《工業催化》課程教學探索與實踐*

張　旭，徐靜莉，孫國富

(許昌學院化學化工學院，河南　許昌　461000)

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《工業催化》課程教學探索與實踐*

張旭，徐靜莉，孫國富

(許昌學院化學化工學院，河南許昌461000)

以高校化工專業必修課程《工業催化》為研究對象，針對該課程的特點，以培養具有堅實的開發、研究和應用催化劑能力的高層次工程技術人才為目標，在課程內容、教學模式、多媒體教學、實踐教學建設和考核方式等方面進行了一些教學探索和實踐，取得了較好的教學效果，學生上課積極性明顯提高。學生評教結果表明，學生對該課程授課教師的滿意程度也大大提高。

工業催化；教學探索；教學實踐

《工業催化》課程是化工類方向學生的必修課程。目前，現代燃料工業和化學工業的生產，80%以上采用催化過程。該課程有較強的應用性，催化理論和化工實踐并重，教學目的是使學生系統地掌握工業催化的基本概念、基本原理、基本方法及技巧，了解催化劑設計、測試和表征的一般知識和規律，熟悉催化劑性能的評價方法和技術，為培養化工專業工程師提供堅實的理論基礎[1-2]。然而在長期的教學實踐中我們發現，由于該課程與多門學科相互交叉、滲透和融合，且大多數學生沒有從事催化生產的實踐經歷。如按照常規的教學方法進行講解，學生難以把握相關的知識和理論，普遍反映該課程學習難度較大，學習積極性普遍不高。針對上述問題，我們在課程內容、教學模式、多媒體教學、實踐教學建設和考核方式等方面進行了一些教學探索和實踐。

1　整合更新內容

隨著現代化學的發展，催化工藝及技術不斷更新。對這些新工藝及新技術的學習，對于學生能否成為高層次工程技術人才，能否勝任將來所從事的催化領域研究工作具有重要的理論指導意義[3]。

為了達到這一目標，將《工業催化》教學內容分為兩個階段進行。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、催化劑的設計和制備、催化劑的活性評價與表征等。通過這些內容的學習，使學生熟練掌握催化原理和方法，對他們下一步閱讀專業文獻和從事研究奠定堅實的基礎；第二個階段講授本學科的新進展。這部分教學為了更加直觀，多采用舉例方式進行講解。如我們在講述催化劑中毒時，就指出中毒現象的本質是微量雜質和催化劑活性中心的某種化學作用，形成沒有活性的物種，在氣固多相催化反應中形成的是吸附絡合物。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、氮化合物會使催化劑中毒，給煉化過程帶來很大影響，因此在對油品催化前要進行脫硫、脫氮處理。在講述固體酸催化劑這一部分時，強調分子篩是比液體酸更加環保的一種固體酸催化劑，它具有大的比表面積、規整的孔道結構、優良的吸附性和離子交換性能。不僅可解決均相反應帶來的問題，而且無毒、無腐蝕性，可在高溫范圍內使用。如我們現在的洗衣粉中大都加入了A型分子篩，它起到軟化水質和吸附污垢的作用。此外，更新和整合教學內容時應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的內容進行講解，部分學生對此產生極大興趣，主動要求提前進入實驗室進行與催化劑制備相關的實驗工作，從而增強了學生參與畢業設計和畢業實習環節的主動性。從課堂效果看，與其他偏離本校特色的催化內容相比較，學生對該部分的學習更有興趣。

2　引入互動教學模式

互動式教學模式，就是通過營造雙邊互動的教學環境，在教學雙方平等交流探討的過程中，達到不同觀點碰撞交融，進而激發教學雙方的主動性和探索性[4]。教學過程不僅是教師向學生傳授知識的過程，同時也是學生主動探索知識的過程。在實踐教學中，教師把學生分為若干組進行討論分析。如在講授反應類型中的自由基反應時，教師首先提出一個問題“自由基是不是催化劑？”，引導學生進行思考，一部分學生認為自由基是催化劑，理由是在一些反應中加入自由基，可極大的加快反應速率；另一部分學生持相反意見。最終，從催化劑的特點“反應中不被明顯消耗的化學物質”出發對其進行辨別。自由基在反應過程中相互發生碰撞或和其它中間物種結合生成穩定的化合物，也就是在反應中它被消耗掉。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，提出一個問題：在合成氨反應中，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據去推斷催化劑活性的概念。化學吸附是固體催化劑表面活化過程，吸附鍵太弱，不利于舊鍵的活化，而太強又不利于新鍵的生成，只有反應氣體在催化劑表面上以適中的強度進行化學吸附時，其催化活性才最好。學生在查找氣體在金屬上吸附數據后進行分析討論：Fe和Os因能使N2、H2發生離解吸附，它們是有效的合成氨催化劑；Pd對N2能發生物理吸附，卻不能發生化學吸附，因此不宜選作合成氨催化劑。通過這種師生間的雙向互動交流，加強了學生對所學知識的認識和理解。

3　充分利用多媒體教學

講解微觀抽象的知識時，可以運用圖表、實物模型、多媒體等直觀手段進行形象化教學。《工業催化》課程較為抽象，初次接觸的學生極不適應。采用黑板板書等傳統方式講解催化劑結構、微觀組成與其活性間的關系時，學生不易理解，且感覺乏味和枯燥。采用多媒體課件中的圖片、動畫、錄像可有效解決這一問題[5-6]。如在講解分子篩擇形催化時，教師利用多媒體手段制作分子篩吸附反應物的動畫。在動畫中設計具有獨特孔道結構物質作為分子篩，分子篩外部形態各異的懸浮物質作為反應物。當反應物分子與分子篩接觸時，比分子篩孔徑小的反應物可被吸附進入分子篩孔道，和分子篩孔道內大量的活性中心反應；而比分子篩孔徑大的反應物分子則不能被吸附進入，只能和分子篩外表面少量的活性中心起作用。通過這種直觀的動畫方式，使學生清晰了解到分子篩可以對反應物進行篩分，從而進行選擇性催化。隨后，教師進一步講解分子篩的類型，不同類型的分子篩具有不同的結構，而不同結構的分子篩具有不同的孔徑尺寸，因而具有不同的催化性能。在對多相催化進行講解時，可先通過動畫生動演示多相催化的七個步驟，讓學生認真觀察、分析討論，最后由教師作出總結歸納。這種多媒體教學方法，使原來枯燥的講述變得直觀生動，加深學生對課程的記憶，同時也可減少教學時數，提高教學質量。

4　實踐教學的建設

《工業催化》課程理論和實踐聯系非常緊密，通過該課程

可使學生掌握催化劑的制備方法及其設計程序，然而對它的實際制備往往令學生感到棘手。這是因為學生缺乏實踐經驗，理論和實際相脫節。因此，為了解決這一問題，可充分利用實驗室資源，在教師指導下組織學生親自制備幾種催化劑。在實踐過程中，學生對所學到的理論知識進行充分吸收消化[7]。此外，鼓勵學生參與教師的科研項目開展畢業論文工作，如我校2012和2013級化工專業學生參與教師科研課題—— “新型催化接觸式膜反應器的制備及性能研究”、“摻雜金屬離子X沸石烯烴環氧化高穩定性催化劑制備研究”。通過參與項目研究，學生們在催化劑設計、催化劑性能測試和表征、專業文獻查閱、數據分析和撰寫論文等方面得到全方位的鍛煉，最終發表論文數篇，其中兩篇被SCI收錄。如果條件容許，還可以組織學生去催化劑制備工廠參觀和短時間學習，進一步深化他們對催化劑生產過程的認識，加深對課程相關理論知識的理解。

5　改革考核方式

《工業催化》課程以敘述為主，知識點比較分散。傳統的筆試考核方式不能全面反映學生對該課程的掌握程度，容易導致部分學生平時不注意聽課，考試前抱佛腳、死記硬背，不利于課程教學質量的提高。基于這種情況，我們改革了考核辦法，即閉卷考試、學生進行課堂教學兩者相結合的方式評定學生的成績。實施如下：(1)筆試占50%。重點考查學生對知識點的理解和應用能力，試卷命題側重于案例分析。(2)課堂教學成績占50%。教師將學生分組，學生自主選一知識點，自主查閱資料，然后做成PPT在課堂上演示講解，讓學生從教師的角度嚴格組織一次限時課堂教學，教師再根據PPT內容豐富程度、條理性、系統性等幾個方面給學生評定成績。每次演示后，師生要相互提問，教師對提出有深度問題的同學予以加分。采用這種考核方式，學生帶著任務去主動查閱資料，使他們對知識的理解更為深刻。同時在這種相互競爭的環境下，課堂氣氛非常活躍。這種學習方式突出了學生的主導地位，培養了他們敢想、敢說、敢做的勇氣，增強了學生動腦、動手的能力。

6　結　語

經過上述教學實踐，收到了較好的教學效果，學生上課積極性明顯提高，一些學生主動要求提前進入實驗室從事與催化研究相關的畢業論文設計。同時學生評教結果表明，學生對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.化工類專業應用型人才培養模式[J].廣東化工,2010,37(3):233-234.

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

[3]楊明平,曾堅賢,申少華.創新應用型化學化工類人才培養體系的研究與實踐[J].廣州化工,2015,43(6):173-175.

[4]唐世剛,鐘萬林.互動式教學模式構建研究[J].教育理論與實踐,2013,33(18):42-43.

[5]湛群,黃晨,杜兆芳.高校多媒體教學現狀及發展趨勢探討[J].安徽農業大學學報,2012,21(6):96-99.

[6]陳敏.高校多媒體教室開放式管理的構建與探索[J].實驗室研究與探索,2014,33(5):244-247.

[7]張永明,孫中亮,潘麗沙,等.整合教學與科研資源構建工業催化實驗教學體系[J].化工高等教育,2010(6):44-47.

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

許昌學院教育教學改革研究重點項目(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