应用化学专业催化化学课程教学改革的探索与实践

蒋青青

(中南民族大学化学与材料科学学院，湖北武汉 430074)

化学工业是国民经济的支撑产业之一，化学工业的发展程度是国家工业化和现代化水平的一个重要衡量标志。纵观化学工业的发展，催化剂发挥着无可替代的作用，超过90%化工产品的生产与催化技术密切相关，可以说没有催化剂就没有现代的化学工业。催化技术广泛应用于石油加工、能源、高分子材料、制药以及环境保护等诸多领域，是现代化学工业的核心技术。因此，化学化工等专业学生在本科阶段学习“催化化学”这门课程是非常必要的。

催化化学是应用化学专业重要的专业必修课之一，其主要任务是使学生熟悉和掌握催化作用的基本概念和基本原理，了解催化剂设计和制备方法，催化剂在典型化工过程中的作用，熟悉催化剂测试和表征的常用方法，为培养化工专业工程师提供坚实的催化理论基础。催化是一门实践性很强的应用课程，催化理论与物理化学、化学工程、有机化学、精细化工等专业学科相互交叉融合，内容繁多并且杂乱，以学生的知识水平难以把握相关的知识和理论。笔者在教学期间，不断有学生反映该课程学习有一定难度，理解深度不够，导致学生学习积极性不高。《催化化学》学时有限，只有32学时，课程学时较短而需要讲授的内容却十分复杂，如何在完成教学任务的同时，尽可能的提升学生学习的积极主动性，让学生爱上这门略显枯燥而又非常主要的催化化学课呢，这是摆在我们面前亟待解决的问题。因此，我们在课程内容、教学模式、实践教学、课程考核等方面的改革做了一些初步的探索和实践。

1 整合教学内容

催化化学专业性强，研究进展和知识更新快，覆盖石油化工、煤化工、精细化工等领域，涉及物理化学、化学工程、有机化学、精细化工等学科，由此而生的新知识和新技术也日益增多，需要经常更新教学内容。为了使本校应用化学专业的本科生较好的学习和掌握催化课程的内容，尤其是对实际化学工业生产中所涉及的催化原理及技术有较好的理解，让部分学生成为具有坚实的开发、研究和使用催化剂能力的高层次工程技术人才，部分学生胜任催化领域研究工作，为此，我们对课程教学内容进行了整合，并重新编写了教学大纲，尝试构建一套适应应用型人才培养的课程体系。改进后的教学内容可划分为三大部分:第一部分安排4学时，以代表性工业催化剂的应用示例(例如合成氨过程，石油化工过程，煤化工过程，医药合成过程等)以及催化诺贝尔奖示例(交叉偶联反应，不对称合成等)，让学生对催化研究的重要性有所了解，提高学生探究催化知识的热情，并产生浓厚的学术兴趣。第二部分安排26学时，主要讲授催化剂相关的基本概念，吸附原理，催化剂评价指标，以及酸碱、金属、金属氧化物(硫化物)、络合物催化剂的不同催化机理。通过该部分的学习，使学生掌握催化剂的基本概念，催化作用的基本原理，催化反应类型，催化剂制备和表征技术，使学生对催化科学理论有一定的了解，为从事催化领域研究打下坚实的基础。第三部分安排6学时，主要进行专题讨论，将光催化、电催化、单原子催化、酶催化等催化领域最新科研动态讲授给学生，为学生的毕业论文与将来的研究生工作提供前沿信息，为英文文献的阅读打下基础。

2 改革教学方法

教学方法的好坏直接关系到学生的学习兴趣和教学质量的高低。因此，对于催化化学这门理论性和应用性较强的课程来说，需要对传统的教学方法进行一定形式的改革。第一，引入启发式教学，例如在讲到超薄二维半导体在光催化研究中的应用时，让学生思考讨论为什么此结构的催化剂会表现出优异的性能，让学生总结并理解影响催化反应活性的影响，例如超大比表面积，超多吸附位点，以及超短的电子空穴传输路径等，并引起学生对于石墨烯以及类石墨烯催化剂材料的关注。第二，引入案例式教学，针对教学内容中某一章节内容的知识点，通过案例为线索，将多个知识点串联起来，加深了学生对课程内容的理解。比如，在讲授分子筛择形催化这一部分内容时，以PX(对二甲苯)的制备工艺为案例，讲述了分子筛催化剂的组成、催化剂性能和择形催化反应机理，通过邻二甲苯与间二甲苯在ZSM－5分子筛孔道内的中间态变化过程，让学生形象的认识择形催化，并介绍重要工业原料PX的生产工艺流程。

除专业知识的内容讲授外，我们将增加英文文献阅读讨论部分。催化理论和催化技术更新的速度非常快，而国际上催化领域方面的新技术、新知识都发表在主流英文期刊上面，英文文献阅读对培养学生的自主学习、创新能力也是非常重要的。我们每两周给学生发放一次最新的文献资料，让学生自己选择感兴趣的一篇，组成一个小团队，通过文献阅读、总结，举行小型报告会的形式，培养学生综合能力的目的。另外，还增加了互动的环节，提高学生的注意力，提高学生参与科研的能力，达到本门课程的授课目的，体现了以人为本，以能力培养为核心的教学理念。

3 配套实践教学课程

《催化化学》是一门应用性很强、实践性和理论性紧密联系的课程，但大多数学生没有从事催化剂相关领域工作的实践经历，理论和实际相脱节，直接填鸭式的将知识点灌输给学生，会让学生觉得枯燥反味，产生畏难情绪，失去对本课程的兴趣。因而构建与实际应用结合紧密的课程实践体系成为整个教学过程中的重要组成部分。上述问题可通过学院安排的石化实习基地与专业综合实验与来解决。

首先是加强校外实习基地建设，我院与中国石化荆门石化有限公司建立了实习基地，为校外实习教学提供了良好的平台，通过72学时的荆门石化实习，学生先后参观了催化裂化、催化重整、催化加氢、加氢精制等大型工业催化过程，通过石化行业的考察，学生意识到从上游的油品生产到下游的聚乙烯，聚丙烯的制备，绝大部分过程都有催化剂的参与，也能更深刻的理解催化剂在整个化工过程中的重要性，我们的衣食住行每一件事都离不开催化剂在背后的作用，加深了学生对课程相关理论知识的理解。

其次通过综合实验、专业实验共计96个学时的自主选题实验，让学生了解催化相关前沿研究内容。鼓励学生结合兴趣自主选题，在教师指导下完成某一方向的研究工作。例如，本实验室长期开展光催化转化二氧化碳、电催化分解水的相关研究工作，每年提供4～6个位置让本科学生参与到相关研究中。让学生们通过参与项目研究，使其在催化剂组分的设计、催化剂的制备、催化剂的结构和性能表征、数据整理和分析、撰写论文等方面得到全面的锻炼，提升了他们的创新能力和科研实践能力。

4 改革考核形式

课程的考核能够直接反映学生对理论知识的掌握程度，是整个教学过程的重要组成部分之一。源自应试教育的考核模式还停留在“课堂授课－布置作业－期末考试”的单调模式，这种不仅枯燥无味，学生通过硬性记忆完成考试，很多时候并没有理解课程内容，考试结束后学习内容全部忘记，严重违背了素质教育的初衷和要求，不利于学生综合素质的提高，所以教学改革要同时对课程授课方式和课程考核方式进行改革。为了激发学生学习兴趣和提高学生对该课程的重视，考核方法采取期末考核和平时考核相结合。期末考核主要考察学生对基础知识的理解和掌握情况，考试题型则主要以主观讨论题为主，目的主要是考察学生对知识的综合运用能力，减少客观题，避免学生为了应付考试死记硬背，成绩占总成绩的60%。另外一部分成绩为综述撰写，选择自己感兴趣的催化领域，写一篇综述，成绩占总成绩的20%。平时考核成绩主要由课堂表现组成，占总成绩的20%。通过课堂小论文与期末考试相结合的考核形式，充分调动了学生的学习积极性，发挥了学生的主观能动性，培养了学生的自我学习能力和科研能力，提升了学生的专业兴趣，检验了教师的教学效果和学生的学习效果。

5 总结

催化化学课程专业面广、实践性强，涉及化学、化工、材料等学科，并与化工过程、国民经济发展关联紧密，催化知识的教学效果将直接影响到学生从事化工生产的实际能力和水平。为促进学生更好地把握教学内容，笔者对该课程的教学进行一定的改革探索，打破传统的单一教学模式，通过整合教学内容、引入案例式教学与启发式教学方法，配套实践课程、改革考核方式等一系列措施，改革实践取得了良好的效果，提高了教学质量。学生评价到:对催化反应工程有了一个系统、具体的了解，而不再是一些抽象的概念，理论与实践得到了最好的结合，学生的评价是对我们辛苦工作最好的肯定。