《工業催化基礎》課程內容的提煉與教學方法的探討

宋金玲+　蔡穎+　董忠平　胡鋒

摘要： 《工業催化基礎》課程是基于內蒙古科技大學材料化學專業的其中一個方向——工業催化方向設置的一門專業基礎課程。本文簡述了該課程的教學目標、教學重點、難點及教材，并對課程內容進行了提煉，結合學情探討了教學方法，為增強學生的自主學習意識及學習能力提供思路。

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.

關鍵詞： 工業催化；課程內容；教學方法

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

材料化學是近年來隨著材料科學的快速發展與社會需求的日益增加而形成的一門新興的交叉學科，是工程、信息、新能源等高科技產業和技術發展的重要基礎。結合內蒙古科技大學學科建設的需要以及人才培養和地方經濟發展的需求，林冶學院于2009年申報了材料化學專業，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]。材料化學專業依據專業特色設置了兩個專業方向，一是能源材料，二是工業催化，而《工業催化基礎》課程是基于工業催化方向設置的一門專業基礎課程[2]。

《工業催化基礎》課程的總體教學目標是讓學生了解工業催化發展史及催化劑的實際應用以激發學生對該課程的興趣；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，并依據此理論進行催化劑的初步設計；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；系統掌握工業催化的基本概念、基本原理、基本方法及技巧，為后續專業課的學習、畢業論文以及畢業后從事催化研究和生產開發打下基礎，通過該課程的學習不僅獲得催化類相關專業知識，更重要的是增強學生自主學習、積極思考問題的意識，提高學生的綜合素質和創新能力。

本課程的教學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、催化劑的設計思路。教學難點主要為各類催化劑的作用機制?；谏鲜稣n程的定位、教學目標、教學難點及重點的考慮，我們選擇化學工業出版社出版的由黃仲濤、耿建銘主編的《工業催化》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劃教材。全書大體可分為六部分，第一部分介紹工業催化的發展史，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計，第五部分介紹催化劑的最新實際應用，第六部分介紹催化劑的表征技術[3]。

本書的編排及脈絡非常適合本課程的設計思路，基于本課程學時（48）限制，只講述前四部分，即基礎內容，包括催化發展史——催化原理——催化劑的制備——催化劑的設計，提煉為《工業催化基礎》課程的基本教學內容。第五部分可讓學生自學，增加學生對已學習的催化基礎理論進行深入理解和領會。第六部分內容結合別的表征方法在后續專業選修課中開設。

本課程設置在第四學期，為材料化學專業本科二年級學生開設。開課之前，通過學生檔案了解該年級學生的生源狀況、高考成績，以及本課程前導相關課程，如：稀土元素分析化學、物理化學、無機化學、有機化學、結構化學等的結課成績，從而確定該課程需要拓展的內容及其難易程度。雖然該年級的學生有一定的理論基礎，接受知識的能力較強，但大部分學生自主學習能力不高。

針對上述學情及教學目標，我們主要采用的教法，包括講授法、關聯法、探究討論法、啟發引導法、演示法、實驗法和練習法。對于易理解的內容常采用講授法；每次課或每章結束后，采用關聯法進行貫穿所講述的內容，以提高學生對所學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系（實驗法）；對每章節講述的內容布置相應的作業題及練習題（練習法），并對學生的任何問題可進行解答。

針對課程的重點及難點，常以問題驅動，讓學生進行討論（即討論法），以激發學生思維的主動性，促進相關知識的回顧，有的通過生活實例、現象及常見的實驗現象進行聯系、啟發（啟發引導法），將難理解的問題簡單化，結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，使學生對重點、難點達到理解掌握的程度。比如，在催化領域中一類重要的催化劑，即“分子篩”催化劑，我們預先會設置一個問題，即“什么是篩子”，依據生活常識，學生肯定知道其是具有尺寸不同的孔結構用于分離顆粒大小不同物質的生活用具。

依次類推出“分子篩”即為具有不同的孔隙結構用于分離分子大小的工具，這就基本給出了其特征，再結合實例，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，而對位產物往往是設計者需要得到的目標產物，仔細分析對比這三種產物，其分子的大小不同，即對位產物相比其他兩種產物的尺寸要小，那么這樣的一個要求就需要借助于分子篩催化劑來完成，可以設計該催化劑的孔只允許對位產物出去，而鄰位、間位產物留在孔隙中，從而可有效提高目標產物的產率，這即為一類重要的催化“擇形催化”催化反應的選擇性取決于分子孔徑的相對大小，上述過程結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為不改變反應的Gibbs自由能，只改變化學反應的速率，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”。在化學里，其實就是“改變了反應路徑，降低了活化能”，這也就道出了催化作用的本質。將催化劑比作婚姻的“月老”來解釋“催化劑只參與反應的過程而不參與反應的結果”。

以“多相催化的反應步驟”為例闡述講課的思路及教法的聯系，首先通過“均相催化”的缺點，如反應物、產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？從而自然過渡到應講述的內容。隨后可以設置幾個相關問題讓學生討論，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？”。經討論之后，我們會讓學生進行回答，學生聯系物理化學的知識回答一些關鍵詞，如：“吸附”、“反應”、“作用”等等。這些詞也正是“多相催化反應的關鍵步驟”，繼而我們可以加以引導，大家說的這些過程前提條件就是這些物種（反應物與催化劑）必須接觸，那對于氣體（反應物）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、內擴散，擴散地接觸了才能發生作用，即“吸附”，吸附的疏松即為“物理吸附”，吸附的緊密即為“化學吸附”，進一步作用即可發生反應形成別的物種，即產物，產物要脫離催化劑，即與剛才的反應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步驟包括：“擴散——吸附——反應——脫附——擴散”。反過來，我們可以再重新系統地解釋一下最開始提出的兩個問題，并將新學的知識貫穿進去，這樣即可讓學生進一步深化理解所學的知識。

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

通過課前課后交流、答疑、課堂小測驗、提問討論、作業批改、督導聽課收集教學效果的反饋及評價，并結合每學期學生的結課成績、學生答卷的情況調整教法及教學過程的設計與講述。

參考文獻：

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

[2]宋金玲，蔡穎，董忠平，吳楠楠，胡鋒，等.材料化學專業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.工業催化[M].第二版.北京：化學工業出版社，2014.