应用催化课程多维度教学改革探索_马雪峰.pdf

年月 第 卷 第期 作者简介马雪峰（），男，硕士生。通信作者张鹏飞，：。应用催化课程多维度教学改革探索马雪峰，张鹏飞（上海交通大学 化学化工学院，上海 ）摘要 催化反应是现代化工产业的重要组成部分，而应用催化课程则是帮助化工专业学生更好地学习和理解催化反应的重要载体。文章从课程思政教学、催化案例教学和英文教学三个维度分享了应用催化课程新体系的构建与实施。多维度教学改革有助于学生掌握相关理论知识、扩大学科前沿视野、厚植家国情怀，可为新时代优秀人才的培养提供思路。关键词 应用催化；课程思政；案例教学；英文教学 ，（，）：，：，：；应用催化课程是我校化工系四年级本科生和研究生的专业限选课，包含催化原理、催化材料制备、活性评价、分析表征和工业催化剂开发等内容。该课程的教学旨在使学生掌握催化基本知识，了解催化过程的应用与发展趋势，培养学生灵活运用催化知识解决化工、医药、材料、环境和能源等过程工业领域实际问题的能力。长期以来，该课程的教学内容和教学模式相对单一，教学成效亟待提升。对此，我们对原有应用催化课程教学进行多维度递进式改革，构建了一套相对完善的应用催化课程新体系，如图所示。应用催化课程新体系恰似一个组成完整的“催化剂”。图形似“催化剂”的应用催化课程体系我们在原有课程内容的基础上，引入思政内容，对学生进行价值观教育，帮助其树立远大的理想，这使思政教育与催化理论知识教学形成协同效应。在此基础上，我们增加了催化案例教学，进一步提升学生对专业知识的掌握程度，培养学生的钻研精神。我们还依托英文教学，培养学生的国际视野，鼓励其主动了解国外优秀研究成果，更好地参与国际竞争。改革后的应用催化课程有助于化工专业学生深刻理解催化理论知识、厚植家国情怀、提升综合素质。一、做好课程思政教学“共催化剂”价值观教育会影响学生的人生规划和职业生涯，是应用催化课程教学目标中不可或缺的组成部分。但是，传统的应用催化课程教学往往注重催化理论知识的讲授和学生实践能力的培养，而忽视了对学生的价值引领，无法较好地将思想政治教育与专业知识教学有机结合起来。在新时代背景下，树立“三全育人”理念，以原有应用催化课程为载体全面推进课程思政建设十分重要。在催化剂组成机制中，共催化剂与主催化剂共同发挥作用，可以取得更好的催化效果。而在应用催化课程教学中开展思政教育，就如同在原有催化体系中加入“共催化剂”。将显性的理论知识教育和隐性的价值引领相结合，使二者形成协同效应，有利于更好地发挥课程教书育人的作用。我们针对应用催化课程，结合国内外需求更新和优化教学内容，切实开展课程思政建设，通过科学情怀教育和科研导向教育，引导学生树立正确的科研导向，把论文写在祖国大地上。（一）科学情怀教育一方面，我们注重催化学科发展史的讲解，以故事形式将本学科知名科学家的成长历程和学科发展历史融入课堂教学，以帮助学生深入理解催化学科的产生和发展过程，认识应用催化课程的重要性。学科发展史中蕴含的思政内容能够起到很好的价值引领作用。例如，老一辈科学家闵恩泽院士、郭燮贤院士等为我国石油化工、炼油催化等领域作出重要贡献，解决了催化领域多个“卡脖子”技术难题，打破了国外技术垄断或封锁，构建了如今的催化科研体系；包信和院士、刘中民院士等在纳米限域催化、煤制烯烃、甲醇制烯烃等前沿领域开展研究，为新时代国家战略的实施提供助力。我们通过讲述这些科学家的故事，使学生感悟其科研报国的家国情怀。另一方面，我们秉承学院严谨、务实、博学、创新的传统，坚持立德树人和教书育人，深入挖掘学院的思政教育资源。我们以优秀伉俪徐光宪、高小霞两位院士的故事为典型，宣传以“科研报国、与祖国同向同行”为核心的“霞光精神”（见图），打造特色课程。在知识讲授过程中，尤其是讲解稀土元素催化剂时，我们引入徐光宪先生在稀土领域的成就，进一步阐释“霞光精神”，加强对青年学子的价值引领，帮助其树立远大的志向以及正确的世界观、人生观和价值观。（二）科研导向教育科研导向教育也是课程思政教育的重要组马雪峰，等 应用催化课程多维度教学改革探索图“霞光精神”雕塑成部分。我们从合成氨催化剂的开发入手，开展科研导向教育。氨是化肥工业和有机化工行业的重要原料，合成氨工业的兴起加速了全球工业和农业的发展。哈伯等人因为对合成氨工艺的贡献而被提名诺贝尔化学奖。我国郭燮贤院士在 世纪 年代初，协助张大煜院士研制了合成氨新流程的催化剂，使我国合成氨工艺提高到了当时的国际先进水平。我们通过讲述这些科学家的事迹，帮助学生理解催化学科对人类社会发展的重要作用，从而引导学生关注社会对催化领域的最新需求，建立正确的科研导向。在新时代背景下，我国工业催化领域的研究始终对接国家和社会需求。在教学中，我们还聚焦当前国内外重大科研需求开展科研导向教育。例如，“碳达峰”“碳中和”的概念提出后，化工行业催化领域对用于二氧化碳液化技术的催化剂的需求越来越大，而当前催化剂存在反应转化率和选择性较低、反应条件相对苛刻、运行成本较高等问题，这些技术难题亟须广大师生通过深入研究来攻克。我们通过分析和探讨“碳达峰”“碳中和”等国家重大战略的实施对催化领域研究提出的新要求，鼓励学生积极关注专业领域最新进展和时政热点事件，及时调研国家需求，提前规划科研方向，以前瞻性的视野培养学生的创造性思维和实践性思维。我们还深入挖掘课程内容中蕴含的思政元素，提炼出爱国情怀、科研精神、社会责任等，使学生产生情感共鸣，增强学习主动性，提升对专业的认同感。二、配好案例教学“助催化剂”（一）案例教学的意义传统的应用催化课程包含催化概念与原理、表面吸附与表面修饰、表面结构测量、催化剂设计、催化剂制备、催化活性评价、各类催化剂及催化作用等内容，涉及物理化学、化工原理、专业英语等基础课程的相关知识点，具有较强的综合性。仅仅依靠理论教学难以让学生清晰、透彻地掌握该课程的核心知识。因此，教师需要关注学生希望学习的专业知识，了解教学内容能否满足专业领域的实际需求，以及对学生从事专业相关工作是否有帮助。案例教学法是专业课程教学常用的一种方法，是在理论知识教学的基础上，引入专业相关领域的科学研究案例或工艺过程案例，以之为线索开展课堂教学的方法。我们在应用催化课程教学中引入案例教学法，重点聚焦工业催化剂开发。工业催化剂开发案例能够串联起大量理论知识，有助于学生深入掌握相关知识点，明确课堂所学知识在实际中的运用，从而掌握解决复杂问题的思路和方法。有关催化剂开发、催化反应的案例非常丰富，但能够直接用于课堂教学的并不多，需要授课教师进行合理设计和凝练。我们结合我国“富煤、缺油、少气”的能源特征，聚焦国家对煤制油技术的战略需求，以煤制油催化剂开发为典型案例进行教学，强化学生综合能力的培养。案例教学应注重课堂互动，避免枯燥单调的知识灌输。教师通过引导学生独立思考、辩证分析，提高学生的自主学习能力，培养学生的批判性思维和创新性思维。在应用催化课程教学中引入催化案例，就像在原有课程体系中加入高效的“助催化剂”，有助于实现预期的教学目标。（二）典型案例的设计与教学实施在设计教学案例之前，应先明确案例设计思路。首先，教学案例的内容应紧密围绕煤制油催化剂开发的主题，且相对具体，如煤直接液化催化剂的开发。同时，案例内容要有连贯性、逻辑性，以煤制油背景、催化剂在其中的作用、典型商用催化剂、当前催化剂开发流程（设计、制备、表征、评马雪峰，等 应用催化课程多维度教学改革探索价等）、未来发展方向等为主线进行衔接，力求将更多的课程知识融入案例中。其次，案例内容应具有实用性和全面性，以便教师通过案例教学加深学生对知识的理解，提高学生综合运用所学知识的能力，培养学生的科研思维。此外，授课教师需要在案例中融入体现科研工作者围绕国家战略需求开展研究的事迹，使学生感悟其科研报国精神，培养学生的家国情怀和社会责任感，同时提高学生的科研敏锐性，引导其从国家和社会需求出发选择研究课题和科研方向。下面以“煤制油直接液化催化剂开发”为例，介绍案例教学过程。介绍煤制油直接液化技术的背景能源储备是国家发展的动力和保障，而我国“富煤、缺油、少气”的能源特征促进了煤制油技术的发展。该技术作为我国重要战略储备技术，有助于降低我国石油对外依存度，保障国家能源安全。煤直接液化技术（见图）是煤制油的重要技术之一，其核心是通过加氢裂化使煤转化为低分子液体燃料。开发先进的煤直接液化技术，对保障我国能源安全具有重大战略意义。授课教师在介绍案例背景时，除介绍上述内容外，还应同时指出煤制油技术存在的问题，如其经济性主要取决于国际油价的高低。图煤直接液化示意图 介绍催化剂对煤液化效果的影响催化剂是煤直接液化技术的核心要素，会直接影响煤液化效果。煤直接液化催化剂的主要作用有：促进煤的热裂解，促进中间产物沥青加氢裂化为较小分子，活化氢分子，提供活性氢原子。铁系催化剂是实现煤直接液化工业化的理想催化剂，以含铁矿物和铁盐为代表。虽然这类催化剂的催化活性不如贵金属催化剂，但其价格低廉、无毒无害，部分催化剂在使用后可以直接进入液化残渣，无须回收。授课教师在讲解时需要强调，工业催化剂的开发不能只考虑催化活性，还应把催化剂制造成本和工业化生产结合起来综合考虑。当前，铁系催化剂研究主要集中在高分散性催化剂、高活性 催化剂和复合催化剂等方向。教师可以参考相关研究论文，对 催化剂的开发进行重点讲解。重点讲解 催化剂的开发教师先介绍煤直接液化过程中发生的化学反应，包括煤的热解反应、自由基加氢反应、除杂反应和副反应（缩聚反应），帮助学生明确煤直接液化反应过程；接着讲解反应机理，包括目前被大多数研究者认可的自由基反应机理及供氢机理，并进一步引出催化作用的机理。翟灵瑞对 催化剂的作用机理进行了归类整理，认为存在以下三个机理：降低甲基与煤中键断裂活化能；亲和 煤 中 的 醚 氧 键 或 羰 基 并 促 进 其 断 裂；表面具有与 的动态平衡，从而产生活性氢。催化机理的讲解有助于学生理解催化作用的实质，可为催化剂设计和制备提供理论指导。工业催化剂制备方法多种多样，包括沉淀法、浸渍法、喷雾干燥法、机械混合法等。由于制备方法不同，所得催化剂的性能可能存在较大差异，尤其是结构敏感型催化剂。授课教师在讲解催化剂的工业制备方法后，向学生详细介绍 催化剂和商 用 催 化 剂 的 实验 室制备 方法：催化剂制备可采用热注入法，催化剂制备可采用强迫水解法（见图）。催化剂制备结束后，需进行表征测试。一般表征测试内容包括晶体结构、催化剂形貌、比表面积、粒径、化学吸附等。对于案例中的铁系催化剂，其表征涉及晶体结构表征（通过 等）、催马雪峰，等 应用催化课程多维度教学改革探索图 催化剂用于煤直接液化化剂形貌及颗粒尺寸分析（通过 等）、穆斯堡尔谱、原位漫反射红外光谱和氨气程序升温脱附等。授课教师在讲解催化剂表征时，需要针对具体分析结果进行讲解，以使学生掌握表征结果的分析方法。在表征结束后，更重要的是对催化活性进行评价，评价内容一般包括转化率、选择性、收率、稳定性等。案例中的铁系催化剂，可在实验室开展初步测试和评价。催化剂通过高压反应釜进行测试，在装填煤、催化剂和升华硫等材料后通入氢气，使其在一定温度、压力和时间下反应。气体反应产物收集后可用气相色谱分析，固液产物通过索氏回流、旋蒸等方式处理后，使用气相色谱质谱联用仪（）等仪器分析。在这部分内容的教学中，教师要对产物测试的原理和手段进行充分讲解，同时举例说明色谱图和质谱图的分析过程，并设置答疑环节。上述案例与应用催化课程教学内容的联系如表所示。设置讨论问题在案例教学中，引导学生进行讨论和分析是必要的。授课教师应从教学案例中选择合适的学术问题，组织学生进行分组讨论，引导学生积极参与并主动思考，加深其对相关知识点的理解，同时教会学生如何分析和解决实际问题。针对上述案例，授课教师在教学过程中安排了一系列讨论问题，在此列举其中两个问题。问题 一：催 化 剂 的 作 用 机 理 之 一 是 表煤制油催化剂开发案例中涉及的应用催化课程知识点序号煤制油催化剂开发案例内容教学知识点（章节）煤 制 油 催 化 剂背景绪论 应用催化课程的意义煤制油催化反应及机