廉培超，牛麗輝，陳鑫智，劉紅紅，李雪梅，梅 毅

(昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

《化學(xué)反應(yīng)工程》作為化工專業(yè)學(xué)生的核心課程，涉及的知識領(lǐng)域廣泛，與《物理化學(xué)》《化工熱力學(xué)》《流體力學(xué)》《化工傳遞過程》《高等數(shù)學(xué)》等課程有著密切的聯(lián)系，對于夯實學(xué)生的專業(yè)知識基礎(chǔ)、強化工程分析能力具有十分重要的作用。但由于《化學(xué)反應(yīng)工程》這門課程的教學(xué)內(nèi)容多以及學(xué)科交叉緊密的特點[1]，在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中普遍存在理論與實踐相脫節(jié)、學(xué)生存在畏懼心理、學(xué)生學(xué)習(xí)效率低等問題。學(xué)生為了通過這門課程的測試，只能依靠死記硬背的方式被動獲取知識，而這種方法不僅會使學(xué)生對這門課程感到更加枯燥乏味，還不能將所學(xué)的知識靈活運用到實際問題中。

本文主要針對目前工科院校普遍存在的傳統(tǒng)教學(xué)體系對學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)不足的問題，以新工科建設(shè)為引領(lǐng)，以立德樹人為根本，基于“創(chuàng)新、實踐、個性化發(fā)展相融合”的教學(xué)理念，結(jié)合云南地方特色及磷化工科研工作基礎(chǔ)，以“黑磷的催化法制備”為例，開展《化學(xué)反應(yīng)工程》課程建設(shè)工作，將《化學(xué)反應(yīng)工程》建設(shè)為具有云南地方特色的課程，為云南地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需人才的培養(yǎng)構(gòu)建堅實的課程體系。

1 人才培養(yǎng)所存在的問題及改革

完整的人才培養(yǎng)模式應(yīng)該是在先進(jìn)的教育思想指導(dǎo)下構(gòu)建人才培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)確定人才培養(yǎng)過程，實現(xiàn)人才培養(yǎng)過程要有相應(yīng)的人才培養(yǎng)制度作為保障，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)對人才培養(yǎng)過程和人才培養(yǎng)質(zhì)量進(jìn)行評價，并及時進(jìn)行反饋和調(diào)節(jié)[2]。然而，目前人才培養(yǎng)模式大都以傳統(tǒng)的教學(xué)培養(yǎng)模式為主，重知識、輕能力，重傳授、輕思考，重理論、輕實踐的教學(xué)方式在一定程度上背離了提高人才質(zhì)量的初衷。傳統(tǒng)的教學(xué)培養(yǎng)模式主要以老師為中心，一般是由老師根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容對其進(jìn)行相應(yīng)的講解，學(xué)生的主要任務(wù)是接收老師傳達(dá)的知識，一切以傳達(dá)知識的有效程度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)[3]。再加上《化學(xué)反應(yīng)工程》與《物理化學(xué)》《化工熱力學(xué)》《流體力學(xué)》《化工傳遞過程》《優(yōu)化與控制》《高等數(shù)學(xué)》等課程有著密切的聯(lián)系，對于大多數(shù)學(xué)生來說《化學(xué)反應(yīng)工程》所涉課程基礎(chǔ)薄弱，加之枯燥的教學(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動性，不會主動思考問題，更不會自覺的研究、探索科學(xué)問題，使其學(xué)習(xí)變得更加枯燥、呆板、完全表面化和外在化，不再有豐富而深刻的內(nèi)心體驗。這種“填鴨式”教學(xué)模式極大程度地扼殺了學(xué)生的創(chuàng)新思維，導(dǎo)致學(xué)生思維僵化，難以學(xué)以致用。這與黨的十八大明確提出的“培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任感，創(chuàng)新精神，實踐能力”的要求并不相符。

為了改善這種以老師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式的缺陷，筆者根據(jù)課程特點，采取能調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)性的教學(xué)模式——以學(xué)生為主體。在教學(xué)過程中，筆者結(jié)合云南地方特色及磷化工科研工作基礎(chǔ)，以“黑磷的催化法制備”為例，對所涉及的相關(guān)理論知識進(jìn)行講解，將問題分配給學(xué)生，由學(xué)生根據(jù)問題去查閱相關(guān)的資料，設(shè)計解決問題的相關(guān)方案，以討論的形式對方案進(jìn)行改進(jìn)，最后根據(jù)方案開展相關(guān)實驗。對實驗過程中遇到的問題，由學(xué)生運用理論知識，自主解決問題，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力。通過對傳統(tǒng)教學(xué)模式的改革，讓學(xué)生從思想上轉(zhuǎn)變“以老師為中心”的教學(xué)模式，從行動上讓學(xué)生做課堂的主人，從而培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力。同時，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

2 “黑磷的催化法制備”具體實例

筆者本著追求真理，嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的求實精神，潛心研究，結(jié)合“黑磷的催化法制備”研究課題，帶領(lǐng)學(xué)生深入學(xué)習(xí)《化學(xué)反應(yīng)工程》課程，采用“理論知識+實踐教學(xué)”相結(jié)合的方法，通過研討式教學(xué)的方式，調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)與探究學(xué)習(xí)的積極性;通過小組匯報的方式，培養(yǎng)學(xué)生組織協(xié)調(diào)能力;通過學(xué)生之間的互動交流，產(chǎn)生思維碰撞，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力;通過實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力。

2.1 介紹背景，引出主題

這一環(huán)節(jié)旨在通過簡單的背景介紹，引導(dǎo)學(xué)生對相關(guān)主題有所了解，同時針對現(xiàn)有現(xiàn)象，提出系列問題，以小組為單位，讓學(xué)生通過小組討論的形式思考問題、分析問題，從而提出解決問題的方法，并將其帶入到課程內(nèi)容。

筆者在上課初期讓學(xué)生觀看我國磷礦資源分布及其應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的視頻，通過視頻和講解的方式向大家介紹背景：我國磷礦資源豐富，位居世界第2位，主要分布在云南、貴州、四川、湖南、湖北等五個省份(云南省磷礦儲量位居全國第一)，然而，我國的磷礦資源大多用于生產(chǎn)黃磷、磷肥等基礎(chǔ)磷化工產(chǎn)品，造成了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，企業(yè)持續(xù)虧損的現(xiàn)狀[4]。由此筆者提出問題 “如何看待磷化工企業(yè)這一現(xiàn)象？”，學(xué)生通過調(diào)研文獻(xiàn)認(rèn)為這一現(xiàn)象是由于基礎(chǔ)磷化工產(chǎn)品產(chǎn)能相對過剩造成的，磷化工企業(yè)急需轉(zhuǎn)型升級，以此實現(xiàn)磷化工產(chǎn)業(yè)的精細(xì)化發(fā)展。此時，筆者引導(dǎo)學(xué)生了解磷化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重點是發(fā)展精細(xì)磷化工產(chǎn)品，而黑磷作為一種新型精細(xì)磷化工產(chǎn)品，它具有很多優(yōu)異的性能，如高載流子遷移率、可調(diào)節(jié)的直接帶隙、良好的光電性能、高達(dá) 2596 mAh/g 的理論比容量以及好的各向異性等特點，在傳感、儲能、催化、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景[5]。但是它的應(yīng)用受限于其苛刻的制備方法。目前報道的黑磷制備方法存在原料成本高、制備規(guī)模小等問題，導(dǎo)致目前市場上銷售的黑磷價格居高不下(高達(dá)數(shù)千元每克)，嚴(yán)重阻礙了黑磷的應(yīng)用與發(fā)展。而催化法具有反應(yīng)耗時短、操作簡單的特點有望實現(xiàn)黑磷的低成本、規(guī)?；苽鋄6]，從而引出“黑磷的催化法制備”這一主題。

2.2 深入主題，學(xué)習(xí)理論

這一階段，目的在于學(xué)生對《化學(xué)反應(yīng)工程》課程中催化機理、氣固相反應(yīng)過程、反應(yīng)器章節(jié)的掌握，為后續(xù)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定理論基礎(chǔ)。實施方法則以“黑磷的催化法制備”為切入點，以課上問答、課下總結(jié)的形式對所涉內(nèi)容進(jìn)行認(rèn)知和學(xué)習(xí)。

筆者引導(dǎo)學(xué)生深入這一主題，通過動畫演示的方式介紹基于磷碘錫催化劑的黑磷制備機理[7]——氣固氣反應(yīng)機制：氣化的固體原料與固體催化劑反應(yīng)生成過渡態(tài)氣體，過渡態(tài)氣體轉(zhuǎn)化生成固體生成物[8-11]。針對這一反應(yīng)機理提問學(xué)生：“這一催化反應(yīng)如何使黑磷實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率及純度？”，學(xué)生通過思考認(rèn)為催化反應(yīng)過程中，催化劑對反應(yīng)起到加快化學(xué)反應(yīng)速率的作用。產(chǎn)物純度可能與轉(zhuǎn)化率有關(guān)。此時筆者帶領(lǐng)學(xué)生對黑磷催化法機理進(jìn)行深度剖析：首先，通過機理的認(rèn)知，我們發(fā)現(xiàn)此反應(yīng)為氣固相催化過程，從而引導(dǎo)學(xué)生去了解什么是氣固相催化反應(yīng)？我們所了解的黑磷催化法制備機理是否符合這一過程？常見的哪些反應(yīng)同樣屬于氣固催化反應(yīng)？通過這些問題的引入，使學(xué)生自主去尋找問題的答案，并以分組匯報的形式進(jìn)行展示，并在講評過程中對知識進(jìn)行梳理與總結(jié);其次，針對學(xué)生所提出的催化劑對反應(yīng)的影響，引導(dǎo)學(xué)生去思考催化劑為什么會加快反應(yīng)速率？催化劑的種類有哪些？催化劑的組成包括哪幾個部分？影響催化劑性能的因素有哪些？催化劑的制備方法有哪些？等一系列與催化劑相關(guān)的問題，讓學(xué)生以思維導(dǎo)圖的形式進(jìn)行梳理與總結(jié);最后，筆者與學(xué)生剖析影響黑磷純度的原因，可能是黑磷制備過程中存在串聯(lián)副反應(yīng)，導(dǎo)致制備出來的黑磷含有雜質(zhì)，這與黑磷制備所使用的反應(yīng)器有著密切聯(lián)系。因此，筆者向?qū)W生介紹反應(yīng)器章節(jié)相關(guān)內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生在實踐過程中可以通過反應(yīng)器的設(shè)計與優(yōu)化抑制副反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而提升黑磷純度。

2.3 實踐操作，培養(yǎng)創(chuàng)新

這一環(huán)節(jié)筆者主要采用實踐教學(xué)的方式，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力以及創(chuàng)新意識。針對基于磷碘錫催化劑的黑磷制備進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生通過《化學(xué)反應(yīng)工程》中的催化機理、氣固相反應(yīng)過程、反應(yīng)器章節(jié)的學(xué)習(xí)，設(shè)計出不同反應(yīng)器。筆者將這些方案匯總后與學(xué)生交流，進(jìn)行大致方案的確定，這其中并不包括實驗具體細(xì)節(jié)的確定，具體設(shè)計方案則由學(xué)生以“互聯(lián)網(wǎng)+化學(xué)反應(yīng)工程”課模設(shè)計大賽的形式進(jìn)行確定，筆者則在此基礎(chǔ)上通過提問、點評的方式進(jìn)行指導(dǎo)，直到學(xué)生目標(biāo)清晰、思路明確。通過上述方案的實施，最終呈現(xiàn)出一個較為完整的實驗方案：根據(jù)黑磷制備的氣固氣反應(yīng)機制，最終設(shè)計出氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器，裝置如圖1所示，通過溫度梯度的調(diào)控，實現(xiàn)原料與催化劑的分離，進(jìn)而抑制副反應(yīng)的發(fā)生。在此基礎(chǔ)之上，開展相關(guān)實驗，針對實驗中遇到的問題，求助書本中的理論知識進(jìn)行解決，比如：圖1設(shè)計的固定床反應(yīng)器雖然實現(xiàn)了原料與催化劑的分離，但黑磷產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率較低，首次轉(zhuǎn)化率為85%，并隨著催化劑循環(huán)次數(shù)的增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率大幅度降低，面對制備過程中首次轉(zhuǎn)化率低，催化劑易失活的問題，學(xué)生在書本中找到了解決辦法，通過將現(xiàn)有催化劑進(jìn)行破碎成型，增加催化劑的活性位點從而解決催化劑首次使用轉(zhuǎn)化率低的問題。同時催化劑粒徑對其轉(zhuǎn)化也有一定影響，學(xué)生自主設(shè)計催化劑粒徑對黑磷轉(zhuǎn)化率影響的探究實驗，最終通過實驗確定了催化劑粒徑的大小。而針對催化劑重復(fù)使用率低的問題，學(xué)生分析整個反應(yīng)歷程發(fā)現(xiàn)催化劑存在燒結(jié)現(xiàn)象，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，認(rèn)為催化劑在使用過程中所處環(huán)境局部溫度過高發(fā)生燒結(jié)從而造成催化劑失活的現(xiàn)象，由此學(xué)生思考通過助劑的加入來提高催化劑性能，采取加入導(dǎo)熱性較好的助劑來改善性能，最終，改進(jìn)后的催化劑使黑磷的首次轉(zhuǎn)化率可達(dá)96%，催化劑重復(fù)使用9次后仍能達(dá)到80%，進(jìn)一步證明當(dāng)初的猜想是正確的，成功實現(xiàn)了反應(yīng)器的設(shè)計與優(yōu)化。學(xué)生在實踐操作過程中不僅對學(xué)到的知識做到了融會貫通，同時還充滿了成就感，使學(xué)習(xí)不再枯燥，真正意義上做到了以化工理論知識解決實際問題的目的。同時，鼓勵學(xué)生參加“大學(xué)生學(xué)科競賽”“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”等各類活動，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與實踐能力。

圖1 氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器

2.4 評分改革，培養(yǎng)能力

本課程的評分體系構(gòu)建為“3+5+2”模式，線下考核成績占總成績的30%，課堂表現(xiàn)占總成績的50%，其中課堂表現(xiàn)中：20%的成績?yōu)閷W(xué)生上課回答問題情況，這一比值的提高，主要是為了帶動學(xué)生參與課堂、調(diào)動學(xué)生思考問題的積極性;10%的成績?yōu)樾〗M匯報情況，這一分值主要是根據(jù)匯報情況進(jìn)行打分，分?jǐn)?shù)則為整個小組學(xué)生的成績，目的是鍛煉學(xué)生之間的團(tuán)結(jié)協(xié)作意識;剩余20%的成績則為各個學(xué)生實驗方案的自主設(shè)計情況，主要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力以及對理論知識的掌握情況。創(chuàng)新實踐活動占總成績的20%，這一部分學(xué)生可以通過論文、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、知識競賽等形式進(jìn)行獲取，重點在于對活動的積極參與，旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力。

3 實施的成果

3.1 教學(xué)成果

筆者所指導(dǎo)的學(xué)生申報的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目：“黑磷：后起之秀，夢幻材料”榮獲第三屆云南省“互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”金獎;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目：“昆明黑磷科技服務(wù)有限責(zé)任公司”榮獲第四屆云南省“互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”金獎;創(chuàng)新訓(xùn)練項目：“黑磷的催化法制備及形成機制研究”獲得省級立項并入選2021年第十屆全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會;參賽作品：“黑磷制備反應(yīng)器的設(shè)計”榮獲2020年第三屆全國“互聯(lián)網(wǎng)+化學(xué)反應(yīng)工程”課模設(shè)計大賽三等獎。

3.2 創(chuàng)業(yè)成果

筆者為了進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新與實踐能力，在“黑磷的催化法制備”研究工作的基礎(chǔ)上指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)立了昆明黑磷科技服務(wù)有限責(zé)任公司，開發(fā)出一系列黑磷及納米黑磷產(chǎn)品，并將產(chǎn)品提供給了中科院大連化物所、復(fù)旦大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、蘭州大學(xué)等國內(nèi)知名科研院所，且得到了大家的一致好評。

3.3 教書育人

筆者長期工作在教學(xué)科研一線，教學(xué)過程中注重科教融合，教學(xué)效果多次被評為優(yōu)秀，榮獲云南省高等教育教學(xué)成果獎二等獎1項，榮獲昆明理工大學(xué)教學(xué)成果一等獎、特等獎各1項，榮獲紅云園丁優(yōu)秀教師獎1項。先后培養(yǎng)研究生十余人，指導(dǎo)的2篇研究生畢業(yè)論文入選云南省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文，指導(dǎo)的2名碩士研究生榮獲“省級三好學(xué)生”的稱號。培養(yǎng)本科生數(shù)十人，其中指導(dǎo)的2篇本科生畢業(yè)論文入選昆明理工大學(xué)優(yōu)秀學(xué)位論文。

4 結(jié)論

通過對“黑磷的催化法制備”實驗的探索及初步實施，采用“理論知識+實踐教學(xué)”相結(jié)合的方法，將理論知識融合至實驗教學(xué)中不僅可以加深學(xué)生對理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作精神以及創(chuàng)新能力。希望本文的教學(xué)實例給傳統(tǒng)教學(xué)提供新的思路，為培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實踐能力以及創(chuàng)新能力提供幫助。