礦物加工工程專業(yè)“生物冶金”課程教學(xué)探索與研究

李俠 蔣海明 屈啟龍

[摘 要] 生物冶金在低品位礦產(chǎn)資源綜合利用中逐漸凸顯其重要性。“生物冶金”課程的開設(shè)對(duì)生物冶金人才的培養(yǎng)具有十分重要的作用。由于學(xué)生對(duì)生物冶金作用認(rèn)識(shí)不足，在授課過程中首先講述生物冶金的“前世今生”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物冶金的動(dòng)力，充分發(fā)揮緒論課的引領(lǐng)作用。積極改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，恰當(dāng)引入思想政治育人要素，達(dá)到專業(yè)育人和思想政治育人的雙重目標(biāo)。采取豐富的教學(xué)方式，通過研討教學(xué)及學(xué)術(shù)論文的撰寫，提升學(xué)生生物冶金方向?qū)I(yè)能力及科研素養(yǎng)，為復(fù)合型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 生物冶金;引領(lǐng)作用;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方式

[基金項(xiàng)目] 2018年度國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“生物預(yù)處理對(duì)白云鄂博礦礦石中鈮礦物可選性影響機(jī)制研究”（51864037）;2021年度內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目“鈮礦組合捕收劑及其在鈮礦物表面協(xié)同吸附組裝機(jī)制研究”（2021MS05066）;2020年度內(nèi)蒙古自治區(qū)教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃課題“生物工程設(shè)備實(shí)物教學(xué)模型設(shè)計(jì)與制作研究”（NGJGH2020140）

[作者簡(jiǎn)介] 李 俠（1979—），女（滿族），遼寧錦州人，工學(xué)碩士，內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院副教授，主要從事金屬礦選礦及礦產(chǎn)資源綜合利用研究。

[中圖分類號(hào)] TD925;G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）22-0121-04 [收稿日期] 2021-12-27

面向21世紀(jì)的礦物加工人才培養(yǎng)目標(biāo)是“培養(yǎng)具有扎實(shí)的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，能綜合運(yùn)用礦物加工、材料科學(xué)和生物技術(shù)等領(lǐng)域的研究方法和現(xiàn)代技術(shù)手段，具有獨(dú)立從事資源加工的研究工作和解決實(shí)際問題能力的創(chuàng)新型復(fù)合拔尖人才”[1]。目前在礦物加工人才培養(yǎng)過程中，已經(jīng)把生物學(xué)與礦物加工傳統(tǒng)技術(shù)所依靠的理論依據(jù)物理學(xué)和化學(xué)放在同等位置上，充分顯現(xiàn)了生物技術(shù)在資源加工中的重要作用。

生物冶金儼然已是礦物加工學(xué)科中的一個(gè)重要方向，逐漸得到各方的重視[2]。生物冶金的產(chǎn)業(yè)化案例越來越多，但有關(guān)資料顯示，國(guó)內(nèi)目前缺少專門培養(yǎng)生物冶金方面人才的高校?！吧镆苯稹闭n程的開設(shè)對(duì)生物冶金人才的培養(yǎng)起到十分重要的作用，尤其是內(nèi)蒙古科技大學(xué)地處我國(guó)西北偏遠(yuǎn)地區(qū)，肩負(fù)著為西北部礦業(yè)培養(yǎng)生物冶金人才的重任。內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦物加工工程專業(yè)從2016年開始開設(shè)“生物冶金”課程，作為該課程團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，筆者已經(jīng)連續(xù)三年主講該課程，一直在探索教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革，以及激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物冶金動(dòng)力的方法。通過“生物冶金”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能掌握生物冶金的原理、工藝及應(yīng)用，同時(shí)能提高學(xué)生對(duì)礦物加工工程專業(yè)的興趣及對(duì)專業(yè)的認(rèn)同感[3]，為我國(guó)礦業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。

一、通過講述生物冶金的前世今生，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物冶金的動(dòng)力，使緒論課發(fā)揮引領(lǐng)作用

根據(jù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦物加工工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，“生物冶金”被安排在大四學(xué)年第一學(xué)期進(jìn)行授課。此時(shí)學(xué)生已經(jīng)具備礦物加工工程專業(yè)傳統(tǒng)磁重浮理論知識(shí)，具有一定的自我滿意度，再加上學(xué)生面臨考研和就業(yè)壓力，對(duì)學(xué)習(xí)一門新的跨學(xué)科專業(yè)選修課興趣度很低，因此，“生物冶金”課程授課難度非常大。緒論課在教學(xué)工作環(huán)節(jié)中起著不可忽視的作用，一堂好的緒論課是一場(chǎng)動(dòng)人的演說，是一次求知欲望的激發(fā)，它不僅可以使學(xué)生全面地了解課程的基本內(nèi)容，而且通過緒論課學(xué)生可以看到生物冶金技術(shù)在礦物加工行業(yè)的應(yīng)用前景。因此，筆者精心設(shè)計(jì)了如下緒論課內(nèi)容。

第一，情景引入生物冶金的“前世”，即生物冶金在古代礦物加工中的應(yīng)用，凸顯生物冶金技術(shù)與磁重浮傳統(tǒng)的礦物加工技術(shù)的同等重要性，以及在古代的銅資源提取中就扮演重要的角色。生物冶金技術(shù)雖然是20世紀(jì)50年代以后逐漸發(fā)展起來的高新技術(shù)[4]，但是我國(guó)早在公元前2世紀(jì)就開始采用微生物濕法冶金技術(shù)[5]。西漢初年淮南王劉安及門客李尚、蘇飛、伍被等共同編著《淮南萬(wàn)畢術(shù)》中就有“曾青得鐵則化為銅”的記載;東漢時(shí)現(xiàn)存最早的中藥學(xué)經(jīng)典著作《神農(nóng)本草經(jīng)》也有“石膽……能化鐵為銅”的描述;北宋張潛在《浸銅要略》中寫到，用“膽水浸銅”“以鐵投之，銅色立變”。上述歷史記錄都是生物冶金技術(shù)在古代應(yīng)用的實(shí)例，用細(xì)菌法浸出銅以后，再加鐵置換出海綿銅。這充分說明了生物冶金在礦產(chǎn)資源提取發(fā)展過程中發(fā)揮的重要作用。

第二，情景引入生物冶金的“今生”，即生物冶金在當(dāng)今礦產(chǎn)資源提取中的應(yīng)用。講述從國(guó)內(nèi)最早安徽銅陵有色金屬公司的松樹山浸礦的應(yīng)用到福建紫金集團(tuán)及江銅集團(tuán)生物堆浸的應(yīng)用。生物冶金之所以應(yīng)用日益廣泛，主要源于它的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：設(shè)備投資少、生產(chǎn)費(fèi)用低、環(huán)境污染輕且易治理。將紫金集團(tuán)的紫金山金銅礦火法煉銅和生物提銅工藝流程對(duì)比，講述生物冶金的優(yōu)點(diǎn)，其中生物法能源消耗、水消耗、溫室效應(yīng)、酸化效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于火法煉銅，通過這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講解學(xué)生了解了生物冶金和火法冶金工藝流程的區(qū)別，增強(qiáng)了對(duì)生物濕法冶金的認(rèn)識(shí)。通過對(duì)生物冶金“前世今生”的講解，學(xué)生已經(jīng)基本了解了生物冶金的應(yīng)用、生物冶金原理和工藝優(yōu)勢(shì)，并對(duì)課程有了一個(gè)全面了解，只需全面進(jìn)入一個(gè)全新的生物冶金世界感悟與洞察。

第三，介紹在生物冶金方向比較具有代表性且科研成果豐富的中南大學(xué)資源加工與生物學(xué)院邱冠周院士的生物冶金團(tuán)隊(duì)及東北大學(xué)冶金學(xué)院楊洪英教授團(tuán)隊(duì)。重點(diǎn)介紹這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)目前的研究方向、研究?jī)?nèi)容及已完成和在研的一些代表性課題。筆者認(rèn)為這個(gè)內(nèi)容非常具有實(shí)用性，可以說“一箭三雕”：一是學(xué)生可以了解到高校生物冶金研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得的科研成果及生物冶金的研究現(xiàn)狀;二是可以使考研的學(xué)生醍醐灌頂，不僅增加了對(duì)礦物加工工程研究方向、導(dǎo)師及科研團(tuán)隊(duì)的了解，也為自己的考研方向及導(dǎo)師的選擇增加了一個(gè)新的有潛力的選項(xiàng);三是科研團(tuán)隊(duì)生物冶金的橫向課題合作企業(yè)的介紹，對(duì)于學(xué)生的就業(yè)具有一定的指導(dǎo)作用。經(jīng)過兩年多來的實(shí)踐，緒論課對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)“生物冶金”課程的指引作用，對(duì)考研、就業(yè)的指導(dǎo)作用非常明顯，教學(xué)效果顯著。

二、積極改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，在講授“生物冶金”課程內(nèi)容的同時(shí)不乏趣味性

在生物冶金中目前應(yīng)用的菌種主要為細(xì)菌和放線菌，因此在“微生物學(xué)基礎(chǔ)”的授課內(nèi)容中，需要講授細(xì)菌和放線菌兩個(gè)知識(shí)要點(diǎn)，但內(nèi)容相對(duì)比較枯燥。日常生活中每個(gè)人都有可能服用抗生素，抗生素其實(shí)就是來源于種類豐富的放線菌。目前已分離和發(fā)現(xiàn)的抗生素有4000多種，其中應(yīng)用比較廣泛的有50多種，比如用于人類疾病臨床治療的紅霉素、氯霉素、慶大霉素、鏈霉素、金霉素及卡那霉素。因此，在授課內(nèi)容設(shè)計(jì)上，可以以抗生素為切入點(diǎn)講授細(xì)菌的主要結(jié)構(gòu)和抗生素抑菌作用機(jī)理。細(xì)菌的主要結(jié)構(gòu)有細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)膜、核物質(zhì)（核酸）與細(xì)胞質(zhì)及其內(nèi)含物。抗生素抑菌作用機(jī)理包含四種方式，對(duì)細(xì)菌細(xì)胞壁合成的抑制、細(xì)胞膜與抗生素相互作用、對(duì)核酸轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的抑制，以及對(duì)蛋白質(zhì)合成的干擾。從抗生素的抑菌作用可以看出抗生素就是通過破壞細(xì)菌的四種主要結(jié)構(gòu)以達(dá)到抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的目的。因此，在這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的安排上，通過對(duì)抗生素的講解，不僅引起了學(xué)生對(duì)細(xì)菌和放線菌的興趣，同時(shí)加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)細(xì)菌和放線菌知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，起到了較好的教學(xué)效果。

在礦物加工的專業(yè)課中，主要講授一些傳統(tǒng)礦物資源的加工、分離及提取工藝，對(duì)于戰(zhàn)略資源鈾礦談之甚少。對(duì)于當(dāng)前的礦物加工工程專業(yè)的學(xué)生來說，專業(yè)知識(shí)的掌握不應(yīng)停留在傳統(tǒng)的礦物資源的提取上，更應(yīng)掌握戰(zhàn)略金屬資源的提取。世界金屬礦產(chǎn)資源爭(zhēng)奪的重點(diǎn)已經(jīng)從基本金屬轉(zhuǎn)向戰(zhàn)略金屬，因此，在鈾礦石的微生物浸出授課內(nèi)容中，應(yīng)涉及鈾、鈾礦資源的介紹及鈾礦生物浸出機(jī)理與工藝過程，重點(diǎn)講授三個(gè)內(nèi)容：（1）鈾生三子，各不相同，使學(xué)生了解鈾的三種同位素;（2）我國(guó)鈾礦資源需求狀況及鈾礦資源特點(diǎn);（3）原位微生物技術(shù)在鈾礦提取中的應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵。

鈾生三子是指鈾234、鈾235和鈾238三種同位素，其中發(fā)生不了核裂變的是鈾234，通常不能發(fā)生核裂變的是鈾238，非常容易核裂變的是鈾235。鈾礦是用來提取核燃料鈾的。開采出來的鈾礦石，其中鈾235的含量很少，而核電站發(fā)電所用的燃燒棒中鈾235含量的標(biāo)準(zhǔn)是3%，因此，開采出來的鈾礦石需要經(jīng)過多道加工、提純、濃縮環(huán)節(jié)，使鈾235相對(duì)含量提高。我國(guó)是全球核電站在建規(guī)模最大的國(guó)家，與此相應(yīng)的鈾資源需求將急劇上升，據(jù)測(cè)算，到2030年，我國(guó)核電天然鈾需求將過2.2萬(wàn)噸，消耗鈾資源儲(chǔ)量約3.14萬(wàn)噸。我國(guó)鈾礦資源特點(diǎn)是低品位且難處理。原位生物浸出法提取鈾在近二十年發(fā)展迅速，是非常前沿的技術(shù)。由于大多數(shù)鈾礦石或多或少地含有一些硫化物礦物，尤其是黃鐵礦，因此，微生物原位浸出技術(shù)進(jìn)入人們的視線。目前，世界上16%的鈾來自生物浸出，鈾的原位生物浸出將是重點(diǎn)研究方向。在鈾礦的生物冶金技術(shù)研究中，專屬浸礦菌的選育、馴化及工業(yè)擴(kuò)大培養(yǎng)、浸礦過程監(jiān)測(cè)與調(diào)控等是技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

三、恰當(dāng)引入思政元素，達(dá)到專業(yè)育人和思想政治育人的雙重目標(biāo)

以國(guó)內(nèi)最早的生物冶金技術(shù)應(yīng)用礦山——安徽銅陵有色金屬公司的松樹山浸礦為例，講授銅礦石生物浸出技術(shù)。松樹山是銅官山銅礦的礦床之一，銅官山銅礦的開采歷史久遠(yuǎn)，在古代就有記載。今安徽省池州市貴池區(qū)即唐代的秋浦就屬于銅官山礦床，在唐代時(shí)是著名的銀和銅的產(chǎn)地之一，唐代大詩(shī)人李白來到秋浦，寫下描寫和歌頌冶煉工人的詩(shī)歌《秋浦歌其十四》，這首詩(shī)歌通過正面描寫，歌頌了冶煉工人，在我國(guó)浩如煙海的古典詩(shī)歌中較為罕見，極為可貴。這首詩(shī)歌對(duì)冶煉工人的歌頌，不僅反映了唐代礦冶的繁榮，也體現(xiàn)了古人的勤勞質(zhì)樸及對(duì)本職工作的熱愛，通過課堂引入這首詩(shī)歌，可以大大增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感，提升學(xué)生對(duì)礦冶工程的文化自信。

當(dāng)今，我國(guó)在核電站建設(shè)規(guī)模上全球領(lǐng)先。鈾是核電站使用的核燃料，核電發(fā)展對(duì)鈾資源需求巨大，而其中60%以上的天然鈾需要從第三世界國(guó)家進(jìn)口，所以我國(guó)亟待開發(fā)低成本、綠色開采鈾的工藝技術(shù)。原子彈的威力及切爾諾貝利和福島核事故，不免使不少人對(duì)鈾的放射性產(chǎn)生恐懼心理，擔(dān)心核電站會(huì)影響自己的生命安全。從切爾諾貝利核電事故教訓(xùn)中，向?qū)W生牢固樹立安全發(fā)展理念，無論是傳統(tǒng)的礦物加工方式還是生物冶金，抑或是礦冶工程行業(yè)，一定要堅(jiān)持“生命至上、安全第一”的底線思維，工作中一定要認(rèn)真按照操作規(guī)程進(jìn)行，不能以自己的工作意愿行事。

四、豐富教學(xué)方式，使“灌輸式”學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)

傳統(tǒng)的教學(xué)方式屬于“灌輸式”學(xué)習(xí)，必須改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，使“灌輸式”學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力與熱情，使其主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，享受學(xué)習(xí)獲得的滿足感與愉悅感[6]。而這正是現(xiàn)在的大學(xué)生最缺乏的一種感受。筆者認(rèn)為，教師在上課的過程中應(yīng)該不僅講授知識(shí)，更應(yīng)該讓學(xué)生深層次地理解掌握知識(shí)，使其內(nèi)化為自己的知識(shí)體系，從中獲得獲取知識(shí)后的滿足感與愉悅感，從而將負(fù)荷式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橄硎苁綄W(xué)習(xí)。

（一）情境引入

正如《論語(yǔ)·雍也》所說：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者?！鼻榫骋胧菫榱宋牨姡屖芙陶叩膭?dòng)機(jī)得到塑造。例如，在微生物濕法冶金發(fā)展中引入古代微生物濕法冶金的應(yīng)用情況?！渡胶＝?jīng)》中就有“又西六十里，曰石脆之山，……其陰多銅。灌水出焉，而北流注于禺水。其中有流赭，以涂牛馬無病”的記載。到了唐朝有了官辦濕法煉銅生產(chǎn)，宋朝發(fā)展更盛。這些引入使學(xué)生了解到微生物濕法冶金歷史之悠久，生物冶金技術(shù)是資源加工提取的重要技術(shù)，從而使學(xué)生受到啟發(fā)，自然而然地走進(jìn)“生物冶金”課堂探究生物冶金的奧秘。

（二）研討式教學(xué)

在部分章節(jié)教學(xué)內(nèi)容講授之后，教師列出一定的討論題目，要求學(xué)生查閱資料后進(jìn)行課堂討論，最后由教師總結(jié)歸納。在查閱資料過程中，學(xué)生可以進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)基本概念、基本理論、重點(diǎn)內(nèi)容的理解，并發(fā)現(xiàn)自己的疑問和見解;在課堂討論過程中，學(xué)生可以針對(duì)這些疑難點(diǎn)問題展開討論，越爭(zhēng)越明，越辯越清，從而徹底理解疑點(diǎn)、難點(diǎn)問題，獲得學(xué)習(xí)新知識(shí)的成就感，從而促使自己進(jìn)一步學(xué)習(xí)獲取新知識(shí)，提高教學(xué)效果。

（三）摘要總結(jié)

對(duì)課堂所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行摘要和總結(jié)，通過這一過程實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂精華的總結(jié)，使重點(diǎn)難點(diǎn)得到回顧和強(qiáng)化[7]?，F(xiàn)在的課程教學(xué)主要采取多媒體方式，信息量大，不像傳統(tǒng)教學(xué)以板書為主，主要內(nèi)容一目了然，因此在多媒體教學(xué)中摘要總結(jié)非常重要。在摘要總結(jié)過程中，學(xué)生可以據(jù)此更加清晰地了解自己對(duì)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)情況及與目標(biāo)的差距，可以更好地實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的整合及重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容的鞏固與加深。

（四）學(xué)術(shù)論文的撰寫

結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，布置當(dāng)前生物冶金方面的小課題，要求學(xué)生撰寫小型學(xué)術(shù)論文，提高收集文獻(xiàn)、閱讀文獻(xiàn)和撰寫綜述類論文的能力。小論文的撰寫過程可以讓學(xué)生進(jìn)一步了解當(dāng)前該課題領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及相應(yīng)試驗(yàn)研究方法，同時(shí)能不斷發(fā)現(xiàn)知識(shí)的不足及時(shí)補(bǔ)齊自己的短板，進(jìn)一步開拓了學(xué)生的學(xué)術(shù)創(chuàng)新思維。因此，小論文的撰寫是“生物冶金”課程中一個(gè)非常有效的研究性學(xué)習(xí)過程，讓課下的課程學(xué)習(xí)完全成為一個(gè)自主式學(xué)習(xí)過程，為科技論文的撰寫及研究生的學(xué)習(xí)打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。

生物冶金對(duì)低品位礦產(chǎn)資源的綜合利用具有重要的意義，但是新興學(xué)科起步較晚，受到的重視程度較低，課堂教學(xué)效果不佳。因此，“生物冶金”課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法需要不斷研究、探索，努力做到學(xué)以致用。在教學(xué)過程中，注重科研成果的引入，既可以豐富教學(xué)內(nèi)容，又可以起到潤(rùn)物細(xì)無聲的教學(xué)效果。良好的教學(xué)效果需要有效的教學(xué)方法，應(yīng)用多種教學(xué)方法進(jìn)行多角度的課堂設(shè)計(jì)，認(rèn)真上好每一節(jié)課，使教育教學(xué)效果最大化。

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Teaching Exploration and Research on the Course of Biological Metallurgy in the Major of Mineral Processing Engineering

LI Xiaa， JIANG Hai-mingb， QU Qi-longa

（a. Institute of Mining and Coal， b. School of Life Science and Technology， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou， Inner Mongolia 014010， China）

Abstract： Biological metallurgy is becoming more and more important in the comprehensive utilization of low-graded mineral resources. The course of Biological Metallurgy plays a very important role in the cultivation of college students majoring in biological metallurgy. Due to the lack of students’ understanding of the role of biological metallurgy， we tell the history of biological metallurgy in the course of teaching， stimulate students’ learning motivation and give full play to the leading role of the Introduction part. We actively improve the teaching content， properly introduce the elements of ideological and political education， and achieve the dual goals of professional education and ideological and political education. In addition， we adopt rich teaching methods to improve students’ professional ability and scientific research competence in the direction of biological metallurgy through discussion and teaching and writing of academic papers， so as to lay a solid foundation for the cultivation of compound and innovative talents.

Key words： Biological Metallurgy; leading role; teaching content; teaching methods