“走近稀土材料”課程實踐性教學(xué)模式探索

胡瑞玨　蘇越　蘇海全

[摘 要] 稀土是我國的重要戰(zhàn)略性資源，有“工業(yè)維生素”的美譽(yù)。盡管稀土材料的重要性在業(yè)內(nèi)眾所周知，但在本科教育中相關(guān)內(nèi)容卻較少?！白呓⊥敛牧稀边@門課程深入探索稀土元素的應(yīng)用領(lǐng)域，闡明其應(yīng)用原理，以緊貼現(xiàn)實問題為宗旨，向?qū)W生闡明這種新型材料的相關(guān)知識，使學(xué)生了解目前我國稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。并在教學(xué)中進(jìn)行了實踐性教學(xué)模式探索，旨在培養(yǎng)學(xué)生自主研究的能力和團(tuán)隊協(xié)作意識，以及學(xué)以致用和嚴(yán)謹(jǐn)篤實的科研素質(zhì)。

[關(guān)鍵詞] 實踐性;稀土材料;本科教育;教學(xué)模式

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-9324（2022）13-0078-04

一、課程介紹

“走近稀土材料”課程緊貼內(nèi)蒙古大學(xué)“扎根北疆、興學(xué)強(qiáng)區(qū)”的辦學(xué)定位，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)本科生為授課對象。同時，面對社會大眾，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]。

“走近稀土材料”于2015年1月被評為國家級精品視頻公開課，其中前五講分別為：“稀土元素大家族家譜”“光明使者—稀土發(fā)光材料”“永磁之王—稀土磁性材料”“化學(xué)反應(yīng)魔術(shù)師—稀土催化劑”“清潔能源轉(zhuǎn)化的得力助—稀土儲氫材料”。該五講視頻被搬上愛課程（https：//www.icourses.cn/web/sword/portalsearch/homeSearch，12664人學(xué)習(xí)）、網(wǎng)易公開課https：//open.163.com/newview/movie/free？pid=MAEBE0DCK&mid=MAEJ6GV6R，14萬次播放）、bilibili（https：//www.bilibili.com/video/BV14s411x7Ks？p=1，2萬次播放）等公共平臺。作為大學(xué)生素質(zhì)教育課程，“走近稀土材料”以稀土化學(xué)、材料科學(xué)作為教學(xué)基礎(chǔ)，以淺顯的理論、通俗的語言重點介紹稀土材料的應(yīng)用原理和在現(xiàn)代生活中及高科技領(lǐng)域中的用途。同時滿足社會大眾對稀土材料的濃厚興趣，提高觀眾的科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生探索新材料的熱情，受到廣泛好評。

為了進(jìn)一步適應(yīng)在線教育的要求，并擴(kuò)大課程的影響，課程組又將“走近稀土材料”內(nèi)容擴(kuò)展為智慧樹線上課程。“走近稀土材料”智慧樹線上課程涉及稀土的概況及資源分布、發(fā)光稀土材料、磁性稀土材料、催化稀土材料、貯氫稀土材料、超導(dǎo)稀土材料、陶瓷稀土材料、磁致伸縮和磁制冷稀土材料、稀土在軍事中的應(yīng)用和稀土合金材料等十個專題。系統(tǒng)而又重點突出地介紹了現(xiàn)代重要材料——稀土。課程組成員錄制了2學(xué)分的課程內(nèi)容視頻，共計463分鐘。課程視頻、章節(jié)測試題及討論題庫、期末在線考試等教學(xué)內(nèi)容于2021年4月在智慧樹網(wǎng)平臺上線（https：//coursehome.zhihuishu.com/courseHome/1000060656#teachTeam，累計選課346人）。

二、目前存在的問題

稀土有“工業(yè)維生素”“工業(yè)黃金”“新材料之母”和“新材料的寶庫”等美譽(yù)。稀土材料具有難以取代的磁、光、電、催化等優(yōu)異性能，尤其在尖端軍工和航空航天領(lǐng)域，稀土材料更是展現(xiàn)了應(yīng)用的巨大空間。我國在國際稀土市場中扮演著重量級的角色，稀土也是我國重要的戰(zhàn)略性資源?！跋⊥林l(xiāng)”內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博礦區(qū)更是以一礦之大，占到了全國稀土總儲量的九成以上，是世界上最大的稀土礦。盡管稀土材料的重要性在業(yè)內(nèi)眾所周知，但在本科教育中的相關(guān)內(nèi)容卻相對較少。我校大部分化學(xué)專業(yè)本科生對稀土的認(rèn)識較匱乏和淺顯，只在“無機(jī)化學(xué)”課程的《鑭系元素與錒系元素》一章中了解到稀土元素的名稱、電子構(gòu)型、原子半徑等基本性質(zhì)，而對稀土元素在工業(yè)中的重要價值、稀土材料的具體應(yīng)用，以及我國稀土產(chǎn)業(yè)面臨的難題和未來應(yīng)對的挑戰(zhàn)等相關(guān)認(rèn)知基本處于空白。也有大量學(xué)生不知道包頭市有白云鄂博這個世界上最大的稀土礦，從未聽說過鄧小平同志“中東有石油，中國有稀土”的論斷。以上提到的情況不容忽視，這表明目前本科教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)實際應(yīng)用需求存在一定程度的脫節(jié)。開設(shè)化學(xué)或材料專業(yè)的高校應(yīng)該在本科生階段注重稀土產(chǎn)業(yè)人才方面的培養(yǎng)，使學(xué)生充分認(rèn)識到我國稀土產(chǎn)業(yè)的困境和發(fā)展方向，樹立為國家崛起，民族復(fù)興而讀書的信念。

為此，“走近稀土材料”這門課程以緊貼現(xiàn)實問題為宗旨，深入探索稀土元素的應(yīng)用領(lǐng)域，闡明其應(yīng)用原理，介紹新型稀土材料的相關(guān)知識，并使學(xué)生了解目前我國稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。培養(yǎng)學(xué)生主動提出問題、自主研究的能力和團(tuán)隊協(xié)作意識，并在教學(xué)和實踐中培養(yǎng)學(xué)生腳踏實地，學(xué)以致用、知行合一和嚴(yán)謹(jǐn)篤實的品格和素質(zhì)。

三、實踐性教學(xué)模式探索

如何將稀土材料理論知識與稀土產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實問題相結(jié)合，并調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)并培養(yǎng)學(xué)生家國情懷等現(xiàn)實問題，是作為教育工作者的課題組教師需要解決的重要問題。在“走近稀土材料”課程教學(xué)中，樹立立德樹人、科教興國的理念，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、沉浸式和參與式教學(xué)，有效實現(xiàn)學(xué)思結(jié)合，發(fā)揮學(xué)生的主動精神，激發(fā)學(xué)生的獨立思考和創(chuàng)新意識，訓(xùn)練學(xué)生的“批判性思維”，提高分析和解決實際問題的能力。尤其對課程實踐性教學(xué)模式進(jìn)行了多方位的探索。

1.通過實地觀摩實習(xí)，進(jìn)行情景式學(xué)習(xí)。在實際情境中，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動必然與情境中的各部分發(fā)生必要的聯(lián)系。這種聯(lián)系除了有知識結(jié)構(gòu)、認(rèn)知的相互聯(lián)系，也涉及主體與外部環(huán)境的相互聯(lián)系。即在“實踐性學(xué)習(xí)”的觀念中，學(xué)習(xí)是在主體與客體相互作用的過程中完成的。

學(xué)生參觀白云鄂博稀土資源研究與綜合利用國家重點實驗室時，了解到包頭稀土院的稀土產(chǎn)品主要有高純稀土金屬及化合物，高性能稀土磁性材料、稀土催化材料及新型稀土貯氫材料等各種稀土功能材料，稀土靶材、PVC稀土助劑、稀土電熱材料等特種稀土材料。為“神舟”號系列飛船、“長征”系列運(yùn)載火箭、“中國探月工程”和“載人航天”等諸多國家重點工程，研制生產(chǎn)了大量的關(guān)鍵材料和器件，為稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和國家重大工程的需求作出了重大貢獻(xiàn)。2DEFB934-2478-4C13-A0A5-4531D6C0A944

參觀內(nèi)蒙古自治區(qū)稀土材料化學(xué)與物理重點實驗室時，實驗室主任蘇海全教授為學(xué)生講述了實驗室剛剛成立，正值內(nèi)蒙古自治區(qū)煤化工領(lǐng)域剛剛起步，實驗室?guī)ь^人從國家安全的戰(zhàn)略角度考慮，決心開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的催化劑及工藝，解決受制于國外技術(shù)工藝“卡脖子”的問題。第一步是要攻克設(shè)備難關(guān)。當(dāng)時國內(nèi)僅有的一家科研院所，相關(guān)的催化劑評價設(shè)備并不對外開放。面對困難挑戰(zhàn)，蘇海全教授決心自主研發(fā)。經(jīng)過一年半廢寢忘食的研究攻關(guān)，內(nèi)蒙古自治區(qū)第一臺“合成氣制液體燃料單通道反應(yīng)系統(tǒng)”成功研發(fā)并開始運(yùn)行。五年后又升級研發(fā)了12通道反應(yīng)系統(tǒng)，能同時滿足12組催化劑的評價，大大提高了評價效率。經(jīng)過十余年的探索和積累，蘇海全帶領(lǐng)課題組解決了催化劑設(shè)計中稀土與過渡金屬雙活性位的構(gòu)筑及對合成氣轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物中醇類選擇性的調(diào)控問題，設(shè)計出一氧化碳加氫制低碳醇高效稀土催化劑及其運(yùn)行工藝，并投入中試，為稀土催化劑在能源催化領(lǐng)域的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

實驗室劉志亮教授課題組經(jīng)過十多年的艱苦攻關(guān)，設(shè)計合成了系列稀土配合物及配位聚合物，開發(fā)出的新型稀土功能材料可應(yīng)用靶向載藥、生物標(biāo)志物熒光傳感和醫(yī)學(xué)磁共振成像。王曉晶教授研制的以稀土氧化物及稀土共生礦物鈮鉭化合物等助劑的太陽光可再生的光催化劑/羽毛活性炭復(fù)合材料，應(yīng)用于高濃度藥物殘留的制藥廢水的凈化處理。實驗室的愿景是“培育內(nèi)蒙古稀土產(chǎn)業(yè)新優(yōu)勢，為稀土產(chǎn)業(yè)提供戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、前瞻性知識儲備和科技支撐，讓優(yōu)勢特色資源高值化利用，為提高自治區(qū)在稀土產(chǎn)業(yè)的國際競爭力和話語權(quán)夯實基礎(chǔ)”，此愿景正在研究者孜孜不倦的勤奮努力中一步步實現(xiàn)。

2.通過課堂討論和主題演講，進(jìn)行開放性、探究性學(xué)習(xí)。實踐性學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者進(jìn)行知識深層理解的主要學(xué)習(xí)方式，是一種主動的學(xué)習(xí)方式，而不是被動地灌輸知識。實踐性學(xué)習(xí)是以學(xué)習(xí)者親身經(jīng)歷的方式探究學(xué)習(xí)的奧秘，在實踐和學(xué)習(xí)的過程中探究知識的奧秘，獲得解決問題的方法和促進(jìn)自身經(jīng)驗的積累，以及自身能力的發(fā)展[2]。教師每節(jié)課后都布置開放性的討論作業(yè)，學(xué)生分組通過探究式學(xué)習(xí)，大量查閱文獻(xiàn)，組織答案在下節(jié)課進(jìn)行解答和主題演講。

例如，“永磁之王—稀土磁性材料”課后的討論作業(yè)為：介紹丁肇中教授和阿爾法磁譜儀。學(xué)生給出的解答為：阿爾法磁譜儀是1988年由“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)載入太空的第一個大型磁譜儀。它利用強(qiáng)磁場和精密探測器來探測宇宙空間的反物質(zhì)和暗物質(zhì)，探索和研究宇宙物理學(xué)、基本粒子物理學(xué)和宇宙演化學(xué)的一些重大和疑難問題，例如尋找磁單極子等。這套既具有重要科學(xué)意義，又應(yīng)用高新技術(shù)的阿爾法磁譜儀的提出和領(lǐng)導(dǎo)者為美籍華裔物理學(xué)家丁肇中教授，他的祖籍為山東省日照縣。因父親和母親都在美國留學(xué)而出生在美國（1936）?；氐街袊蟛痪每谷諔?zhàn)爭爆發(fā)，隨父母到四川度過童年。后又同父母到臺灣。1956年去美國留學(xué)，最初在工學(xué)院學(xué)習(xí)，后轉(zhuǎn)入物理系學(xué)習(xí)。在取得博士學(xué)位后，便從事物理研究工作。1974年同其領(lǐng)導(dǎo)的實驗小組發(fā)現(xiàn)J粒子，兩年后（1976）丁肇中教授因這項重要發(fā)現(xiàn)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。1993年由丁肇中教授發(fā)起，邀請美國和中國等10多個國家和地區(qū)的科學(xué)家組成國際合作研究的阿爾法磁譜儀實驗組。在阿爾法磁譜儀的研究中，由中國科學(xué)家完成了大型的稀土永磁鐵系統(tǒng)的設(shè)計、制造和安裝等工作?？梢钥闯?，阿爾法磁譜儀是當(dāng)代宇宙磁學(xué)中的一項重要的研究和應(yīng)用成果。我國在這項重要的研究和應(yīng)用中也作出了重要的貢獻(xiàn)。

再如，“稀土在軍事中的應(yīng)用”課后的討論作業(yè)為：稀土在軍事防護(hù)技術(shù)上的應(yīng)用有哪些？學(xué)生給出的答案為：以核輻射屏蔽應(yīng)用為例，美國采用了1%的硼和5%的稀土元素釓、釤、和鑭，制成厚度為600mm的防輻射混凝土，用于屏蔽游泳池式反應(yīng)堆裂變中子源。而法國采用石墨為基材，并添加硼化物、稀土化合物或稀土合金，研制成一種新型稀土防輻射材料。這種復(fù)合屏蔽材料的填料要求分布均勻，根據(jù)屏蔽部位的不同要求，分別置于反應(yīng)堆通道的四周。而利用稀土熱中子屏蔽的防護(hù)技術(shù)，可以參考坦克的熱輻射屏蔽。這種特殊材料由四層單板組成：第一層由玻璃纖維增強(qiáng)塑料制成，采用無機(jī)粉末添加2%的稀土化合物為填料，以阻滯快中子和吸收慢中子;而第二層和第三層，是在前者之中再加入硼石墨和聚苯以及占填料總量10%的稀土元素，以阻滯中能中子和吸收熱中子;第四層采用石墨代替玻璃纖維，加入含25%稀土化合物，用來吸收熱中子。

有學(xué)生期末對課程進(jìn)行了如下評價：通過“走近稀土材料”這門課程的學(xué)習(xí)，我了解了稀土這一領(lǐng)域的一些前沿動態(tài)，相關(guān)的基礎(chǔ)知識、學(xué)習(xí)了基本理論，更重要的是通過查閱文獻(xiàn)、搜集資料，提高了自主學(xué)習(xí)的能力?；仡櫶K老師和胡老師在課堂上那全新的教學(xué)方式，從真正意義上了解了稀土材料的應(yīng)用，在學(xué)習(xí)這門課程前，盡管自己是稀土材料專業(yè)的學(xué)生，但只知道些最基本的內(nèi)容（周期表里的稀土元素），但通過這門課程，清楚地掌握了稀土在軍事、材料（陶瓷、金屬發(fā)光、磁性）、催化劑、人體健康和醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用。

3.通過課堂演示實驗，進(jìn)行啟示性學(xué)習(xí)。演示實驗是化學(xué)材料類教學(xué)的重要組成部分，是建立物理化學(xué)概念和規(guī)律、理解和掌握相關(guān)知識不可缺少的環(huán)節(jié)，同時還能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力。對于學(xué)生來說，成功的演示實驗更加容易活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。為了讓學(xué)生更好地將所學(xué)知識與實踐相聯(lián)系，教師將課堂演示實驗融入“走近稀土材料”教學(xué)過程中，激發(fā)學(xué)生對課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣。

“走近稀土材料”課題組教師利用演示實驗引入新的理論問題。課程在講述新的知識前，會介紹相關(guān)的理論研究發(fā)展過程，描述這一領(lǐng)域的物理化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律。此時展示一組與知識內(nèi)容有關(guān)的演示實驗，能讓學(xué)生對新的理論問題建立起直觀印象。之后，教師再解釋對這些實驗現(xiàn)象的抽象化分析過程，給出理論模型的定義。教師還利用演示實驗引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神，提出問題以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考：當(dāng)時為什么要設(shè)計這樣的實驗裝置和實驗步驟？假設(shè)學(xué)生處于當(dāng)時的技術(shù)水平，怎樣設(shè)計獨特的實驗裝置來研究這個問題？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行不受限制的討論和分析，能夠幫助學(xué)生鍛煉綜合分析問題和提出解決辦法的能力，發(fā)揚(yáng)理論學(xué)習(xí)和知識運(yùn)用中的創(chuàng)新精神。2DEFB934-2478-4C13-A0A5-4531D6C0A944

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]曾碧梅.開放性 探究性 實踐性——在化學(xué)教學(xué)中實施研究性學(xué)習(xí)的實踐[J].化學(xué)教育，2003（1）：20-21.

Exploration of practical Teaching Mode of “Approaching to Rare Earth Materials” Course

HU Rui-juea， SU Yueb， SU Hai-quana

（a. College of Chemistry and Chemical Engineering， b. School of Ecology and Environment of Inner Mongolia University， Hohhot， Inner Mongolia 010021， China）

Abstract： Rare earth is an important strategic resource in China and has the reputation of “industrial vitamins”. Although the importance of rare earth materials is well known in the industry， there are few related contents in undergraduate education. The course of Approaching to Rare Earth Materials explores the application field of rare earth elements in depth， explains its application principle， and aims at keeping close to practical problems. It also clarifies the relevant knowledge of this new material to students， and enables them to understand the development trend of Chinas rare earth industry. In addition， practical teaching mode is explored in the teaching to cultivate students ability of asking questions initiatively， including independent research， teamwork consciousness， the quality of applying knowledge to practice and rigorous research.

Key words： practicality; rare earth materials; undergraduate education; teaching mode

[收稿日期] 2022-01-29

[基金項目] 2015年度內(nèi)蒙古教育廳視頻公開課課程建設(shè)項目“走近稀土材料”（11600-12100908）;2020年度內(nèi)蒙古大學(xué)線上一流本科課程建設(shè)項目“走近稀土材料”（2020-77-12）

[作者簡介] 胡瑞玨（1974—），女，廣東中山人，碩士，內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授，主要從事能源催化材料研究;蘇 越（1988—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士，內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院講師，主要從事稀土發(fā)光材料研究;蘇海全（1961—），男，內(nèi)蒙古和林人，博士，內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事稀土材料及能源催化研究。2DEFB934-2478-4C13-A0A5-4531D6C0A944