催化原理課程的思政教學研究

尚亞靖，韓小茜

(蘭州交通大學化學化工學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

“立德樹人”是教育之根本[1]。高等教育作為培養大學生的主要陣地，肩負著重大的使命。只有深入探索 “課程思政”教學規律，加強知識傳授與價值引領的有機融合，才能在潛移默化中實現立德樹人。

催化原理課作為應用化學的專業必修課，以現代工業催化技術使用的催化劑與催化反應為背景，著重介紹工業催化中所涉及的基本理論、核心概念，了解工業催化劑的設計和制備過程，分析解決催化技術問題。而催化技術在人類社會的發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，與人類發展所面臨的能源、資源、健康、環保等問題密切相關[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進行了探索。

1 重構課程目標

教育的終極目標是育人。專業課程教學不僅僅是知識的傳授和技能的培養，還承載著德育的重擔。為此，我們對催化原理的課程目標從知識掌握、技能提升、價值引領三個方面進行了重新定位。

1.1 知識目標

從催化反應及其作用機理出發，研究催化劑結構與性能之間的關系，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；分析設計性能優越催化方案中，能夠考慮催化性能與經濟效益之間的關系，體現新能源、新工藝、環境友好型新技術等思想。

1.2 能力目標

整合、運用所學催化原理基本理論知識和技術，學習分析、解決催化技術實際應用中的相關問題；自覺跟蹤國內和國際催化科技領域的最新研究進展及趨勢；明確催化技術對社會可持續發展的影響；提升自主學習能力和團隊協作精神。

1.3 情感目標

激發求知欲望，建立專業學習信心；增強環保、科技強國理念，強化社會責任感，展現家國情懷；樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。

2 教學內容設計

以下根據教學模塊的具體內容，詳細分析可融的入思政元素，制定所要達成的教學目標。

2.1 緒論部分

2.1.1 教學目標

明確課程整體學習的綱要，梳理知識網絡；激發學生學習興趣，明確催化學科的研究內容、研究方法及其在社會發展中的作用和地位。

2.1.2 思政元素

培養嚴謹的科學態度，強化社會責任感，提升人文素養，樹立正確的價值觀。

2.1.3 課程內設計

催化在化學工業生產過程中具有舉足輕重的作用，目前世界95%以上的化工產品和新工藝的開發離不開催化劑。

(1)以身邊熟知的實例拉近課程內容與學生的距離，強調課程的實際應用性，激發學生學習課程的興趣。如：蘭化研究院的認識實習—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—提升人文素養和專業興趣。

(3)觀看英國電影《倫敦上空的鷹》，讓同學們通過影片震撼的故事了解到在二戰中英國使用經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”奠定勝利的基礎。使學生對催化化學的重要性留下深刻印象，提升同學們的專業榮譽感。

2.2 催化作用原理及催化體系的建立

2.2.1 教學目標

通過學習催化劑與催化作用的基本理論和基礎知識，學生能夠從催化反應及其作用機理出發，研究催化劑結構與性質之間的關系，從微觀的角度探討催化劑組成、催化性能的關系，培育嚴謹的科學態度、學術精神。

2.2.2 思政元素

培養嚴謹的科學態度，提升人文素養，樹立正確的價值觀。

2.2.3 課程內設計

(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；張大煜先生發展“表面鍵理論”的艱辛歷程—社會責任感、無私奉獻精神；吸附態決定最終催化產物—尋求化學現象中的本質原因，體驗“態度決定一切”的哲學精神。

(2)催化作用特征：催化劑只改變熱力學上可行的化學反應—遵循自然規律，事物發展過程內因是決定因素；催化劑同等程度加速正逆反應速率，但實際工業上催化正反應、逆反應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反應途徑加速反應速率—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，比經典的BET吸附法早了整整八年—家國情懷，創新精神。

(4)催化學科與催化理論的發展、更新：感悟學科事業的與時俱進，理論創新與嚴謹的科學態度缺一不可。

2.3 催化體系及其工業應用

2.3.1 教學目標

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

2.3.2 思政元素

強調職業精神、綠色環保理念、科技興國意識和社會責任感。

2.3.3 課程內設計

(1)金屬催化劑及其工業應用：合成氨催化劑(諾貝爾化學獎)、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，社會責任；神華集團煤直接變油催化劑—超細水合鐵系催化劑—科技強國，創新精神；費托合成催化劑(諾貝爾化學獎)—社會責任；閔恩澤院士研發創新并建成了百噸級非晶態鎳生產裝置，取代了進口雷尼鎳催化劑—創新精神；張濤院士提出了“單原子催化”概念，揭開了催化領域的新前沿—創新精神，家國情懷；中石化自主研發的YS-8840低銀含量高選擇性催化劑，標志著國產YS系列銀催化劑踏入國際競爭新賽道—強國意識，創新精神。

(2)酸堿催化劑及其應用：酸堿催化劑從液態到固態再到分子篩的發展歷程—科學創新、社會責任；我國研制成功的全球首套煤制烯烴(MTO)、煤制乙醇工藝技術，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的介孔分子篩成套技術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用，表明中國石油石油化工研究院介孔分子篩技術應用水平走在世界前列—綠色、環保、科技強國。

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

(4)催化前沿：關注我國創辦的優秀期刊Chinese Journal of Catalysis(《中國催化學報》)，了解催化學科的發展方向和學科前沿；關注張之翔教授率領的西安凱立新材料股份有限公司及其產品。

2.4 催化劑的制備與使用

2.4.1 教學目標

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

2.4.2 思政元素

強調職業道德、科學精神和社會責任感。

2.4.3 課程內設計

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

(2)制備試劑的選擇：必須無毒、無環境污染。

3 充分挖掘思政元素

圍繞課程培養目標，充分挖掘催化原理知識點相關的思政元素，基于國內外化學界杰出人物、社會發展的實例以及社會熱點問題等話題，整合課程思政案例，探究在催化教學領域科學育人和思政育人的融合點，將 “知識傳授”和 “價值引領”有機統一。

3.1 融入辯證思維

解讀催化原理課程中“隱性”的辯證思維，引導學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上可行的化學反應，對一個熱力學不可能的反應尋求催化劑是徒勞的。這說明事物變化發展的根本是內因，外因只能通過內因起作用。這一客觀規律給我們啟迪：只有樹立了明確的奮斗目標并付諸于行動，周圍的優質資源才能發揮價值。催化劑加速化學反應速率時，同等程度加速正、逆反應速率，但實際工業上催化正反應、逆反應時往往選用不同的催化劑。這是因為實際工業過程中正、逆反應所處的操作環境和副反應有所不同，對催化劑的性能影響不同，引導學生具體問題具體分析。

再比如催化性能，工業角度強調原料和能源的充分利用，首先追求催化劑的選擇性，其次是穩定性，最后是活性；而新工藝及其催化劑的開發，則首先追求高活性，再依次是選擇性和穩定性；實際工業過程中，催化劑的活性也并非越快越好。告誡學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，從根本上解決問題。

3.2 融入愛國情懷和社會責任

我國催化技術從零到今天的國際化先進水平，涌現出了許多新技術和領軍人物。這些優秀實例在課堂的有機融入，激勵學生不畏艱難、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，是我國煉油催化應用科學的奠基人、石油化工技術自主創新的先行者、綠色化學的開拓者[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”的執念，在我國的催化界作出了巨大貢獻。

催化劑的最大使用領域是煉油，即石油煉制過程80%以上需要采用催化技術，催化劑是煉油技術的“芯片”。20世紀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進口。60年代初，中蘇關系惡化, 催化劑供應中斷。為解決國內航空汽油問題，經歷重重難關剛從美國回國的閔恩澤臨危受命，擔起了重任。

閔恩澤憑著報效祖國的決心，和同事們在蘭州煉油廠經過三個多月的奮戰，攻破層層技術難題，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。大慶油田的發現讓我國脫掉了貧油國的帽子。石油部指示，要將國產的大慶原油最大限度地轉化為石油產品，滿足國家的迫切需要。閔恩澤再次領命，研制出性能更優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，領導了多種催化劑的研制和開發，使我國煉油催化劑實現了跨越式發展，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領域，為發展新中國的石油化學工業作出卓越貢獻。

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，吸附是催化反應發生的必要環節，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。催化反應能否得到預期的目標產物，這取決于反應物的化學吸附狀態，不同的化學吸附狀態得到的產物完全不同。條件、狀態，是化學反應發生的外在因素，這也非常形象地詮釋了“態度決定一切”的哲學原理。再比如，催化劑之所以能加速化學反應速率是因為它改變了化學反應的途徑，使得反應的能壘降低了。在日常學習、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校(現河西學院)化學化工學院畢業并留校工作。他一邊在基層踏實苦干，一邊仍懷揣夢想，繼續求學。后來他在中國科學院大連物化所攻讀了碩士、博士學位，并在催化領域奮勇前行，取得了崇高的成績。他的故事告誡同學，不能僅僅因為未進入心儀的大學或專業，就耿耿于懷，或自暴自棄。只要立足腳下，堅定目標，勇往直前，終能到達成功的彼岸。

哈伯是合成氨工業化的重要貢獻者，是解決世界糧食問題的科學天使。但在一戰期間，他親臨戰場指揮德軍實施毒氣戰，因此又被咒為戰爭惡魔?？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。

化學是給人類帶來奇特幻想的科學，化學家千年來的無數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，鼓勵學生勇于勵志，奮進人生。

3.4 融入綠色理念

綠色、環保、低碳是人類社會發展的主旋律。催化劑作為化學工業的基石，有著義不容辭的責任。李燦院士提出了“液態陽光”，利用太陽能發電，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制得甲醇。其團隊研發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陽光合成的示范工程，在工業化裝置上實現千噸級/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的全新途徑。

基于“雙碳”目標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的863催化劑—超細水合鐵[6]。傳統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，合成了納米級超細水合鐵，不僅用量少、活性高，而且油收率提高了5%。

4 優化教學方法

課堂是開展知識傳授和課程思政的主戰場。如何實現專業教育和思政教育的無縫對接是關鍵。這要求老師必須根據學生特點和授課內容優化教學方法，使思政教育“如鹽溶湯”般入心。為此，在我們的教學實踐過程中，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”“態度決定一切”“內因是事物發展的決定因素”等。(2)以學生為中心，開展翻轉課堂。針對科學前沿、重大發明貢獻等思政點，老師用較短時間引入，學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發展前沿，并進行簡短匯報(匯報以小組方式進行，一組3人)。學生通過自己查閱相關內容，了解科學家發現自然規律的背景和科學家的傳奇經歷，整理歸納后向同學們進行介紹，這不僅能夠調動學生的學習熱情，加深學生對知識點的理解和記憶，而且從先賢前輩的奮斗經歷中，了解科學探索之路的艱辛，提升其自身的科學探索精神和愛國情懷。同時，還提升了學生的溝通表達能力、團隊協作精神，促進了生生、師生之間的了解。(3)督促學生關注我國創辦的優秀催化期刊—《Chinese Journal of Catalysis》(《中國催化學報》)和張之翔教授率領的西安凱立新材料股份有限公司及其產品，要求每組選擇一個催化劑案例進行講解。一方面促進了學生對催化技術研究方向和新領域的了解，另一方面使學生接觸到實際應用的催化劑，拓寬學生的視野，堅定專業學習的信心。

5 結語

研究探索催化原理課程的思政建設，適應教書育人和立德樹人的時代需求。在實際教學過程中，探索得了一些成功的經驗。當然，這些教學中的探索工作僅僅是開端，催化原理課程思政建設永遠在路上。我們還需不斷學習，不斷探索。要努力完善與思政教學相關的學科知識，提升自身業務和政治素養，持續改進教學方法，力求知識傳授和價值引領有機統一的高效達成，為培養我國高素質的化學化工人才奉獻力量。