催化原理課程的思政教學(xué)研究

尚亞靖，韓小茜

(蘭州交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

“立德樹人”是教育之根本[1]。高等教育作為培養(yǎng)大學(xué)生的主要陣地，肩負(fù)著重大的使命。只有深入探索 “課程思政”教學(xué)規(guī)律，加強知識傳授與價值引領(lǐng)的有機融合，才能在潛移默化中實現(xiàn)立德樹人。

催化原理課作為應(yīng)用化學(xué)的專業(yè)必修課，以現(xiàn)代工業(yè)催化技術(shù)使用的催化劑與催化反應(yīng)為背景，著重介紹工業(yè)催化中所涉及的基本理論、核心概念，了解工業(yè)催化劑的設(shè)計和制備過程，分析解決催化技術(shù)問題。而催化技術(shù)在人類社會的發(fā)展和進步中起著舉足輕重的作用，90%以上的化工過程都與催化作用有關(guān)，與人類發(fā)展所面臨的能源、資源、健康、環(huán)保等問題密切相關(guān)[2-4]。這為實施課程思政教育提供了豐富的素材。因此，我們對思政案例融入催化原理課程教學(xué)進行了探索。

1 重構(gòu)課程目標(biāo)

教育的終極目標(biāo)是育人。專業(yè)課程教學(xué)不僅僅是知識的傳授和技能的培養(yǎng)，還承載著德育的重?fù)?dān)。為此，我們對催化原理的課程目標(biāo)從知識掌握、技能提升、價值引領(lǐng)三個方面進行了重新定位。

1.1 知識目標(biāo)

從催化反應(yīng)及其作用機理出發(fā)，研究催化劑結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，從微觀角度分析催化劑組成、制備方法等對催化性能的影響；分析設(shè)計性能優(yōu)越催化方案中，能夠考慮催化性能與經(jīng)濟效益之間的關(guān)系，體現(xiàn)新能源、新工藝、環(huán)境友好型新技術(shù)等思想。

1.2 能力目標(biāo)

整合、運用所學(xué)催化原理基本理論知識和技術(shù)，學(xué)習(xí)分析、解決催化技術(shù)實際應(yīng)用中的相關(guān)問題；自覺跟蹤國內(nèi)和國際催化科技領(lǐng)域的最新研究進展及趨勢；明確催化技術(shù)對社會可持續(xù)發(fā)展的影響；提升自主學(xué)習(xí)能力和團隊協(xié)作精神。

1.3 情感目標(biāo)

激發(fā)求知欲望，建立專業(yè)學(xué)習(xí)信心；增強環(huán)保、科技強國理念，強化社會責(zé)任感，展現(xiàn)家國情懷；樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。

2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

以下根據(jù)教學(xué)模塊的具體內(nèi)容，詳細(xì)分析可融的入思政元素，制定所要達成的教學(xué)目標(biāo)。

2.1 緒論部分

2.1.1 教學(xué)目標(biāo)

明確課程整體學(xué)習(xí)的綱要，梳理知識網(wǎng)絡(luò)；激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，明確催化學(xué)科的研究內(nèi)容、研究方法及其在社會發(fā)展中的作用和地位。

2.1.2 思政元素

培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，強化社會責(zé)任感，提升人文素養(yǎng)，樹立正確的價值觀。

2.1.3 課程內(nèi)設(shè)計

催化在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程中具有舉足輕重的作用，目前世界95%以上的化工產(chǎn)品和新工藝的開發(fā)離不開催化劑。

(1)以身邊熟知的實例拉近課程內(nèi)容與學(xué)生的距離，強調(diào)課程的實際應(yīng)用性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣。如：蘭化研究院的認(rèn)識實習(xí)—催化劑的制備、評價和小試車間的參觀—樹立科技強國意識。

(2)催化領(lǐng)域人物介紹(中國催化劑之父閔恩澤院士、張大煜、聶紅、劉化章等)，從歷史長河的視角看待榜樣的力量—提升人文素養(yǎng)和專業(yè)興趣。

(3)觀看英國電影《倫敦上空的鷹》，讓同學(xué)們通過影片震撼的故事了解到在二戰(zhàn)中英國使用經(jīng)催化裂化工藝制成的“烷基化”新型航空汽油(飛機的加速性提升50%)，為贏得“不列顛之戰(zhàn)”奠定勝利的基礎(chǔ)。使學(xué)生對催化化學(xué)的重要性留下深刻印象，提升同學(xué)們的專業(yè)榮譽感。

2.2 催化作用原理及催化體系的建立

2.2.1 教學(xué)目標(biāo)

通過學(xué)習(xí)催化劑與催化作用的基本理論和基礎(chǔ)知識，學(xué)生能夠從催化反應(yīng)及其作用機理出發(fā)，研究催化劑結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，從微觀的角度探討催化劑組成、催化性能的關(guān)系，培育嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、學(xué)術(shù)精神。

2.2.2 思政元素

培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提升人文素養(yǎng)，樹立正確的價值觀。

2.2.3 課程內(nèi)設(shè)計

(1)吸附理論：火山型曲線，中等吸附的催化活性最佳—中國人的處世之道—中庸之道—樹立正確的價值觀；張大煜先生發(fā)展“表面鍵理論”的艱辛歷程—社會責(zé)任感、無私奉獻精神；吸附態(tài)決定最終催化產(chǎn)物—尋求化學(xué)現(xiàn)象中的本質(zhì)原因，體驗“態(tài)度決定一切”的哲學(xué)精神。

(2)催化作用特征：催化劑只改變熱力學(xué)上可行的化學(xué)反應(yīng)—遵循自然規(guī)律，事物發(fā)展過程內(nèi)因是決定因素；催化劑同等程度加速正逆反應(yīng)速率，但實際工業(yè)上催化正反應(yīng)、逆反應(yīng)時往往選用不同的催化劑—具體問題具體分析；催化劑通過改變化學(xué)反應(yīng)途徑加速反應(yīng)速率—改弦易轍，另辟蹊徑；催化劑的活性并非越快越好—辯證地看待問題。

(3)比表面積的測定：傅鷹先生提出了測定固體粉末比表面積的方法和公式，比經(jīng)典的BET吸附法早了整整八年—家國情懷，創(chuàng)新精神。

(4)催化學(xué)科與催化理論的發(fā)展、更新：感悟?qū)W科事業(yè)的與時俱進，理論創(chuàng)新與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度缺一不可。

2.3 催化體系及其工業(yè)應(yīng)用

2.3.1 教學(xué)目標(biāo)

掌握催化中心與催化活性、選擇性的關(guān)系以及活性中心的調(diào)變，能夠分析工業(yè)催化實際應(yīng)用中的的影響因素，考慮催化性能與經(jīng)濟效益之間的關(guān)系，學(xué)會運用辯證思維及工程思維方式，進行評價，自覺跟蹤國內(nèi)和國際催化科技領(lǐng)域的最新研究進展及趨勢。

2.3.2 思政元素

強調(diào)職業(yè)精神、綠色環(huán)保理念、科技興國意識和社會責(zé)任感。

2.3.3 課程內(nèi)設(shè)計

(1)金屬催化劑及其工業(yè)應(yīng)用：合成氨催化劑(諾貝爾化學(xué)獎)、我國劉化章教授的Fe1-xO基氨合成催化劑—奉獻精神、工匠精神，社會責(zé)任；神華集團煤直接變油催化劑—超細(xì)水合鐵系催化劑—科技強國，創(chuàng)新精神；費托合成催化劑(諾貝爾化學(xué)獎)—社會責(zé)任；閔恩澤院士研發(fā)創(chuàng)新并建成了百噸級非晶態(tài)鎳生產(chǎn)裝置，取代了進口雷尼鎳催化劑—創(chuàng)新精神；張濤院士提出了“單原子催化”概念，揭開了催化領(lǐng)域的新前沿—創(chuàng)新精神，家國情懷；中石化自主研發(fā)的YS-8840低銀含量高選擇性催化劑，標(biāo)志著國產(chǎn)YS系列銀催化劑踏入國際競爭新賽道—強國意識，創(chuàng)新精神。

(2)酸堿催化劑及其應(yīng)用：酸堿催化劑從液態(tài)到固態(tài)再到分子篩的發(fā)展歷程—科學(xué)創(chuàng)新、社會責(zé)任；我國研制成功的全球首套煤制烯烴(MTO)、煤制乙醇工藝技術(shù)，采用硅磷鋁非沸石分子篩(簡稱SAPO-34分子篩)—科技強國；中國石油化工研究院開發(fā)的介孔分子篩成套技術(shù)在中國石油蘭州石化公司120萬t/a重油催化裂化裝置成功應(yīng)用，表明中國石油石油化工研究院介孔分子篩技術(shù)應(yīng)用水平走在世界前列—綠色、環(huán)保、科技強國。

(3)綠色催化：美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎—綠色、環(huán)保、創(chuàng)新；李燦院士及蘭州建成全球首套液態(tài)太陽燃料合成示范項目，項目達產(chǎn)后可每年生產(chǎn)“液態(tài)陽光”甲醇1440 t—催化名家事跡、探索精神、創(chuàng)新精神；浙大侯陽研究員開發(fā)的廉價催化劑—單原子OER催化劑，用于水裂解制備氫氣—綠色環(huán)保，科技前沿；大連化學(xué)物理研究所包信和團隊首次提出合成氣直接轉(zhuǎn)化制低碳烯烴OX-ZEO—綠色環(huán)保，研究前沿；2021年諾貝爾化學(xué)獎—利用小有機分子實現(xiàn)不對稱催化—科學(xué)前沿。

(4)催化前沿：關(guān)注我國創(chuàng)辦的優(yōu)秀期刊Chinese Journal of Catalysis(《中國催化學(xué)報》)，了解催化學(xué)科的發(fā)展方向和學(xué)科前沿；關(guān)注張之翔教授率領(lǐng)的西安凱立新材料股份有限公司及其產(chǎn)品。

2.4 催化劑的制備與使用

2.4.1 教學(xué)目標(biāo)

掌握各種催化劑制備方法，催化劑的失活與活化；培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力，分析問題、解決問題能力。

2.4.2 思政元素

強調(diào)職業(yè)道德、科學(xué)精神和社會責(zé)任感。

2.4.3 課程內(nèi)設(shè)計

(1)催化劑制備：不同制備方法可制備出組成相同而結(jié)構(gòu)不同的催化劑，致使催化性能大有不同—結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、尋求問題本質(zhì)原因。

(2)制備試劑的選擇：必須無毒、無環(huán)境污染。

3 充分挖掘思政元素

圍繞課程培養(yǎng)目標(biāo)，充分挖掘催化原理知識點相關(guān)的思政元素，基于國內(nèi)外化學(xué)界杰出人物、社會發(fā)展的實例以及社會熱點問題等話題，整合課程思政案例，探究在催化教學(xué)領(lǐng)域科學(xué)育人和思政育人的融合點，將 “知識傳授”和 “價值引領(lǐng)”有機統(tǒng)一。

3.1 融入辯證思維

解讀催化原理課程中“隱性”的辯證思維，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的思維方式和運用辯證法正確地看待、處理問題。

催化劑只能改變熱力學(xué)上可行的化學(xué)反應(yīng)，對一個熱力學(xué)不可能的反應(yīng)尋求催化劑是徒勞的。這說明事物變化發(fā)展的根本是內(nèi)因，外因只能通過內(nèi)因起作用。這一客觀規(guī)律給我們啟迪：只有樹立了明確的奮斗目標(biāo)并付諸于行動，周圍的優(yōu)質(zhì)資源才能發(fā)揮價值。催化劑加速化學(xué)反應(yīng)速率時，同等程度加速正、逆反應(yīng)速率，但實際工業(yè)上催化正反應(yīng)、逆反應(yīng)時往往選用不同的催化劑。這是因為實際工業(yè)過程中正、逆反應(yīng)所處的操作環(huán)境和副反應(yīng)有所不同，對催化劑的性能影響不同，引導(dǎo)學(xué)生具體問題具體分析。

再比如催化性能，工業(yè)角度強調(diào)原料和能源的充分利用，首先追求催化劑的選擇性，其次是穩(wěn)定性，最后是活性；而新工藝及其催化劑的開發(fā)，則首先追求高活性，再依次是選擇性和穩(wěn)定性；實際工業(yè)過程中，催化劑的活性也并非越快越好。告誡學(xué)生遇事一定要慎用慣性思維，不可人云亦云，要尋求問題的本質(zhì)，從根本上解決問題。

3.2 融入愛國情懷和社會責(zé)任

我國催化技術(shù)從零到今天的國際化先進水平，涌現(xiàn)出了許多新技術(shù)和領(lǐng)軍人物。這些優(yōu)秀實例在課堂的有機融入，激勵學(xué)生不畏艱難、敢于探索、堅持不懈、勇攀高峰，堅定科技興國、報效祖國的信念。

中國催化劑之父—閔恩澤，是我國煉油催化應(yīng)用科學(xué)的奠基人、石油化工技術(shù)自主創(chuàng)新的先行者、綠色化學(xué)的開拓者[5]。他是一位“半路出家”的世界級催化劑專家，秉著“國家要什么，我就做什么”的執(zhí)念，在我國的催化界作出了巨大貢獻。

催化劑的最大使用領(lǐng)域是煉油，即石油煉制過程80%以上需要采用催化技術(shù)，催化劑是煉油技術(shù)的“芯片”。20世紀(jì)50年代，石油煉制催化劑制造的核心機密掌握在美國人手中，我國煉油催化劑主要依靠前蘇聯(lián)進口。60年代初，中蘇關(guān)系惡化, 催化劑供應(yīng)中斷。為解決國內(nèi)航空汽油問題，經(jīng)歷重重難關(guān)剛從美國回國的閔恩澤臨危受命，擔(dān)起了重任。

閔恩澤憑著報效祖國的決心，和同事們在蘭州煉油廠經(jīng)過三個多月的奮戰(zhàn)，攻破層層技術(shù)難題，成功研制出性能超越進口催化劑的小球硅鋁催化劑，解決了我國煉油催化劑的燃眉之急。大慶油田的發(fā)現(xiàn)讓我國脫掉了貧油國的帽子。石油部指示，要將國產(chǎn)的大慶原油最大限度地轉(zhuǎn)化為石油產(chǎn)品，滿足國家的迫切需要。閔恩澤再次領(lǐng)命，研制出性能更優(yōu)異的微球硅鋁催化劑。在“文革”時期的特殊年代，他克服種種困難，仍然堅持科研，領(lǐng)導(dǎo)了多種催化劑的研制和開發(fā)，使我國煉油催化劑實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，趕上世界先進水平。他還潛心研究新催化材料和進軍綠色化學(xué)領(lǐng)域，為發(fā)展新中國的石油化學(xué)工業(yè)作出卓越貢獻。

3.3 融入人生哲理

人生哲理不是孤立存在的，而是孕育在自然界的事物之中。催化原理課程中也不乏這樣的范例。比如，吸附是催化反應(yīng)發(fā)生的必要環(huán)節(jié)，吸附的強度決定了催化性能的好壞，弱吸附和強吸附都不利于催化循環(huán)的建立。這讓人想到了，中國人在處世中推崇的“中庸”之道，“欲速則不達”“過猶不及”，個中道理無不如此。催化反應(yīng)能否得到預(yù)期的目標(biāo)產(chǎn)物，這取決于反應(yīng)物的化學(xué)吸附狀態(tài)，不同的化學(xué)吸附狀態(tài)得到的產(chǎn)物完全不同。條件、狀態(tài)，是化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的外在因素，這也非常形象地詮釋了“態(tài)度決定一切”的哲學(xué)原理。再比如，催化劑之所以能加速化學(xué)反應(yīng)速率是因為它改變了化學(xué)反應(yīng)的途徑，使得反應(yīng)的能壘降低了。在日常學(xué)習(xí)、工作和生活中，都可能遇到這樣或那樣的“大山”，不能就此止步不前，更不能只憑蠻力。有的時候及時轉(zhuǎn)換思想，“另辟蹊徑”，也許就能尋找到人生中的“柳暗花明”。

李燦院士，1980年從張掖師范專科學(xué)校(現(xiàn)河西學(xué)院)化學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)并留校工作。他一邊在基層踏實苦干，一邊仍懷揣夢想，繼續(xù)求學(xué)。后來他在中國科學(xué)院大連物化所攻讀了碩士、博士學(xué)位，并在催化領(lǐng)域奮勇前行，取得了崇高的成績。他的故事告誡同學(xué)，不能僅僅因為未進入心儀的大學(xué)或?qū)I(yè)，就耿耿于懷，或自暴自棄。只要立足腳下，堅定目標(biāo)，勇往直前，終能到達成功的彼岸。

哈伯是合成氨工業(yè)化的重要貢獻者，是解決世界糧食問題的科學(xué)天使。但在一戰(zhàn)期間，他親臨戰(zhàn)場指揮德軍實施毒氣戰(zhàn)，因此又被咒為戰(zhàn)爭惡魔?？梢娍萍际前央p刃劍。善惡一念間，如何使用，考驗著使用者的價值觀和道德底線。

化學(xué)是給人類帶來奇特幻想的科學(xué)，化學(xué)家千年來的無數(shù)成功案例啟示還有許多，教師在授課時要善于靈活運用那些真實的故事，鼓勵學(xué)生勇于勵志，奮進人生。

3.4 融入綠色理念

綠色、環(huán)保、低碳是人類社會發(fā)展的主旋律。催化劑作為化學(xué)工業(yè)的基石，有著義不容辭的責(zé)任。李燦院士提出了“液態(tài)陽光”，利用太陽能發(fā)電，將水電催化制得“綠氫”，然后以“綠氫”與空氣中捕獲的二氧化碳通過催化反應(yīng)制得甲醇。其團隊研發(fā)了高效生成甲醇的高活性的固溶體催化劑，并在蘭州建成了全球首套千噸級液態(tài)陽光合成的示范工程，在工業(yè)化裝置上實現(xiàn)千噸級/年綠色甲醇合成，甲醇選擇性達到98%，甲醇在有機相中含量達到99.5%。該項目提供了一條從可再生能源到綠色液體燃料生產(chǎn)的全新途徑。

基于“雙碳”目標(biāo)和我國能源所面臨的危機，我國推行煤變油項目，神華集團實施的世界第一個煤直接液化項目，采用了我國自主研發(fā)的863催化劑—超細(xì)水合鐵[6]。傳統(tǒng)的催化劑是一次可棄性催化劑—鐵礦石，但鐵礦石活性差，用量大，丟棄過程中帶走的油品多。團隊在人工合成方面進行努力，合成了納米級超細(xì)水合鐵，不僅用量少、活性高，而且油收率提高了5%。

4 優(yōu)化教學(xué)方法

課堂是開展知識傳授和課程思政的主戰(zhàn)場。如何實現(xiàn)專業(yè)教育和思政教育的無縫對接是關(guān)鍵。這要求老師必須根據(jù)學(xué)生特點和授課內(nèi)容優(yōu)化教學(xué)方法，使思政教育“如鹽溶湯”般入心。為此，在我們的教學(xué)實踐過程中，主要做到了三點：(1)思政點“短而精”。比如上文提到的“另辟蹊徑”“態(tài)度決定一切”“內(nèi)因是事物發(fā)展的決定因素”等。(2)以學(xué)生為中心，開展翻轉(zhuǎn)課堂。針對科學(xué)前沿、重大發(fā)明貢獻等思政點，老師用較短時間引入，學(xué)生在老師的指引下自己查閱催化名家的先進事跡和催化科學(xué)發(fā)展前沿，并進行簡短匯報(匯報以小組方式進行，一組3人)。學(xué)生通過自己查閱相關(guān)內(nèi)容，了解科學(xué)家發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的背景和科學(xué)家的傳奇經(jīng)歷，整理歸納后向同學(xué)們進行介紹，這不僅能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深學(xué)生對知識點的理解和記憶，而且從先賢前輩的奮斗經(jīng)歷中，了解科學(xué)探索之路的艱辛，提升其自身的科學(xué)探索精神和愛國情懷。同時，還提升了學(xué)生的溝通表達能力、團隊協(xié)作精神，促進了生生、師生之間的了解。(3)督促學(xué)生關(guān)注我國創(chuàng)辦的優(yōu)秀催化期刊—《Chinese Journal of Catalysis》(《中國催化學(xué)報》)和張之翔教授率領(lǐng)的西安凱立新材料股份有限公司及其產(chǎn)品，要求每組選擇一個催化劑案例進行講解。一方面促進了學(xué)生對催化技術(shù)研究方向和新領(lǐng)域的了解，另一方面使學(xué)生接觸到實際應(yīng)用的催化劑，拓寬學(xué)生的視野，堅定專業(yè)學(xué)習(xí)的信心。

5 結(jié)語

研究探索催化原理課程的思政建設(shè)，適應(yīng)教書育人和立德樹人的時代需求。在實際教學(xué)過程中，探索得了一些成功的經(jīng)驗。當(dāng)然，這些教學(xué)中的探索工作僅僅是開端，催化原理課程思政建設(shè)永遠(yuǎn)在路上。我們還需不斷學(xué)習(xí)，不斷探索。要努力完善與思政教學(xué)相關(guān)的學(xué)科知識，提升自身業(yè)務(wù)和政治素養(yǎng)，持續(xù)改進教學(xué)方法，力求知識傳授和價值引領(lǐng)有機統(tǒng)一的高效達成，為培養(yǎng)我國高素質(zhì)的化學(xué)化工人才奉獻力量。