《工業(yè)催化基礎(chǔ)》課程內(nèi)容的提煉與教學(xué)方法的探討

宋金玲+　蔡穎+　董忠平　胡鋒

摘要： 《工業(yè)催化基礎(chǔ)》課程是基于內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)的其中一個方向——工業(yè)催化方向設(shè)置的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。本文簡述了該課程的教學(xué)目標、教學(xué)重點、難點及教材，并對課程內(nèi)容進行了提煉，結(jié)合學(xué)情探討了教學(xué)方法，為增強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識及學(xué)習(xí)能力提供思路。

Abstract： "Foundation of Industrial Catalysis" course is based on one of the directions of material chemistry major， industrial catalytic direction to set a professional basic course. This paper briefly describes the teaching goal of the course， the emphases and difficulties and the teaching material， and the course contents have been refined. Based on the circs of the students， the teaching methods have been discussed， in order to provide some ideas for enhancing students autonomous learning awareness and ability.

關(guān)鍵詞： 工業(yè)催化；課程內(nèi)容；教學(xué)方法

Key words： industrial catalysis；course contents；teaching methods

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）30-0243-02

材料化學(xué)是近年來隨著材料科學(xué)的快速發(fā)展與社會需求的日益增加而形成的一門新興的交叉學(xué)科，是工程、信息、新能源等高科技產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。結(jié)合內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)科建設(shè)的需要以及人才培養(yǎng)和地方經(jīng)濟發(fā)展的需求，林冶學(xué)院于2009年申報了材料化學(xué)專業(yè)，由于各方面的迫切需求當年就被獲批，并于2010年9月招收了第一批新生[1]。材料化學(xué)專業(yè)依據(jù)專業(yè)特色設(shè)置了兩個專業(yè)方向，一是能源材料，二是工業(yè)催化，而《工業(yè)催化基礎(chǔ)》課程是基于工業(yè)催化方向設(shè)置的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程[2]。

《工業(yè)催化基礎(chǔ)》課程的總體教學(xué)目標是讓學(xué)生了解工業(yè)催化發(fā)展史及催化劑的實際應(yīng)用以激發(fā)學(xué)生對該課程的興趣；掌握催化作用的基本理論、各類催化劑的定義、特點、作用機制，并依據(jù)此理論進行催化劑的初步設(shè)計；掌握催化劑的各種制備方法的原理及過程，并能運用常用方法制備實際的催化劑；系統(tǒng)掌握工業(yè)催化的基本概念、基本原理、基本方法及技巧，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)、畢業(yè)論文以及畢業(yè)后從事催化研究和生產(chǎn)開發(fā)打下基礎(chǔ)，通過該課程的學(xué)習(xí)不僅獲得催化類相關(guān)專業(yè)知識，更重要的是增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)、積極思考問題的意識，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

本課程的教學(xué)重點包括催化原理及各類催化劑的特征、制備催化劑的方法、催化劑的設(shè)計思路。教學(xué)難點主要為各類催化劑的作用機制?；谏鲜稣n程的定位、教學(xué)目標、教學(xué)難點及重點的考慮，我們選擇化學(xué)工業(yè)出版社出版的由黃仲濤、耿建銘主編的《工業(yè)催化》第二版作為本課程的教材。本教材為“十一五”、“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材。全書大體可分為六部分，第一部分介紹工業(yè)催化的發(fā)展史，第二部分介紹催化原理及各類催化劑的特征，第三部分介紹催化劑的制備與使用，第四部分介紹催化劑的設(shè)計，第五部分介紹催化劑的最新實際應(yīng)用，第六部分介紹催化劑的表征技術(shù)[3]。

本書的編排及脈絡(luò)非常適合本課程的設(shè)計思路，基于本課程學(xué)時（48）限制，只講述前四部分，即基礎(chǔ)內(nèi)容，包括催化發(fā)展史——催化原理——催化劑的制備——催化劑的設(shè)計，提煉為《工業(yè)催化基礎(chǔ)》課程的基本教學(xué)內(nèi)容。第五部分可讓學(xué)生自學(xué)，增加學(xué)生對已學(xué)習(xí)的催化基礎(chǔ)理論進行深入理解和領(lǐng)會。第六部分內(nèi)容結(jié)合別的表征方法在后續(xù)專業(yè)選修課中開設(shè)。

本課程設(shè)置在第四學(xué)期，為材料化學(xué)專業(yè)本科二年級學(xué)生開設(shè)。開課之前，通過學(xué)生檔案了解該年級學(xué)生的生源狀況、高考成績，以及本課程前導(dǎo)相關(guān)課程，如：稀土元素分析化學(xué)、物理化學(xué)、無機化學(xué)、有機化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等的結(jié)課成績，從而確定該課程需要拓展的內(nèi)容及其難易程度。雖然該年級的學(xué)生有一定的理論基礎(chǔ)，接受知識的能力較強，但大部分學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力不高。

針對上述學(xué)情及教學(xué)目標，我們主要采用的教法，包括講授法、關(guān)聯(lián)法、探究討論法、啟發(fā)引導(dǎo)法、演示法、實驗法和練習(xí)法。對于易理解的內(nèi)容常采用講授法；每次課或每章結(jié)束后，采用關(guān)聯(lián)法進行貫穿所講述的內(nèi)容，以提高學(xué)生對所學(xué)知識的宏觀把握能力；針對實際的抽象操作，采用實際的實驗方法進行聯(lián)系（實驗法）；對每章節(jié)講述的內(nèi)容布置相應(yīng)的作業(yè)題及練習(xí)題（練習(xí)法），并對學(xué)生的任何問題可進行解答。

針對課程的重點及難點，常以問題驅(qū)動，讓學(xué)生進行討論（即討論法），以激發(fā)學(xué)生思維的主動性，促進相關(guān)知識的回顧，有的通過生活實例、現(xiàn)象及常見的實驗現(xiàn)象進行聯(lián)系、啟發(fā)（啟發(fā)引導(dǎo)法），將難理解的問題簡單化，結(jié)合直觀形象的多媒體動畫、圖片（演示法），采用循序漸進的方式加以解釋，使學(xué)生對重點、難點達到理解掌握的程度。比如，在催化領(lǐng)域中一類重要的催化劑，即“分子篩”催化劑，我們預(yù)先會設(shè)置一個問題，即“什么是篩子”，依據(jù)生活常識，學(xué)生肯定知道其是具有尺寸不同的孔結(jié)構(gòu)用于分離顆粒大小不同物質(zhì)的生活用具。

依次類推出“分子篩”即為具有不同的孔隙結(jié)構(gòu)用于分離分子大小的工具，這就基本給出了其特征，再結(jié)合實例，比如通過甲醇與苯合成二甲基苯，其兩個甲基的相對位置可能有三種，即鄰位、間位及對位，而對位產(chǎn)物往往是設(shè)計者需要得到的目標產(chǎn)物，仔細分析對比這三種產(chǎn)物，其分子的大小不同，即對位產(chǎn)物相比其他兩種產(chǎn)物的尺寸要小，那么這樣的一個要求就需要借助于分子篩催化劑來完成，可以設(shè)計該催化劑的孔只允許對位產(chǎn)物出去，而鄰位、間位產(chǎn)物留在孔隙中，從而可有效提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)率，這即為一類重要的催化“擇形催化”催化反應(yīng)的選擇性取決于分子孔徑的相對大小，上述過程結(jié)合多媒體講解會更容易理解。

類似的問題比如催化作用的本質(zhì)為不改變反應(yīng)的Gibbs自由能，只改變化學(xué)反應(yīng)的速率，將其類比為“從大山一邊到達大山的另一邊”，沒有催化劑的情況相當于是“山路”，加入催化劑的情況相當于是“隧道”，因此加入催化劑后從相同的地點出發(fā)到達相同的目的地，穿越“隧道”要比越過“高山”的速率明顯加快，即“改變了行車路徑，降低了位能”。在化學(xué)里，其實就是“改變了反應(yīng)路徑，降低了活化能”，這也就道出了催化作用的本質(zhì)。將催化劑比作婚姻的“月老”來解釋“催化劑只參與反應(yīng)的過程而不參與反應(yīng)的結(jié)果”。

以“多相催化的反應(yīng)步驟”為例闡述講課的思路及教法的聯(lián)系，首先通過“均相催化”的缺點，如反應(yīng)物、產(chǎn)物及催化劑難易分離，引入多相催化的概念，并進行對比解釋，多相催化克服了均相催化的缺點，因此90%以上的催化反應(yīng)均是多相催化，那么多相催化是怎么進行的呢？從而自然過渡到應(yīng)講述的內(nèi)容。隨后可以設(shè)置幾個相關(guān)問題讓學(xué)生討論，如：“活性炭是如何去除家裝材料中的有毒氣體的？”、“硅藻泥是如何凈化空氣的？”。經(jīng)討論之后，我們會讓學(xué)生進行回答，學(xué)生聯(lián)系物理化學(xué)的知識回答一些關(guān)鍵詞，如：“吸附”、“反應(yīng)”、“作用”等等。這些詞也正是“多相催化反應(yīng)的關(guān)鍵步驟”，繼而我們可以加以引導(dǎo)，大家說的這些過程前提條件就是這些物種（反應(yīng)物與催化劑）必須接觸，那對于氣體（反應(yīng)物）與固體（催化劑）怎么才能接觸呢？人和人怎么才能接觸呢？那就必須兩個人“走”到一定的距離。

對于人的“走”就相當于物種的“擴散”，從較遠處到較近處，即為外擴散、內(nèi)擴散，擴散地接觸了才能發(fā)生作用，即“吸附”，吸附的疏松即為“物理吸附”，吸附的緊密即為“化學(xué)吸附”，進一步作用即可發(fā)生反應(yīng)形成別的物種，即產(chǎn)物，產(chǎn)物要脫離催化劑，即與剛才的反應(yīng)物吸附進行相反的過程，即“脫附”“擴散”。

通過上述提問闡述即可得出多相催化的反應(yīng)步驟包括：“擴散——吸附——反應(yīng)——脫附——擴散”。反過來，我們可以再重新系統(tǒng)地解釋一下最開始提出的兩個問題，并將新學(xué)的知識貫穿進去，這樣即可讓學(xué)生進一步深化理解所學(xué)的知識。

上述教法可以將難解問題簡單化，專業(yè)問題生活化，抽象問題形象化，進而可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生主動聯(lián)系思考的意識，促進學(xué)生認真聽課、主動討論問題，另外針對講述的內(nèi)容布置相關(guān)的作業(yè)、練習(xí)，查閱催化類的文獻及相關(guān)書籍，針對催化劑的制備設(shè)置相關(guān)實驗，以進一步達到對本課程內(nèi)容的掌握、理解與升華。

通過課前課后交流、答疑、課堂小測驗、提問討論、作業(yè)批改、督導(dǎo)聽課收集教學(xué)效果的反饋及評價，并結(jié)合每學(xué)期學(xué)生的結(jié)課成績、學(xué)生答卷的情況調(diào)整教法及教學(xué)過程的設(shè)計與講述。

參考文獻：

[1]宋金玲，蔡穎，王瑞芬，張國芳，周玉杰，樊文軍.材料化學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)模式的研究與實踐[J].價值工程，2011（5）：273-274.

[2]宋金玲，蔡穎，董忠平，吳楠楠，胡鋒，等.材料化學(xué)專業(yè)課程體系改革的研究與實踐[J].科教文匯，2013（11）：59，63.

[3]黃仲濤，耿建銘，編著.工業(yè)催化[M].第二版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.