催化類課程教學工程教育模式應用

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摘要:從學校化學工程與工藝專業高素質應用型工程技術人才的培養目標出發，基于CDIO工程教育模式，對催化類課程教學過程進行了應用探究。一方面，重組教學內容，引入主題講座，突出催化知識的應用深度和廣度，并根據CDIO理念增設與工業催化領域緊密相關的實驗教學項目;另一方面，利用化工流程模擬軟件、虛擬化工仿真實驗教學平臺、大學生創新創業訓練計劃、企業實習和見習等方式加強實踐教學;最后，通過企業考察和調研、與企業合作申請項目、聘請企業導師等方式，提高授課教師的工程實踐能力。通過這些方式，不僅理論可以指導實踐，實踐還可反哺理論，這對于理論與實踐的有機結合具有重要的促進作用。

關鍵詞:CDIO;化工;催化;實踐教學

高等院校是實現國家發展目標的重要平臺，《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》對高校的人才培養提出了更高的要求。然而，目前在工科類學生的培養過程中，普遍存在培養模式不適應企業需求，培養內容跟不上產業升級等難題，因此，如何提高工科類學生的工程實踐能力，建立適合產業需求的培養模式是亟待研究的課題。教學作為高校培養人才的最重要的一環，是學生獲取知識最直接、最有效的途徑，其中催化類課程對于化工類高校學生的培養具有舉足輕重的地位。催化在自然界中普遍存在，催化作用涉及化學化工的整個領域，如合成氨、石油化學品、精細化工、煤化工和環境保護等。據統計，75%的化工產品的生產過程需借助催化劑，超過90%的化學新工藝依賴于催化劑和催化過程的開發。工業催化能夠加速傳統化工產業的升級，作為環境產業及新能源開發中的核心技術，對促進國民經濟的可持續發展起到了重要的作用。催化類課程開設的目的是讓學生掌握催化劑和催化作用的核心概念，理解催化過程和催化作用進行的本質，熟悉工業催化劑的特征和要求，為培養化工專業人才建立堅實的理論基礎。通過該類課程的學習，學生不僅可以根據現有化工企業中的催化技術來理解催化劑和催化作用的原理，還可以利用掌握的催化基本原理知識來深入理解重要的催化過程，提高理論指導實踐的能力。但是，在該類課程教學的過程中存在以下問題:(1)由于催化知識點比較抽象，在傳統的教學模式下，學生只能按照字面意思簡單地理解一些概念，不能對所學知識進行系統梳理和深入剖析，因此，大多數同學反映學習催化類課程時感到枯燥和吃力;(2)多數催化為主題的參考教材側重于催化基礎理論，教材內容不能有效地指導學生所學專業。目前仍欠缺能夠將催化基本理論、工業催化技術、最新催化劑和催化過程研究進展緊密結合的教材［1］;(3)目前的課程教學實例大多采用傳統的催化劑和催化過程，學生無法關注到前沿的催化材料和催化技術。因此，需要對催化類課程進行教學改革以提高學生的理論聯系實際的能力，而通過CDIO工程教育模式改進課堂教學為促進工程實踐型人才的培養提供了一條有效的途徑。CDIO以構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)為核心，該工程教育理念由麻省理工學院等研究創立，該教學模式以學生為主體，使其主動將實踐和理論知識有機結合，旨在培養學生獨立思考的能力、運用理論知識的能力，增強學生的實踐能力、創新意識和團隊合作等綜合素質。CDIO工程教育提供了知識積累與探索的情境，可以讓學生逐步掌握抽象知識與具體產品間的聯系并加以有效運用，從而提升其工程實踐能力［2］。因此針對催化類課程存在的問題，我們擬通過CDIO工程教育模式對該類課程進行教學改革研究。

1重組教學內容

CDIO工程教育教學模式包括教學目標、教學大綱和教學指引等。CDIO強調通過課程的設置，在具體的學習過程中實現學習成果。基于該理念，對催化類課程的內容設置進行了調整，對目前的教學內容進行了刪減、更新和重組。其中，部分學時用于講述催化原理基礎知識，主要介紹各種催化劑和催化作用的本質、催化劑制備和合成策略、催化劑表征測試手段、催化劑活性評價方法、催化劑失活的方式和原理;部分學時用于開展環境催化、生物催化、能源催化、光催化等專題講座，在授課過程中，結合授課教師專業背景并引入當前催化領域的最新科學研究成果，介紹國內外不同催化領域的發展趨勢和著名科學家，拓寬學生的科學思維和國際化視野。前期課程教學以催化相關理論為主，后期教學以催化技術的實際應用為主，緊扣現代化工過程中的先進催化技術，突出催化知識的應用深度和廣度。另外，工程精神是工程技術人員對于工程的特點、本質、發展趨勢的態度、看法及行為傾向，是目前化工類應用型人才不可或缺的要素。由于科學與工程之間相互促進并協同發展，因此授課教師在講授工業催化原理的同時，還應將科學理論與工程實例緊密結合，注意學生工程意識的培養。例如，開發性能優異的工業催化劑，能夠利用低成本的原料，提高產品的產率和產量，提升產品的純度，從而能夠節能降耗，使得經濟利益達到最大化以增強其市場競爭力;通過研究催化反應動力學提高催化劑的內在活性，并通過吸附、擴散等過程控制進一步提高催化劑的工業活性，從而實現更為緩和的工藝操作條件;利用新型催化劑和催化過程的開發處理工業廢水、廢氣和廢渣，從而能夠有效地治理環境，開發環境友好的化工過程。因此在催化類課程教學內容的選擇和設計上，優先考慮化工生產中實際催化劑使用過程中涉及到的常用和實用的概念和原理，而跟課程相關的知識點和最新催化研究進展以專題講座的形式展開。這種教學內容更具針對性，相關知識點更加集中，也更加符合工程類學生的思維和認知習慣。除此以外，為了進一步提高學生的技術技能和解決實際工程問題的能力，還擬增加與理論教學體系相對應的實驗教學內容［3］。例如，可以根據CDIO理念設計出一系列與工業催化領域緊密相關的實驗教學項目，如催化烴類加氫重整，催化CO氧化消除，催化VOC氧化消除，催化NOx還原，光催化有機廢水降解等，學生從設置的實驗項目中自行選擇感興趣的題目，查閱中英文文獻，討論相關催化劑參與化學反應的原理，篩選催化劑類型，設計催化劑配方，并制定催化劑制備策略及催化劑表征評價方法。實驗方案完成以后，由授課教師聯系相應的實驗室進行實驗教學。在整個實驗過程中，教師負責把握題目的方向，并及時提供幫助和指導。通過這種方式，讓學生可以真正地做到學以致用，從而提升學生利用所學知識發現問題、分析問題和解決問題的能力，并培養了學生的工程意識。

2加強實踐教學

鑒于催化類課程具有很強的應用性，我們不僅要強調催化理論知識的學習，還要重視工業催化實踐的引入。由理論知識向工程實踐轉化時，實踐教學充當著不可替代的角色。實踐教學也是實施CDIO的重要載體，在培養知識、能力和技術一體化的工程化教育人才中起著重要的作用。CDIO理念倡導“做中學”、“基于項目的教育和學習”，旨在讓學生能夠主動地將工業實踐與理論知識有機結合。因此，通過引入CDIO模式加強實踐教學，可提高學生的工程素質，增強其競爭優勢。首先，學生可以利用化工流程模擬軟件及虛擬化工仿真實驗教學平臺進行操作和演練，不僅可以在一定程度上降低后續實踐教學的成本和風險性，還可以全面、系統地獲取寶貴的實操經驗;然后，我們利用大學生創新創業訓練計劃作為契機，組織學生選題并到相關的催化專業實驗室進行基本的催化實驗技能訓練，通過撰寫計劃書、操作實驗、數據分析和成果匯報，培養學生實踐教學的思路和工程實踐技能，并培養學生誠信踏實的個人品質和嚴謹端正的科學態度，在實踐中提高學生的道德操守和行為準則。最后，鼓勵學生進入催化相關企業進行實習和見習。學生選擇感興趣的校企合作實踐教學基地，由企業的工程技術人員參與學生的培養，進行化學工業中催化相關的工程訓練，并鼓勵學生接觸企業的運作模式，了解企業的技術性難題，并致力于為解決企業的實際問題出謀劃策，這將增強學生的工程實踐能力。另外，學生還可直接感受工程技術人員的工作條件、工作環境、工作狀態、工作秩序、工作要求、工作習慣等，熟悉他們對工程實踐規范的執行方法，學習他們的工作技能和經驗，進一步提高學生的道德操守。同時，學生還可觀察不同崗位對知識和能力的不同需求，分析自身不足并確定以后努力的方向，進而促進學生自身素質與能力的提升。除此以外，在整個實踐教學的過程中，溝通和交流極大地促進了團隊合作能力的培養。比如，對于大學生創新創業訓練項目，一般由3～5名學生組成團隊參與項目，學生可從項目的進行過程中意識到合作的重要性，從而建立高效的合作方式，提高交流和溝通的能力;對于企業實習和見習，工程活動流程往往更加復雜，通常涉及諸多部門，要求工程技術人員具有更高的團隊協作能力。信息無時不刻不在影響著個人與集體的發展，良好的溝通才能有效地傳遞信息。在實習和見習過程中，學生可以學習化工企業實踐中的溝通方式和流程。通過實踐教學獲得的溝通交流和團隊合作能力不僅可以培養學生的綜合素質，還將對學生以后的職業生涯大有裨益。

3提高授課教師的工程實踐能力

CDIO工程教育教學模式也對授課教師提出了更高的要求，教師不僅應具備較高的教學能力，還應具備較強的科研能力和工程實踐能力。因此，在催化類課程授課教師的培養方面進行了如下探索:①授課教師積極地進入化工企業考察和調研，深入了解化工生產過程中存在的與催化相關的技術問題，分析原因并試圖給出技術性解決方案，并針對企業對化工人才的需求，適當地調整催化類相關課程的教學內容。②鼓勵授課教師踴躍申請與化工企業合作的催化類橫向、縱向項目，組織學生積極參與化工企業中催化劑的研發和生產過程，帶領學生解決化工企業中遇到的與催化相關的實際問題。同時，可將內容相關的課題和方向寫入實驗教學計劃。③聘請化工企業的催化專業技術人員作為催化類課程的客座教師，開設關于相關催化劑和催化過程的主題講座，提高應用型高素質專業人才培養的師資水平。這些措施使得授課教師整體的科研能力和工程實踐能力均得到了全面提升，更加明確了對學生的培養重點，在課堂理論教學和實驗教學設計上更加貼近實際。同時，將實際化工問題的解決貫穿整個過程，這對于催化科研成果的轉化也是非常有利的。通過將催化類課程教學與CDIO工程教育理念相結合，從整體構思、設計和運作出發，重組教學內容、加強實踐教學、提高授課教師的工程實踐能力，不僅可以提高學生的學習積極性、鞏固并深入理解催化專業理論知識，還能讓學生建立工程意識，培養其工程能力，同時還可以提高學生的道德操守并加強學生相互之間溝通交流的能力和團隊協作能力。

參考文獻

［1］鞏雁軍．催化原理課程建設的思考與實踐:科學研究與教學過程的融合［J］．化工高等教育，2019(3):82－86．

［2］劉昆明，李娟華，熊道陵，等．“雙一流”背景下基于CDIO模型的研究生創新人才培養體系的探索—以江西理工大學化學工程專業為例［J］．廣州化工，2020，47(17):209－215．

［3］唐曉旻，傅敏，王小平，等．基于CDIO的噪聲污染控制工程教學改革探究［J］．廣州化工，2017，45(3):227－228．

作者：李倩 宋克農 張昭良 辛穎 牟宗剛 彭翠娜 齊蕾 單位：濟南大學