能源化学工程专业催化原理的建设

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[摘要]本文详细介绍了能源转化催化原理课程的内容、案例教学的思路、教学方式的改革以及教材的建设等方面的探索。通过教学实践，总结出先基础知识讲授，然后案例分析讲解，最后学生参与案例讨论的授课方式，改善学生的学习效果，提高学生的思考和分析能力。

[关键词]能源转化；催化原理；案例教学

1课程内容简介

本课程主要围绕石油、煤炭、天然气和生物质等转化为高附加值的油、气和精细化学品的加工技术，结合太阳能高效利用与燃料电池等能源转化新领域，系统介绍催化的基本概念和基本原理，以及能源转化过程中涉及的催化剂和催化理论。课程重点阐述了石油、天然气、煤和生物质等资源转化制清洁燃料领域中典型工艺涉及的催化剂和催化理论，让学生理解能源转化过程中催化剂应用的必要性和重要性，为后续的合成燃料化学、合成燃料工程等专业课程提供基础知识储备。课程主要内容为：第1章，绪论；第二章，催化相关的基本定义和概念；第3章，酸碱催化与能源资源转化制燃料和化学品；第4章，金属催化与能源资源转化制燃料和化学品；第5章，金属氧(硫)化物催化与能源资源转化制燃料和化学品；第6章，配位催化与金属有机骨架材料；第7章，酶催化。

2结合研究背景，建设教学案例

中国石油大学(北京)作为行业学校，本科毕业后除了接近50%的学生继续深造之外，其他的学生将主要进入能源化工和精细化工等相关行业从事技术研发等工作。随着现代化工的发展，涌现出了许多新的催化工艺及技术，例如煤制油、煤制烯烃的工业应用等。因此，关于催化原理相关的理论知识必须与时俱进。另一方面，教学案例的建设，还需要与学校的特色相结合。例如，能源化学工程专业依托的教学系是能源与催化工程系，拥有工业催化重点培育学科，在科研方面，沸石分子筛的开发与应用研究，清洁油品的生产，清洁能源(生物质和燃料电池)等方面具有雄厚的基础，学生参加毕业设计和毕业论文的工作，甚至是留校读研都需要涉及这方面的工作。同时，作为石油行业学校，每年来校招聘的企业大都与石油行业相关，为此教学案例的建设需要围绕这些重要的领域展开。笔者通过查阅文献和教材，总结了以下三个大方向的教学案例[1-2]。

2.1甲醇制烃反应机理和催化材料案例

针对酸碱催化的内容，以甲醇制烃反应为研究对象，以正碳离子反应机理为出发点，从产物选择性出发，阐述酸催化材料从液体酸到沸石分子筛的演变过程，将零散的酸催化剂概念、酸催化剂的类型、酸催化剂的表征方法，酸性质(酸强和酸密度)与反应性能的关系，沸石分子筛的择形催化等基础知识串联起来，形成一个知识网络结果。在教学过程中，以此案例建立的知识网络，用于解析催化裂化制高辛烷值汽油、烷基化制高辛烷值组分、生物柴油生产等内容的介绍。

2.2天然气重整催化反应机理和催化材料案例

针对金属催化的内容，以天然气重整反应过程中不同贵金属的活性差异为切入点，结合结构敏感反应的概念，将金属催化的能带理论、价键理论、多位理论以及合金催化的概念联系起来，让学生对各个金属催化理论的关联性进行分析。同时，介绍工业催化剂的选择与反应条件的讨论，将催化剂组成(活性组分、助剂、载体)相关基本概论串联起来，加深学生对基本概念理解。在教学过程中，以此案例建立的知识体系，向学生介绍石脑油催化重整、合成气制油和化学品，生物质重整制燃料中间体和氢气、燃料电池等相关内容。

2.3加氢脱硫反应机理和催化材料案例

针对金属氧(硫)化物催化的内容，以简单的光催化水分解制氢和噻吩加氢脱硫反应为模型，阐述半导体氧化物的催化剂作用机制和硫化物催化反应的氧化-还原机理，让学生理解半导体催化理论。在教学过程中，以噻吩加氢脱硫的反应案例，将其引申到石油加氢和加氢处理、煤焦油加氢精制、生物质加氢脱氧等重要的能源化工领域。

3教学方式改革探讨

在实际教学过程中，采用了三种教学逻辑顺序的尝试。(1)以教学案例讲授催化基本概念和基本原理，通过具体能源化工反应的工艺、机理的讲授为主线，在讲授过程中补充基本概念和基本原理的讲授(2014年教学)。(2)讲授催化和催化剂的基本概念、各类催化剂催化的基本原理。在此基础上，进行案例分析的讲解，然后让学生通过课外阅读，结合本学科的新进展，自行完成读书报告(2015年教学)。(3)讲授催化和催化剂的基本概念、各类催化剂催化的基本原理，然后针对每个类型催化剂，只进行一个典型案例分析，让学生参与到其他案例教学的讨论过程中(2016和2017年教学)。Fig.1Scoredistributionofprincipleofcatalysisinenergyconversionduring2014~2017。可以看出，2014年的学生成绩普遍较低，高分和良好这种的学生比例较低，充分说明了第一种教学方式对学生的思维能力要求较高，要求学生课前就对基本概念和基本知识进行必要的预习，但是从实际的教学效果看，除了10多名学习成绩优秀的学生能够主动预习之外，大多数学生都是在课堂上现学，因此教学效果并不理想，学生普遍反映课程较难。另一方方面，这门课程当时还未有合适的教材，推荐参考书数目较多，打击了学生的积极性。从2015年开始，笔者完成讲义的编写并将其应用于课程教学，同时建立了网络课程学习平台，在教学的过程中，将课堂讨论和作业在平台上并于学生互动，能够进一步增加学生学习的主动性。2015年尝试学生完成读书报告的方式，笔者发现作为选修课的效果并不理想，因为大多数学生把这部分内容当做负担，流于形式。因此，从2016年开始，逐渐采用第三种教学方式，让学生参与课堂讨论的方法，可以在一定程度上锻炼学生分析问题和思考问题的能力。

4教材编写的思考

为了契合能源转化催化原理的授课，笔者从2015年开始，在讲义的基础上，通过不断的教学实践的反馈，完成了教材的编写工作。在完成编写教材的过程中，笔者通过大量文献的调研发现，能源转化催化原理课程，本质应该是催化基本原理的灵活应用，如何阐述这方面的内容是关键。因此，为了便于与传统的催化原理和工业催化课程相关教材的有效衔接，笔者并没有改变传统催化原理教科书的授课逻辑和顺序，主要增加了典型案例的建设工作。虽然，现代的能源化工领域的热点已经在逐步转向新能源和可再生能源，但是，考虑到我国实际的能源化工形势，笔者还是以传统的能源化工领域的案例为重点阐述对象，侧重从现有的工业应用反应中提取教学内容，让学生在学习过程中对实际问题有更深入的分析。笔者曾经在2015年的授课过程中，尝试以生物质能和光催化的案例的重点讲解，试图让学生能够更加深入地理解催化发展的新动向，但是从学生的反馈效果看，这种尝试不算成功。主要是因为学生的分析和思考问题的能力并不均衡，学生的努力程度也存在差异，大多数学生在之前修读的专业课程中主要围绕传统能源化工展开，对于新知识的接受能力有待于提高。

5结论与展望

通过近四年的课程教学过程中，通过课程讲义、网络课程、教材等的建设，逐步完善了能源转化催化原理的课程建设。在教学实践中，笔者认为对于能源化学工程专业学生的培养，主要还是应该与学校的办学特色结合起来，围绕学生的专业课程体系以及实习实践、本科毕业论文等工作开展相关内容的建设，对于激发学生的学习兴趣，培养学生的学习能力具有较好的引导作用。

参考文献

[1]吴志杰，催化原理案例教学法及典型案例探讨[J]，化工高等教育，2015，2：52-54.

[2]吴志杰．能源转化催化原理[M]．山东：中国石油大学出版社，2018．

作者：吴志杰 单位：中国石油大学(北京)化学工程学院 重质油国家重点实验室