走近稀土材料課程教學(xué)設(shè)計(jì)樣例

胡瑞玨　蘇海全　白鳳華　蘇越　張兵兵

摘? 要：文章以走近稀土材料課程第一講“稀土元素大家族的家譜”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，主要通過以問題為導(dǎo)向的教學(xué)導(dǎo)入方式，學(xué)生為主體的討論式、演示式、沉浸式教學(xué)方法和線上線下混合教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)提出問題、自主研究的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，并在教學(xué)和實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生腳踏實(shí)地，學(xué)以致用、知行合一及嚴(yán)謹(jǐn)篤實(shí)的品格和素質(zhì)。課程帶領(lǐng)學(xué)生探索稀土材料的各方面應(yīng)用，結(jié)合高新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并緊貼生態(tài)環(huán)境、家國(guó)情懷和扎根邊疆等現(xiàn)實(shí)問題，幫助學(xué)生樹立正確的人生觀、價(jià)值觀和發(fā)展觀。

關(guān)鍵詞：教學(xué)設(shè)計(jì);問題為導(dǎo)向;線上線下混合教學(xué);稀土材料

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2022）05-0105-04

Abstract： This paper takes the teaching design of the first lecture of Approaching Rare Earth Materials on "the genealogy of the large family of rare earth elements" as an example. The study aims to cultivate students' ability to actively raising questions， independent research and teamwork awareness through problem-oriented teaching introduction， student-led discussion， demonstration and immersion teaching methods and online and offline mixed teaching mode. And in teaching and practice， cultivate students' character and quality of being down-to-earth， applying what they have learned， integrating knowledge and practice， and being rigorous and honest. The purpose of the course is toguide students to explore the application of rare earth materials in all aspects， expand students' knowledge， improves students' scientific literacy in combination with the development status of high and new technology. And at the same time， it helps students establish a correct outlook on life， values and development by adhering to practical problems such as ecological environment， family and country feelings and taking root in frontier areas.

Keywords： teaching design; problem based learning; online and offline mixed teaching; rare earth materials

“扎根北疆、興學(xué)強(qiáng)區(qū)”是內(nèi)蒙古大學(xué)自創(chuàng)辦以來(lái)堅(jiān)持的辦學(xué)定位，走近稀土材料課程以內(nèi)蒙古特色資源稀土為主題，以稀土功能材料為授課內(nèi)容，以化學(xué)專業(yè)本科生為授課對(duì)象，同時(shí)面對(duì)社會(huì)大眾，系統(tǒng)介紹稀土領(lǐng)域的最新進(jìn)展，闡明稀土結(jié)構(gòu)、組成與性能的關(guān)系[1]。課程帶領(lǐng)學(xué)生探索稀土材料的各方面應(yīng)用、結(jié)合高新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并緊貼生態(tài)環(huán)境、家國(guó)情懷和扎根邊疆等現(xiàn)實(shí)問題，幫助學(xué)生樹立正確的人生觀、價(jià)值觀和發(fā)展觀。走近稀土材料課堂具體怎么講才能有效實(shí)現(xiàn)學(xué)思結(jié)合，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新意識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生的批判性思維，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題能力，是一直縈繞在課題組老師們腦海中的問題，即針對(duì)本科教育中稀土材料相關(guān)內(nèi)容教育資源相對(duì)匱乏且教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求存在一定程度的脫節(jié)的問題，如何科學(xué)定位和設(shè)計(jì)內(nèi)容，整合資源，以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)人才目標(biāo)。為此我們積極探索教學(xué)方法，通過問題為導(dǎo)向的教學(xué)導(dǎo)入方式[2-3]引人入勝;通過課堂討論和主題演講，進(jìn)行開放性、探究性學(xué)習(xí);通過實(shí)地觀摩實(shí)習(xí)，進(jìn)行情境性學(xué)習(xí);通過線上線下混合教學(xué)模式[4]增加學(xué)生的學(xué)習(xí)自由度。

課程內(nèi)容包括線上視頻和線下課程兩部分。線上視頻包含愛課程網(wǎng)視頻公開課5個(gè)視頻資源共253分鐘，智慧樹網(wǎng)46個(gè)視頻資源共463分鐘和其他視頻資料等;章節(jié)測(cè)試題、期末考試題超350道，題型覆蓋選擇、判斷和閱讀理解等多種題型。線下課程包括課堂講座、實(shí)踐活動(dòng)、調(diào)研等形式。課程采用線上教學(xué)10學(xué)時(shí)，占31.25%;線下教學(xué)22學(xué)時(shí)，占68.75%。

一、課程內(nèi)容與資源建設(shè)及應(yīng)用情況

走近稀土材料是一門與人類生活密切相關(guān)，同時(shí)具備普及性和專業(yè)性的科學(xué)技術(shù)類課程。課程是以我國(guó)特色資源稀土為主題，從稀土的資源概況、稀土發(fā)光材料、稀土磁性材料、稀土催化劑材料、稀土儲(chǔ)氫材料、稀土超導(dǎo)材料、稀土陶瓷材料、稀土磁致伸縮與磁制冷材料、稀土軍事材料和稀土合金金屬材料10個(gè)專題深入淺出、系統(tǒng)而又重點(diǎn)突出地介紹了現(xiàn)代重要材料——稀土。

在課程資源方面，課程組成員錄制的愛課程網(wǎng)視頻公開課5個(gè)視頻資源共253分鐘和智慧樹網(wǎng)46個(gè)視頻資源共463分鐘;并收集了一些講解稀土材料基礎(chǔ)知識(shí)或前沿進(jìn)展的中英文小視頻課和網(wǎng)頁(yè)，作為教學(xué)的輔助教材。

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)樣例

以第一講“稀土元素大家族的家譜”為例。

課程目標(biāo)：

1. 了解稀土的廣泛用途和在國(guó)計(jì)民生、軍事和科技上的重要性。

2. 了解稀土在元素周期表中的位置、電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分類。

3. 了解稀土元素的發(fā)現(xiàn)歷史和典型應(yīng)用。

4. 了解稀土的分離和提取方法。

5. 了解中國(guó)稀土資源狀況和出口政策;使學(xué)生從能源、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)的角度，充分認(rèn)識(shí)到稀土材料將扮演越來(lái)越多的環(huán)保角色，但稀土開采面臨的環(huán)境問題也同樣需要去解決，環(huán)境友好和節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)是何等重要。

（二）課程設(shè)計(jì)理念

中國(guó)不僅稀土礦藏豐富，而且是世界上唯一能夠出產(chǎn)全部17種稀土金屬的國(guó)家。走近稀土材料課程第一講介紹了丁道衡發(fā)現(xiàn)白云鄂博鐵礦;何作霖發(fā)現(xiàn)白云鄂博稀土礦，后來(lái)又發(fā)現(xiàn)鈮鉭礦的故事。兩位老一輩地質(zhì)學(xué)家為中國(guó)的稀土事業(yè)、包頭鋼鐵基地建設(shè)和大西北開發(fā)作出了重大歷史功績(jī)的事跡，激發(fā)了大學(xué)生，尤其是內(nèi)蒙古大學(xué)生的自豪感和為家鄉(xiāng)、為民族投身科學(xué)的情懷。

由于我國(guó)對(duì)稀土出口進(jìn)行嚴(yán)格管控，以及激烈的中美貿(mào)易戰(zhàn)等原因，以美國(guó)為首的多個(gè)國(guó)家已逐漸開始減少對(duì)中國(guó)稀土的依賴，并大力開發(fā)自己的稀土礦以對(duì)我國(guó)稀土產(chǎn)業(yè)進(jìn)行“圍堵”。在這樣的嚴(yán)峻形勢(shì)下，稀土材料的研發(fā)和應(yīng)用水平對(duì)我國(guó)稀土產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展以及我國(guó)在國(guó)際稀土市場(chǎng)上的話語(yǔ)權(quán)具有決定性的意義。

（三）教學(xué)設(shè)計(jì)

1. 導(dǎo)入

通過演示稀土超導(dǎo)材料的磁懸浮實(shí)驗(yàn)（并觀看超導(dǎo)體介紹視頻），引入稀土材料在生活和高科技領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，并介紹稀土元素家族成員的發(fā)現(xiàn)歷史和常見用途。

教師提問：美國(guó)的愛國(guó)者導(dǎo)彈為什么可以在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中輕易地?fù)魵K聯(lián)的飛毛腿導(dǎo)彈？F-22戰(zhàn)斗機(jī)為什么能夠?qū)崿F(xiàn)超音速的巡航功能呢？為什么美國(guó)軍隊(duì)的M1A1主坦克總是能最先發(fā)現(xiàn)對(duì)手，如先發(fā)制人打擊伊拉克的坦克？（觀看海外戰(zhàn)爭(zhēng)視頻）

學(xué)生：應(yīng)該是使用了稀土材料……

教師具體解釋：美國(guó)的愛國(guó)者導(dǎo)彈之所以在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中輕易地?fù)魵K聯(lián)的飛毛腿導(dǎo)彈，這得益于前者精確制導(dǎo)系統(tǒng)的出色工作。其制導(dǎo)系統(tǒng)中使用了大約4千克釤鈷磁體和釹鐵硼磁體用于電子束聚焦，釤、釹即是稀土元素。

F-22戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身是用稀土強(qiáng)化的鎂鈦合金武裝，可以在400℃下長(zhǎng)期工作，否則，超音速巡航中，機(jī)身強(qiáng)大的動(dòng)力足以摧毀它自己。

M1A1主坦克裝備的摻釹釔鋁石榴石的激光測(cè)距機(jī)，在晴朗的白天可以達(dá)到近4 000米的觀瞄距離。

教師總結(jié)：稀土在人們的生活中如影隨形，從手機(jī)、相機(jī)、汽油、照明到火箭、衛(wèi)星、飛機(jī)，都少不了稀土家族的助力。發(fā)達(dá)國(guó)家都把稀土作為戰(zhàn)略資源，也就是從戰(zhàn)略上給予重視，這是非常重要的一種資源，稀土既然這么重要，在材料里扮演了這么關(guān)鍵的角色，那么我們必須對(duì)稀土和稀土材料有一個(gè)逐步的了解，而我們這門課程走進(jìn)稀土材料，就是這樣來(lái)設(shè)計(jì)的。

2. 課程展開

介紹稀土這個(gè)名字的由來(lái)，稀土的“稀”，是稀散的意思，因?yàn)樗诘貧ぶ械暮勘容^少，一般是從十幾個(gè)ppm到幾百個(gè)ppm，只不過稀土元素富集成具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的礦物，還是需要種種自然條件的造化巧合的。

介紹解釋稀土在元素周期表中的位置和分類。第6周期，第三副族，包括化學(xué)元素周期表中的15種鑭系元素鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu），再加上第4周期的鈧（Sc）和第5周期的釔（Y），一共17個(gè)元素，我們把它們統(tǒng)稱為稀土元素。把稀土元素分為兩組，第1組是鈰族稀土或者稱為輕稀土，包括鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）。釔族稀土或者重稀土，包括釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu）、鈧（Sc）和釔（Y），共10個(gè)元素。

二、介紹中國(guó)的稀土資源狀況

1992年，鄧小平在南方談話中特別提到“中東有石油，中國(guó)有稀土”，進(jìn)一步強(qiáng)化了稀土是富有戰(zhàn)略意義的“國(guó)家寶藏”這一觀念。所以小平同志說(shuō)：“一定要把稀土的事情辦好，打好稀土這張牌，把我國(guó)的稀土優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)。”2012年6月，國(guó)務(wù)院新聞辦發(fā)布了《中國(guó)的稀土狀況與政策》白皮書指出，中國(guó)以23%的稀土資源承擔(dān)了世界90%以上的市場(chǎng)供應(yīng)。

拋出問題：為什么中國(guó)要限量出口稀土呢？

學(xué)生進(jìn)行課堂討論，觀點(diǎn)如下。

第一，環(huán)境的原因。大家看看采完稀土以后對(duì)環(huán)境的一些傷害，白云鄂博昔日是富饒的“神山”，如今卻已經(jīng)開始隱隱約約出現(xiàn)了枯竭的趨勢(shì)。曾經(jīng)這里是一片隆起的山地丘陵，在不斷的開采下，開始出現(xiàn)了巨大的向大地凹陷的“指印”，不久前我們看到的最新衛(wèi)星圖片和20年前相比，凹陷變得更大更深，并不斷擴(kuò)散，“指印”變成了大小連環(huán)，又像是抽象的蝴蝶翅膀，而那不斷“鉆”向大地深處的螺旋狀礦坑公路，就如同神秘的指紋或圖案。第二，資源有限。按照我國(guó)現(xiàn)在的開采速度，中國(guó)的稀土在10年以后就全部開采完畢。第三，浪費(fèi)驚人。白云鄂博礦年開采1 000萬(wàn)噸的鐵礦石中含稀土50萬(wàn)噸。50萬(wàn)噸的稀土在開采過程當(dāng)中我們能夠利用多少呢？據(jù)調(diào)查，其中僅利用了10%消耗10%，剩余80%進(jìn)入尾礦壩，所以開采浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重。

稀土在原生礦中共生共存，分離特別困難，這就使稀土的分離與確認(rèn)花了100多年的時(shí)間;稀土性質(zhì)相近，難于分離精制，也使稀土工業(yè)走過了100多年漫長(zhǎng)的道路;高純稀土的獲得，稀土化學(xué)與物理才得以迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。最常用的一個(gè)稀土分離工藝是溶劑萃取。中國(guó)科學(xué)院的徐光憲院士被譽(yù)為“中國(guó)稀土之父”，1975年他提出了串級(jí)萃取理論，實(shí)現(xiàn)了稀土分離技術(shù)的重大突破。開采出的原始礦并不能馬上投入工業(yè)生產(chǎn)，而是要經(jīng)過加工，才能進(jìn)一步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在這個(gè)層面上，中國(guó)目前所擁有比重最大、優(yōu)勢(shì)最明顯的 “稀土牌”和“稀土寶藏”，并不是原始礦儲(chǔ)量而是稀土產(chǎn)業(yè)鏈的上游部分。

可以說(shuō)，在稀土采掘、冶煉、分離提純方面，中國(guó)目前在規(guī)模、全球占比（八成左右）和成本方面的確占據(jù)著壓倒性的優(yōu)勢(shì)。這一段產(chǎn)業(yè)鏈在很多國(guó)家都是空白，以至于美國(guó)開采的原始礦也要運(yùn)到中國(guó)來(lái)加工，2018年，美國(guó)進(jìn)口的稀土化合物和金屬中80%來(lái)自中國(guó)?！都~約時(shí)報(bào)》也如此點(diǎn)評(píng)：“中國(guó)支配著稀土加工中的一個(gè)關(guān)鍵的流程，即將稀土氧化物轉(zhuǎn)化為金屬，且成本低、產(chǎn)能大?！?/p>

稀土的背后是一個(gè)龐大綿長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)群。像是一條綿長(zhǎng)浩蕩的河流，從上游最初的稀土礦產(chǎn)品、中游冶煉提純產(chǎn)品直至下游稀土應(yīng)用產(chǎn)品，越接近稀土產(chǎn)品供應(yīng)鏈的終端，科技含量越高，經(jīng)濟(jì)附加值越高，“中國(guó)可以生產(chǎn)400多個(gè)品種、1 000多個(gè)規(guī)格的稀土產(chǎn)品，但其中80%都是中低端產(chǎn)品。尤其在下游的高精尖應(yīng)用領(lǐng)域與美日等國(guó)家仍有較大差距”。1元錢的稀土原料，我們粗加工最多賣10元、20元，到歐美日做成產(chǎn)品后，我們卻要花1 000元才能買回來(lái)?？梢哉f(shuō)，中國(guó)是一個(gè)“稀土大國(guó)”，卻還算不上是“稀土強(qiáng)國(guó)”。2011年，中國(guó)曾希望能減少稀土出口量、提高價(jià)格并對(duì)稀土征收出口稅，對(duì)此日、美及歐盟聯(lián)合起來(lái)以中國(guó)違反“入世”承諾為由向WTO提起了訴訟，盡管中國(guó)以“保護(hù)資源和環(huán)境實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展”為由而進(jìn)行申辯，但在2014年最終敗訴。在某種意義上，當(dāng)今世界，單純的“資源豐富”已不再是國(guó)際博弈和競(jìng)爭(zhēng)的核心了。日本稀土產(chǎn)業(yè)繁榮，國(guó)內(nèi)雖幾乎沒有稀土礦，但在高精尖的稀土應(yīng)用技術(shù)方面卻一馬當(dāng)先，數(shù)十年前便早早開始了全球?qū)＠季?，大量高質(zhì)量專利和技術(shù)形成了緊密的“交叉封鎖火力網(wǎng)”，是日本獨(dú)有的“另類稀土資源”，不僅從全球獲得高額收益，在國(guó)際上也擁有很強(qiáng)的話語(yǔ)權(quán)。

以稀土永磁材料為例，中國(guó)是全球最大的生產(chǎn)基地。每年卻要向日本支付高額專利費(fèi)，日本多年來(lái)積累了大量相關(guān)專利，其中有不少關(guān)鍵的“卡脖子”技術(shù)，某些尖端技術(shù)還列為產(chǎn)業(yè)機(jī)密，秘不外宣。其實(shí)，在2011年后中國(guó)稀土專利申請(qǐng)量也在迅速增長(zhǎng)，2018年時(shí)總數(shù)已超過美國(guó)，直逼日本。但總體來(lái)說(shuō)專利質(zhì)量不夠高，尚未達(dá)到巔峰對(duì)決、華山論劍的段位。

三、結(jié)束語(yǔ)

稀土是一個(gè)多面的概念，在國(guó)際博弈中，除了稀土儲(chǔ)量，還有稀土產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用實(shí)力的較量。開采出的原始礦并不能馬上投入工業(yè)生產(chǎn)，而是要經(jīng)過加工，才能進(jìn)一步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在這個(gè)層面上，中國(guó)目前所擁有比重最大、優(yōu)勢(shì)最明顯的“稀土牌”和“稀土寶藏”，并不是原始礦儲(chǔ)量而是稀土產(chǎn)業(yè)鏈的上游部分。中國(guó)科學(xué)院的徐光憲院士被譽(yù)為“中國(guó)稀土之父”，1975年他提出了串級(jí)萃取理論，實(shí)現(xiàn)了稀土分離技術(shù)的重大突破。從這時(shí)開始，中國(guó)實(shí)現(xiàn)了從稀土資源大國(guó)向產(chǎn)業(yè)大國(guó)、出口大國(guó)的轉(zhuǎn)變。中國(guó)多年的稀土生產(chǎn)還帶來(lái)了巨大環(huán)境成本，如果我國(guó)能實(shí)現(xiàn)稀土產(chǎn)業(yè)升級(jí)，補(bǔ)上高端應(yīng)用這個(gè)短板，資源就不用廉價(jià)外流而可以創(chuàng)造更大的價(jià)值，在環(huán)保上也可以投入更多，許多問題都能迎刃而解。鼓勵(lì)學(xué)生投身稀土科學(xué)研究和生態(tài)環(huán)境保護(hù)事業(yè)，為中華民族的偉大復(fù)興而奮斗。

課后督促學(xué)生完成布置的作業(yè)（見表1），并在下次課進(jìn)行分組討論，給出成績(jī)?cè)u(píng)定。課后安排學(xué)生去自治區(qū)稀土材料化學(xué)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室包頭稀土院參觀，對(duì)學(xué)生進(jìn)行沉浸式教學(xué)。

通過本講的教學(xué)設(shè)計(jì)體現(xiàn)出走近稀土材料課程具有如下特色：（1）線上線下互相補(bǔ)充，課程內(nèi)容、方式靈活多樣。（2）以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，采用啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式和沉浸式教學(xué)，有效實(shí)現(xiàn)學(xué)思結(jié)合，發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)精神，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新意識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生的批判性思維，提高分析和解決實(shí)際問題能力。（3）將生態(tài)文明價(jià)值觀和愛國(guó)主義教育貫穿教學(xué)全過程。潛移默化地將生態(tài)智慧和生態(tài)道德培植在學(xué)生心中，達(dá)到潤(rùn)物無(wú)聲的教育效果。同時(shí)激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)熱情，從而樹立為民族復(fù)興而努力、追求文明和進(jìn)步的責(zé)任感和使命感。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡瑞玨，蘇海全，白鳳華.高校“走近稀土材料”視頻公開課教學(xué)探析[J].教育教學(xué)論壇，2020（45）：303-304.

[2]徐琴，胡效亞.問題導(dǎo)向模式在《分析化學(xué)》雙語(yǔ)教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣州化工，2013，41（2）：170-171.

[3]柳玉英，藺紅桃，劉青，等.問題導(dǎo)向的分析化學(xué)理實(shí)一體化教學(xué)模式設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].化學(xué)教育（中英文），2020，41（20）：32-36.

[4]梁愛萍，王月，丁晶，等.“五位一體”混合式教學(xué)模式研究與實(shí)踐——以無(wú)機(jī)與分析化學(xué)課程為例[J].化學(xué)教育（中英文），2021，42（6）：33-37.

基金項(xiàng)目：2015年內(nèi)蒙古教育廳視頻公開課課程建設(shè)項(xiàng)目“走近稀土材料”（11600-12100908）;2020年內(nèi)蒙古大學(xué)線上一流本科課程

建設(shè)項(xiàng)目“走近稀土材料”（2020-77-12）

作者簡(jiǎn)介：胡瑞玨（1974-），女，漢族，廣東中山人，碩士，副教授，研究方向?yàn)槟茉创呋牧稀?/p>