进入21世纪以来，由科技变革推动的第四次工业革命席卷全球，世界各国开始对传统产业进行革新与改造，为产业培养工程技术人才的高等教育模式也随之开始调整，“新工科”概念在此背景下被提出并得到广泛认同。在中国，我国高校针对“新工科”人才培养普遍存在着“工程实践条件不完善、高校教师重科研轻教学”等共性问题，导致人才的培养不到位，不能满足“新工科”建设条件下对应用型人才的培养要求。

科教融合可以实现将科研项目的优势资源转化到教学过程中，逐渐成为应用型建设高校的核心办学理念，满足“新工科”下应用型人才培养需求^{[1, 2]}。河南城建学院是一所着力塑造应用型、城建类、地方性、国际化四大特色的城建特色高校，将科学项目研究成果和技术成功引入到人才培养的过程中，将科研成果润物细无声地融入本科生课内实验中，不仅可以调动教师的科研积极性，还可以加深学生对专业知识的理解，促进学生理论联系实际的能力，提高学生主动学习的积极性，培养学生的动手能力和实践能力，提高其创新能力^{[3, 4]}。

当前，我国高等教育进入了历史性的新阶段，全面振兴本科教育已成为大势所趋。淘汰“水课”，打造“金课”，建设一流本科教育，培养一流人才已成为高等教育界的普遍共识。而课程是人才培养的核心要素，是“立德树人成效”这一人才培养根本标准的具体化、操作化和目标化。但实践类课程建设更是我国高等学校带有普遍意义的短板、瓶颈和关键所在。目前我校环境类专业人才的培养在应用型、实践教学体系建设等方面与实际工程化有脱节，缺少更好的引导方法和合适的内容，学生的主观能动性没有充分调动，多数处于被动接受知识的状态，这对学生实践能力和创新能力的提高十分不利^{[5, 6]}。

“大气污染控制工程”是一门环境工程类专业核心课程，结合我校环境类专业的多年办学经验，考虑到我校环境工程专业博士教师占比60%以上，博士教师开展大量的研究型实验，以科教融合为契机，将教师的最新科研成果移植到平时的教学实验中，培养学生的实验动手能力、创新能力，完善应用型学科培养体系。

本文以催化剂的制备及其催化氧化挥发性有机物(VOCs)的实验为例，将教师的科研项目内容引入到大气污染控制工程的实验教学中，开展“新工科”要求下的科教融合教学研究。首先，通过分组调研文献，让学生认识挥发性有机污染物(VOCs)的危害及其处理技术，了解催化氧化是目前较为有效的净化方法，而催化剂的研发是其核心，掌握催化剂的常用制备技术；其次，学习不同制备方法制备催化剂的技术，掌握催化氧化VOCs的测试步骤及其活性评价装置和气相色谱的使用方法，了解并学习催化剂的现代表征技术；最后，在实验总结与实验报告分享阶段，学会数据处理、图形绘制和实验成果分析讨论等，了解科技论文撰写的特点和科研报告的写法。

催化剂催化氧化VOCs实验符合“新工科”条件下培养应用型本科人才的需求，是科教融合教学的典型案例，让学生做到理论联系实际，重视其动手实践能力，并让学生接触到环境工程专业前沿技术及大型仪器的使用，参与MnO₂催化剂的制备及其催化氧化VOCs的实验中。该实验操作专业性强，且测试过程使用到大型仪器，实验结果以分组形式呈现多样化，具备较好的趣味性，使学生在快乐中学习专业知识，这不仅能够巩固学生的基础理论知识，夯实学生的实验操作技能，同时，在实验前和实验后设置分组讨论，有利于学生对实验数据的分析与研判，提升解决专业问题的能力，有助于应用型人才的培养^{[7, 8]}。

1) 理解VOCs的污染及其危害，掌握去除VOCs常用方法及其反应过程；

2) MnO₂催化剂的制备及活性评价测试；

3) 大型仪器设备的使用和实验数据分析处理。

催化氧化VOCs实验是典型的气-固相反应，其实质是活性氧参与深度氧化作用。在该反应中，利用催化剂来降低反应所需的活化能，同时使VOCs分子富集于催化剂表面，借助催化剂使VOCs在较低的反应温度下发生催化反应，并分解为CO₂和H₂O，其具体反应为：

(1)$ \mathrm{C}_m \mathrm{H}_n+(m+n / 4) \mathrm{O}_2 \rightarrow m \mathrm{CO}_2+n / 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} $

实验装置图如图 1所示：

1) 实验气体：空气、普氮、氢气、高氮。

2) 实验仪器：VOCs活性评价装置，气相色谱仪(福立GC-9750，TCD，甲烷化炉)。

3) 催化剂制备：分别采用水热法、共沉淀法制备催化剂，以水热法制备Mn₂O₃催化剂为例说明。在不同水热温度下采用水热合成法制备了四种Mn₂O₃催化剂。将一定量的MnCl₂·4H₂O溶解在50 mL去离子水中。搅拌后，在上述溶液中加入尿素，溶液完全溶解。将均匀溶液转移到100 mL不锈钢小型反应釜中并反应。反应结束将小型反应釜自然冷却至室温。随后，产物用乙醇和去离子水洗涤、干燥、焙烧。通过压片筛分获得40–60目尺寸的催化剂颗粒。四种催化剂具有不同的水热温度如下：Mn-100为100 ℃、Mn-120为120 ℃、Mn-140为140 ℃、Mn-160为160 ℃。在催化剂合成过程中，涉及到烘箱、马弗炉、磁力搅拌器等实验仪器的使用。

用0.2 g催化剂(40–60目)在固定床反应器(内径8 mm，外径10 mm)上进行。在150–350 ℃的温度下测量催化活性，温度通过石英管中的K型热电偶获得。在测试中，进气设置为VOCs浓度为500 mg∙m⁻³，10% O₂ (体积比)，N₂作为平衡气体，总流速为100 mL∙min⁻¹。采用配备FID检测器的FULI 9790II在线气相色谱仪测定进出口气体中苯的浓度。苯转化率按下式计算：

(2)$ \text { Convertion }=\frac{C_{\mathrm{in}}^*-C_{\text {out }}}{C_{\text {in }}^*} \times 100 \% $

在这个方程中，C_in^∗指的是VOCs的入口浓度，而C_out是不同温度下VOCs的出口浓度。

1) 催化剂制备。

采用传统型的水热法制备MnO_x催化剂，如图 2所示。按照一定的配比计算氯化锰和尿素的含量，放置在250 mL的烧杯中溶解，再转移至水热反应釜中，在烘箱中分别以100、120、140和160 ℃进行反应。之后过滤、烘干、焙烧，制备MnO_x催化剂。在整个过程中，以专业知识为基础，可以很好地完成原料配比、化学试剂的溶解和水热温度的调变等实验步骤。而在后续催化剂制备过程中，培养学生实际动手能力和团队协作精神。

2) 活性测试。

四种催化剂在苯中的催化活性如图 3所示。Mn-120在250 ℃时VOCs转化率达到93%以上，展现出最佳的催化活性。此外，Mn-100、Mn-120、Mn-140和Mn-160催化剂对VOCs的催化效率达到90%时相应温度分别为288 ℃、248 ℃、265 ℃、350 ℃。可知，Mn-120表现出最好的催化性能，表明Mn-120具有最强的氧化能力。相反，Mn-160在350 ℃下催化氧化苯的效率约90%，结果表明水热温度对四种催化剂的催化活性有较大影响。

3) 实验安排。

MnO₂催化剂的制备及其催化氧化VOCs实验引入到本科教学过程中，基于前期的实验经验和研究成果，我们根据教学目的和实验耗时长度，将该实验学时压缩到4学时，分为课内实验和课外实验，具体时间分配如表 1所示。

1) 催化剂制备。

图 4为沉淀法制备MnO₂催化剂的流程图，考察不同沉淀剂(氨水、氢氧化钠、碳酸钠和碳酸铵)对催化剂净化VOCs活性的影响。催化剂制备前期，介绍碳酸铵、氨水、氢氧化钠和碳酸钠的化学性质，强调强碱药品的称量方式与注意事项。本次实验以硝酸锰为前驱体源，制备MnO_x催化剂。通过理论计算，得出添加硝酸锰的量，之后溶解，调试pH，在磁力搅拌器的作用下80 ℃水浴4 h，然后静止1 h，过滤、烘干、焙烧，最后得到MnO_x催化剂。在整个实验过程中，以小组形式开展实验，4人一组，分工明确，在催化剂制备的全过程中，确保每组人员都可以全程参与催化剂的制备，碰到问题先以组内讨论为主，再组与组之间交流，最后留下共性问题，教师负责答疑解惑。在催化剂制备的过程中，是知识、能力和专业素养的高度融合，是贯彻以学生为中心，以OBE (Outcome-Based Education)为教学理念的体现。

2) 活性测试。

由图 5可知，采用氨水制备的MnO₂催化剂性能最佳，在260 ℃达到100%的转化率。当温度达到300 ℃时，采用碳酸钠制备的MnO₂催化活性达到100%，由此可知，制备催化剂的过程中沉淀剂是影响催化性能的一个关键指标。同时，我们对催化氧化VOCs产物进行了测试分析，发现：CO₂选择性与其催化活性图表示出相同的趋势。可知，MnO_x催化氧化VOCs的催化活性和CO₂选择性与其沉淀剂相关。

在实验结束后，经过实验指导教师讲解和学生分组讨论，结合教师的科研项目的开展，得出：不同沉淀剂可以影响催化剂的Mn³⁺数量、晶格氧及表面氧物种数量，这是决定其催化性能的关键因素，要求学生根据该结论，画出沉淀剂在催化剂催化氧化VOCs反应中的作用示意图，具体如图 6所示。

3) 实验安排。

沉淀法制备MnO_x催化剂实验过程中，80 ℃水热老化时间一般在4 h以上，焙烧时间基本在8 h以上，指导教师根据实验教学学时和实验耗时长度，做出调整，具体如表 2所示。

开展实验前，通过学习通发布学习任务，要求学生分组学习完成以下任务：(1) 通过知网下载关于挥发性有机污染物(VOCs)催化氧化的中文文献，认识VOCs来源、危害及降解方法，重点了解MnO₂催化剂的制备方法对其微观形貌的影响，熟悉催化剂催化氧化苯的研究进展及其反应机理，从而掌握催化剂的制备方法，并选择催化剂的制备方法。通过分组讨论、文献阅读、实验方案设计等过程，提高学生关于催化氧化VOCs的信息整合能力和专业知识迁移能力(图 7)，为实验的开展奠定了较好的理论和实践基础。同时，通过学生对文献信息的提取、总结和凝练，让学生切实感受到学以致用的理念，不仅提高学生的专业认可度，还提升了学生们的环保意识和社会责任感。

学习三维立体MnO₂催化剂的制备技术，通过水热温度的改变，制备不同微观结构的MnO₂。根据学生讨论和教师优化后的实验方案，完成MnO₂催化氧化VOCs性能测试，包括活性评价装置的测试、气相色谱仪操作及低温恒温槽(冰水浴)的使用等。同时，在测试的过程中，培养学生的动手能力，学会大型仪器的使用。在该阶段，学生通过催化剂的制备、活性测试，让学生真实感受到团队应该如何协作(图 7)，最终培养学生解决实验过程中碰到的各种问题的能力。通过实验数据和表征分析，使学生能够基于科学原理并采用科学方法对现代环保技术进行研究，通过实验数据分析、数据解释和信息综合得到合理有效的结论同时，使学生坚持绿色低碳可持续发展理念深入内心，在培养学生科研思维的同时，加强了学生的创新意识。

实验完成后，分组讨论，交流心得体会，学会数据处理、科技论文撰写与科研成果的展示等方法。通过分组讨论，倾听小组成员的意见，通过组与组内部组织和协调，让学生理解团队合作的重要性。实现对数据的整理、处理与美化，学会Origin、Excel和3D-Maxs等作图软件，使实验数据以图、表格或者示意图的形式展现，并对其进行讨论、分析和归纳总结，得出催化氧化VOCs的普适规律或者基于实验现象的本质结论。同时，基于小组讨论、实验数据分析和实验现象，归纳总结，撰写出规范的实验报告。通过文献的调研，追踪国内外研究现状，能够了解并掌握国内外研究技术的难点与重点，结合国家政策与行业需求，部分同学可以进行大学生创新创业训练、互联网+等项目(图 7)，培养学生学以致用的科学思维，让学生做到理论联系实际，是其具备解决复杂环境问题的能力。最后，学生以实验报告的趣味性和结论的科学性等方面进行成果展示，经过与教师、同学的讨论与交流，持续更新和完善实验结果以及展现形式。在该阶段，通过小组讨论、实验图绘制和成果展示，提高学生归纳总结和相互学习的能力，也促进学生能够将专业知识用于解决实际工程问题的能力。同时，使学生能够基于相关理论知识进行合理分析、评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全和法律的影响，并理解应承担的责任，有助于培养学生的使命担当。

以高校教师的科研研究成果(文章、专利、专著和科研项目)为载体，通过科教融合的方式使其科研成果反哺教学，依托互联网+比赛、大学生创新创业比赛、大学生科技创新实验等项目，将其科研能力融入教学过程中，通过实验的开展、师生互动和团队合作等，培养学生的实践动手能力、理论知识，从而提升学生的创新意识，突出“以学生为中心”培养目标。结合课堂教学，加强其基础理论基础，进一步提升学生开展实验和动手的能力，突出“OBE”教学理念，具体如图 8所示。

催化氧化VOCs实验的开展，将大气污染控制工程课程中“气态污染物控制技术-挥发性有机污染物控制技术”的理论知识贯穿于整个实验过程中，让学生做到理论联系实际，培养学生在双碳减排目标下发展废气污染控制和生态环境保护低碳技术的理念，使其具备坚实的环境工程学科基础理论知识和实践能力。同时，让学生认识到环境污染的危害，主动宣扬环境保护的必要性和紧迫性，培养学生良好的职业素养和高度的社会责任感。可知，科教融合是落实“以学生为中心，产出为导向，持续改进”的OBE教学理念的重要抓手，是推动高质量教学发展的有效手段。

科教融合实验教学是应用型本科高校将科研资源转化为人才培养优势的必然选择。将催化剂的制备及其催化氧化VOCs研究成果引入到本科教学中，理论联系实际，是对大气污染控制工程这门专业课的有效补充，体现了科研对教学的支撑功能。通过文献调研、催化剂的制备、实验数据测试、表征与分析等步骤，不仅加强了学生对国家环保政策、大气污染控制技术的理解，提高了学生基础理论知识和实践能力，还将大大调动学生参与科研创新的积极性，有助于学生理论联系实际，培养学生分析问题和解决问题的能力。同时，经过小组讨论、实验报告反复修改和表征分析等，增强学生的实践能力，锻炼其科研素养，使学生具有良好的团队合作精神和创新意识，让学生发自内心地了解环境污染对社会、人类健康和全球生态系统带来的危害，提升了社会责任感，做碧水蓝天和绿水青山的践行者。