能源化學(xué)工程專業(yè)催化原理的建設(shè)
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[摘要]本文詳細(xì)介紹了能源轉(zhuǎn)化催化原理課程的內(nèi)容、案例教學(xué)的思路、教學(xué)方式的改革以及教材的建設(shè)等方面的探索。通過教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)出先基礎(chǔ)知識(shí)講授，然后案例分析講解，最后學(xué)生參與案例討論的授課方式，改善學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生的思考和分析能力。
[關(guān)鍵詞]能源轉(zhuǎn)化；催化原理；案例教學(xué)
1課程內(nèi)容簡介
本課程主要圍繞石油、煤炭、天然氣和生物質(zhì)等轉(zhuǎn)化為高附加值的油、氣和精細(xì)化學(xué)品的加工技術(shù)，結(jié)合太陽能高效利用與燃料電池等能源轉(zhuǎn)化新領(lǐng)域，系統(tǒng)介紹催化的基本概念和基本原理，以及能源轉(zhuǎn)化過程中涉及的催化劑和催化理論。課程重點(diǎn)闡述了石油、天然氣、煤和生物質(zhì)等資源轉(zhuǎn)化制清潔燃料領(lǐng)域中典型工藝涉及的催化劑和催化理論，讓學(xué)生理解能源轉(zhuǎn)化過程中催化劑應(yīng)用的必要性和重要性，為后續(xù)的合成燃料化學(xué)、合成燃料工程等專業(yè)課程提供基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備。課程主要內(nèi)容為：第1章，緒論；第二章，催化相關(guān)的基本定義和概念；第3章，酸堿催化與能源資源轉(zhuǎn)化制燃料和化學(xué)品；第4章，金屬催化與能源資源轉(zhuǎn)化制燃料和化學(xué)品；第5章，金屬氧(硫)化物催化與能源資源轉(zhuǎn)化制燃料和化學(xué)品；第6章，配位催化與金屬有機(jī)骨架材料；第7章，酶催化。
2結(jié)合研究背景，建設(shè)教學(xué)案例
中國石油大學(xué)(北京)作為行業(yè)學(xué)校，本科畢業(yè)后除了接近50%的學(xué)生繼續(xù)深造之外，其他的學(xué)生將主要進(jìn)入能源化工和精細(xì)化工等相關(guān)行業(yè)從事技術(shù)研發(fā)等工作。隨著現(xiàn)代化工的發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多新的催化工藝及技術(shù)，例如煤制油、煤制烯烴的工業(yè)應(yīng)用等。因此，關(guān)于催化原理相關(guān)的理論知識(shí)必須與時(shí)俱進(jìn)。另一方面，教學(xué)案例的建設(shè)，還需要與學(xué)校的特色相結(jié)合。例如，能源化學(xué)工程專業(yè)依托的教學(xué)系是能源與催化工程系，擁有工業(yè)催化重點(diǎn)培育學(xué)科，在科研方面，沸石分子篩的開發(fā)與應(yīng)用研究，清潔油品的生產(chǎn)，清潔能源(生物質(zhì)和燃料電池)等方面具有雄厚的基礎(chǔ)，學(xué)生參加畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文的工作，甚至是留校讀研都需要涉及這方面的工作。同時(shí)，作為石油行業(yè)學(xué)校，每年來校招聘的企業(yè)大都與石油行業(yè)相關(guān)，為此教學(xué)案例的建設(shè)需要圍繞這些重要的領(lǐng)域展開。筆者通過查閱文獻(xiàn)和教材，總結(jié)了以下三個(gè)大方向的教學(xué)案例[1-2]。
2.1甲醇制烴反應(yīng)機(jī)理和催化材料案例
針對(duì)酸堿催化的內(nèi)容，以甲醇制烴反應(yīng)為研究對(duì)象，以正碳離子反應(yīng)機(jī)理為出發(fā)點(diǎn)，從產(chǎn)物選擇性出發(fā)，闡述酸催化材料從液體酸到沸石分子篩的演變過程，將零散的酸催化劑概念、酸催化劑的類型、酸催化劑的表征方法，酸性質(zhì)(酸強(qiáng)和酸密度)與反應(yīng)性能的關(guān)系，沸石分子篩的擇形催化等基礎(chǔ)知識(shí)串聯(lián)起來，形成一個(gè)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果。在教學(xué)過程中，以此案例建立的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，用于解析催化裂化制高辛烷值汽油、烷基化制高辛烷值組分、生物柴油生產(chǎn)等內(nèi)容的介紹。
2.2天然氣重整催化反應(yīng)機(jī)理和催化材料案例
針對(duì)金屬催化的內(nèi)容，以天然氣重整反應(yīng)過程中不同貴金屬的活性差異為切入點(diǎn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)敏感反應(yīng)的概念，將金屬催化的能帶理論、價(jià)鍵理論、多位理論以及合金催化的概念聯(lián)系起來，讓學(xué)生對(duì)各個(gè)金屬催化理論的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析。同時(shí)，介紹工業(yè)催化劑的選擇與反應(yīng)條件的討論，將催化劑組成(活性組分、助劑、載體)相關(guān)基本概論串聯(lián)起來，加深學(xué)生對(duì)基本概念理解。在教學(xué)過程中，以此案例建立的知識(shí)體系，向?qū)W生介紹石腦油催化重整、合成氣制油和化學(xué)品，生物質(zhì)重整制燃料中間體和氫氣、燃料電池等相關(guān)內(nèi)容。
2.3加氫脫硫反應(yīng)機(jī)理和催化材料案例
針對(duì)金屬氧(硫)化物催化的內(nèi)容，以簡單的光催化水分解制氫和噻吩加氫脫硫反應(yīng)為模型，闡述半導(dǎo)體氧化物的催化劑作用機(jī)制和硫化物催化反應(yīng)的氧化-還原機(jī)理，讓學(xué)生理解半導(dǎo)體催化理論。在教學(xué)過程中，以噻吩加氫脫硫的反應(yīng)案例，將其引申到石油加氫和加氫處理、煤焦油加氫精制、生物質(zhì)加氫脫氧等重要的能源化工領(lǐng)域。
3教學(xué)方式改革探討
在實(shí)際教學(xué)過程中，采用了三種教學(xué)邏輯順序的嘗試。(1)以教學(xué)案例講授催化基本概念和基本原理，通過具體能源化工反應(yīng)的工藝、機(jī)理的講授為主線，在講授過程中補(bǔ)充基本概念和基本原理的講授(2014年教學(xué))。(2)講授催化和催化劑的基本概念、各類催化劑催化的基本原理。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行案例分析的講解，然后讓學(xué)生通過課外閱讀，結(jié)合本學(xué)科的新進(jìn)展，自行完成讀書報(bào)告(2015年教學(xué))。(3)講授催化和催化劑的基本概念、各類催化劑催化的基本原理，然后針對(duì)每個(gè)類型催化劑，只進(jìn)行一個(gè)典型案例分析，讓學(xué)生參與到其他案例教學(xué)的討論過程中(2016和2017年教學(xué))。Fig.1Scoredistributionofprincipleofcatalysisinenergyconversionduring2014~2017?？梢钥闯?，2014年的學(xué)生成績普遍較低，高分和良好這種的學(xué)生比例較低，充分說明了第一種教學(xué)方式對(duì)學(xué)生的思維能力要求較高，要求學(xué)生課前就對(duì)基本概念和基本知識(shí)進(jìn)行必要的預(yù)習(xí)，但是從實(shí)際的教學(xué)效果看，除了10多名學(xué)習(xí)成績優(yōu)秀的學(xué)生能夠主動(dòng)預(yù)習(xí)之外，大多數(shù)學(xué)生都是在課堂上現(xiàn)學(xué)，因此教學(xué)效果并不理想，學(xué)生普遍反映課程較難。另一方方面，這門課程當(dāng)時(shí)還未有合適的教材，推薦參考書數(shù)目較多，打擊了學(xué)生的積極性。從2015年開始，筆者完成講義的編寫并將其應(yīng)用于課程教學(xué)，同時(shí)建立了網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)平臺(tái)，在教學(xué)的過程中，將課堂討論和作業(yè)在平臺(tái)上并于學(xué)生互動(dòng)，能夠進(jìn)一步增加學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。2015年嘗試學(xué)生完成讀書報(bào)告的方式，筆者發(fā)現(xiàn)作為選修課的效果并不理想，因?yàn)榇蠖鄶?shù)學(xué)生把這部分內(nèi)容當(dāng)做負(fù)擔(dān)，流于形式。因此，從2016年開始，逐漸采用第三種教學(xué)方式，讓學(xué)生參與課堂討論的方法，可以在一定程度上鍛煉學(xué)生分析問題和思考問題的能力。
4教材編寫的思考
為了契合能源轉(zhuǎn)化催化原理的授課，筆者從2015年開始，在講義的基礎(chǔ)上，通過不斷的教學(xué)實(shí)踐的反饋，完成了教材的編寫工作。在完成編寫教材的過程中，筆者通過大量文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，能源轉(zhuǎn)化催化原理課程，本質(zhì)應(yīng)該是催化基本原理的靈活應(yīng)用，如何闡述這方面的內(nèi)容是關(guān)鍵。因此，為了便于與傳統(tǒng)的催化原理和工業(yè)催化課程相關(guān)教材的有效銜接，筆者并沒有改變傳統(tǒng)催化原理教科書的授課邏輯和順序，主要增加了典型案例的建設(shè)工作。雖然，現(xiàn)代的能源化工領(lǐng)域的熱點(diǎn)已經(jīng)在逐步轉(zhuǎn)向新能源和可再生能源，但是，考慮到我國實(shí)際的能源化工形勢(shì)，筆者還是以傳統(tǒng)的能源化工領(lǐng)域的案例為重點(diǎn)闡述對(duì)象，側(cè)重從現(xiàn)有的工業(yè)應(yīng)用反應(yīng)中提取教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)實(shí)際問題有更深入的分析。筆者曾經(jīng)在2015年的授課過程中，嘗試以生物質(zhì)能和光催化的案例的重點(diǎn)講解，試圖讓學(xué)生能夠更加深入地理解催化發(fā)展的新動(dòng)向，但是從學(xué)生的反饋效果看，這種嘗試不算成功。主要是因?yàn)閷W(xué)生的分析和思考問題的能力并不均衡，學(xué)生的努力程度也存在差異，大多數(shù)學(xué)生在之前修讀的專業(yè)課程中主要圍繞傳統(tǒng)能源化工展開，對(duì)于新知識(shí)的接受能力有待于提高。
5結(jié)論與展望
通過近四年的課程教學(xué)過程中，通過課程講義、網(wǎng)絡(luò)課程、教材等的建設(shè)，逐步完善了能源轉(zhuǎn)化催化原理的課程建設(shè)。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者認(rèn)為對(duì)于能源化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，主要還是應(yīng)該與學(xué)校的辦學(xué)特色結(jié)合起來，圍繞學(xué)生的專業(yè)課程體系以及實(shí)習(xí)實(shí)踐、本科畢業(yè)論文等工作開展相關(guān)內(nèi)容的建設(shè)，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力具有較好的引導(dǎo)作用。
參考文獻(xiàn)
[1]吳志杰，催化原理案例教學(xué)法及典型案例探討[J]，化工高等教育，2015，2：52-54.
[2]吳志杰．能源轉(zhuǎn)化催化原理[M]．山東：中國石油大學(xué)出版社，2018．
作者：吳志杰 單位：中國石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程學(xué)院 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
