項目與案例式教學法在《工業催化》課程教學改革中的探索

邢闖 呂鵬 蓋希坤

摘要：國內各高校根據人才培養目標和畢業要求，對化學工程與工藝專業的課程教學改革持續進行。《工業催化》課程是為化工相關專業學生開設的選修課，為學生畢業后從事催化化學相關領域的化工設計、催化劑設計與制備、運行管理等工作提供工業催化方面的專業知識。將項目與案例式教學法用于《工業催化》課程教學改革中，使課堂上的理論知識應與科研、生產實踐相結合，促進學生學生對專業知識的理解，為成果導向教育提供良好的基礎，進而培養學生對工業催化領域內復雜工程問題進行進行識別、分析、表達，以獲得有效結論的能力。

關鍵詞：工業催化；項目與案例式教學；課程改革；工程教育

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）22-0128-02

2016年6月19日，我國高票通過《華盛頓協議》工程教育質量第21個成員國，意味著中國工程教育質量得到了國際認可，這是我國工程教育界多年努力的結果[1-3]。針對化學工程與工藝專業工程教育認證標準、卓越工程師教育培養計劃的目標，結合《工業催化》這門課程本身具有理論與實踐不能很好地結合等特點，改革《工業催化》傳統的教學方法，將“項目、案例式教學法”應用于《工業催化》課程教學中。通過實際反應引入知識點，科研案例將起到拋磚引玉的作用，加深學生對知識點的印象及理解。

一、課程的定位和目標

高校開展專業建設和工程教育改革的根本目的是推動專業教育質量和人才培養質量的持續改進與提高。認證標準規定了專業應該滿足的培養目標和畢業要求，學生在畢業時應該具備的基本的溝通能力、合作能力、專業知識技能、終生學習的能力及健全的世界觀和責任感等能力素質要求。近年來，通過在教學內容、教學方法和教學手段的改革以及教材建設等方面的探索與實踐，結合行業實際，培養能夠解決復雜工程問題的化工工程師已經成為課程教學的風向標。

《工業催化》課程是為化工相關專業學生開設的選修課，為學生畢業后從事催化化學相關領域的化工設計、催化劑設計與制備、運行管理等工作提供工業催化方面的專業知識。通過掌握有關催化劑設計、化劑制備和工藝、表征與測試等基本理論知識，了解相關研究方法，培養學生分析和解決催化劑制備技術中各種復雜工程問題的能力。通過掌握催化作用的基本規律和基本原理，掌握各類催化劑及其催化作用，具有對現有工業催化過程的改善和新的催化劑研究能力；通過掌握運用催化反應的基礎理論和基本知識，具有對工業催化領域內復雜工程問題進行進行識別、分析、表達，以獲得有效結論的能力。

目前學生對專業課的主動學習能力不足，專業課程較難理解，需要大量課外學習時間，而學生很少傾注課外時間鉆研專業知識[4-6]。課本知識不能滿足學生對新技術、新工業等知識的渴求，工科專業課的性質又使得學生容易出現遺忘的情況，教學效果難以保證。在成績考核方面，學生普遍認為臨時突擊能夠通過考試甚至有等待教師講解重點等現象，課外自學時間很少，學習后效果不好，應用本課程的知識解決復雜工程問題則更難。

通過《工業催化》課程教學改革圍繞工業生產實際需要，結合國內院校多年來在本課程教學方面積累的經驗，從教學定位、教學內容、教學手段等多方面著手，將項目與案例式教學融入課堂，輔以科技論文閱讀及寫作，培養學生將催化知識與工業生產相結合，使學生能夠在自主學習時接觸到國際前沿知識，培養學生的科學思想，注重理論與實際緊密結合的求實態度，建立并完善學生專業知識學習體系，促進學生接受新技術、新知識的能力，培養和提高學生利用專業知識對復雜工程問題進行分析、表達以獲得有效結論的能力。

二、案例式教學法

工業催化過程經石油、化工以及精細化工近百年的發展，已形成了巨大的生產力，在世界各國的國民經濟中起著不可估量的作用。無論是石油工業、化學工業還是精細化學品工業，其發展進程中起著十分重要作用的是催化過程。—個新的催化劑、新的催化過程的出現往往從根本上改變了某一化學加工過程的狀況，降低了成本，創造出大量的財富，有力地推動著工業生產的發展。《工業催化》課程作為化工、材料相關專業的選修課程，主要研究各類工業催化劑的設計、制備、分析、測試與使用方法；介紹環境保護催化技術、未來能源催化技術。在實踐的基礎上，總結催化作用的基本規律，熟悉不同類型催化劑的基本要求和作用特點，催化劑制備技術，催化劑表征方法以及工業上催化劑的評價與應用。早在1834年Berzelius就引入了“catalysis”術語，此后催化反應層出不窮，課堂教學中引入案例，加深學生對知識的理解。案例：在講授“金屬催化劑及其催化作用、分子篩催化劑及其催化作用”等內容時，引入與生活密切相關的高辛烷值汽油制備案例。合成氣（CO+H2）經費托合成反應可定向制備高辛烷值汽油。費托合成的主要產物為直鏈烷烴，符合Anderson-Schulz-Flory（ASF）分布，合成產物主要是C1-C50+的直鏈烷烴組成的復雜混合物，重質烴產物需要二次加工。研究者一般通過二段工藝將長鏈烷烴經進一步裂解改質和加氫異構獲得具有優異燃燒性能的中間餾分油（如高辛烷值汽油）。此反應通常需要二種催化劑，一是常規費托合成用金屬催化劑，二是分子篩催化劑。借此引入常規催化劑的主要成分、了解工業催化劑制備工藝路線，催化劑的制備方法；理解溶膠凝膠法、微乳液技術等催化劑制備新技術；掌握沉淀法、浸漬法等制備工業催化劑步驟和影響因素，掌握工業催化劑的運輸、貯存與裝填，升溫與還原，失活與再生、開、停車及鈍化等知識點。分子篩是一種結晶硅鋁酸鹽，具有規則的分子量級上的孔道結構，是石油煉制工業上常見的重油催化裂解和異構化催化劑。通過講解分子篩催化劑，從分子篩作用著手，分成兩方面內容。（1）分子篩的吸附作用，了解固體催化劑表面的內擴散和外擴散，理解多相催化反應步驟，掌握多相催化反應步驟，掌握吸附作用和吸附等溫線；掌握Langmuir等溫方程的幾點假設，以及Langmuir等溫方程。（2）分子篩作為固體酸催化劑用于裂解、異構化和擇型催化反應中。使學生了解分子篩在石油化工中的重要作用，掌握分子篩吸附作用與多相催化的關系。

三、項目式教學法

成果導向教育是由美國與1994年首先提出來的，經過20余年的發展，使其成美國、加拿大、英國等發達國家教育改革的主流理念[7]。因此，通過科研項目與教學改革融合為成果導向教育提供了良好的前提基礎，使課堂上的理論知識應用于在科研、生產實踐中。在“工業催化劑的設計”的教學內容中，利用產學合作企業的生產線，在課程適當教學環節結合教師的科研題目以及產學合作企業生產的產品進行項目式教學。如：浙江省自然科學基金項教改項目、浙江省公益技術應用研究計劃項目“新型雙提升管沼氣自熱重整制生物質基合成氣工藝關鍵技術研究”等融入課堂教學。在“各類催化劑及其催化作用、工業催化劑的評價與宏觀物性的測試”等章節，以省自然科學基金項目中的Fe/SBA-15/H-ZSM-5單晶膠囊催化劑設計為出發點，介紹金屬和分子篩在催化劑中的作用，介紹調控費托產物分布的催化劑種類、制備方法和研究進展以及分子篩催化劑在合成生物柴油中的應用。在“工業催化劑設計、工業催化劑的制備和使用”等章節，以浙江省公益技術應用研究計劃項目中的沼氣自熱重整催化劑設計和制備為出發點，介紹催化劑載體和助劑對催化劑性能的影響，介紹制備方法和條件對催化劑性能的影響；在“未來能源及燃料工業用催化技術”章節，介紹生物質基清潔能源的開發等。學生分小組研討，在查閱文獻和總結的基礎上，得出沼氣重整制備合成氣，合成氣直接制備柴油的具體催化劑選擇和工藝，應用CAD化工軟件畫出工藝路線圖，并在課堂上小組代表進行項目方案的講解，采用以學生“參與式”的課堂教學，以學生為中心，讓學生成為課堂的主體，使學生具有一定的探索知識能力。

四、結語

對《工業催化》課程進行教學改革，使本課程能較好地適應當代本科生工程教育的特點和學科發展趨勢，將項目與案例運用到教學中，課程的改革主要圍繞以下3個目標來進行：

1.強化工業催化的基礎知識，培養學生扎實的專業知識和科研項目案例閱讀、查詢能力，注重學科交叉滲透和應用發展。

2.使學生掌握先進研究方法與技能、擁有對工業催化領域內復雜工程問題進行進行識別、分析、表達，以獲得有效結論的能力。

3.達到培育具有國際化視野、能力全面、良好創新素養的應用型高級工程技術人才的目的，為提高高等工程教育的質量奠定良好的基礎。

參考文獻：

[1]中國工程教育認證協會（籌）秘書處.工程教育認證工作指南（2013）版）[Z].

[2]姚韜，王紅，佘元冠.我國高等工程教育專業認證問題的探究——基于《華盛頓協議》的視角[J].大學教育科學，2014，（04）：28-32.

[3]肖云川，吳莎.以工程教育專業認證為標準提升大學生就業能力的研究[J].現代教育，2015，（10）：12-13.

[4]黃仲濤.工業催化[M].北京：化學工業出版社，2006.

[5]高正中.實用催化[M].北京：化學工業出版社，2005.

[6]李玉敏.工業催化原理[M].天津：天津大學出版社，2005.

[7]William G.Spady.Choosing outcomes of significance，Educational leadership，1994，54：18-22.