催化類課程教學(xué)工程教育模式應(yīng)用

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摘要:從學(xué)?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，基于CDIO工程教育模式，對催化類課程教學(xué)過程進(jìn)行了應(yīng)用探究。一方面，重組教學(xué)內(nèi)容，引入主題講座，突出催化知識的應(yīng)用深度和廣度，并根據(jù)CDIO理念增設(shè)與工業(yè)催化領(lǐng)域緊密相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目;另一方面，利用化工流程模擬軟件、虛擬化工仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃、企業(yè)實(shí)習(xí)和見習(xí)等方式加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué);最后，通過企業(yè)考察和調(diào)研、與企業(yè)合作申請項(xiàng)目、聘請企業(yè)導(dǎo)師等方式，提高授課教師的工程實(shí)踐能力。通過這些方式，不僅理論可以指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐還可反哺理論，這對于理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合具有重要的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞:CDIO;化工;催化;實(shí)踐教學(xué)

高等院校是實(shí)現(xiàn)國家發(fā)展目標(biāo)的重要平臺，《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》對高校的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。然而，目前在工科類學(xué)生的培養(yǎng)過程中，普遍存在培養(yǎng)模式不適應(yīng)企業(yè)需求，培養(yǎng)內(nèi)容跟不上產(chǎn)業(yè)升級等難題，因此，如何提高工科類學(xué)生的工程實(shí)踐能力，建立適合產(chǎn)業(yè)需求的培養(yǎng)模式是亟待研究的課題。教學(xué)作為高校培養(yǎng)人才的最重要的一環(huán)，是學(xué)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(xué)生的培養(yǎng)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(xué)化工的整個領(lǐng)域，如合成氨、石油化學(xué)品、精細(xì)化工、煤化工和環(huán)境保護(hù)等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，75%的化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程需借助催化劑，超過90%的化學(xué)新工藝依賴于催化劑和催化過程的開發(fā)。工業(yè)催化能夠加速傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)的升級，作為環(huán)境產(chǎn)業(yè)及新能源開發(fā)中的核心技術(shù)，對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展起到了重要的作用。催化類課程開設(shè)的目的是讓學(xué)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(jìn)行的本質(zhì)，熟悉工業(yè)催化劑的特征和要求，為培養(yǎng)化工專業(yè)人才建立堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過該類課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以根據(jù)現(xiàn)有化工企業(yè)中的催化技術(shù)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(dǎo)實(shí)踐的能力。但是，在該類課程教學(xué)的過程中存在以下問題:(1)由于催化知識點(diǎn)比較抽象，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生只能按照字面意思簡單地理解一些概念，不能對所學(xué)知識進(jìn)行系統(tǒng)梳理和深入剖析，因此，大多數(shù)同學(xué)反映學(xué)習(xí)催化類課程時感到枯燥和吃力;(2)多數(shù)催化為主題的參考教材側(cè)重于催化基礎(chǔ)理論，教材內(nèi)容不能有效地指導(dǎo)學(xué)生所學(xué)專業(yè)。目前仍欠缺能夠?qū)⒋呋纠碚?、工業(yè)催化技術(shù)、最新催化劑和催化過程研究進(jìn)展緊密結(jié)合的教材［1］;(3)目前的課程教學(xué)實(shí)例大多采用傳統(tǒng)的催化劑和催化過程，學(xué)生無法關(guān)注到前沿的催化材料和催化技術(shù)。因此，需要對催化類課程進(jìn)行教學(xué)改革以提高學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的能力，而通過CDIO工程教育模式改進(jìn)課堂教學(xué)為促進(jìn)工程實(shí)踐型人才的培養(yǎng)提供了一條有效的途徑。CDIO以構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)為核心，該工程教育理念由麻省理工學(xué)院等研究創(chuàng)立，該教學(xué)模式以學(xué)生為主體，使其主動將實(shí)踐和理論知識有機(jī)結(jié)合，旨在培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力、運(yùn)用理論知識的能力，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)合作等綜合素質(zhì)。CDIO工程教育提供了知識積累與探索的情境，可以讓學(xué)生逐步掌握抽象知識與具體產(chǎn)品間的聯(lián)系并加以有效運(yùn)用，從而提升其工程實(shí)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(jìn)行教學(xué)改革研究。

1重組教學(xué)內(nèi)容

CDIO工程教育教學(xué)模式包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)大綱和教學(xué)指引等。CDIO強(qiáng)調(diào)通過課程的設(shè)置，在具體的學(xué)習(xí)過程中實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)成果。基于該理念，對催化類課程的內(nèi)容設(shè)置進(jìn)行了調(diào)整，對目前的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了刪減、更新和重組。其中，部分學(xué)時用于講述催化原理基礎(chǔ)知識，主要介紹各種催化劑和催化作用的本質(zhì)、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(xué)時用于開展環(huán)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(jié)合授課教師專業(yè)背景并引入當(dāng)前催化領(lǐng)域的最新科學(xué)研究成果，介紹國內(nèi)外不同催化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和著名科學(xué)家，拓寬學(xué)生的科學(xué)思維和國際化視野。前期課程教學(xué)以催化相關(guān)理論為主，后期教學(xué)以催化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用為主，緊扣現(xiàn)代化工過程中的先進(jìn)催化技術(shù)，突出催化知識的應(yīng)用深度和廣度。另外，工程精神是工程技術(shù)人員對于工程的特點(diǎn)、本質(zhì)、發(fā)展趨勢的態(tài)度、看法及行為傾向，是目前化工類應(yīng)用型人才不可或缺的要素。由于科學(xué)與工程之間相互促進(jìn)并協(xié)同發(fā)展，因此授課教師在講授工業(yè)催化原理的同時，還應(yīng)將科學(xué)理論與工程實(shí)例緊密結(jié)合，注意學(xué)生工程意識的培養(yǎng)。例如，開發(fā)性能優(yōu)異的工業(yè)催化劑，能夠利用低成本的原料，提高產(chǎn)品的產(chǎn)率和產(chǎn)量，提升產(chǎn)品的純度，從而能夠節(jié)能降耗，使得經(jīng)濟(jì)利益達(dá)到最大化以增強(qiáng)其市場競爭力;通過研究催化反應(yīng)動力學(xué)提高催化劑的內(nèi)在活性，并通過吸附、擴(kuò)散等過程控制進(jìn)一步提高催化劑的工業(yè)活性，從而實(shí)現(xiàn)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(fā)處理工業(yè)廢水、廢氣和廢渣，從而能夠有效地治理環(huán)境，開發(fā)環(huán)境友好的化工過程。因此在催化類課程教學(xué)內(nèi)容的選擇和設(shè)計(jì)上，優(yōu)先考慮化工生產(chǎn)中實(shí)際催化劑使用過程中涉及到的常用和實(shí)用的概念和原理，而跟課程相關(guān)的知識點(diǎn)和最新催化研究進(jìn)展以專題講座的形式展開。這種教學(xué)內(nèi)容更具針對性，相關(guān)知識點(diǎn)更加集中，也更加符合工程類學(xué)生的思維和認(rèn)知習(xí)慣。除此以外，為了進(jìn)一步提高學(xué)生的技術(shù)技能和解決實(shí)際工程問題的能力，還擬增加與理論教學(xué)體系相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容［3］。例如，可以根據(jù)CDIO理念設(shè)計(jì)出一系列與工業(yè)催化領(lǐng)域緊密相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)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(jī)廢水降解等，學(xué)生從設(shè)置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中自行選擇感興趣的題目，查閱中英文文獻(xiàn)，討論相關(guān)催化劑參與化學(xué)反應(yīng)的原理，篩選催化劑類型，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)方案完成以后，由授課教師聯(lián)系相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在整個實(shí)驗(yàn)過程中，教師負(fù)責(zé)把握題目的方向，并及時提供幫助和指導(dǎo)。通過這種方式，讓學(xué)生可以真正地做到學(xué)以致用，從而提升學(xué)生利用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，并培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識。

2加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

鑒于催化類課程具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，我們不僅要強(qiáng)調(diào)催化理論知識的學(xué)習(xí)，還要重視工業(yè)催化實(shí)踐的引入。由理論知識向工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化時，實(shí)踐教學(xué)充當(dāng)著不可替代的角色。實(shí)踐教學(xué)也是實(shí)施CDIO的重要載體，在培養(yǎng)知識、能力和技術(shù)一體化的工程化教育人才中起著重要的作用。CDIO理念倡導(dǎo)“做中學(xué)”、“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”，旨在讓學(xué)生能夠主動地將工業(yè)實(shí)踐與理論知識有機(jī)結(jié)合。因此，通過引入CDIO模式加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，可提高學(xué)生的工程素質(zhì)，增強(qiáng)其競爭優(yōu)勢。首先，學(xué)生可以利用化工流程模擬軟件及虛擬化工仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺進(jìn)行操作和演練，不僅可以在一定程度上降低后續(xù)實(shí)踐教學(xué)的成本和風(fēng)險性，還可以全面、系統(tǒng)地獲取寶貴的實(shí)操經(jīng)驗(yàn);然后，我們利用大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃作為契機(jī)，組織學(xué)生選題并到相關(guān)的催化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基本的催化實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，通過撰寫計(jì)劃書、操作實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析和成果匯報(bào)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的思路和工程實(shí)踐技能，并培養(yǎng)學(xué)生誠信踏實(shí)的個人品質(zhì)和嚴(yán)謹(jǐn)端正的科學(xué)態(tài)度，在實(shí)踐中提高學(xué)生的道德操守和行為準(zhǔn)則。最后，鼓勵學(xué)生進(jìn)入催化相關(guān)企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)和見習(xí)。學(xué)生選擇感興趣的校企合作實(shí)踐教學(xué)基地，由企業(yè)的工程技術(shù)人員參與學(xué)生的培養(yǎng)，進(jìn)行化學(xué)工業(yè)中催化相關(guān)的工程訓(xùn)練，并鼓勵學(xué)生接觸企業(yè)的運(yùn)作模式，了解企業(yè)的技術(shù)性難題，并致力于為解決企業(yè)的實(shí)際問題出謀劃策，這將增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。另外，學(xué)生還可直接感受工程技術(shù)人員的工作條件、工作環(huán)境、工作狀態(tài)、工作秩序、工作要求、工作習(xí)慣等，熟悉他們對工程實(shí)踐規(guī)范的執(zhí)行方法，學(xué)習(xí)他們的工作技能和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提高學(xué)生的道德操守。同時，學(xué)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(jìn)而促進(jìn)學(xué)生自身素質(zhì)與能力的提升。除此以外，在整個實(shí)踐教學(xué)的過程中，溝通和交流極大地促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)。比如，對于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，一般由3～5名學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)參與項(xiàng)目，學(xué)生可從項(xiàng)目的進(jìn)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(yè)實(shí)習(xí)和見習(xí)，工程活動流程往往更加復(fù)雜，通常涉及諸多部門，要求工程技術(shù)人員具有更高的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。信息無時不刻不在影響著個人與集體的發(fā)展，良好的溝通才能有效地傳遞信息。在實(shí)習(xí)和見習(xí)過程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)化工企業(yè)實(shí)踐中的溝通方式和流程。通過實(shí)踐教學(xué)獲得的溝通交流和團(tuán)隊(duì)合作能力不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，還將對學(xué)生以后的職業(yè)生涯大有裨益。

3提高授課教師的工程實(shí)踐能力

CDIO工程教育教學(xué)模式也對授課教師提出了更高的要求，教師不僅應(yīng)具備較高的教學(xué)能力，還應(yīng)具備較強(qiáng)的科研能力和工程實(shí)踐能力。因此，在催化類課程授課教師的培養(yǎng)方面進(jìn)行了如下探索:①授課教師積極地進(jìn)入化工企業(yè)考察和調(diào)研，深入了解化工生產(chǎn)過程中存在的與催化相關(guān)的技術(shù)問題，分析原因并試圖給出技術(shù)性解決方案，并針對企業(yè)對化工人才的需求，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整催化類相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容。②鼓勵授課教師踴躍申請與化工企業(yè)合作的催化類橫向、縱向項(xiàng)目，組織學(xué)生積極參與化工企業(yè)中催化劑的研發(fā)和生產(chǎn)過程，帶領(lǐng)學(xué)生解決化工企業(yè)中遇到的與催化相關(guān)的實(shí)際問題。同時，可將內(nèi)容相關(guān)的課題和方向?qū)懭雽?shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃。③聘請化工企業(yè)的催化專業(yè)技術(shù)人員作為催化類課程的客座教師，開設(shè)關(guān)于相關(guān)催化劑和催化過程的主題講座，提高應(yīng)用型高素質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)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(shí)踐能力均得到了全面提升，更加明確了對學(xué)生的培養(yǎng)重點(diǎn)，在課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)上更加貼近實(shí)際。同時，將實(shí)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(zhuǎn)化也是非常有利的。通過將催化類課程教學(xué)與CDIO工程教育理念相結(jié)合，從整體構(gòu)思、設(shè)計(jì)和運(yùn)作出發(fā)，重組教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高授課教師的工程實(shí)踐能力，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、鞏固并深入理解催化專業(yè)理論知識，還能讓學(xué)生建立工程意識，培養(yǎng)其工程能力，同時還可以提高學(xué)生的道德操守并加強(qiáng)學(xué)生相互之間溝通交流的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

參考文獻(xiàn)

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作者：李倩 宋克農(nóng) 張昭良 辛穎 牟宗剛 彭翠娜 齊蕾 單位：濟(jì)南大學(xué)