催化化學(xué)線上線下混合式教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)踐*

龔 磊，黃喜根，劉 倩，黃長(zhǎng)干，胡嘉麒

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院，江西 南昌 330045)

催化劑是提高化學(xué)反應(yīng)速度和控制反應(yīng)方向最有效的方法，催化劑及催化技術(shù)對(duì)現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程具有舉足輕重的作用[1]。催化化學(xué)課程是物理化學(xué)、工業(yè)催化及相關(guān)專業(yè)研究生一門極為重要的專業(yè)課，其內(nèi)容涵蓋廣泛，又與諸多前期課程(無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué))的知識(shí)點(diǎn)相互滲透，具有內(nèi)容多、知識(shí)點(diǎn)散、難度大等特點(diǎn)，且課時(shí)少(32學(xué)時(shí))，實(shí)踐性強(qiáng)。提高催化化學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，對(duì)研究生掌握專業(yè)知識(shí)，在有限課時(shí)內(nèi)增強(qiáng)實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)高層次創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)具有重要意義。

教學(xué)模式對(duì)研究生教學(xué)是十分重要的，好的教學(xué)模式應(yīng)該有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)，能促進(jìn)其掌握及運(yùn)用相關(guān)專業(yè)知識(shí)。對(duì)催化化學(xué)課程來(lái)說(shuō)，在有限的課時(shí)內(nèi)，單一的課堂講解模式難以激發(fā)研究生的學(xué)習(xí)興趣，并有效地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。目前，信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的融合已成為教育領(lǐng)域不可逆轉(zhuǎn)的潮流[2]，構(gòu)建催化化學(xué)研究生課程線上線下混合式教學(xué)模式，充分利用線上學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，將線上資源與線下課堂有機(jī)結(jié)合，必定會(huì)對(duì)研究生能力的培養(yǎng)，以及推動(dòng)同類研究生課程改革起到積極的促進(jìn)作用。

本課題組在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)與超星泛雅共建的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上自建了研究生催化化學(xué)線上課程，探索了混合式教學(xué)模式下線上線下課程內(nèi)容的設(shè)定、具體教學(xué)手段及結(jié)合方式，對(duì)我校物化專業(yè)2020級(jí)研究生教學(xué)班級(jí)進(jìn)行了線上線下混合式教學(xué)模式實(shí)踐，為類似課程混合式教學(xué)模式改革提供了參考。

1 合理規(guī)劃線上教學(xué)內(nèi)容

傳授知識(shí)是課程教學(xué)的主要目的之一。我?；瘜W(xué)相關(guān)專業(yè)的研究生催化化學(xué)課程共32學(xué)時(shí)，安排在第2學(xué)期講授，參考教材有科學(xué)出版社辛勤主編的《現(xiàn)代催化化學(xué)》、《現(xiàn)代催化研究方法新編》，大連理工大學(xué)出版社王桂茹主編的《催化劑與催化作用》以及化學(xué)工業(yè)出版社黃仲濤主編的《工業(yè)催化》等，其內(nèi)容繁多，包括酸堿、金屬、過渡金屬氧(硫)化物、絡(luò)合物等幾大類催化劑的催化作用和原理，及催化劑表征技術(shù)等。為在有限課時(shí)內(nèi)突出重點(diǎn)，根據(jù)線上學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，首先對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行梳理、整合及分類，制作適宜線上學(xué)習(xí)的教學(xué)素材。

1.1 教學(xué)內(nèi)容整合并模塊化

催化化學(xué)的授課對(duì)象是研究生一年級(jí)的學(xué)生，這個(gè)階段的學(xué)生已對(duì)本專業(yè)的基礎(chǔ)課程無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、儀器分析、材料化學(xué)、化工原理等進(jìn)行了系統(tǒng)學(xué)習(xí)，前期專業(yè)課程已系統(tǒng)地講授了化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)鍵理論等涉及催化的基礎(chǔ)知識(shí)及表征手段，因此，首先對(duì)這部分內(nèi)容做適當(dāng)刪減，例如絡(luò)合催化中的晶體場(chǎng)理論，催化過程中的化學(xué)吸附、固體酸催化劑中的胺滴定法等。為便于學(xué)生學(xué)習(xí)與記憶，線上教學(xué)內(nèi)容往往具有碎片化的特點(diǎn)，即課程內(nèi)容模塊化，知識(shí)點(diǎn)碎片化[3]。為適應(yīng)線上學(xué)習(xí)特點(diǎn)，將教材內(nèi)容以催化劑與催化機(jī)理為主線，分為若干個(gè)模塊：酸堿催化劑、金屬催化劑、過渡金屬氧化物/半導(dǎo)體催化劑、絡(luò)合催化劑，及其催化作用過程的基本機(jī)理及基本規(guī)律，各知識(shí)模塊再細(xì)分為知識(shí)單元(內(nèi)含1～2個(gè)知識(shí)點(diǎn))。整合后的教學(xué)內(nèi)容不脫離大綱要求，知識(shí)體系完整，突出了催化基本概念與催化共性規(guī)律。

1.2 模塊內(nèi)知識(shí)單元分類

現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)將知識(shí)分為陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)，這兩類知識(shí)的獲得、保持與激活等有顯著差異[4]，陳述性知識(shí)可直接獲得，屬于習(xí)得型知識(shí)，適用于線上教學(xué)，而程序性知識(shí)需要反復(fù)練習(xí)才能掌握，適用于線下課堂教學(xué)。對(duì)各知識(shí)模塊內(nèi)的知識(shí)單元按上述分類劃分，分別采用合適的教學(xué)方式。以絡(luò)合催化劑及催化作用模塊為例，絡(luò)合催化劑的應(yīng)用、成健作用及絡(luò)合反應(yīng)等需直接記憶的知識(shí)屬于陳述性知識(shí)，絡(luò)合催化反應(yīng)的關(guān)鍵步驟、空位的形成、反應(yīng)物的活化及催化機(jī)理等需要練習(xí)及講解的知識(shí)屬于程序性知識(shí)，各知識(shí)單元的具體分類如圖1所示，針對(duì)兩類知識(shí)單元的特點(diǎn)分別采用不同教學(xué)方式。

圖1 絡(luò)合催化劑及催化作用模塊知識(shí)單元分類及教學(xué)方式

2 混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)

線上線下教學(xué)如何結(jié)合起來(lái)并沒有一個(gè)統(tǒng)一的范本，根據(jù)催化化學(xué)課程性質(zhì)，確定線上與線下教學(xué)課時(shí)比例為2:8，后續(xù)可根據(jù)運(yùn)行效果進(jìn)行調(diào)整。

2.1 線上課程建設(shè)與教學(xué)

各知識(shí)點(diǎn)分類后，將適合線上學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)制作成便于學(xué)生自學(xué)的素材，主要形式有電子講稿、PPT、文獻(xiàn)、視頻素材等，并根據(jù)所學(xué)內(nèi)容設(shè)置線上提問、知識(shí)點(diǎn)討論及測(cè)試測(cè)驗(yàn)等環(huán)節(jié)。根據(jù)教學(xué)計(jì)劃，課前布置學(xué)習(xí)任務(wù)及相關(guān)環(huán)節(jié)，由學(xué)生自主根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)完成觀看、學(xué)習(xí)，并參加線上討論環(huán)節(jié)，完成課堂練習(xí)及測(cè)試等。教師及時(shí)觀察線上學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，積極互動(dòng)，并答復(fù)討論區(qū)的各種疑問。線上學(xué)習(xí)具有隨時(shí)性、便利性，有助于學(xué)生自我規(guī)劃及自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

2.2 線下教學(xué)組織實(shí)施

催化化學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，因此，線下課堂教學(xué)依然是不或缺的環(huán)節(jié)。結(jié)合線上教學(xué)內(nèi)容，線下教學(xué)建立以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，著力于研究生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。案例教學(xué)法(case-based learning，CBL)是以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，教師圍繞相關(guān)實(shí)例組織學(xué)生進(jìn)行分析、討論、總結(jié)的一系列教學(xué)活動(dòng)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生代入感強(qiáng)，利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力[5]。如講解金屬氧化物催化劑氧化還原機(jī)理時(shí)，以丙烯催化氧化反應(yīng)為案例[6]，討論催化劑中晶格氧是直接參與氧化反應(yīng)，還是反應(yīng)氣中的氧物種直接吸附在催化劑上與丙烯反應(yīng)。那么如何驗(yàn)證呢？以復(fù)合金屬氧化物MoO3-BiO3為催化劑，其中O為16O，反應(yīng)氣中的O2選擇其同位素18O2，檢驗(yàn)反應(yīng)產(chǎn)物丙烯醛中的O是16O還是18O，如是16O，證明晶格氧參與了氧化反應(yīng)過程，提供了O物種，如是18O，則說(shuō)明催化劑中的晶格氧不參與氧化反應(yīng)過程，催化劑只提供吸附位。這時(shí)告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果，產(chǎn)物丙烯醛中的O為16O，證明金屬氧化物中的晶格氧參與了氧化反應(yīng)。并且，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，18O也出現(xiàn)在產(chǎn)物丙烯醛中，說(shuō)明反應(yīng)氣中的18O2能轉(zhuǎn)變成晶格氧，由此導(dǎo)出Mars-Van-Krevelen氧化還原機(jī)理。

另外，催化化學(xué)與當(dāng)前諸多熱點(diǎn)領(lǐng)域如納米材料、環(huán)境污染治理、能源存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化等都密切相關(guān)，研二的學(xué)生已經(jīng)接觸過導(dǎo)師的科研項(xiàng)目，對(duì)科研前沿問題也有濃厚的興趣，因此還可以根據(jù)前述知識(shí)模塊，結(jié)合教師科研項(xiàng)目，選取具有前沿性、且切合學(xué)習(xí)催化基礎(chǔ)知識(shí)的研究案例。如學(xué)習(xí)金屬氧化物催化劑/催化作用模塊時(shí)，以CuO催化劑在富氫條件下催化氧化CO(CO-PROX)的研究為案例，提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，引導(dǎo)學(xué)生思考催化劑測(cè)試、表征、設(shè)計(jì)等一系列問題，更好地理解、掌握相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。首先介紹研究背景，燃料電池以氫氣為燃料，可高效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，在移?dòng)能源應(yīng)用方面極具市場(chǎng)前景。目前大規(guī)模工業(yè)制取的氫氣中不可避免地含有少量的CO，由于CO會(huì)使燃料電池中的Pt電極中毒，導(dǎo)致電池失效，因此有必要去除，CO-PROX反應(yīng)是最經(jīng)濟(jì)有效的去除方式之一。CO完全氧化在沒有催化劑的條件下需要的溫度可以理論計(jì)算，再給出CuO催化劑用于CO-PROX反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)得到，過渡金屬氧化物催化劑(如CuO)可以使其溫度范圍降至200～300 ℃。但循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)表明CuO催化劑的可循環(huán)性差，這是因?yàn)镃uO還原后易變成Cu0，成為H2的氧化活性中心，且燃料電池的最佳溫度范圍在80 ℃左右，那么如何解決這個(gè)問題，并進(jìn)一步降低CO的完全氧化溫度？此時(shí)引入助催化劑及載體的作用知識(shí)點(diǎn)。結(jié)合先前的研究[7]，得出幾種金屬氧化物作為載體都有助催化作用，那么何種載體更合適呢？研究結(jié)果表明，CeO2載體在幾種載體中效果最好，引導(dǎo)學(xué)生思考為什么？利用哪些表征可以深層揭示CuO催化劑與CeO2載體的相互作用？經(jīng)過引導(dǎo)思考，培養(yǎng)學(xué)生的推理能力及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。此時(shí)在平臺(tái)布置閱讀線上文獻(xiàn)任務(wù)。催化劑的制備方法有多種，文獻(xiàn)中的制備條件也各不相同，那么制備方法及制備條件對(duì)催化劑的性能有沒有影響呢？從本質(zhì)上說(shuō)影響的是什么呢？引導(dǎo)同學(xué)通過查閱文獻(xiàn)探討金屬氧化物催化劑有哪些制備方法，制備條件應(yīng)如何控制，制備方法及條件如何影響金屬氧化物催化劑的物理化學(xué)性質(zhì)，從而更深刻地理解Mars-Van-Krevelen催化機(jī)理。如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些性質(zhì)對(duì)催化性能有什么樣的影響，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。通過上述學(xué)習(xí)進(jìn)行催化劑設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)提出方案，再共同分析方案的可行性，由此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力及科研思辨能力。案例教學(xué)設(shè)計(jì)如圖2所示。通過科研案例的剖析，不但使學(xué)生理解、掌握了課程內(nèi)容，而且培養(yǎng)了學(xué)生的分析、思辨及創(chuàng)新實(shí)踐能力，使線下課程教學(xué)設(shè)計(jì)符合“兩性一度”的要求，即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度，努力達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力和高級(jí)思維的目標(biāo)[8]。

圖2 線下教學(xué)金屬氧化物催化劑及催化作用(案例教學(xué)法)教學(xué)設(shè)計(jì)示意圖

3 教學(xué)效果分析

效果評(píng)價(jià)旨在評(píng)估教學(xué)改革的效果并發(fā)現(xiàn)存在的問題，為進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)模式提供參考。本研究對(duì)2020級(jí)物化專業(yè)研究生進(jìn)行了催化化學(xué)課程線上線下混合式教學(xué)實(shí)踐，結(jié)束后進(jìn)行了效果評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)由兩部分組成，一是成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)，學(xué)習(xí)過程考核占總成績(jī)的30%，由在線學(xué)習(xí)記錄自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，包括視頻及資料觀看(20分)、章節(jié)習(xí)題(30分)、在線時(shí)長(zhǎng)(20分)、討論(30分)等，課程結(jié)束后開卷考試成績(jī)占總成績(jī)的70%，題目類型有選擇、填空，及為選定反應(yīng)設(shè)計(jì)催化劑并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，主要考察學(xué)生掌握知識(shí)程度和解決實(shí)際問題的能力。對(duì)比采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的2019級(jí)化學(xué)專業(yè)研究生，2020級(jí)研究生催化化學(xué)考試成績(jī)平均分更高，課程結(jié)束后一學(xué)期內(nèi)，揭同學(xué)發(fā)表催化方向SCI研究論文1篇[9]。二是學(xué)生的主觀評(píng)價(jià)，由調(diào)查問卷及訪談構(gòu)成。調(diào)查問卷共十題，訪談時(shí)間1 h，涉及平臺(tái)、線上教學(xué)資源、線下課堂及教學(xué)模式評(píng)價(jià)，學(xué)生基本給予正面評(píng)價(jià)，表明這一混合式教學(xué)模式得到學(xué)生的認(rèn)可，但也存在以下一些問題。在線學(xué)習(xí)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)及平臺(tái)會(huì)出現(xiàn)各種問題，如網(wǎng)絡(luò)不佳、平臺(tái)穩(wěn)定性欠佳等；在線學(xué)習(xí)質(zhì)量不高，學(xué)習(xí)時(shí)間、地點(diǎn)雖然靈活，但更易受周圍環(huán)境影響；單純追求在線學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)沒有意義，刷視頻資料等即可加長(zhǎng)在線學(xué)習(xí)時(shí)間，但沒有起到實(shí)際效果；線上討論環(huán)節(jié)不如課堂面對(duì)面討論效率高；混合式教學(xué)模式較傳統(tǒng)教學(xué)模式并未節(jié)省時(shí)間，師生都需花費(fèi)更多時(shí)間在課程學(xué)習(xí)與教學(xué)上。因此，需進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)素材，提高線上教學(xué)質(zhì)量，具體指導(dǎo)及監(jiān)督學(xué)生做好線上學(xué)習(xí)任務(wù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

教學(xué)模式改革是提高課程質(zhì)量的手段之一。線上教學(xué)與線下教學(xué)各有優(yōu)勢(shì)，線上教學(xué)素材豐富、時(shí)間靈活，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，充分培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，線下面對(duì)面可與學(xué)生實(shí)時(shí)互動(dòng)，進(jìn)行深度教學(xué)。我們催化化學(xué)課程組依據(jù)課程特點(diǎn)及線上線下教學(xué)的各自優(yōu)勢(shì)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了整合、分類，構(gòu)建并實(shí)踐了線上線下混合式教學(xué)模式，該模式以學(xué)生為本，使學(xué)生更好地掌握了催化化學(xué)相關(guān)知識(shí)，同時(shí)注重學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，研究生培養(yǎng)質(zhì)量得到提升。