纳米催化技术教学设计

摘要:从纳米催化技术最新研究成果出发，探讨了通过设计教学内容、教学方式、考核方式将研究成果与基础知识融合，加深学生对基础知识及前沿的理解。纳米催化技术最新研究成果的讲述让课堂内容更加丰富，学生注意力更加集中，提高对纳米催化知识的理解能力，有利于创新型、综合型人才培养。

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关键词:纳米催化技术;研究型教学;设计与实践

纳米催化作为一门材料、化学、能源、纳米、环境等多学科交叉的学科，充满着创新活力，各学科的发展不断促使催化领域涌现重大突破和创新成果。为了让学生了解纳米催化技术的前沿进展，需要不断更新纳米催化材料的制备和表征，对教学内容和教学方式进行不断地探索。通过对教学内容、教学方式、考核方式进行筛选、设计和精简，将最新研究成果与课程基础知识融合，并运用多种教学手段进行研究型教学设计与实践[1]，解决传统催化教学内容枯燥乏味、陈旧等问题[2]，加深学生对基础知识的理解及对科学前沿的掌握。通过对教学内容、教学方式、考核方式设计，将最新研究成果前沿与基础知识融合，形成以学生为主体的课堂教学，激发学生探究性学习的热情，提高发现问题、分析问题和解决问题能力。

一、教学内容

纳米催化技术的授课内容主要包括催化的背景介绍，催化基本概念，物理、化学吸附性质，多相催化基本反应步骤，热催化、光催化及电催化原理、设计原则及评价方法等知识点，几种经典纳米催化材料（如沸石分子筛，介孔二氧化硅，金属有机骨架，共价有机骨架，单原子催化）的制备和表征方法等。还包括相对抽象且不易认识或描述的概念及场景，如催化活化能、化学吸附与物理吸附之间的差异、汽车排放三效催化剂过程、光催化作用电子能带理论、燃料电池汽车原理、原位透射电镜、扫描电镜、气相色谱质谱联用仪、沸石分子筛催化剂过程、金属有机骨架催化剂过程、单分子运动催化剂过程等。在对这些课程内容进行设计介绍时，将有关催化材料与技术前沿信息导入，并结合科研工作实例、视频及动画等形式讲解催化过程。通过视频及动画直观地显示单原子催化过程及单原子区别于亚纳米材料的独特性质，帮助学生理解单原子催化的优异性能。通过视频及动画将贴近生活的科研成果如处理汽车尾气用的三效催化剂、燃料电池与电动汽车发展技术难关、工业上选择性还原脱硝过程、光催化杀菌消毒技术等与教学密切联系。以案例讲解引起学生的学习兴趣，从而培养自主学习探究能力，不但认识到基础理论知识对科学创新的重要意义，也可以增强科研成果实践应用意识。在引发学生兴趣的同时，增强基础理论知识与实践相结合意识，在成果实践运用过程中提高对基础知识和前沿工作技术的认识。纳米催化材料与技术发展非常迅速，必须克服科技发展日新月异而教材内容相对滞后的矛盾。在教学内容安排时，做到既注重基础，又紧跟学科前沿，不断更新和调整教学内容。课件每年进行修改和补充，加入研究团队最新工作进展及科学前沿进展，丰富课程知识点，并适时、适度引入学科相关最新科技文献内容，让学生积极参与课堂讨论[3-4]。在对纳米催化材料科学前沿内容介绍时，紧扣课程教学大纲，使学生掌握纳米材料催化技术专业的基本理论和方法。同时，及时了解最新学科动态，为培养学生专业能力打下坚实基础。新知识讲授显著调动了学生学习积极性，拓展了视野，培养了知识探索能力，实现培养具备扎实的专业知识与创新能力人才的教学目标。在讲述催化技术时，把本校教师在催化领域的研究进展与成果介绍给学生。在讲述纳米催化材料表征与性能测试设备如气相色谱质谱联用仪、化学吸附仪、原位红外光谱、扫描电镜、原位透射电镜时，讲解仪器基础知识的同时给出实验室相关仪器的照片，并融入相关视频教学，使学生不同程度参与科研，加深对仪器原理和测试步骤的理解。在课堂理论学习与实际操作实验之间架起桥梁，开阔了学生眼界的同时也提高了解决实际问题能力。例如，讲解扫描电镜时同时给出扫描电镜的教学视频，加深学生对相关表征设备和测试原理的理解。介绍原位透射电镜技术时，播放了原位透射电镜样品池的基本制备过程与测试步骤，观察纳米催化剂在各种气氛与温度条件下的外观形态与表面原子的动态变化，以增强学生对纳米催化剂的动态变化过程认识。

二、教学方式

以讲授、提问、讨论、布置思考题、查找资料等多种方式相结合的课堂教学方式，强化了学生在教学过程中的主体地位[5]。建立课堂教学良好互动气氛、宽松环境及和睦的师生关系。授课过程中，教师提供若干与教学知识点有关的实践科研课题，并结合启发互动、专题讨论等方式，指导学生针对课题问题发表自己的观点与思考。课堂讨论结合教师讲授，有效地对学生思维方向予以合理引导，调动学生掌握知识的积极性，从而增强独立思考意识。采用积极提问、小组讨论、师生互动等各种交流方法，引导学生在课堂中对教学的知识点和问题进行积极认识与反思。采用合理的提问设计，将原本讲解的知识点变成问题，启发学生思维。在介绍最新前沿成果时，设计若干题目让学生思考并进行小组研究，培养逻辑思维能力，在掌握专业知识的过程中提高学习创新能力和团队合作能力，为未来的研究学习打下基础。比如，在介绍关于燃料电池材料的电动汽车技术时，提出如下问题：假如你作为车辆设计者，在选择使用电动汽车的燃料电池材料时应该遵循哪些准则，并考虑哪些问题。这样的题目设计，能极大调动学生思考积极性，往往你一言我一语就可以像拼拼画那样将知识点“拼”起来，比单纯听课掌握得更扎实，课堂气氛也更活泼。该启发性方法使催化过程更加简单明了和生动有趣，促进了学生对知识点的领悟，有利于激发思考，引起复习兴趣。

三、考核方式

为对课堂教学进行正确评价，从原来的单一评价方法转变为多样性、过程性和综合型的多元化评价方法，突出了对学生综合知识技能的考核。通过课堂展示、作业、课后问题、PPT展示和陈述等方法，对学生在独立性、设计性、过程性等多方面的综合素养与创新能力进行全方位评价。在多元化评价方法中，注重连接世界先进科研成果和学生所掌握的基础知识。多元化考核方式增加了教学过程中教师与学生的互动，真实反映学生解决实际科研问题的能力及自主学习、创新思维培养等。教学过程结束后，采用问卷调查等方法了解学生对教学的评价和期望。根据学生的表现和评价来进行自评，并总结需要改进的地方。

四、结语

采用多种研究型教学方法，强调师生之间的互动和启发式教学，引导学生参与科研过程等，取得了较好的教学效果。教学过程中引入团队研究工作并与前沿工作相连接，在引起学生兴趣的前提下，加深对基础知识的理解，将理论与应用连接起来，并分享在科研过程中的经验教训。在对学生进行评价和综合考核时，既关注学生能力水平与培养状况，又要根据课堂表现及时调整教学考核方式。在课程教学过程中实现了对学生学习积极性的充分调动，对创新性思维进行全面训练，实现了培养学生发现问题、分析问题和解决问题能力的目标。

参考文献:

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[4]曹晖，王冬，杨洲，等.高分子物理课程研究型教学模式设计与探索[J].中国冶金教育，2017（2）：89-91.

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[7]贾小涛，王雪岩，杨建磊.“数字系统设计”课程实践型教学设计与探索[J].工业和信息化教育，2021（12）：82-85.

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作者:黄秀兵 张艳艳 张凯悦 郑南南 单位:北京科技大学 材料科学与工程学院