淺談《工業(yè)催化》課程教學(xué)的改革與創(chuàng)新

王 芳

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042)

化工行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展程度已經(jīng)成為衡量國家工業(yè)化和現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。工業(yè)催化作為化工行業(yè)的重要技術(shù)組成部分，它的發(fā)展水平?jīng)Q定化工生產(chǎn)過程能否實(shí)現(xiàn)以及過程的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是否先進(jìn)?，F(xiàn)代化工生產(chǎn)過程提供的化學(xué)品中大約有85%是借助于催化過程生產(chǎn)的，可以說"沒有催化劑，就不可能建立現(xiàn)代的化學(xué)工業(yè)"。催化科學(xué)的研究和發(fā)展對化學(xué)工業(yè)乃至整個(gè)工業(yè)界技術(shù)的進(jìn)步都有著舉足輕重的作用，縱觀當(dāng)今的煉油工業(yè)、石化工業(yè)、環(huán)保工程乃至食品、制藥等工業(yè)工程中許多新反應(yīng)工藝、產(chǎn)品的開發(fā)，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化都與催化技術(shù)密切相關(guān)，作為工業(yè)催化理論和技術(shù)支撐的催化科學(xué)，在新工科背景下，對其教學(xué)目標(biāo)又有了新的要求。眾所周知，催化科學(xué)是建立在化學(xué)、材料、物理及化學(xué)工程等基礎(chǔ)學(xué)科上而又有著自己特點(diǎn)的應(yīng)用學(xué)科，該課程作為一門交叉學(xué)科，具有較強(qiáng)的綜合性、實(shí)踐性，課程內(nèi)容寬泛且理論性較強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大，如何能在有限的課程學(xué)時(shí)內(nèi)構(gòu)建新型課程結(jié)構(gòu)，高質(zhì)量完成教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，已成為高校課程教學(xué)中所亟需解決的問題。本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三個(gè)方面進(jìn)行改革探討，旨在改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，建立適宜于新工科背景下工程教育人才培養(yǎng)需求的新型教學(xué)體系。

1 探索升華教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

孔子說過：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”。興趣是學(xué)習(xí)最有效的驅(qū)動(dòng)力。這就需要教師在教學(xué)中傳遞知識(shí)的同時(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，正所謂“授之以魚不如授之以漁”，使學(xué)生參與其中掌握學(xué)習(xí)方法，享受到學(xué)習(xí)的樂趣，從而主動(dòng)去學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，更好的完成工業(yè)催化教學(xué)的任務(wù)[1-2]。這是提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的最有效的途徑。催化劑作為催化技術(shù)的核心，對催化工藝的發(fā)展具有舉足輕重的作用。新型催化劑的研發(fā)，不僅是新催化工藝誕生的源泉，也是技術(shù)飛躍的動(dòng)力。故本課程教學(xué)內(nèi)容的主線必將圍繞著催化劑來展開，對此我們基于以下三點(diǎn)對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革：一是要正確引導(dǎo)教學(xué)思路。這涉及到知識(shí)點(diǎn)的選擇問題。在教學(xué)大綱的范疇內(nèi)，盡量選取概括性程度較高、循序漸進(jìn)而又重點(diǎn)突出的知識(shí)，譬如可以現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中采用的催化劑和催化反應(yīng)為起點(diǎn)，從工藝、結(jié)構(gòu)、化學(xué)性能等角度分析影響其催化性能的眾多因素，結(jié)合相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的理論知識(shí)點(diǎn)來準(zhǔn)確、簡明的闡述其根本的原理和規(guī)律，從而充分認(rèn)識(shí)催化劑的作用和反應(yīng)機(jī)理，達(dá)到掌握基本知識(shí)和基本理論的目的，讓學(xué)生有效掌握教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)過程中，凡是教學(xué)內(nèi)容涉及到在化學(xué)工業(yè)發(fā)展史上具有里程碑式意義的催化劑，譬如合成氨催化劑、沸石分子篩催化劑等，在講述催化劑的結(jié)構(gòu)、性能的同時(shí)，還可以引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)資料，了解該類催化劑的研發(fā)史，這樣一方面可以拓寬學(xué)生的知識(shí)面，幫助學(xué)生充分理解該催化劑，增加求知欲，另一方面還能培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力及文獻(xiàn)查閱能力。二要注重理論聯(lián)系實(shí)際。絕大多數(shù)工業(yè)化學(xué)品的生產(chǎn)過程都涉及到催化劑，縱觀催化科學(xué)的發(fā)展史可以看出催化的快速發(fā)展離不開現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)需求的推動(dòng)，因此我們在課堂教學(xué)內(nèi)容的選取上需要立足工程背景，體現(xiàn)工科特色的同時(shí)，注重理工結(jié)合。以工程技術(shù)的觀點(diǎn)組織教材，在教學(xué)中融入工程技術(shù)背景，并將科學(xué)研究的方法和過程融合在課堂中。以與化工生產(chǎn)及人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的化工產(chǎn)品為切入點(diǎn)，引導(dǎo)并展開相關(guān)催化知識(shí)點(diǎn)探討，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)催化相關(guān)的知識(shí)的積極性，增強(qiáng)學(xué)生利用一定的化學(xué)知識(shí)去分析、解決工程實(shí)際問題的能力，推動(dòng)課堂教學(xué)的發(fā)展和質(zhì)量的提高。三是要做到與時(shí)俱進(jìn)。催化劑的作用就在于增加一個(gè)熱力學(xué)上可行的反應(yīng)的速度，使催化反應(yīng)按照一個(gè)新的、在能量上更有利的途徑進(jìn)行。因此催化反應(yīng)總是發(fā)生在一個(gè)特定的催化體系中，由于反應(yīng)物分子的不同、所用催化劑種類多的差別以及反應(yīng)條件的差異，使得催化作用可以按照不同的機(jī)理進(jìn)行。這就使催化這門科學(xué)無論在實(shí)際應(yīng)用中，還是在理論探討上，都有很豐富的研究內(nèi)容，并仍處于不斷發(fā)展之中。迄今為止，一個(gè)實(shí)用催化劑的研究與開發(fā)，仍然被認(rèn)為是一種“技藝”，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)來獲得。這是因?yàn)橐茖W(xué)地選擇催化劑，必須弄清許多基本問題，如活性中心是怎樣形成的？它在反應(yīng)過程中如何變化？解決這些問題需要多學(xué)科的知識(shí)，在實(shí)踐的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展和完善。在此大背景之下，對教師的催化專業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求，只有教師及時(shí)了解催化行業(yè)的相關(guān)研究進(jìn)展，并將其擴(kuò)充到課堂教學(xué)之中，才能使學(xué)生在感知最新的學(xué)科動(dòng)態(tài)的同時(shí)感受到學(xué)科科學(xué)技術(shù)的魅力，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2 豐富教學(xué)方法，提升教學(xué)質(zhì)量

教學(xué)方法作為傳授課程知識(shí)體系的手段，其科學(xué)與否直接關(guān)系到教學(xué)效果的好壞。高校的工業(yè)催化課程作為一門實(shí)踐性和理論性緊密聯(lián)系的課程，大部分學(xué)生缺乏化工生產(chǎn)實(shí)踐，造成理論和實(shí)踐脫節(jié)，傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)，不利于學(xué)生充分理解相關(guān)知識(shí)和理論。這樣不僅會(huì)降低學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味性、積極性，另一方面也不利于高品質(zhì)課堂教學(xué)的展開。因此，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，確保以能力培養(yǎng)為核心的教學(xué)理念的有效實(shí)施，迫切需要對傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行一定形式的改革和創(chuàng)新[3]。改變傳統(tǒng)教學(xué)模式中以教師為中心的格局，在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)學(xué)生的中心主體地位，充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動(dòng)性及創(chuàng)新性。(1)注重興趣式引導(dǎo)。在導(dǎo)入新知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，靈活運(yùn)用背景案例提出科學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的方法分析解決其中的技術(shù)難題，調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)[4]。如在講授用能帶理論來闡述過渡金屬催化劑電子因素與催化作用的關(guān)系時(shí)，首先介紹氨的工業(yè)合成發(fā)展史，繼而指出合成氨工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)催化劑，然后提出一個(gè)問題，鐵、鈷、鎳3種金屬哪一種最適合作合成氨反應(yīng)的主催化劑？從而引出理論知識(shí)點(diǎn)d帶空穴，通過對該概念的闡述，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用過渡金屬催化劑d帶空穴和催化活性的關(guān)聯(lián)關(guān)系來解決所提出的問題，進(jìn)而闡明能帶理論。(5)充分利用多媒體技術(shù)。本課程的課堂教學(xué)涉及大量的微觀抽象的知識(shí)點(diǎn)，這些知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)難度較大，若運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)手段，將一些看不見摸不著的結(jié)構(gòu)、理論等運(yùn)用實(shí)物模型、圖表、視頻等手段直觀的展示出來，搭建宏觀與微觀的橋梁，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，這樣不僅有助于理解,同時(shí)能激發(fā)學(xué)生積極討論探究，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。例如在介紹ZSM-5、X、MCM-41等沸石分子篩的結(jié)構(gòu)時(shí)，僅憑語言描述學(xué)生可能很難理解，如果教師利用多媒體手段將沸石分子篩的骨架結(jié)構(gòu)制作成三維動(dòng)畫，讓學(xué)生一邊觀察分子篩空間的結(jié)構(gòu)模型，一邊聽教師的講解，自然會(huì)加深該知識(shí)點(diǎn)認(rèn)識(shí)和理解。課后督促學(xué)生通過查閱資料，了解工業(yè)上常用沸石分子篩的結(jié)構(gòu)單元及類型，了解分子篩的結(jié)構(gòu)與其催化性能之間的關(guān)系，加強(qiáng)學(xué)生對沸石分子篩的重視。三、案例教學(xué)。本課程的應(yīng)用性很強(qiáng)，若學(xué)生有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將有助于相關(guān)理論知識(shí)的理解,而工廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏, 必然導(dǎo)致理論和實(shí)際脫節(jié)，造成理解深度不夠，故教學(xué)中要盡可能多的融入實(shí)踐案例。選取在工業(yè)催化學(xué)科的發(fā)展史上具有代表性和典型性的催化劑案例，譬如以在石油煉化發(fā)展史上有劃時(shí)代意義的稀土沸石分子篩裂化催化劑為研究和學(xué)習(xí)的對象，組織學(xué)生交流提問，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)案例中涉及的有關(guān)原理、物化性質(zhì)等問題，激發(fā)學(xué)生討論油品裂化催化的構(gòu)效關(guān)系、反應(yīng)機(jī)理、失活機(jī)理及稀土元素對裂化催化劑催化性能的影響因素，分析當(dāng)前裂化催化劑的種類、結(jié)構(gòu)、合成工藝等，從中提煉出解決問題的方案及涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。在這過程中教師一定要注意引導(dǎo)學(xué)生樹立工程意識(shí)，在運(yùn)用催化基本原理、技術(shù)等相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)解決問題時(shí)，需要綜合考慮該技術(shù)的可行性，評價(jià)其在生產(chǎn)操作中的安全性和經(jīng)濟(jì)性。四、推進(jìn)互動(dòng)式教學(xué)。強(qiáng)調(diào)學(xué)生在課堂教學(xué)中的主體地位，通過相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置討論題，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)內(nèi)容和案例，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題，每小組派一名學(xué)生將解決問題的方案通過多媒體課件形式展示給大家，在這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要通過調(diào)研和文獻(xiàn)查閱來收集信息，瀏覽信息的過程中自然而然的了解了相關(guān)研究進(jìn)展及技術(shù)研發(fā)前景，在準(zhǔn)備多媒體課件過程中，還需結(jié)合課程知識(shí)整合資料做到融會(huì)貫通，這樣不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性及課堂參與意識(shí)，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，有利于知識(shí)的理解，同時(shí)提高了學(xué)生的分析問題和解決問題的能力，體會(huì)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的重要性[5]。

3 多層次考核，激發(fā)能動(dòng)性

鑒于工業(yè)催化這門課程實(shí)踐性強(qiáng)，知識(shí)面較廣，且涉及的知識(shí)點(diǎn)多而散，傳統(tǒng)的閉卷考核方式不能科學(xué)全面的體現(xiàn)學(xué)生對該課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。為了更加系統(tǒng)的了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，提高學(xué)生的積極性及對課程的重視程度，可將傳統(tǒng)閉卷改為多層次的考核[6-7]。將單一筆試考核改為筆試與課堂討論、案例分享及調(diào)查研究報(bào)告等相結(jié)合的多層次考核方法來評定學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。具體實(shí)施如下:(1)筆試內(nèi)容(占60%)主要考核本課程教學(xué)大綱規(guī)定的要求學(xué)生熟練掌握的理論基礎(chǔ)知識(shí)。(2)將需要重點(diǎn)掌握的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)作為題目，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課堂討論，鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上將自己查閱文獻(xiàn)或調(diào)研得來的相關(guān)素材進(jìn)行講解演示，占20%。教師根據(jù)演示內(nèi)容的科學(xué)性、邏輯性等給予相應(yīng)打分。這種考核方式能夠有效激發(fā)學(xué)生的能動(dòng)性，并讓教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)，加以引導(dǎo)。(3)課堂互動(dòng)討論占10%。課堂講述過程中，針對授課重點(diǎn)與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)提問，一般為比較寬泛的題目，比如結(jié)合絡(luò)合催化劑的催化作用實(shí)例簡述絡(luò)合催化的一般原理，根據(jù)學(xué)生回答情況予以加分；另外，鼓勵(lì)學(xué)生就課堂知識(shí)進(jìn)行探討并提出疑問，并對提出有深度問題的同學(xué)予以加分，用此方法來增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考問題的積極性。(4)課后作業(yè)解答情況,占10%。完成課后作業(yè)的過程也是鞏固課堂所學(xué)知識(shí)的過程，并將平時(shí)作業(yè)計(jì)入課程總分，可提高學(xué)生對作業(yè)的重視,提高學(xué)習(xí)效果。

4 結(jié)語

為了使學(xué)生更好地掌握工業(yè)催化的相關(guān)知識(shí)，工業(yè)催化作為一門實(shí)踐性強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在課程教學(xué)中除了要注重催化相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的講解，應(yīng)融入當(dāng)今化工行業(yè)有代表性的新型催化材料、催化反應(yīng)體系、催化研究手段和表征技術(shù)等內(nèi)容，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的聯(lián)系，通過對有代表性的實(shí)例分析，引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)揮自主創(chuàng)新意識(shí)，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到化工單元操作過程中基本問題的解決，熟悉催化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向，為今后的工作打好基礎(chǔ)。同時(shí)，在今后長期的教學(xué)實(shí)踐中要不斷的完善和總結(jié)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)存在的問題，不斷進(jìn)行改進(jìn)和交流，借鑒并融合優(yōu)秀的的教學(xué)方法，提高課堂的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)。