催化原理课程的思政教学研究
2023-10-30尚亚靖韩小茜
尚亚靖,韩小茜
(兰州交通大学化学化工学院,甘肃 兰州 730070)
0 引言
“立德树人”是教育之根本[1]。高等教育作为培养大学生的主要阵地,肩负着重大的使命。只有深入探索 “课程思政”教学规律,加强知识传授与价值引领的有机融合,才能在潜移默化中实现立德树人。
催化原理课作为应用化学的专业必修课,以现代工业催化技术使用的催化剂与催化反应为背景,着重介绍工业催化中所涉及的基本理论、核心概念,了解工业催化剂的设计和制备过程,分析解决催化技术问题。而催化技术在人类社会的发展和进步中起着举足轻重的作用,90%以上的化工过程都与催化作用有关,与人类发展所面临的能源、资源、健康、环保等问题密切相关[2-4]。这为实施课程思政教育提供了丰富的素材。因此,我们对思政案例融入催化原理课程教学进行了探索。
1 重构课程目标
教育的终极目标是育人。专业课程教学不仅仅是知识的传授和技能的培养,还承载着德育的重担。为此,我们对催化原理的课程目标从知识掌握、技能提升、价值引领三个方面进行了重新定位。
1.1 知识目标
从催化反应及其作用机理出发,研究催化剂结构与性能之间的关系,从微观角度分析催化剂组成、制备方法等对催化性能的影响;分析设计性能优越催化方案中,能够考虑催化性能与经济效益之间的关系,体现新能源、新工艺、环境友好型新技术等思想。
1.2 能力目标
整合、运用所学催化原理基本理论知识和技术,学习分析、解决催化技术实际应用中的相关问题;自觉跟踪国内和国际催化科技领域的最新研究进展及趋势;明确催化技术对社会可持续发展的影响;提升自主学习能力和团队协作精神。
1.3 情感目标
激发求知欲望,建立专业学习信心;增强环保、科技强国理念,强化社会责任感,展现家国情怀;树立正确的世界观、人生观和价值观。
2 教学内容设计
以下根据教学模块的具体内容,详细分析可融的入思政元素,制定所要达成的教学目标。
2.1 绪论部分
2.1.1 教学目标
明确课程整体学习的纲要,梳理知识网络;激发学生学习兴趣,明确催化学科的研究内容、研究方法及其在社会发展中的作用和地位。
2.1.2 思政元素
培养严谨的科学态度,强化社会责任感,提升人文素养,树立正确的价值观。
2.1.3 课程内设计
催化在化学工业生产过程中具有举足轻重的作用,目前世界95%以上的化工产品和新工艺的开发离不开催化剂。
(1)以身边熟知的实例拉近课程内容与学生的距离,强调课程的实际应用性,激发学生学习课程的兴趣。如:兰化研究院的认识实习—催化剂的制备、评价和小试车间的参观—树立科技强国意识。
(2)催化领域人物介绍(中国催化剂之父闵恩泽院士、张大煜、聂红、刘化章等),从历史长河的视角看待榜样的力量—提升人文素养和专业兴趣。
(3)观看英国电影《伦敦上空的鹰》,让同学们通过影片震撼的故事了解到在二战中英国使用经催化裂化工艺制成的“烷基化”新型航空汽油(飞机的加速性提升50%),为赢得“不列颠之战”奠定胜利的基础。使学生对催化化学的重要性留下深刻印象,提升同学们的专业荣誉感。
2.2 催化作用原理及催化体系的建立
2.2.1 教学目标
通过学习催化剂与催化作用的基本理论和基础知识,学生能够从催化反应及其作用机理出发,研究催化剂结构与性质之间的关系,从微观的角度探讨催化剂组成、催化性能的关系,培育严谨的科学态度、学术精神。
2.2.2 思政元素
培养严谨的科学态度,提升人文素养,树立正确的价值观。
2.2.3 课程内设计
(1)吸附理论:火山型曲线,中等吸附的催化活性最佳—中国人的处世之道—中庸之道—树立正确的价值观;张大煜先生发展“表面键理论”的艰辛历程—社会责任感、无私奉献精神;吸附态决定最终催化产物—寻求化学现象中的本质原因,体验“态度决定一切”的哲学精神。
(2)催化作用特征:催化剂只改变热力学上可行的化学反应—遵循自然规律,事物发展过程内因是决定因素;催化剂同等程度加速正逆反应速率,但实际工业上催化正反应、逆反应时往往选用不同的催化剂—具体问题具体分析;催化剂通过改变化学反应途径加速反应速率—改弦易辙,另辟蹊径;催化剂的活性并非越快越好—辩证地看待问题。
(3)比表面积的测定:傅鹰先生提出了测定固体粉末比表面积的方法和公式,比经典的BET吸附法早了整整八年—家国情怀,创新精神。
(4)催化学科与催化理论的发展、更新:感悟学科事业的与时俱进,理论创新与严谨的科学态度缺一不可。
2.3 催化体系及其工业应用
2.3.1 教学目标
掌握催化中心与催化活性、选择性的关系以及活性中心的调变,能够分析工业催化实际应用中的的影响因素,考虑催化性能与经济效益之间的关系,学会运用辩证思维及工程思维方式,进行评价,自觉跟踪国内和国际催化科技领域的最新研究进展及趋势。
2.3.2 思政元素
强调职业精神、绿色环保理念、科技兴国意识和社会责任感。
2.3.3 课程内设计
(1)金属催化剂及其工业应用:合成氨催化剂(诺贝尔化学奖)、我国刘化章教授的Fe1-xO基氨合成催化剂—奉献精神、工匠精神,社会责任;神华集团煤直接变油催化剂—超细水合铁系催化剂—科技强国,创新精神;费托合成催化剂(诺贝尔化学奖)—社会责任;闵恩泽院士研发创新并建成了百吨级非晶态镍生产装置,取代了进口雷尼镍催化剂—创新精神;张涛院士提出了“单原子催化”概念,揭开了催化领域的新前沿—创新精神,家国情怀;中石化自主研发的YS-8840低银含量高选择性催化剂,标志着国产YS系列银催化剂踏入国际竞争新赛道—强国意识,创新精神。
(2)酸碱催化剂及其应用:酸碱催化剂从液态到固态再到分子筛的发展历程—科学创新、社会责任;我国研制成功的全球首套煤制烯烃(MTO)、煤制乙醇工艺技术,采用硅磷铝非沸石分子筛(简称SAPO-34分子筛)—科技强国;中国石油化工研究院开发的介孔分子筛成套技术在中国石油兰州石化公司120万t/a重油催化裂化装置成功应用,表明中国石油石油化工研究院介孔分子筛技术应用水平走在世界前列—绿色、环保、科技强国。
(3)绿色催化:美国总统绿色化学挑战奖—绿色、环保、创新;李灿院士及兰州建成全球首套液态太阳燃料合成示范项目,项目达产后可每年生产“液态阳光”甲醇1440 t—催化名家事迹、探索精神、创新精神;浙大侯阳研究员开发的廉价催化剂—单原子OER催化剂,用于水裂解制备氢气—绿色环保,科技前沿;大连化学物理研究所包信和团队首次提出合成气直接转化制低碳烯烃OX-ZEO—绿色环保,研究前沿;2021年诺贝尔化学奖—利用小有机分子实现不对称催化—科学前沿。
(4)催化前沿:关注我国创办的优秀期刊Chinese Journal of Catalysis(《中国催化学报》),了解催化学科的发展方向和学科前沿;关注张之翔教授率领的西安凯立新材料股份有限公司及其产品。
2.4 催化剂的制备与使用
2.4.1 教学目标
掌握各种催化剂制备方法,催化剂的失活与活化;培养学生逻辑思维能力,分析问题、解决问题能力。
2.4.2 思政元素
强调职业道德、科学精神和社会责任感。
2.4.3 课程内设计
(1)催化剂制备:不同制备方法可制备出组成相同而结构不同的催化剂,致使催化性能大有不同—结构决定性质、寻求问题本质原因。
(2)制备试剂的选择:必须无毒、无环境污染。
3 充分挖掘思政元素
围绕课程培养目标,充分挖掘催化原理知识点相关的思政元素,基于国内外化学界杰出人物、社会发展的实例以及社会热点问题等话题,整合课程思政案例,探究在催化教学领域科学育人和思政育人的融合点,将 “知识传授”和 “价值引领”有机统一。
3.1 融入辩证思维
解读催化原理课程中“隐性”的辩证思维,引导学生树立正确的思维方式和运用辩证法正确地看待、处理问题。
催化剂只能改变热力学上可行的化学反应,对一个热力学不可能的反应寻求催化剂是徒劳的。这说明事物变化发展的根本是内因,外因只能通过内因起作用。这一客观规律给我们启迪:只有树立了明确的奋斗目标并付诸于行动,周围的优质资源才能发挥价值。催化剂加速化学反应速率时,同等程度加速正、逆反应速率,但实际工业上催化正反应、逆反应时往往选用不同的催化剂。这是因为实际工业过程中正、逆反应所处的操作环境和副反应有所不同,对催化剂的性能影响不同,引导学生具体问题具体分析。
再比如催化性能,工业角度强调原料和能源的充分利用,首先追求催化剂的选择性,其次是稳定性,最后是活性;而新工艺及其催化剂的开发,则首先追求高活性,再依次是选择性和稳定性;实际工业过程中,催化剂的活性也并非越快越好。告诫学生遇事一定要慎用惯性思维,不可人云亦云,要寻求问题的本质,从根本上解决问题。
3.2 融入爱国情怀和社会责任
我国催化技术从零到今天的国际化先进水平,涌现出了许多新技术和领军人物。这些优秀实例在课堂的有机融入,激励学生不畏艰难、敢于探索、坚持不懈、勇攀高峰,坚定科技兴国、报效祖国的信念。
中国催化剂之父—闵恩泽,是我国炼油催化应用科学的奠基人、石油化工技术自主创新的先行者、绿色化学的开拓者[5]。他是一位“半路出家”的世界级催化剂专家,秉着“国家要什么,我就做什么”的执念,在我国的催化界作出了巨大贡献。
催化剂的最大使用领域是炼油,即石油炼制过程80%以上需要采用催化技术,催化剂是炼油技术的“芯片”。20世纪50年代,石油炼制催化剂制造的核心机密掌握在美国人手中,我国炼油催化剂主要依靠前苏联进口。60年代初,中苏关系恶化, 催化剂供应中断。为解决国内航空汽油问题,经历重重难关刚从美国回国的闵恩泽临危受命,担起了重任。
闵恩泽凭着报效祖国的决心,和同事们在兰州炼油厂经过三个多月的奋战,攻破层层技术难题,成功研制出性能超越进口催化剂的小球硅铝催化剂,解决了我国炼油催化剂的燃眉之急。大庆油田的发现让我国脱掉了贫油国的帽子。石油部指示,要将国产的大庆原油最大限度地转化为石油产品,满足国家的迫切需要。闵恩泽再次领命,研制出性能更优异的微球硅铝催化剂。在“文革”时期的特殊年代,他克服种种困难,仍然坚持科研,领导了多种催化剂的研制和开发,使我国炼油催化剂实现了跨越式发展,赶上世界先进水平。他还潜心研究新催化材料和进军绿色化学领域,为发展新中国的石油化学工业作出卓越贡献。
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。催化原理课程中也不乏这样的范例。比如,吸附是催化反应发生的必要环节,吸附的强度决定了催化性能的好坏,弱吸附和强吸附都不利于催化循环的建立。这让人想到了,中国人在处世中推崇的“中庸”之道,“欲速则不达”“过犹不及”,个中道理无不如此。催化反应能否得到预期的目标产物,这取决于反应物的化学吸附状态,不同的化学吸附状态得到的产物完全不同。条件、状态,是化学反应发生的外在因素,这也非常形象地诠释了“态度决定一切”的哲学原理。再比如,催化剂之所以能加速化学反应速率是因为它改变了化学反应的途径,使得反应的能垒降低了。在日常学习、工作和生活中,都可能遇到这样或那样的“大山”,不能就此止步不前,更不能只凭蛮力。有的时候及时转换思想,“另辟蹊径”,也许就能寻找到人生中的“柳暗花明”。
李灿院士,1980年从张掖师范专科学校(现河西学院)化学化工学院毕业并留校工作。他一边在基层踏实苦干,一边仍怀揣梦想,继续求学。后来他在中国科学院大连物化所攻读了硕士、博士学位,并在催化领域奋勇前行,取得了崇高的成绩。他的故事告诫同学,不能仅仅因为未进入心仪的大学或专业,就耿耿于怀,或自暴自弃。只要立足脚下,坚定目标,勇往直前,终能到达成功的彼岸。
哈伯是合成氨工业化的重要贡献者,是解决世界粮食问题的科学天使。但在一战期间,他亲临战场指挥德军实施毒气战,因此又被咒为战争恶魔。可见科技是把双刃剑。善恶一念间,如何使用,考验着使用者的价值观和道德底线。
化学是给人类带来奇特幻想的科学,化学家千年来的无数成功案例启示还有许多,教师在授课时要善于灵活运用那些真实的故事,鼓励学生勇于励志,奋进人生。
3.4 融入绿色理念
绿色、环保、低碳是人类社会发展的主旋律。催化剂作为化学工业的基石,有着义不容辞的责任。李灿院士提出了“液态阳光”,利用太阳能发电,将水电催化制得“绿氢”,然后以“绿氢”与空气中捕获的二氧化碳通过催化反应制得甲醇。其团队研发了高效生成甲醇的高活性的固溶体催化剂,并在兰州建成了全球首套千吨级液态阳光合成的示范工程,在工业化装置上实现千吨级/年绿色甲醇合成,甲醇选择性达到98%,甲醇在有机相中含量达到99.5%。该项目提供了一条从可再生能源到绿色液体燃料生产的全新途径。
基于“双碳”目标和我国能源所面临的危机,我国推行煤变油项目,神华集团实施的世界第一个煤直接液化项目,采用了我国自主研发的863催化剂—超细水合铁[6]。传统的催化剂是一次可弃性催化剂—铁矿石,但铁矿石活性差,用量大,丢弃过程中带走的油品多。团队在人工合成方面进行努力,合成了纳米级超细水合铁,不仅用量少、活性高,而且油收率提高了5%。
4 优化教学方法
课堂是开展知识传授和课程思政的主战场。如何实现专业教育和思政教育的无缝对接是关键。这要求老师必须根据学生特点和授课内容优化教学方法,使思政教育“如盐溶汤”般入心。为此,在我们的教学实践过程中,主要做到了三点:(1)思政点“短而精”。比如上文提到的“另辟蹊径”“态度决定一切”“内因是事物发展的决定因素”等。(2)以学生为中心,开展翻转课堂。针对科学前沿、重大发明贡献等思政点,老师用较短时间引入,学生在老师的指引下自己查阅催化名家的先进事迹和催化科学发展前沿,并进行简短汇报(汇报以小组方式进行,一组3人)。学生通过自己查阅相关内容,了解科学家发现自然规律的背景和科学家的传奇经历,整理归纳后向同学们进行介绍,这不仅能够调动学生的学习热情,加深学生对知识点的理解和记忆,而且从先贤前辈的奋斗经历中,了解科学探索之路的艰辛,提升其自身的科学探索精神和爱国情怀。同时,还提升了学生的沟通表达能力、团队协作精神,促进了生生、师生之间的了解。(3)督促学生关注我国创办的优秀催化期刊—《Chinese Journal of Catalysis》(《中国催化学报》)和张之翔教授率领的西安凯立新材料股份有限公司及其产品,要求每组选择一个催化剂案例进行讲解。一方面促进了学生对催化技术研究方向和新领域的了解,另一方面使学生接触到实际应用的催化剂,拓宽学生的视野,坚定专业学习的信心。
5 结语
研究探索催化原理课程的思政建设,适应教书育人和立德树人的时代需求。在实际教学过程中,探索得了一些成功的经验。当然,这些教学中的探索工作仅仅是开端,催化原理课程思政建设永远在路上。我们还需不断学习,不断探索。要努力完善与思政教学相关的学科知识,提升自身业务和政治素养,持续改进教学方法,力求知识传授和价值引领有机统一的高效达成,为培养我国高素质的化学化工人才奉献力量。