《催化剂设计与制备》课程教学改革的探索

GuangzhouChemicalIndustry

Vol郾47No郾3Feb郾2019

《催化剂设计与制备》课程教学改革的探索

吴志杰

*

(重质油国家重点实验室,中国石油大学(北京)化学工程与环境学院,北京摇102249)

摘摇要:结合中国石油大学(北京)化学工程与环境学院的科研特色,提出并建设催化剂设计与制备的课程设置、教学内容

和教学改革等尝试,不断拓展学生科研能力培养的方式。经过5年的探索和实践,建立了以催化基本原理和水溶液化学基础为纽带的课程体系,将课堂教学、网络课程学习结合,以案例教学方法为主,提高学生总结知识进行分析问题-解决问题的能力培养。

关键词:研究生课程;催化剂;能源化工摇

中图分类号:G642郾0摇摇摇摇

摇文献标志码:A

文章编号:1001-9677(2019)03-0124-03

ExplorationonTeachingReformofCatalystDesignandPreparationCourse*

WUZhi-jie

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,CollegeofChemicalEngineeringandEnvironment,

ChinaUniversityofPetroleum-Beijing,Beijing102249,China)

Abstract:BasedonthecharacteristicsofthescientificresearchinCollegeofChemicalEngineeringandEnvironment,ChinaUniversityofPetroleum-Beijing,thecourseoffered,contentandreforminteachingwereproposedandconstructedforthecourseofCatalystDesignandPreparation,toexplorethepathwaysforpromotingthescientificresearchabilityofstudents郾After5yearsofexplorationandpractice,aneffectivecoursesystembasedontheprincipleofcatalysisandaqueouschemistrywasdeveloped郾Thecaseteachingmethodwasutilizedintheclassroomteachingaswellasthestudyviaonlinecourses,toimprovestudents蒺abilityofsummarizingknowledgetoanalyzeandsolvepracticleproblems郾

Keywords:graduatecourse;catalyst;energychemicalengineering

目前,全球化工产品的生产,80%以上的化学反应过程都需要催化剂。学习和掌握催化剂的设计和制备方面的知识,能够为研究生日后进入化工行业从事相关的技术性工作提供知识储备和技术指导,也能为从事催化相关(能源化工、有机化工和环境保护)基础研究的研究生提供理论和技术指导。《催化剂设计与制备》是中国石油大学(北京)为研究生开设的主干课,主要面向化学工程技术、化学工程、环境工程和应用化学专业的研究生,是学生开始实验课题研究前修读的一门学位课。针对中国石油大学(北京)的行业背景,围绕“油气转化冶中涉及的催化材料和催化剂,开展与学生后续研究相关的针对性教学显得尤为重要。为了改善教学效果,提高学生的能力培养,笔者针对本校科研中主要涉及的催化材料和催化剂,将案例式教学法[1-2]应用于《催化剂设计与制备》课程教学中。通过实际的催化剂设计与制备的案例分析引入知识点,利用科研案例抛砖引玉的作用,加深学生对知识点的印象和理解。

点,通过在教学内容、教学方法和教学手段的改革以及教材建设等方面的探索和实践,让学生在掌握催化剂设计的基本原则和催化剂制备的基本原理和技术,对学生后续的科研素养的培养显得尤为重要。因此,在课程教学过程中,训练学生灵活应用基础知识,结合行业实际,培养发现、分析和解决较为复杂问题能力是课程教学的主要定位。

具体而言,本课程要求学生全面掌握催化剂设计和制备的基本原则和方法,达到以下几方面的目标:

(1)掌握固体催化剂设计的基本思路和方法的合理应用规则;

(2)掌握固体催化剂制备的方法和基本原理的应用;

(3)掌握氧化物催化剂、负载型催化剂、分子筛催化剂等能源化工领域常用工业催化剂的设计与制备方法;

(4)掌握通过分析催化反应的基本原理进而设计和制备催化剂的方法。

1摇课程的定位和目标

《催化剂设计与制备》是我校化学工程技术和化学工程专业的研究生学位课,主要是为学生在后续的科学研究中的科学能力的训练和培养打基础。因此,如何结合我校的科学研究特

基金项目:中国石油大学(北京)教育教学改革项目基金。作者简介:吴志杰(1982-),男,副教授。

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2摇建立合理的课程教学体系

《催化剂设计与制备》包含设计和制备两个方面的内容。就催化剂设计的授课内容而言,通用的授课逻辑是以催化剂的类别为依据,以工业催化剂开发或某一典型催化材料最新的前

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第47卷第3期吴志杰:《催化剂设计与制备》课程教学改革的探索摇125

沿进展总结出案例进行各类催化剂设计的讲授。这种授课方式

在国外的研究生课程更为常见。其优点非常明显,例如可以训练学生“提出问题-分析问题-解决问题冶的思维能力,同时又能让学生直接接触科研,激发学生的学习兴趣。但是,在实际的授课过程中,笔者发现当前研究生课程的设置都是集中在研究生从事毕业论文相关研究工作之前,学生没有科学研究的基础,对于催化剂的设计和制备方面的知识仅仅停留在书本上。按照这种授课方式,有相当一部分学生在与其课题相关的案例学习上展现出较为浓厚的兴趣,但是在能力培养或者知识点的掌握方面,学生学习效果并不明显。例如,在课程论文或课堂小测验中,多数学生对于催化剂的设计讨论脱离实际,只会按照课堂教学“依葫芦画瓢冶;在课堂教学中,由于学生知识的3摇教学方式的探索

本门课程的授课内容涉及多种催化剂,且各种催化剂的作用机制也存在区别,而学生在后续各自的科学研究中所涉及的课题也不尽相同。因此,本门课程授课时,学生往往只关心或关注所涉及的催化剂的内容,其他的课堂学习仅仅停留在取得课程学分程度。这一点从每节课学生所提交的关于当堂课堂知识的案例分析题和思考题的批改情况中得到体现。虽然,笔者在第二次教学过程中以催化基本原理和水溶液化学为纽带讨论催化剂的设计与制备内容,但是,除了少数学习兴趣浓厚的学生,多数学生的关注力仍然停留在选择性的学习与课题相关的内容上,这并不利于学生思维能力的训练的培养目标实现。在欠缺,课堂提问和讨论难以开展。因此,如何在学生现有的知识结构体系上开展教学,引导学生能够联系旧知识进行新知识点的联系显得尤为重要。因此,通过近3年的教学实践,笔者总结出以多数学生已经修读过的《催化原理》或《工业催化》的课程知识点,从催化原理的基本概念和基本原理为切入点,在复习旧知识点的同时,引入典型的催化剂设计的小案例,能够引导学生进行总结旧知识进行分析问题和讨论问题的训练[3]理》。教学中基本概念为此,笔者在催化剂设计方面的教学、基本原理介绍的授课顺序,采用了,结合案例分《催化原析,让学生深入体会基本概念灵活应用的重要性。例如,在讨论到负载型催化剂设计时,主要是介绍载体的作用,然后论述利用“氢溢流冶和“载体-活性组分强相互作用冶构建双功能催化剂时,让学生自行根据所学吸附位能曲线中所涉及的吸附热和活化能的关系分析文献报道的结果。

另一方面,就催化剂制备方面的教学内容而言,笔者结合学生的知识结构,提出了以水溶液化学为基础的教学新体系。传统催化剂制备相关书籍中,关于催化剂的制备的论述,较为侧重催化剂制备的技术、经验的介绍。例如催化剂各种制备因素(温度、原料种类或浓度)对催化剂性质的影响规律介绍,催化剂活化过程中各个工艺条件的影响规律的介绍等等。按照此体系进行催化剂制备的课程教学,笔者发现学生容易产生一种关于“催化剂制备实质是一种经验技术的累积冶的观点。为了突出催化剂制备的科学性,笔者在教授本门课程的第二年开始进行授课体系的改变。笔者发现本校研究生的生源基本源于理工科院校的工科专业,学生所学的化学基础知识,特别是无机合成相关的化学基础非常薄弱。[4-6]另一方面,通过国内外关于固体催化剂制备原理的相关资料调研发现,催化剂制备过程中涉及的化学原理基本都是无机合成化学方面的内容。因此,考虑到实际工业催化剂生产主要采用水为溶剂,笔者在讲授催化剂制备的过程中,引入了“水溶液化学冶基础内容的教学,通过利用讲授金属离子在水溶液中溶剂化相关的基本原理,以水合金属离子的稳定性和反应活性为纽带,将传统的非负载型和负载型催化剂的制备方法中各种条件实验或工艺条件的影响规律的论述统一,形成一个相互关联的科学体系。例如,讨论沉淀法控制合成氧化物粒子、水热合成沸石分子筛、溶胶凝胶法合成均一的氧化硅、浸渍法或离子交换法制备高分散金属粒子的案例中,都以金属水合离子水解和缩合反应进行圆满的论述。通过对水溶液化学基本概念的反复论述和应用,让学生形成一种利用基础的知识和原理指导催化剂制备的科研思路。

总之,《催化剂设计与制备》授课内容的体系,以催化作用的基本概念和原理,水溶液化学的基本知识为出发点,通过引入教学案例,构建了非负载型和负载型催化剂设计和制备的教学体系。

课程结课后学生所提交的课程论文批改过程,笔者发现,学生们能够对自身所研究的课题相关的催化剂侃侃而谈,但是总结的问题和解决问题的方案,基本都是现有文献报道所提出的策略,只有少数学生能够结合所学的课堂内容,提出新的想法和思路。为此,笔者在第三次教学过程中,尝试采用在每堂课程中围绕重要基本概念的理解和应用提出3-4个教学考核点,采用问题和讨论的方式,促使学生在学习和课后复习过程中围绕考核点去分析案例。同时,建设网络课程,将课堂课件以及相关的拓展资料上传到网络课堂,设置讨论题,引导部分学习兴趣浓厚的学生自学新的知识点。笔者发现,通过这种考核针对性强的课堂教学,可以促使多数学生参与到课堂学习,同时网络课堂促进部分优秀学生的能力培养,实际效果较为显著。

除了引入网络课程,在教学过程中,合理的案例以及案例的引入方式对于提高学生的思维能力也至关重要。例如,我校化工学院多数学生在后续的科研中都会涉及到沸石分子筛的制备或应用。笔者在教学过程中,在讨水溶液化学的过程中,就侧重以硅和铝盐类的水解过程中,结合沸石分子筛的控制合成案例,引起绝大多数学生的兴趣。另外,为了让学生能够对结晶过程中温度的作用,引入程序升温晶化制备纳米晶沸石分子筛的案例让学生去理解和讨论结晶动力学对晶化工艺优化的指导意义。

总之,如何结合学生的知识背景和需求,合理的安排授课的内容和方式,避免长时间地罗列知识点和经验规律,是提高本门课程学生参与度和学习效果的关键。

4摇教学的问题和思考

研究生教学不同于本科生教学,主要侧重于学生能力,特别是科研能力的培养。本门课程的教学过程中,考虑到学生的知识背景,实际上安排了近1/4的时间进行基础知识的补充和讲授。理论上,这部分工作可以通过学生预习任务的形式开展,但是,笔者在网络课程的应用过程中发现,多数学生对于新知识的学习,如果没有教师的串讲或者剖析,掌握的程度仍然是停留在书本上,谈不上分析问题。因此,如何合理的安排教学内容,完成教学任务是课程教学中面临的挑战。笔者自从引入了基础知识的讲授后,对之前课堂中典型的沸石分子筛合成、金属催化剂的合成以及工业催化剂成型的章节的讲授内容进行了大幅度的删减。这部分内容,如何通过网络课堂的学习以及课程论文或考试的方式督促学生学习,是目前本课程教学所需要解决的一个问题。

另外,通过笔者科研过程中接触的学生情况看,通过《催化剂设计与制备》课程的学习,可以促使学生能够按照催化学

(下转第143页)

第47卷第3期魏艳红:“新工科冶背景下省属工科类院校公选课的改革初探摇143

沟通渠道。在学生自主学习的过程中,教师应注意监控学生对

知识的掌握情况,收集反馈的问题信息,提供必要的引导帮助,同时依据实际情况为下一步的课堂教学做出合理的规划。在“微生物发酵生产纤维素酶及其应用冶这个任务中,学生可以通过慕课了解纤维素酶的工业价值,理解纤维素酶催化纤维素生产酒精制造生物能源的原理,学习发酵的理论和工艺,发酵产物的提取、分离及纯化的方法。

(3)教学过程设计:鼓励学生合理分工,通力协作进行项目实践。根据学生收集的资料,自主学习的情况,进行总结分析,同时组织学生探讨项目完成过程中遇到的具体问题,深入思考,自主分析获取结论。在课后,充分利用开放的实验室,鼓励学生通过多渠道多方面的资源载体获取知识技能,总结并分享个人学习收获及项目实际操作的经验。如在生物化工课程的“微生物发酵生产纤维素酶及其应用冶这个任务中,通过分析影响发酵过程的可能因素,分析纤维素酶的化学性质,以及产物提取分离方法对于产物活性的影响,让学生对于相关知识技能的原理应用有着更深刻的理解和掌握。同时可以组织学生到发酵研究的实验室及开展化合物提取制备的化学实验室进行现场参观,亲历整个操作过程,让学生对此有更直观的体验,取得良好教学效果。

(4)学习成果评价:评价总结是知识学习的重要环节。教师要对任务完成情况进行客观总结分析,同时鼓励小组之间以及个人之间进行充分的沟通讨论,总结得失,加深学生对知识技能的深层次理解。所学内容要进行阶段性测试。最终的成绩评定要结合学生学习态度(如到课率)、平时测试成绩、学生收集资料的深度广度的情况、课堂答疑讨论情况、任务最终完成情况进行综合评价。

5摇结摇语

“慕课+项目驱动教学法冶的教学设计可以很大程度提高学生的学习积极性,锻炼学生发现问题、解决问题及综合应用所学知识的能力,提高教学效果,提升创造性、应用型、复合型人才的培养质量。既符合省属工科院校对于“新工科冶人才培养的需求,又切合当今网络信息蓬勃发展的时代特征。可以作为省属工科院校公选课教学模式的一种全新的改革策略。

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(上接第125页)

科的相关理论去解决实际问题,这是笔者乐于看到的结果。催化相关科学问题研究过程实际上是非常复杂的,对于催化剂的设计与制备更是如此,因此,一个正确的科研结论需要非常严谨的实验证据支撑。但是,笔者发现,这种科研过程中所需具备的思维严谨性,笔者在诸多案例分析中反复提及,在实际的科学研究中大部分学生仍是欠缺的。因此,如何培养学生的科研素养,仍然是本门课程所面临的一个重要挑战。

的内容,特别是从科学的角度对催化剂制备或处理过程中的一些经验方法或技术进行阐述,是本门课程内容建设面临的挑战和机遇,同时也是激发学生学习兴趣的推动力。

参考文献

5摇结摇语

经过近5年的探索和实践,根据我校化学工程与环境学院的科研背景,构建了具有“能源化工生产冶特色的《催化剂设计与制备》的教学体系和教学内容,在培养研究生利用所学知识分析和解决问题的科学素养方面起到重要的作用。但是,随着科学研究和技术的发展,固体材料合成以及无机合成相关的一些理论发展非常迅速,如何结合前沿的研究结果,重新剖析典型成熟的催化剂设计和制备方法应该是本门课程所需要关注

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