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)校化學(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)的實驗教學(xué)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(xué)平臺、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃、企業(yè)實習(xí)和見習(xí)等方式加強(qiáng)實踐教學(xué);最后，通過企業(yè)考察和調(diào)研、與企業(yè)合作申請項目、聘請企業(yè)導(dǎo)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(dǎo)實踐，實踐還可反哺理論，這對于理論與實踐的有機(jī)結(jié)合具有重要的促進(jìn)作用。
關(guān)鍵詞:CDIO;化工;催化;實踐教學(xué)
高等院校是實現(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，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)人才建立堅實的理論基礎(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(Design)、實現(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，使其主動將實踐和理論知識有機(jī)結(jié)合，旨在培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力、運(yùn)用理論知識的能力，增強(qiáng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新意識和團(tuán)隊合作等綜合素質(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)過程中實現(xiàn)學(xué)習(xí)成果?；谠摾砟睿瑢Υ呋愓n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、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)計上，優(yōu)先考慮化工生產(chǎn)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(guān)的知識點和最新催化研究進(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)的實驗教學(xué)內(nèi)容［3］。例如，可以根據(jù)CDIO理念設(shè)計出一系列與工業(yè)催化領(lǐng)域緊密相關(guān)的實驗教學(xué)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(jī)廢水降解等，學(xué)生從設(shè)置的實驗項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(lián)系相應(yīng)的實驗室進(jìn)行實驗教學(xué)。在整個實驗過程中，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)催化實踐的引入。由理論知識向工程實踐轉(zhuǎn)化時，實踐教學(xué)充當(dāng)著不可替代的角色。實踐教學(xué)也是實施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驗教學(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)地獲取寶貴的實操經(jīng)驗;然后，我們利用大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃作為契機(jī)，組織學(xué)生選題并到相關(guān)的催化專業(yè)實驗室進(jìn)行基本的催化實驗技能訓(xùn)練，通過撰寫計劃書、操作實驗、數(shù)據(jù)分析和成果匯報，培養(yǎng)學(xué)生實踐教學(xué)的思路和工程實踐技能，并培養(yǎng)學(xué)生誠信踏實的個人品質(zhì)和嚴(yán)謹(jǐn)端正的科學(xué)態(tài)度，在實踐中提高學(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)行實習(xí)和見習(xí)。學(xué)生選擇感興趣的校企合作實踐教學(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)的實際問題出謀劃策，這將增強(qiáng)學(xué)生的工程實踐能力。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，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，在整個實踐教學(xué)的過程中，溝通和交流極大地促進(jìn)了團(tuán)隊合作能力的培養(yǎng)。比如，對于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，一般由3～5名學(xué)生組成團(tuán)隊參與項目，學(xué)生可從項目的進(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。在實習(xí)和見習(xí)過程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)化工企業(yè)實踐中的溝通方式和流程。通過實踐教學(xué)獲得的溝通交流和團(tuán)隊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)的實際問題。同時，可將內(nèi)容相關(guān)的課題和方向?qū)懭雽嶒灲虒W(xué)計劃。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，在課堂理論教學(xué)和實驗教學(xué)設(shè)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(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)計和運(yùn)作出發(fā)，重組教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實踐教學(xué)、提高授課教師的工程實踐能力，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)
