“雙一流”學(xué)科建設(shè)背景下催化作用基礎(chǔ)教學(xué)創(chuàng)新*

趙天翔，楊小青，劉 飛

(貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,綠色化工與清潔能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，貴州 貴陽 550025)

催化科學(xué)涵蓋催化化學(xué)、材料物理、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)，其在國民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的地位[1]。催化科學(xué)的核心是研究催化劑參與的化學(xué)反應(yīng)過程，催化一詞從對我們來說并不陌生，從初中化學(xué)以來便貫穿始終，催化劑種類繁多應(yīng)用廣泛，催化劑分類大到均向催化劑，多相催化，生物催化，小到酸堿催化，金屬催化，酶催化等。我們最常見的催化應(yīng)用是生產(chǎn)聚烯烴(如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等)是日常最常見的化工產(chǎn)品，就是我們?nèi)粘＝械摹八芰稀?。催化劑是合成聚烯烴不可或缺的，如聚丙烯的生產(chǎn)用的絡(luò)合催化劑、高效催化劑等，每一克的催化劑可產(chǎn)數(shù)萬乃至數(shù)十萬克聚丙烯粉料。我們可以大膽的預(yù)測未來無論是在催化劑的催化科學(xué)理論研究，還是開發(fā)利用清潔能源，環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及人類的生存所需資源，都有極大的發(fā)展前景。就我國來看約有90%以上的化工過程會使用催化劑，由此可見學(xué)好催化科學(xué)的重要性[2]。為了培養(yǎng)新型的化工人才，在“雙一流”學(xué)科建設(shè)的背景下，深入學(xué)習(xí)并掌握催化科學(xué)知識變得尤為重要。自貴州大學(xué)化工學(xué)科被列入國家“雙一流”學(xué)科建設(shè)以來，我校化工類本科專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃也在逐步作出重大調(diào)整。其中，《催化作用基礎(chǔ)》課程被納入本科教學(xué)改革試點(diǎn)之一。在課程教學(xué)革新之中，筆者提出的“科教并舉”教學(xué)新模式，取得了良好的教學(xué)效果。尤其地，大大激發(fā)了本科生的科研興趣，現(xiàn)已在ACSSustainableChem.Eng.上發(fā)表研究論文。下面就教學(xué)改革中的三點(diǎn)創(chuàng)新進(jìn)行闡述：

1 教學(xué)內(nèi)容上的創(chuàng)新

教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)工作之根本，因此必須要求在教學(xué)內(nèi)容方面要與時俱進(jìn)。我們在教材選擇上，參考了吉林大學(xué)甄開吉等出版的《催化作用基礎(chǔ)》，此教材內(nèi)容涵蓋面廣，是多門課程相互交叉、相互滲透、相互融合的結(jié)晶[3]。然而，自催化科學(xué)的逐步發(fā)展完善，催化理論也取得很大的進(jìn)展，導(dǎo)致教材中的部分觀點(diǎn)和理論“滯后”。由此可見，僅局限于經(jīng)典的教材的教學(xué)內(nèi)容，是不符合時下“雙一流”學(xué)科建設(shè)的發(fā)展理念。不斷引入新思想新概念新方向，才能凸顯出黨中央強(qiáng)調(diào)的“雙一流”學(xué)科建設(shè)的特色。為了推動學(xué)科發(fā)展，教學(xué)就成了至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。在教學(xué)過程中結(jié)合課本知識，高校相關(guān)專業(yè)人才隊(duì)伍的學(xué)術(shù)成果，學(xué)生就業(yè)需求，不斷深入探索我?；I(yè)的“雙一流”學(xué)科建設(shè)發(fā)展道路。

《催化作用基礎(chǔ)》課程具有綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)的特征。催化作用基礎(chǔ)一書共分為15個章節(jié)，從第1章介紹物理吸附和化學(xué)吸附到第2章介紹催化劑的表面積，孔結(jié)構(gòu)以及對反應(yīng)速率的影響和有關(guān)物理量的測量的一般原理，到最后15章介紹環(huán)境催化中一些治理環(huán)境污染的熱點(diǎn)催化課題以及化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域開發(fā)的環(huán)境友好催化過程的介紹，可以很清晰地了解到該門書目是從理論到實(shí)踐的層層過渡，逐步加深。但其理論知識繁多，課程時間安排局限以及學(xué)生消化理解能力有限，該門課程在教學(xué)中將遇到巨大挑戰(zhàn)，教學(xué)內(nèi)容既要考慮到結(jié)合書目內(nèi)容把以多相催化反應(yīng)為重點(diǎn)，又要切合現(xiàn)代應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式，串講書目大量繁多的基本概念，對學(xué)生來說無異于是一個巨大的挑戰(zhàn)。以往學(xué)生普遍反映課程學(xué)習(xí)難度大，學(xué)習(xí)積極性也普遍較低[4]。究其原因是學(xué)習(xí)內(nèi)容的單一化、教學(xué)內(nèi)容局限于課本上的理論、缺乏理論知識與實(shí)踐的聯(lián)系等一系列弊端使學(xué)生學(xué)習(xí)感到枯燥乏味。我們在《催化作用基礎(chǔ)》課程的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容中引入與人們息息相關(guān)的實(shí)例后，可大幅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課程進(jìn)行中常有學(xué)生主動提問和交流討論，甚至學(xué)生主動要求進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做相關(guān)的研究。比如在學(xué)習(xí)羰基化反應(yīng)的過程中，狹義的認(rèn)為羰基化反應(yīng)是CO分子參與反應(yīng)，在產(chǎn)物中形成羰基的過程。事實(shí)上，很多的分子均可作為羰基化試劑，比如甲酸、甲醛、CO2、碳酸二甲酯等[5-6]。這些內(nèi)容主要來源于筆者對前沿科學(xué)進(jìn)展的關(guān)注。例如：在教學(xué)內(nèi)容中引入大量關(guān)于CO2催化轉(zhuǎn)化的案例，大宗廢氣CO2“變廢為寶”，經(jīng)催化轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品，這也是當(dāng)前催化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。教學(xué)內(nèi)容從催化劑的制備——催化劑的結(jié)構(gòu)表征——CO2催化轉(zhuǎn)化機(jī)制——反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)四個維度介紹催化的實(shí)質(zhì)，以實(shí)際的例子去導(dǎo)出教材中的催化理論。除此以外，我也常以生活中常見的汽車為例，汽油來源與石油化工過程，解釋積碳形成的原因，以及汽車尾氣催化脫硝等催化過程。

為了加深同學(xué)們學(xué)習(xí)理論知識的印象，在課程內(nèi)容加入實(shí)驗(yàn)部分環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在以自己感興趣的基礎(chǔ)上制備常用的催化劑，并表征某些催化劑的宏觀結(jié)構(gòu)參量，了解其催化劑的一般特點(diǎn)性能。比如在學(xué)習(xí)固體酸催化劑及其催化作用時，筆者采用的是層層遞進(jìn)的方法，并不是直接引入固體酸催化劑。而是通過介紹酸堿的基本概念，在到介紹酸的某些性質(zhì)的測定，再遞進(jìn)到討論酸催化問題，最后設(shè)計(jì)合理實(shí)驗(yàn)方案，通過實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際操作讓學(xué)生切實(shí)的理解整個過程。酸堿基本概念能夠讓學(xué)生區(qū)分化合物，其性質(zhì)的測定可以讓學(xué)生學(xué)到酸的測定類型可以用光譜，色譜和化學(xué)方法區(qū)分。再到固體酸的分類(包括天然粘土，負(fù)載酸，復(fù)合金屬氧化物以及金屬硫酸鹽)與結(jié)構(gòu)(一般來說，在合適的酸類型與酸強(qiáng)度下，催化劑作用的活性隨著酸度的量增加而增加，而酸度是由結(jié)構(gòu)所決定)。比如為了加深其結(jié)構(gòu)的了解和幫助化工類學(xué)習(xí)未來就業(yè)技能培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分鼓勵學(xué)生合成SiO2-Al2O3，學(xué)生們通過書本理論知識只可以了解制備該催化劑的大致流程。而通過實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)到首先要將稀的硅酸鈉溶液酸化，放置后的硅凝膠，一般學(xué)生們在書面上是認(rèn)為在這一過程中首先是許多的四氧化硅四面體借助于Si-O-Si橋建連接成三維網(wǎng)絡(luò)，而實(shí)際上是硅膠一次性粒子，因?yàn)橥ㄟ^實(shí)際觀察，發(fā)現(xiàn)其表面是形成各種不規(guī)則的空穴，說明它的結(jié)構(gòu)是不是按密堆積的方式，而是雜亂的排列。

總結(jié)起來，教學(xué)內(nèi)容要與時俱進(jìn)，匯入前沿最新成果，激發(fā)學(xué)生興趣。同時例舉貼近學(xué)生生活中的催化過程，用實(shí)例內(nèi)容導(dǎo)出催化理論，加上實(shí)驗(yàn)的輔助，有助于加深學(xué)習(xí)的印象。教學(xué)內(nèi)容從以往的局限書本內(nèi)容、局限教室、到現(xiàn)在的結(jié)合前沿發(fā)展成果多方向教授知識，即筆者提出的“科教并舉”是符合當(dāng)代“雙一流”學(xué)科建設(shè)發(fā)展道路的新理念。

2 教學(xué)方式上的創(chuàng)新

《催化作用基礎(chǔ)》課程既是一門理論課，更是一門實(shí)踐課，這就要求理論和實(shí)踐要緊密聯(lián)系?；诖?，我們提出“科教并舉”的教學(xué)模式。一直以來，科學(xué)研究和理論教學(xué)是相輔相成的關(guān)系。學(xué)習(xí)理論是為了實(shí)踐，實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)問題，然后運(yùn)用現(xiàn)有理論解決問題，并誕生新的理論[7-8]。由此可見，將科學(xué)研究和理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合是未來教學(xué)的發(fā)展方向。我們在教學(xué)設(shè)計(jì)的過程中，針對性地將磷化工、煤化工等帶有貴州地域特色的化工過程加入到教學(xué)計(jì)劃。采用“半自助”的教學(xué)模式，將學(xué)生分組學(xué)習(xí)討論，最大限度調(diào)動每一位學(xué)生的主觀學(xué)習(xí)能動性。與此同時，以不記名的形式讓學(xué)生提意見和建議，根據(jù)對比分析出學(xué)生的綜合意見，及時變更教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式。課程之余，組織學(xué)生參觀實(shí)驗(yàn)室，指導(dǎo)學(xué)生開展大學(xué)生科研創(chuàng)新項(xiàng)目，由原來的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿餍詫?shí)驗(yàn)。比如設(shè)計(jì)合成一些新的碳基金屬納米復(fù)合催化劑，對催化劑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，以及評價催化活性等。通過理論與實(shí)踐結(jié)合，加深學(xué)生對催化過程的認(rèn)知，讓學(xué)習(xí)變得事半功倍。

課堂教學(xué)上做到“求實(shí)，求活，求新”的原則，即扎實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)，靈活多變，創(chuàng)新思維。教師作為傳授知識的一方，對知識準(zhǔn)確度的嚴(yán)謹(jǐn)性至關(guān)重要，扎扎實(shí)實(shí)的抓好基礎(chǔ)概念，對于相應(yīng)的原理，要合理的推導(dǎo)分析，不要造成架空式教學(xué)。俗話說教學(xué)有法，教無定法，在教授過程中，不應(yīng)拘束于籠統(tǒng)的教育，對于學(xué)生提出的合理問題因給予鼓勵，把教學(xué)模式從講授轉(zhuǎn)變?yōu)橛懻撌侥Ｊ健４送?，在教學(xué)方式上適當(dāng)采用雙語教學(xué)。學(xué)好一門專業(yè)課，了解專業(yè)術(shù)語是必不可少的。不僅僅是局限于中文，尤其是理工類專業(yè)，其最新前沿成果大都來自于國外，要想及時準(zhǔn)確的獲得最新成果，就避免不了要閱讀大量外文期刊，如果對其英文專業(yè)術(shù)語不夠了解，其工作量也會大大增加。學(xué)習(xí)外文專業(yè)術(shù)語不僅有益于我們閱讀外文文獻(xiàn)。在很大程度上，更加有利于我們將本國的最新科研成果準(zhǔn)確的表達(dá)發(fā)表到外網(wǎng)，把我國的科研成果發(fā)表到外網(wǎng)增強(qiáng)我國的科研影響力。與此同時在學(xué)習(xí)專業(yè)術(shù)語時，通過溝通交流寫作練習(xí)，也可以加強(qiáng)學(xué)生的科技論文寫作水平，為學(xué)生畢業(yè)論文的高質(zhì)量完成奠定基礎(chǔ)。

3 考核方式上的創(chuàng)新

催化科學(xué)理論知識點(diǎn)繁多，以往期末閉卷考試不能全面地反映學(xué)生的知識掌握情況，甚至導(dǎo)致學(xué)生在應(yīng)對考試中抱有極大的僥幸心理。因此，為了實(shí)質(zhì)性提升學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，采取多元化方式進(jìn)行考核。主要措施如下：(1)課堂表現(xiàn)。一方面設(shè)計(jì)隨堂練習(xí)，通過答題加分計(jì)入平時成績的方式，調(diào)動學(xué)生思考答題的積極性。另外，鼓勵學(xué)生勇于提問題，通過師生間、學(xué)生間的互動活躍課堂氣氛。最后讓每位學(xué)生根據(jù)自己所了解的催化科學(xué)理論知識，聯(lián)系實(shí)際生活，完成一篇專業(yè)課程小論文，計(jì)入平時成績。(2)期末開卷考試。試題類型靈活開放，來源于教材，但要超出教材，這樣有益于學(xué)生自主地了解海量的催化理論知識，運(yùn)用理論知識合理解題，避免死記硬背的應(yīng)試教育弊端。(3)工業(yè)催化前沿進(jìn)展匯報。圍繞開卷考試范圍，鼓勵學(xué)生分組進(jìn)行相應(yīng)章節(jié)的前沿進(jìn)展匯報。組員之間通過分工合作，將查閱的前沿最新相關(guān)科技分類整合，以PPT形式分組匯報，最后根據(jù)各組的綜合表現(xiàn)打分。該方式不僅能充分激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，而且可以培養(yǎng)學(xué)生間的合作精神，增加老師與學(xué)生之間的雙向互動，同時也能很好地發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，由此指導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的調(diào)整方向。

4 結(jié) 語

鑒于《催化作用基礎(chǔ)》在化工類學(xué)生專業(yè)課程中的重要性，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式三個方面，對《催化作用基礎(chǔ)》課程的教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新，使其符合“雙一流”學(xué)科建設(shè)發(fā)展培養(yǎng)應(yīng)用型人才的宗旨。通過對《催化作用基礎(chǔ)》課程教學(xué)的改革與教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣被激發(fā)，學(xué)生的積極性和和科研素質(zhì)有所提高，新的教學(xué)模式得到學(xué)生的普遍接受。在今后的教學(xué)工作中，我們?nèi)詫⒉粩嗟匕l(fā)現(xiàn)新問題，借鑒和學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步加強(qiáng)整個教學(xué)模式的革新，堅(jiān)持以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念。