催化类课程教学工程教育模式应用

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摘要:从学校化学工程与工艺专业高素质应用型工程技术人才的培养目标出发，基于CDIO工程教育模式，对催化类课程教学过程进行了应用探究。一方面，重组教学内容，引入主题讲座，突出催化知识的应用深度和广度，并根据CDIO理念增设与工业催化领域紧密相关的实验教学项目;另一方面，利用化工流程模拟软件、虚拟化工仿真实验教学平台、大学生创新创业训练计划、企业实习和见习等方式加强实践教学;最后，通过企业考察和调研、与企业合作申请项目、聘请企业导师等方式，提高授课教师的工程实践能力。通过这些方式，不仅理论可以指导实践，实践还可反哺理论，这对于理论与实践的有机结合具有重要的促进作用。

关键词:CDIO;化工;催化;实践教学

高等院校是实现国家发展目标的重要平台，《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》对高校的人才培养提出了更高的要求。然而，目前在工科类学生的培养过程中，普遍存在培养模式不适应企业需求，培养内容跟不上产业升级等难题，因此，如何提高工科类学生的工程实践能力，建立适合产业需求的培养模式是亟待研究的课题。教学作为高校培养人才的最重要的一环，是学生获取知识最直接、最有效的途径，其中催化类课程对于化工类高校学生的培养具有举足轻重的地位。催化在自然界中普遍存在，催化作用涉及化学化工的整个领域，如合成氨、石油化学品、精细化工、煤化工和环境保护等。据统计，75%的化工产品的生产过程需借助催化剂，超过90%的化学新工艺依赖于催化剂和催化过程的开发。工业催化能够加速传统化工产业的升级，作为环境产业及新能源开发中的核心技术，对促进国民经济的可持续发展起到了重要的作用。催化类课程开设的目的是让学生掌握催化剂和催化作用的核心概念，理解催化过程和催化作用进行的本质，熟悉工业催化剂的特征和要求，为培养化工专业人才建立坚实的理论基础。通过该类课程的学习，学生不仅可以根据现有化工企业中的催化技术来理解催化剂和催化作用的原理，还可以利用掌握的催化基本原理知识来深入理解重要的催化过程，提高理论指导实践的能力。但是，在该类课程教学的过程中存在以下问题:(1)由于催化知识点比较抽象，在传统的教学模式下，学生只能按照字面意思简单地理解一些概念，不能对所学知识进行系统梳理和深入剖析，因此，大多数同学反映学习催化类课程时感到枯燥和吃力;(2)多数催化为主题的参考教材侧重于催化基础理论，教材内容不能有效地指导学生所学专业。目前仍欠缺能够将催化基本理论、工业催化技术、最新催化剂和催化过程研究进展紧密结合的教材［1］;(3)目前的课程教学实例大多采用传统的催化剂和催化过程，学生无法关注到前沿的催化材料和催化技术。因此，需要对催化类课程进行教学改革以提高学生的理论联系实际的能力，而通过CDIO工程教育模式改进课堂教学为促进工程实践型人才的培养提供了一条有效的途径。CDIO以构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)为核心，该工程教育理念由麻省理工学院等研究创立，该教学模式以学生为主体，使其主动将实践和理论知识有机结合，旨在培养学生独立思考的能力、运用理论知识的能力，增强学生的实践能力、创新意识和团队合作等综合素质。CDIO工程教育提供了知识积累与探索的情境，可以让学生逐步掌握抽象知识与具体产品间的联系并加以有效运用，从而提升其工程实践能力［2］。因此针对催化类课程存在的问题，我们拟通过CDIO工程教育模式对该类课程进行教学改革研究。

1重组教学内容

CDIO工程教育教学模式包括教学目标、教学大纲和教学指引等。CDIO强调通过课程的设置，在具体的学习过程中实现学习成果。基于该理念，对催化类课程的内容设置进行了调整，对目前的教学内容进行了删减、更新和重组。其中，部分学时用于讲述催化原理基础知识，主要介绍各种催化剂和催化作用的本质、催化剂制备和合成策略、催化剂表征测试手段、催化剂活性评价方法、催化剂失活的方式和原理;部分学时用于开展环境催化、生物催化、能源催化、光催化等专题讲座，在授课过程中，结合授课教师专业背景并引入当前催化领域的最新科学研究成果，介绍国内外不同催化领域的发展趋势和著名科学家，拓宽学生的科学思维和国际化视野。前期课程教学以催化相关理论为主，后期教学以催化技术的实际应用为主，紧扣现代化工过程中的先进催化技术，突出催化知识的应用深度和广度。另外，工程精神是工程技术人员对于工程的特点、本质、发展趋势的态度、看法及行为倾向，是目前化工类应用型人才不可或缺的要素。由于科学与工程之间相互促进并协同发展，因此授课教师在讲授工业催化原理的同时，还应将科学理论与工程实例紧密结合，注意学生工程意识的培养。例如，开发性能优异的工业催化剂，能够利用低成本的原料，提高产品的产率和产量，提升产品的纯度，从而能够节能降耗，使得经济利益达到最大化以增强其市场竞争力;通过研究催化反应动力学提高催化剂的内在活性，并通过吸附、扩散等过程控制进一步提高催化剂的工业活性，从而实现更为缓和的工艺操作条件;利用新型催化剂和催化过程的开发处理工业废水、废气和废渣，从而能够有效地治理环境，开发环境友好的化工过程。因此在催化类课程教学内容的选择和设计上，优先考虑化工生产中实际催化剂使用过程中涉及到的常用和实用的概念和原理，而跟课程相关的知识点和最新催化研究进展以专题讲座的形式展开。这种教学内容更具针对性，相关知识点更加集中，也更加符合工程类学生的思维和认知习惯。除此以外，为了进一步提高学生的技术技能和解决实际工程问题的能力，还拟增加与理论教学体系相对应的实验教学内容［3］。例如，可以根据CDIO理念设计出一系列与工业催化领域紧密相关的实验教学项目，如催化烃类加氢重整，催化CO氧化消除，催化VOC氧化消除，催化NOx还原，光催化有机废水降解等，学生从设置的实验项目中自行选择感兴趣的题目，查阅中英文文献，讨论相关催化剂参与化学反应的原理，筛选催化剂类型，设计催化剂配方，并制定催化剂制备策略及催化剂表征评价方法。实验方案完成以后，由授课教师联系相应的实验室进行实验教学。在整个实验过程中，教师负责把握题目的方向，并及时提供帮助和指导。通过这种方式，让学生可以真正地做到学以致用，从而提升学生利用所学知识发现问题、分析问题和解决问题的能力，并培养了学生的工程意识。

2加强实践教学

鉴于催化类课程具有很强的应用性，我们不仅要强调催化理论知识的学习，还要重视工业催化实践的引入。由理论知识向工程实践转化时，实践教学充当着不可替代的角色。实践教学也是实施CDIO的重要载体，在培养知识、能力和技术一体化的工程化教育人才中起着重要的作用。CDIO理念倡导“做中学”、“基于项目的教育和学习”，旨在让学生能够主动地将工业实践与理论知识有机结合。因此，通过引入CDIO模式加强实践教学，可提高学生的工程素质，增强其竞争优势。首先，学生可以利用化工流程模拟软件及虚拟化工仿真实验教学平台进行操作和演练，不仅可以在一定程度上降低后续实践教学的成本和风险性，还可以全面、系统地获取宝贵的实操经验;然后，我们利用大学生创新创业训练计划作为契机，组织学生选题并到相关的催化专业实验室进行基本的催化实验技能训练，通过撰写计划书、操作实验、数据分析和成果汇报，培养学生实践教学的思路和工程实践技能，并培养学生诚信踏实的个人品质和严谨端正的科学态度，在实践中提高学生的道德操守和行为准则。最后，鼓励学生进入催化相关企业进行实习和见习。学生选择感兴趣的校企合作实践教学基地，由企业的工程技术人员参与学生的培养，进行化学工业中催化相关的工程训练，并鼓励学生接触企业的运作模式，了解企业的技术性难题，并致力于为解决企业的实际问题出谋划策，这将增强学生的工程实践能力。另外，学生还可直接感受工程技术人员的工作条件、工作环境、工作状态、工作秩序、工作要求、工作习惯等，熟悉他们对工程实践规范的执行方法，学习他们的工作技能和经验，进一步提高学生的道德操守。同时，学生还可观察不同岗位对知识和能力的不同需求，分析自身不足并确定以后努力的方向，进而促进学生自身素质与能力的提升。除此以外，在整个实践教学的过程中，沟通和交流极大地促进了团队合作能力的培养。比如，对于大学生创新创业训练项目，一般由3～5名学生组成团队参与项目，学生可从项目的进行过程中意识到合作的重要性，从而建立高效的合作方式，提高交流和沟通的能力;对于企业实习和见习，工程活动流程往往更加复杂，通常涉及诸多部门，要求工程技术人员具有更高的团队协作能力。信息无时不刻不在影响着个人与集体的发展，良好的沟通才能有效地传递信息。在实习和见习过程中，学生可以学习化工企业实践中的沟通方式和流程。通过实践教学获得的沟通交流和团队合作能力不仅可以培养学生的综合素质，还将对学生以后的职业生涯大有裨益。

3提高授课教师的工程实践能力

CDIO工程教育教学模式也对授课教师提出了更高的要求，教师不仅应具备较高的教学能力，还应具备较强的科研能力和工程实践能力。因此，在催化类课程授课教师的培养方面进行了如下探索:①授课教师积极地进入化工企业考察和调研，深入了解化工生产过程中存在的与催化相关的技术问题，分析原因并试图给出技术性解决方案，并针对企业对化工人才的需求，适当地调整催化类相关课程的教学内容。②鼓励授课教师踊跃申请与化工企业合作的催化类横向、纵向项目，组织学生积极参与化工企业中催化剂的研发和生产过程，带领学生解决化工企业中遇到的与催化相关的实际问题。同时，可将内容相关的课题和方向写入实验教学计划。③聘请化工企业的催化专业技术人员作为催化类课程的客座教师，开设关于相关催化剂和催化过程的主题讲座，提高应用型高素质专业人才培养的师资水平。这些措施使得授课教师整体的科研能力和工程实践能力均得到了全面提升，更加明确了对学生的培养重点，在课堂理论教学和实验教学设计上更加贴近实际。同时，将实际化工问题的解决贯穿整个过程，这对于催化科研成果的转化也是非常有利的。通过将催化类课程教学与CDIO工程教育理念相结合，从整体构思、设计和运作出发，重组教学内容、加强实践教学、提高授课教师的工程实践能力，不仅可以提高学生的学习积极性、巩固并深入理解催化专业理论知识，还能让学生建立工程意识，培养其工程能力，同时还可以提高学生的道德操守并加强学生相互之间沟通交流的能力和团队协作能力。

参考文献

［1］巩雁军．催化原理课程建设的思考与实践:科学研究与教学过程的融合［J］．化工高等教育，2019(3):82－86．

［2］刘昆明，李娟华，熊道陵，等．“双一流”背景下基于CDIO模型的研究生创新人才培养体系的探索—以江西理工大学化学工程专业为例［J］．广州化工，2020，47(17):209－215．

［3］唐晓旻，傅敏，王小平，等．基于CDIO的噪声污染控制工程教学改革探究［J］．广州化工，2017，45(3):227－228．

作者：李倩 宋克农 张昭良 辛颖 牟宗刚 彭翠娜 齐蕾 单位：济南大学