結(jié)構(gòu)，而不同結(jié)構(gòu)的分子篩具有不同的孔徑尺寸，因而具有不同的催化性能。在對(duì)多相催化進(jìn)行講解時(shí)，可先通過(guò)動(dòng)畫生動(dòng)演示多相催化的七個(gè)步驟，讓學(xué)生認(rèn)真觀察、分析討論，最后由教師作出總結(jié)歸納。這種多媒體教學(xué)方法，使原來(lái)枯燥的講述變得直觀生動(dòng)，加深學(xué)生對(duì)課程的記憶，同時(shí)也可減少教學(xué)時(shí)數(shù)，提高教學(xué)質(zhì)量。

4　實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)

《工業(yè)催化》課程理論和實(shí)踐聯(lián)系非常緊密，通過(guò)該課程

可使學(xué)生掌握催化劑的制備方法及其設(shè)計(jì)程序，然而對(duì)它的實(shí)際制備往往令學(xué)生感到棘手。這是因?yàn)閷W(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，理論和實(shí)際相脫節(jié)。因此，為了解決這一問(wèn)題，可充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，在教師指導(dǎo)下組織學(xué)生親自制備幾種催化劑。在實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生對(duì)所學(xué)到的理論知識(shí)進(jìn)行充分吸收消化[7]。此外，鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目開(kāi)展畢業(yè)論文工作，如我校2012和2013級(jí)化工專業(yè)學(xué)生參與教師科研課題—— “新型催化接觸式膜反應(yīng)器的制備及性能研究”、“摻雜金屬離子X(jué)沸石烯烴環(huán)氧化高穩(wěn)定性催化劑制備研究”。通過(guò)參與項(xiàng)目研究，學(xué)生們?cè)诖呋瘎┰O(shè)計(jì)、催化劑性能測(cè)試和表征、專業(yè)文獻(xiàn)查閱、數(shù)據(jù)分析和撰寫論文等方面得到全方位的鍛煉，最終發(fā)表論文數(shù)篇，其中兩篇被SCI收錄。如果條件容許，還可以組織學(xué)生去催化劑制備工廠參觀和短時(shí)間學(xué)習(xí)，進(jìn)一步深化他們對(duì)催化劑生產(chǎn)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)課程相關(guān)理論知識(shí)的理解。

5　改革考核方式

《工業(yè)催化》課程以敘述為主，知識(shí)點(diǎn)比較分散。傳統(tǒng)的筆試考核方式不能全面反映學(xué)生對(duì)該課程的掌握程度，容易導(dǎo)致部分學(xué)生平時(shí)不注意聽(tīng)課，考試前抱佛腳、死記硬背，不利于課程教學(xué)質(zhì)量的提高?；谶@種情況，我們改革了考核辦法，即閉卷考試、學(xué)生進(jìn)行課堂教學(xué)兩者相結(jié)合的方式評(píng)定學(xué)生的成績(jī)。實(shí)施如下：(1)筆試占50%。重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用能力，試卷命題側(cè)重于案例分析。(2)課堂教學(xué)成績(jī)占50%。教師將學(xué)生分組，學(xué)生自主選一知識(shí)點(diǎn)，自主查閱資料，然后做成PPT在課堂上演示講解，讓學(xué)生從教師的角度嚴(yán)格組織一次限時(shí)課堂教學(xué)，教師再根據(jù)PPT內(nèi)容豐富程度、條理性、系統(tǒng)性等幾個(gè)方面給學(xué)生評(píng)定成績(jī)。每次演示后，師生要相互提問(wèn)，教師對(duì)提出有深度問(wèn)題的同學(xué)予以加分。采用這種考核方式，學(xué)生帶著任務(wù)去主動(dòng)查閱資料，使他們對(duì)知識(shí)的理解更為深刻。同時(shí)在這種相互競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境下，課堂氣氛非?；钴S。這種學(xué)習(xí)方式突出了學(xué)生的主導(dǎo)地位，培養(yǎng)了他們敢想、敢說(shuō)、敢做的勇氣，增強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)手的能力。

6　結(jié)　語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述教學(xué)實(shí)踐，收到了較好的教學(xué)效果，學(xué)生上課積極性明顯提高，一些學(xué)生主動(dòng)要求提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室從事與催化研究相關(guān)的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)。同時(shí)學(xué)生評(píng)教結(jié)果表明，學(xué)生對(duì)該課程授課教師的滿意程度也大大提高。

[1]李湘,郭海福,梁巧榮,等.化工類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式[J].廣東化工,2010,37(3):233-234.

[2]童張法,栗海鋒,文衍宣,等.強(qiáng)化工程實(shí)踐的化工類應(yīng)用型人才培養(yǎng)探索[J].化工高等教育,2008 25(6):43-46.

[3]楊明平,曾堅(jiān)賢,申少華.創(chuàng)新應(yīng)用型化學(xué)化工類人才培養(yǎng)體系的研究與實(shí)踐[J].廣州化工,2015,43(6):173-175.

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Teaching Exploration and Practice ofIndustrialCatalysis*

ZHANGXu，XUJing-li,SUNGuo-fu

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Xuchang University, Henan Xuchang 461000, China)

TheIndustrialCatalysiscourse was regarded as the research target. In terms of the teaching characteristics of this course, the training of new century high-quality chemical engineering talents was set as the goal, which will be helpful for the cultivating of undergraduate students to be having a good capability in the development, researching and using of catalyst. Some useful explorations and practices on teaching reform were made, including the course content, teaching mode, multimedia teaching, practice teaching construction and assessment method. Good teaching effects were obtained, and the initiative of students in the classroom increased obviously. The results of students evaluating teaching showed that the satisfaction degree of students also enhanced increasingly.

IndustrialCatalysis; teaching exploration; teaching practice

許昌學(xué)院教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目(02014012)。

張旭(1974-)，男，副教授，主要從事多相催化。

G642.0

A

1001-9677(2016)05-0199-02