走近稀土材料課程教學設計樣例

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”教學設計為例，主要通過以問題為導向的教學導入方式，學生為主體的討論式、演示式、沉浸式教學方法和線上線下混合教學模式，培養學生主動提出問題、自主研究的能力和團隊協作意識，并在教學和實踐中培養學生腳踏實地，學以致用、知行合一及嚴謹篤實的品格和素質。課程帶領學生探索稀土材料的各方面應用，結合高新技術的發展現狀，擴大學生的知識面，提高學生的科學素養，并緊貼生態環境、家國情懷和扎根邊疆等現實問題，幫助學生樹立正確的人生觀、價值觀和發展觀。

關鍵詞：教學設計;問題為導向;線上線下混合教學;稀土材料

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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、興學強區”是內蒙古大學自創辦以來堅持的辦學定位，走近稀土材料課程以內蒙古特色資源稀土為主題，以稀土功能材料為授課內容，以化學專業本科生為授課對象，同時面對社會大眾，系統介紹稀土領域的最新進展，闡明稀土結構、組成與性能的關系[1]。課程帶領學生探索稀土材料的各方面應用、結合高新技術的發展現狀，擴大學生的知識面，提高學生的科學素養，并緊貼生態環境、家國情懷和扎根邊疆等現實問題，幫助學生樹立正確的人生觀、價值觀和發展觀。走近稀土材料課堂具體怎么講才能有效實現學思結合，發揮學生學習主動性，激發學生獨立思考和創新意識，訓練學生的批判性思維，提高學生分析和解決實際問題能力，是一直縈繞在課題組老師們腦海中的問題，即針對本科教育中稀土材料相關內容教育資源相對匱乏且教學內容與產業實際應用需求存在一定程度的脫節的問題，如何科學定位和設計內容，整合資源，以實現培養人才目標。為此我們積極探索教學方法，通過問題為導向的教學導入方式[2-3]引人入勝;通過課堂討論和主題演講，進行開放性、探究性學習;通過實地觀摩實習，進行情境性學習;通過線上線下混合教學模式[4]增加學生的學習自由度。

課程內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視頻公開課5個視頻資源共253分鐘，智慧樹網46個視頻資源共463分鐘和其他視頻資料等;章節測試題、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、實踐活動、調研等形式。課程采用線上教學10學時，占31.25%;線下教學22學時，占68.75%。

一、課程內容與資源建設及應用情況

走近稀土材料是一門與人類生活密切相關，同時具備普及性和專業性的科學技術類課程。課程是以我國特色資源稀土為主題，從稀土的資源概況、稀土發光材料、稀土磁性材料、稀土催化劑材料、稀土儲氫材料、稀土超導材料、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個專題深入淺出、系統而又重點突出地介紹了現代重要材料——稀土。

在課程資源方面，課程組成員錄制的愛課程網視頻公開課5個視頻資源共253分鐘和智慧樹網46個視頻資源共463分鐘;并收集了一些講解稀土材料基礎知識或前沿進展的中英文小視頻課和網頁，作為教學的輔助教材。

（一）教學設計樣例

以第一講“稀土元素大家族的家譜”為例。

課程目標：

1. 了解稀土的廣泛用途和在國計民生、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、電子結構特點和分類。

3. 了解稀土元素的發現歷史和典型應用。

4. 了解稀土的分離和提取方法。

5. 了解中國稀土資源狀況和出口政策;使學生從能源、環境及經濟的角度，充分認識到稀土材料將扮演越來越多的環保角色，但稀土開采面臨的環境問題也同樣需要去解決，環境友好和節能減排的優勢是何等重要。

（二）課程設計理念

中國不僅稀土礦藏豐富，而且是世界上唯一能夠出產全部17種稀土金屬的國家。走近稀土材料課程第一講介紹了丁道衡發現白云鄂博鐵礦;何作霖發現白云鄂博稀土礦，后來又發現鈮鉭礦的故事。兩位老一輩地質學家為中國的稀土事業、包頭鋼鐵基地建設和大西北開發作出了重大歷史功績的事跡，激發了大學生，尤其是內蒙古大學生的自豪感和為家鄉、為民族投身科學的情懷。

由于我國對稀土出口進行嚴格管控，以及激烈的中美貿易戰等原因，以美國為首的多個國家已逐漸開始減少對中國稀土的依賴，并大力開發自己的稀土礦以對我國稀土產業進行“圍堵”。在這樣的嚴峻形勢下，稀土材料的研發和應用水平對我國稀土產業鏈的發展以及我國在國際稀土市場上的話語權具有決定性的意義。

（三）教學設計

1. 導入

通過演示稀土超導材料的磁懸浮實驗（并觀看超導體介紹視頻），引入稀土材料在生活和高科技領域的應用實例，并介紹稀土元素家族成員的發現歷史和常見用途。

教師提問：美國的愛國者導彈為什么可以在伊拉克戰爭中輕易地擊毀蘇聯的飛毛腿導彈？F-22戰斗機為什么能夠實現超音速的巡航功能呢？為什么美國軍隊的M1A1主坦克總是能最先發現對手，如先發制人打擊伊拉克的坦克？（觀看海外戰爭視頻）

學生：應該是使用了稀土材料……

教師具體解釋：美國的愛國者導彈之所以在伊拉克戰爭中輕易地擊毀蘇聯的飛毛腿導彈，這得益于前者精確制導系統的出色工作。其制導系統中使用了大約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戰斗機的機身是用稀土強化的鎂鈦合金武裝，可以在400℃下長期工作，否則，超音速巡航中，機身強大的動力足以摧毀它自己。

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

教師總結：稀土在人們的生活中如影隨形，從手機、相機、汽油、照明到火箭、衛星、飛機，都少不了稀土家族的助力。發達國家都把稀土作為戰略資源，也就是從戰略上給予重視，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鍵的角色，那么我們必須對稀土和稀土材料有一個逐步的了解，而我們這門課程走進稀土材料，就是這樣來設計的。

2. 課程展開

介紹稀土這個名字的由來，稀土的“稀”，是稀散的意思，因為它在地殼中的含量比較少，一般是從十幾個ppm到幾百個ppm，只不過稀土元素富集成具有經濟開采價值的礦物，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個元素，我們把它們統稱為稀土元素。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個元素。

二、介紹中國的稀土資源狀況

1992年，鄧小平在南方談話中特別提到“中東有石油，中國有稀土”，進一步強化了稀土是富有戰略意義的“國家寶藏”這一觀念。所以小平同志說：“一定要把稀土的事情辦好，打好稀土這張牌，把我國的稀土優勢發揮出來?！?012年6月，國務院新聞辦發布了《中國的稀土狀況與政策》白皮書指出，中國以23%的稀土資源承擔了世界90%以上的市場供應。

拋出問題：為什么中國要限量出口稀土呢？

學生進行課堂討論，觀點如下。

第一，環境的原因。大家看看采完稀土以后對環境的一些傷害，白云鄂博昔日是富饒的“神山”，如今卻已經開始隱隱約約出現了枯竭的趨勢。曾經這里是一片隆起的山地丘陵，在不斷的開采下，開始出現了巨大的向大地凹陷的“指印”，不久前我們看到的最新衛星圖片和20年前相比，凹陷變得更大更深，并不斷擴散，“指印”變成了大小連環，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。按照我國現在的開采速度，中國的稀土在10年以后就全部開采完畢。第三，浪費驚人。白云鄂博礦年開采1 000萬噸的鐵礦石中含稀土50萬噸。50萬噸的稀土在開采過程當中我們能夠利用多少呢？據調查，其中僅利用了10%消耗10%，剩余80%進入尾礦壩，所以開采浪費相當嚴重。

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花了100多年的時間;稀土性質相近，難于分離精制，也使稀土工業走過了100多年漫長的道路;高純稀土的獲得，稀土化學與物理才得以迅速發展，其應用范圍不斷擴大。最常用的一個稀土分離工藝是溶劑萃取。中國科學院的徐光憲院士被譽為“中國稀土之父”，1975年他提出了串級萃取理論，實現了稀土分離技術的重大突破。開采出的原始礦并不能馬上投入工業生產，而是要經過加工，才能進一步應用于各個領域。在這個層面上，中國目前所擁有比重最大、優勢最明顯的 “稀土牌”和“稀土寶藏”，并不是原始礦儲量而是稀土產業鏈的上游部分。

可以說，在稀土采掘、冶煉、分離提純方面，中國目前在規模、全球占比（八成左右）和成本方面的確占據著壓倒性的優勢。這一段產業鏈在很多國家都是空白，以至于美國開采的原始礦也要運到中國來加工，2018年，美國進口的稀土化合物和金屬中80%來自中國?！都~約時報》也如此點評：“中國支配著稀土加工中的一個關鍵的流程，即將稀土氧化物轉化為金屬，且成本低、產能大。”

稀土的背后是一個龐大綿長的產業鏈和產業群。像是一條綿長浩蕩的河流，從上游最初的稀土礦產品、中游冶煉提純產品直至下游稀土應用產品，越接近稀土產品供應鏈的終端，科技含量越高，經濟附加值越高，“中國可以生產400多個品種、1 000多個規格的稀土產品，但其中80%都是中低端產品。尤其在下游的高精尖應用領域與美日等國家仍有較大差距”。1元錢的稀土原料，我們粗加工最多賣10元、20元，到歐美日做成產品后，我們卻要花1 000元才能買回來?？梢哉f，中國是一個“稀土大國”，卻還算不上是“稀土強國”。2011年，中國曾希望能減少稀土出口量、提高價格并對稀土征收出口稅，對此日、美及歐盟聯合起來以中國違反“入世”承諾為由向WTO提起了訴訟，盡管中國以“保護資源和環境實現可持續發展”為由而進行申辯，但在2014年最終敗訴。在某種意義上，當今世界，單純的“資源豐富”已不再是國際博弈和競爭的核心了。日本稀土產業繁榮，國內雖幾乎沒有稀土礦，但在高精尖的稀土應用技術方面卻一馬當先，數十年前便早早開始了全球專利布局，大量高質量專利和技術形成了緊密的“交叉封鎖火力網”，是日本獨有的“另類稀土資源”，不僅從全球獲得高額收益，在國際上也擁有很強的話語權。

以稀土永磁材料為例，中國是全球最大的生產基地。每年卻要向日本支付高額專利費，日本多年來積累了大量相關專利，其中有不少關鍵的“卡脖子”技術，某些尖端技術還列為產業機密，秘不外宣。其實，在2011年后中國稀土專利申請量也在迅速增長，2018年時總數已超過美國，直逼日本。但總體來說專利質量不夠高，尚未達到巔峰對決、華山論劍的段位。

三、結束語

稀土是一個多面的概念，在國際博弈中，除了稀土儲量，還有稀土產業、應用實力的較量。開采出的原始礦并不能馬上投入工業生產，而是要經過加工，才能進一步應用于各個領域。在這個層面上，中國目前所擁有比重最大、優勢最明顯的“稀土牌”和“稀土寶藏”，并不是原始礦儲量而是稀土產業鏈的上游部分。中國科學院的徐光憲院士被譽為“中國稀土之父”，1975年他提出了串級萃取理論，實現了稀土分離技術的重大突破。從這時開始，中國實現了從稀土資源大國向產業大國、出口大國的轉變。中國多年的稀土生產還帶來了巨大環境成本，如果我國能實現稀土產業升級，補上高端應用這個短板，資源就不用廉價外流而可以創造更大的價值，在環保上也可以投入更多，許多問題都能迎刃而解。鼓勵學生投身稀土科學研究和生態環境保護事業，為中華民族的偉大復興而奮斗。

課后督促學生完成布置的作業（見表1），并在下次課進行分組討論，給出成績評定。課后安排學生去自治區稀土材料化學與物理重點實驗室包頭稀土院參觀，對學生進行沉浸式教學。

通過本講的教學設計體現出走近稀土材料課程具有如下特色：（1）線上線下互相補充，課程內容、方式靈活多樣。（2）以學生為主體、教師為主導，采用啟發式、探究式、討論式、參與式和沉浸式教學，有效實現學思結合，發揮學生主動精神，激發學生獨立思考和創新意識，訓練學生的批判性思維，提高分析和解決實際問題能力。（3）將生態文明價值觀和愛國主義教育貫穿教學全過程。潛移默化地將生態智慧和生態道德培植在學生心中，達到潤物無聲的教育效果。同時激發學生的愛國熱情，從而樹立為民族復興而努力、追求文明和進步的責任感和使命感。

參考文獻：

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

[2]徐琴，胡效亞.問題導向模式在《分析化學》雙語教學中的應用[J].廣州化工，2013，41（2）：170-171.

[3]柳玉英，藺紅桃，劉青，等.問題導向的分析化學理實一體化教學模式設計與實踐[J].化學教育（中英文），2020，41（20）：32-36.

[4]梁愛萍，王月，丁晶，等.“五位一體”混合式教學模式研究與實踐——以無機與分析化學課程為例[J].化學教育（中英文），2021，42（6）：33-37.

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

建設項目“走近稀土材料”（2020-77-12）

作者簡介：胡瑞玨（1974-），女，漢族，廣東中山人，碩士，副教授，研究方向為能源催化材料。