“双一流”学科建设背景下催化作用基础教学创新*

赵天翔，杨小青，刘 飞

(贵州大学化学与化工学院,绿色化工与清洁能源技术重点实验，贵州 贵阳 550025)

催化科学涵盖催化化学、材料物理、化学反应动力学和热力学，其在国民经济中具有举足轻重的地位[1]。催化科学的核心是研究催化剂参与的化学反应过程，催化一词从对我们来说并不陌生，从初中化学以来便贯穿始终，催化剂种类繁多应用广泛，催化剂分类大到均向催化剂，多相催化，生物催化，小到酸碱催化，金属催化，酶催化等。我们最常见的催化应用是生产聚烯烃(如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等)是日常最常见的化工产品，就是我们日常叫的“塑料”。催化剂是合成聚烯烃不可或缺的，如聚丙烯的生产用的络合催化剂、高效催化剂等，每一克的催化剂可产数万乃至数十万克聚丙烯粉料。我们可以大胆的预测未来无论是在催化剂的催化科学理论研究，还是开发利用清洁能源，环境保护与经济发展，以及人类的生存所需资源，都有极大的发展前景。就我国来看约有90%以上的化工过程会使用催化剂，由此可见学好催化科学的重要性[2]。为了培养新型的化工人才，在“双一流”学科建设的背景下，深入学习并掌握催化科学知识变得尤为重要。自贵州大学化工学科被列入国家“双一流”学科建设以来，我校化工类本科专业的培养计划也在逐步作出重大调整。其中，《催化作用基础》课程被纳入本科教学改革试点之一。在课程教学革新之中，笔者提出的“科教并举”教学新模式，取得了良好的教学效果。尤其地，大大激发了本科生的科研兴趣，现已在ACSSustainableChem.Eng.上发表研究论文。下面就教学改革中的三点创新进行阐述：

1 教学内容上的创新

教学内容是教学工作之根本，因此必须要求在教学内容方面要与时俱进。我们在教材选择上，参考了吉林大学甄开吉等出版的《催化作用基础》，此教材内容涵盖面广，是多门课程相互交叉、相互渗透、相互融合的结晶[3]。然而，自催化科学的逐步发展完善，催化理论也取得很大的进展，导致教材中的部分观点和理论“滞后”。由此可见，仅局限于经典的教材的教学内容，是不符合时下“双一流”学科建设的发展理念。不断引入新思想新概念新方向，才能凸显出党中央强调的“双一流”学科建设的特色。为了推动学科发展，教学就成了至关重要的环节。在教学过程中结合课本知识，高校相关专业人才队伍的学术成果，学生就业需求，不断深入探索我校化工专业的“双一流”学科建设发展道路。

《催化作用基础》课程具有综合性和实践性强的特征。催化作用基础一书共分为15个章节，从第1章介绍物理吸附和化学吸附到第2章介绍催化剂的表面积，孔结构以及对反应速率的影响和有关物理量的测量的一般原理，到最后15章介绍环境催化中一些治理环境污染的热点催化课题以及化学工业领域开发的环境友好催化过程的介绍，可以很清晰地了解到该门书目是从理论到实践的层层过渡，逐步加深。但其理论知识繁多，课程时间安排局限以及学生消化理解能力有限，该门课程在教学中将遇到巨大挑战，教学内容既要考虑到结合书目内容把以多相催化反应为重点，又要切合现代应用型人才培养模式，串讲书目大量繁多的基本概念，对学生来说无异于是一个巨大的挑战。以往学生普遍反映课程学习难度大，学习积极性也普遍较低[4]。究其原因是学习内容的单一化、教学内容局限于课本上的理论、缺乏理论知识与实践的联系等一系列弊端使学生学习感到枯燥乏味。我们在《催化作用基础》课程的教学过程中，发现在教学内容中引入与人们息息相关的实例后，可大幅激发学生的学习兴趣，课程进行中常有学生主动提问和交流讨论，甚至学生主动要求进入实验室做相关的研究。比如在学习羰基化反应的过程中，狭义的认为羰基化反应是CO分子参与反应，在产物中形成羰基的过程。事实上，很多的分子均可作为羰基化试剂，比如甲酸、甲醛、CO2、碳酸二甲酯等[5-6]。这些内容主要来源于笔者对前沿科学进展的关注。例如：在教学内容中引入大量关于CO2催化转化的案例，大宗废气CO2“变废为宝”，经催化转化为高附加值的产品，这也是当前催化领域研究的热点之一。教学内容从催化剂的制备——催化剂的结构表征——CO2催化转化机制——反应动力学和热力学四个维度介绍催化的实质，以实际的例子去导出教材中的催化理论。除此以外，我也常以生活中常见的汽车为例，汽油来源与石油化工过程，解释积碳形成的原因，以及汽车尾气催化脱硝等催化过程。

为了加深同学们学习理论知识的印象，在课程内容加入实验部分环节，让学生在以自己感兴趣的基础上制备常用的催化剂，并表征某些催化剂的宏观结构参量，了解其催化剂的一般特点性能。比如在学习固体酸催化剂及其催化作用时，笔者采用的是层层递进的方法，并不是直接引入固体酸催化剂。而是通过介绍酸碱的基本概念，在到介绍酸的某些性质的测定，再递进到讨论酸催化问题，最后设计合理实验方案，通过实验室的实际操作让学生切实的理解整个过程。酸碱基本概念能够让学生区分化合物，其性质的测定可以让学生学到酸的测定类型可以用光谱，色谱和化学方法区分。再到固体酸的分类(包括天然粘土，负载酸，复合金属氧化物以及金属硫酸盐)与结构(一般来说，在合适的酸类型与酸强度下，催化剂作用的活性随着酸度的量增加而增加，而酸度是由结构所决定)。比如为了加深其结构的了解和帮助化工类学习未来就业技能培养，实验设计部分鼓励学生合成SiO2-Al2O3，学生们通过书本理论知识只可以了解制备该催化剂的大致流程。而通过实验可以让学生学习到首先要将稀的硅酸钠溶液酸化，放置后的硅凝胶，一般学生们在书面上是认为在这一过程中首先是许多的四氧化硅四面体借助于Si-O-Si桥建连接成三维网络，而实际上是硅胶一次性粒子，因为通过实际观察，发现其表面是形成各种不规则的空穴，说明它的结构是不是按密堆积的方式，而是杂乱的排列。

总结起来，教学内容要与时俱进，汇入前沿最新成果，激发学生兴趣。同时例举贴近学生生活中的催化过程，用实例内容导出催化理论，加上实验的辅助，有助于加深学习的印象。教学内容从以往的局限书本内容、局限教室、到现在的结合前沿发展成果多方向教授知识，即笔者提出的“科教并举”是符合当代“双一流”学科建设发展道路的新理念。

2 教学方式上的创新

《催化作用基础》课程既是一门理论课，更是一门实践课，这就要求理论和实践要紧密联系。基于此，我们提出“科教并举”的教学模式。一直以来，科学研究和理论教学是相辅相成的关系。学习理论是为了实践，实践过程中发现新的科学问题，然后运用现有理论解决问题，并诞生新的理论[7-8]。由此可见，将科学研究和理论教学有机结合是未来教学的发展方向。我们在教学设计的过程中，针对性地将磷化工、煤化工等带有贵州地域特色的化工过程加入到教学计划。采用“半自助”的教学模式，将学生分组学习讨论，最大限度调动每一位学生的主观学习能动性。与此同时，以不记名的形式让学生提意见和建议，根据对比分析出学生的综合意见，及时变更教学内容和教学方式。课程之余，组织学生参观实验室，指导学生开展大学生科研创新项目，由原来的验证性实验转变为探索性实验。比如设计合成一些新的碳基金属纳米复合催化剂，对催化剂的结构进行表征，以及评价催化活性等。通过理论与实践结合，加深学生对催化过程的认知，让学习变得事半功倍。

课堂教学上做到“求实，求活，求新”的原则，即扎实严谨，灵活多变，创新思维。教师作为传授知识的一方，对知识准确度的严谨性至关重要，扎扎实实的抓好基础概念，对于相应的原理，要合理的推导分析，不要造成架空式教学。俗话说教学有法，教无定法，在教授过程中，不应拘束于笼统的教育，对于学生提出的合理问题因给予鼓励，把教学模式从讲授转变为讨论式模式。此外，在教学方式上适当采用双语教学。学好一门专业课，了解专业术语是必不可少的。不仅仅是局限于中文，尤其是理工类专业，其最新前沿成果大都来自于国外，要想及时准确的获得最新成果，就避免不了要阅读大量外文期刊，如果对其英文专业术语不够了解，其工作量也会大大增加。学习外文专业术语不仅有益于我们阅读外文文献。在很大程度上，更加有利于我们将本国的最新科研成果准确的表达发表到外网，把我国的科研成果发表到外网增强我国的科研影响力。与此同时在学习专业术语时，通过沟通交流写作练习，也可以加强学生的科技论文写作水平，为学生毕业论文的高质量完成奠定基础。

3 考核方式上的创新

催化科学理论知识点繁多，以往期末闭卷考试不能全面地反映学生的知识掌握情况，甚至导致学生在应对考试中抱有极大的侥幸心理。因此，为了实质性提升学生的学习质量，采取多元化方式进行考核。主要措施如下：(1)课堂表现。一方面设计随堂练习，通过答题加分计入平时成绩的方式，调动学生思考答题的积极性。另外，鼓励学生勇于提问题，通过师生间、学生间的互动活跃课堂气氛。最后让每位学生根据自己所了解的催化科学理论知识，联系实际生活，完成一篇专业课程小论文，计入平时成绩。(2)期末开卷考试。试题类型灵活开放，来源于教材，但要超出教材，这样有益于学生自主地了解海量的催化理论知识，运用理论知识合理解题，避免死记硬背的应试教育弊端。(3)工业催化前沿进展汇报。围绕开卷考试范围，鼓励学生分组进行相应章节的前沿进展汇报。组员之间通过分工合作，将查阅的前沿最新相关科技分类整合，以PPT形式分组汇报，最后根据各组的综合表现打分。该方式不仅能充分激发学生的自主学习积极性，而且可以培养学生间的合作精神，增加老师与学生之间的双向互动，同时也能很好地发现学生学习中存在的问题，由此指导教学内容和教学方式的调整方向。

4 结 语

鉴于《催化作用基础》在化工类学生专业课程中的重要性，本文从教学内容、教学方式和考核方式三个方面，对《催化作用基础》课程的教学模式进行创新，使其符合“双一流”学科建设发展培养应用型人才的宗旨。通过对《催化作用基础》课程教学的改革与教学实践，学生学习兴趣被激发，学生的积极性和和科研素质有所提高，新的教学模式得到学生的普遍接受。在今后的教学工作中，我们仍将不断地发现新问题，借鉴和学习国内外先进的教学经验，进一步加强整个教学模式的革新，坚持以学生为主体，教师为主导的教学理念。