項目與案例式教學(xué)法在《工業(yè)催化》課程教學(xué)改革中的探索

邢闖 呂鵬 蓋希坤

摘要：國內(nèi)各高校根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，對化學(xué)工程與工藝專業(yè)的課程教學(xué)改革持續(xù)進(jìn)行。《工業(yè)催化》課程是為化工相關(guān)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的選修課，為學(xué)生畢業(yè)后從事催化化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的化工設(shè)計、催化劑設(shè)計與制備、運行管理等工作提供工業(yè)催化方面的專業(yè)知識。將項目與案例式教學(xué)法用于《工業(yè)催化》課程教學(xué)改革中，使課堂上的理論知識應(yīng)與科研、生產(chǎn)實踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生學(xué)生對專業(yè)知識的理解，為成果導(dǎo)向教育提供良好的基礎(chǔ)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生對工業(yè)催化領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題進(jìn)行進(jìn)行識別、分析、表達(dá)，以獲得有效結(jié)論的能力。

關(guān)鍵詞：工業(yè)催化；項目與案例式教學(xué)；課程改革；工程教育

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)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(xié)議》工程教育質(zhì)量第21個成員國，意味著中國工程教育質(zhì)量得到了國際認(rèn)可，這是我國工程教育界多年努力的結(jié)果[1-3]。針對化學(xué)工程與工藝專業(yè)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)、卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的目標(biāo)，結(jié)合《工業(yè)催化》這門課程本身具有理論與實踐不能很好地結(jié)合等特點，改革《工業(yè)催化》傳統(tǒng)的教學(xué)方法，將“項目、案例式教學(xué)法”應(yīng)用于《工業(yè)催化》課程教學(xué)中。通過實際反應(yīng)引入知識點，科研案例將起到拋磚引玉的作用，加深學(xué)生對知識點的印象及理解。

一、課程的定位和目標(biāo)

高校開展專業(yè)建設(shè)和工程教育改革的根本目的是推動專業(yè)教育質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)與提高。認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了專業(yè)應(yīng)該滿足的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，學(xué)生在畢業(yè)時應(yīng)該具備的基本的溝通能力、合作能力、專業(yè)知識技能、終生學(xué)習(xí)的能力及健全的世界觀和責(zé)任感等能力素質(zhì)要求。近年來，通過在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革以及教材建設(shè)等方面的探索與實踐，結(jié)合行業(yè)實際，培養(yǎng)能夠解決復(fù)雜工程問題的化工工程師已經(jīng)成為課程教學(xué)的風(fēng)向標(biāo)。

《工業(yè)催化》課程是為化工相關(guān)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的選修課，為學(xué)生畢業(yè)后從事催化化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的化工設(shè)計、催化劑設(shè)計與制備、運行管理等工作提供工業(yè)催化方面的專業(yè)知識。通過掌握有關(guān)催化劑設(shè)計、化劑制備和工藝、表征與測試等基本理論知識，了解相關(guān)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決催化劑制備技術(shù)中各種復(fù)雜工程問題的能力。通過掌握催化作用的基本規(guī)律和基本原理，掌握各類催化劑及其催化作用，具有對現(xiàn)有工業(yè)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(yīng)的基礎(chǔ)理論和基本知識，具有對工業(yè)催化領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題進(jìn)行進(jìn)行識別、分析、表達(dá)，以獲得有效結(jié)論的能力。

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

通過《工業(yè)催化》課程教學(xué)改革圍繞工業(yè)生產(chǎn)實際需要，結(jié)合國內(nèi)院校多年來在本課程教學(xué)方面積累的經(jīng)驗，從教學(xué)定位、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段等多方面著手，將項目與案例式教學(xué)融入課堂，輔以科技論文閱讀及寫作，培養(yǎng)學(xué)生將催化知識與工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，使學(xué)生能夠在自主學(xué)習(xí)時接觸到國際前沿知識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想，注重理論與實際緊密結(jié)合的求實態(tài)度，建立并完善學(xué)生專業(yè)知識學(xué)習(xí)體系，促進(jìn)學(xué)生接受新技術(shù)、新知識的能力，培養(yǎng)和提高學(xué)生利用專業(yè)知識對復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析、表達(dá)以獲得有效結(jié)論的能力。

二、案例式教學(xué)法

工業(yè)催化過程經(jīng)石油、化工以及精細(xì)化工近百年的發(fā)展，已形成了巨大的生產(chǎn)力，在世界各國的國民經(jīng)濟中起著不可估量的作用。無論是石油工業(yè)、化學(xué)工業(yè)還是精細(xì)化學(xué)品工業(yè)，其發(fā)展進(jìn)程中起著十分重要作用的是催化過程?！獋€新的催化劑、新的催化過程的出現(xiàn)往往從根本上改變了某一化學(xué)加工過程的狀況，降低了成本，創(chuàng)造出大量的財富，有力地推動著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。《工業(yè)催化》課程作為化工、材料相關(guān)專業(yè)的選修課程，主要研究各類工業(yè)催化劑的設(shè)計、制備、分析、測試與使用方法；介紹環(huán)境保護催化技術(shù)、未來能源催化技術(shù)。在實踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)催化作用的基本規(guī)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(shù)，催化劑表征方法以及工業(yè)上催化劑的評價與應(yīng)用。早在1834年Berzelius就引入了“catalysis”術(shù)語，此后催化反應(yīng)層出不窮，課堂教學(xué)中引入案例，加深學(xué)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(nèi)容時，引入與生活密切相關(guān)的高辛烷值汽油制備案例。合成氣（CO+H2）經(jīng)費托合成反應(yīng)可定向制備高辛烷值汽油。費托合成的主要產(chǎn)物為直鏈烷烴，符合Anderson-Schulz-Flory（ASF）分布，合成產(chǎn)物主要是C1-C50+的直鏈烷烴組成的復(fù)雜混合物，重質(zhì)烴產(chǎn)物需要二次加工。研究者一般通過二段工藝將長鏈烷烴經(jīng)進(jìn)一步裂解改質(zhì)和加氫異構(gòu)獲得具有優(yōu)異燃燒性能的中間餾分油（如高辛烷值汽油）。此反應(yīng)通常需要二種催化劑，一是常規(guī)費托合成用金屬催化劑，二是分子篩催化劑。借此引入常規(guī)催化劑的主要成分、了解工業(yè)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(shù)等催化劑制備新技術(shù)；掌握沉淀法、浸漬法等制備工業(yè)催化劑步驟和影響因素，掌握工業(yè)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(jié)晶硅鋁酸鹽，具有規(guī)則的分子量級上的孔道結(jié)構(gòu)，是石油煉制工業(yè)上常見的重油催化裂解和異構(gòu)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(nèi)容。（1）分子篩的吸附作用，了解固體催化劑表面的內(nèi)擴散和外擴散，理解多相催化反應(yīng)步驟，掌握多相催化反應(yīng)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(shè)，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(gòu)化和擇型催化反應(yīng)中。使學(xué)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(guān)系。

三、項目式教學(xué)法

成果導(dǎo)向教育是由美國與1994年首先提出來的，經(jīng)過20余年的發(fā)展，使其成美國、加拿大、英國等發(fā)達(dá)國家教育改革的主流理念[7]。因此，通過科研項目與教學(xué)改革融合為成果導(dǎo)向教育提供了良好的前提基礎(chǔ)，使課堂上的理論知識應(yīng)用于在科研、生產(chǎn)實踐中。在“工業(yè)催化劑的設(shè)計”的教學(xué)內(nèi)容中，利用產(chǎn)學(xué)合作企業(yè)的生產(chǎn)線，在課程適當(dāng)教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)合教師的科研題目以及產(chǎn)學(xué)合作企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行項目式教學(xué)。如：浙江省自然科學(xué)基金項教改項目、浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計劃項目“新型雙提升管沼氣自熱重整制生物質(zhì)基合成氣工藝關(guān)鍵技術(shù)研究”等融入課堂教學(xué)。在“各類催化劑及其催化作用、工業(yè)催化劑的評價與宏觀物性的測試”等章節(jié)，以省自然科學(xué)基金項目中的Fe/SBA-15/H-ZSM-5單晶膠囊催化劑設(shè)計為出發(fā)點，介紹金屬和分子篩在催化劑中的作用，介紹調(diào)控費托產(chǎn)物分布的催化劑種類、制備方法和研究進(jìn)展以及分子篩催化劑在合成生物柴油中的應(yīng)用。在“工業(yè)催化劑設(shè)計、工業(yè)催化劑的制備和使用”等章節(jié)，以浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計劃項目中的沼氣自熱重整催化劑設(shè)計和制備為出發(fā)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(yè)用催化技術(shù)”章節(jié)，介紹生物質(zhì)基清潔能源的開發(fā)等。學(xué)生分小組研討，在查閱文獻(xiàn)和總結(jié)的基礎(chǔ)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(yīng)用CAD化工軟件畫出工藝路線圖，并在課堂上小組代表進(jìn)行項目方案的講解，采用以學(xué)生“參與式”的課堂教學(xué)，以學(xué)生為中心，讓學(xué)生成為課堂的主體，使學(xué)生具有一定的探索知識能力。

四、結(jié)語

對《工業(yè)催化》課程進(jìn)行教學(xué)改革，使本課程能較好地適應(yīng)當(dāng)代本科生工程教育的特點和學(xué)科發(fā)展趨勢，將項目與案例運用到教學(xué)中，課程的改革主要圍繞以下3個目標(biāo)來進(jìn)行：

1.強化工業(yè)催化的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生扎實的專業(yè)知識和科研項目案例閱讀、查詢能力，注重學(xué)科交叉滲透和應(yīng)用發(fā)展。

2.使學(xué)生掌握先進(jìn)研究方法與技能、擁有對工業(yè)催化領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題進(jìn)行進(jìn)行識別、分析、表達(dá)，以獲得有效結(jié)論的能力。

3.達(dá)到培育具有國際化視野、能力全面、良好創(chuàng)新素養(yǎng)的應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才的目的，為提高高等工程教育的質(zhì)量奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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