《催化剂设计与制备》课程教学改革的探索<sup

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”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。

1 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。

2 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”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”；在课堂教学中，由于学生知识的欠缺，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]。为此，笔者在催化剂设计方面的教学，采用了《催化原理》教学中基本概念、基本原理介绍的授课顺序，结合案例分析，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”和“载体-活性组分强相互作用”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”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。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[4-6]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”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。

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