“走近稀土材料”課程實踐性教學模式探索

胡瑞玨　蘇越　蘇海全

[摘 要] 稀土是我國的重要戰略性資源，有“工業維生素”的美譽。盡管稀土材料的重要性在業內眾所周知，但在本科教育中相關內容卻較少。“走近稀土材料”這門課程深入探索稀土元素的應用領域，闡明其應用原理，以緊貼現實問題為宗旨，向學生闡明這種新型材料的相關知識，使學生了解目前我國稀土產業的發展趨勢。并在教學中進行了實踐性教學模式探索，旨在培養學生自主研究的能力和團隊協作意識，以及學以致用和嚴謹篤實的科研素質。

[關鍵詞] 實踐性;稀土材料;本科教育;教學模式

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

一、課程介紹

“走近稀土材料”課程緊貼內蒙古大學“扎根北疆、興學強區”的辦學定位，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]。

“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—稀土發光材料”“永磁之王—稀土磁性材料”“化學反應魔術師—稀土催化劑”“清潔能源轉化的得力助—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人學習）、網易公開課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。作為大學生素質教育課程，“走近稀土材料”以稀土化學、材料科學作為教學基礎，以淺顯的理論、通俗的語言重點介紹稀土材料的應用原理和在現代生活中及高科技領域中的用途。同時滿足社會大眾對稀土材料的濃厚興趣，提高觀眾的科學素養，激發學生探索新材料的熱情，受到廣泛好評。

為了進一步適應在線教育的要求，并擴大課程的影響，課程組又將“走近稀土材料”內容擴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、稀土在軍事中的應用和稀土合金材料等十個專題。系統而又重點突出地介紹了現代重要材料——稀土。課程組成員錄制了2學分的課程內容視頻，共計463分鐘。課程視頻、章節測試題及討論題庫、期末在線考試等教學內容于2021年4月在智慧樹網平臺上線（https：//coursehome.zhihuishu.com/courseHome/1000060656#teachTeam，累計選課346人）。

二、目前存在的問題

稀土有“工業維生素”“工業黃金”“新材料之母”和“新材料的寶庫”等美譽。稀土材料具有難以取代的磁、光、電、催化等優異性能，尤其在尖端軍工和航空航天領域，稀土材料更是展現了應用的巨大空間。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略性資源。“稀土之鄉”內蒙古自治區白云鄂博礦區更是以一礦之大，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內眾所周知，但在本科教育中的相關內容卻相對較少。我校大部分化學專業本科生對稀土的認識較匱乏和淺顯，只在“無機化學”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、電子構型、原子半徑等基本性質，而對稀土元素在工業中的重要價值、稀土材料的具體應用，以及我國稀土產業面臨的難題和未來應對的挑戰等相關認知基本處于空白。也有大量學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內容與產業實際應用需求存在一定程度的脫節。開設化學或材料專業的高校應該在本科生階段注重稀土產業人才方面的培養，使學生充分認識到我國稀土產業的困境和發展方向，樹立為國家崛起，民族復興而讀書的信念。

為此，“走近稀土材料”這門課程以緊貼現實問題為宗旨，深入探索稀土元素的應用領域，闡明其應用原理，介紹新型稀土材料的相關知識，并使學生了解目前我國稀土產業的發展趨勢。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、知行合一和嚴謹篤實的品格和素質。

三、實踐性教學模式探索

如何將稀土材料理論知識與稀土產業的現實問題相結合，并調動學生自主學習的積極性，提高學生的科學素養并培養學生家國情懷等現實問題，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”課程教學中，樹立立德樹人、科教興國的理念，以學生為主體、教師為主導，采用啟發式、探究式、討論式、沉浸式和參與式教學，有效實現學思結合，發揮學生的主動精神，激發學生的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的能力。尤其對課程實踐性教學模式進行了多方位的探索。

1.通過實地觀摩實習，進行情景式學習。在實際情境中，學生的學習活動必然與情境中的各部分發生必要的聯系。這種聯系除了有知識結構、認知的相互聯系，也涉及主體與外部環境的相互聯系。即在“實踐性學習”的觀念中，學習是在主體與客體相互作用的過程中完成的。

學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，研制生產了大量的關鍵材料和器件，為稀土產業的發展和國家重大工程的需求作出了重大貢獻。2DEFB934-2478-4C13-A0A5-4531D6C0A944

參觀內蒙古自治區稀土材料化學與物理重點實驗室時，實驗室主任蘇海全教授為學生講述了實驗室剛剛成立，正值內蒙古自治區煤化工領域剛剛起步，實驗室帶頭人從國家安全的戰略角度考慮，決心開發具有自主知識產權的催化劑及工藝，解決受制于國外技術工藝“卡脖子”的問題。第一步是要攻克設備難關。當時國內僅有的一家科研院所，相關的催化劑評價設備并不對外開放。面對困難挑戰，蘇海全教授決心自主研發。經過一年半廢寢忘食的研究攻關，內蒙古自治區第一臺“合成氣制液體燃料單通道反應系統”成功研發并開始運行。五年后又升級研發了12通道反應系統，能同時滿足12組催化劑的評價，大大提高了評價效率。經過十余年的探索和積累，蘇海全帶領課題組解決了催化劑設計中稀土與過渡金屬雙活性位的構筑及對合成氣轉化率和產物中醇類選擇性的調控問題，設計出一氧化碳加氫制低碳醇高效稀土催化劑及其運行工藝，并投入中試，為稀土催化劑在能源催化領域的應用與產業化奠定了基礎。

實驗室劉志亮教授課題組經過十多年的艱苦攻關，設計合成了系列稀土配合物及配位聚合物，開發出的新型稀土功能材料可應用靶向載藥、生物標志物熒光傳感和醫學磁共振成像。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/羽毛活性炭復合材料，應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“培育內蒙古稀土產業新優勢，為稀土產業提供戰略性、基礎性、前瞻性知識儲備和科技支撐，讓優勢特色資源高值化利用，為提高自治區在稀土產業的國際競爭力和話語權夯實基礎”，此愿景正在研究者孜孜不倦的勤奮努力中一步步實現。

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

例如，“永磁之王—稀土磁性材料”課后的討論作業為：介紹丁肇中教授和阿爾法磁譜儀。學生給出的解答為：阿爾法磁譜儀是1988年由“發現號”航天飛機載入太空的第一個大型磁譜儀。它利用強磁場和精密探測器來探測宇宙空間的反物質和暗物質，探索和研究宇宙物理學、基本粒子物理學和宇宙演化學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意義，又應用高新技術的阿爾法磁譜儀的提出和領導者為美籍華裔物理學家丁肇中教授，他的祖籍為山東省日照縣。因父親和母親都在美國留學而出生在美國（1936）。回到中國后不久抗日戰爭爆發，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，最初在工學院學習，后轉入物理系學習。在取得博士學位后，便從事物理研究工作。1974年同其領導的實驗小組發現J粒子，兩年后（1976）丁肇中教授因這項重要發現而獲得諾貝爾物理學獎。1993年由丁肇中教授發起，邀請美國和中國等10多個國家和地區的科學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，由中國科學家完成了大型的稀土永磁鐵系統的設計、制造和安裝等工作。可以看出，阿爾法磁譜儀是當代宇宙磁學中的一項重要的研究和應用成果。我國在這項重要的研究和應用中也作出了重要的貢獻。

再如，“稀土在軍事中的應用”課后的討論作業為：稀土在軍事防護技術上的應用有哪些？學生給出的答案為：以核輻射屏蔽應用為例，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。這種復合屏蔽材料的填料要求分布均勻，根據屏蔽部位的不同要求，分別置于反應堆通道的四周。而利用稀土熱中子屏蔽的防護技術，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塑料制成，采用無機粉末添加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。

有學生期末對課程進行了如下評價：通過“走近稀土材料”這門課程的學習，我了解了稀土這一領域的一些前沿動態，相關的基礎知識、學習了基本理論，更重要的是通過查閱文獻、搜集資料，提高了自主學習的能力。回顧蘇老師和胡老師在課堂上那全新的教學方式，從真正意義上了解了稀土材料的應用，在學習這門課程前，盡管自己是稀土材料專業的學生，但只知道些最基本的內容（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、金屬發光、磁性）、催化劑、人體健康和醫學等方面的應用。

3.通過課堂演示實驗，進行啟示性學習。演示實驗是化學材料類教學的重要組成部分，是建立物理化學概念和規律、理解和掌握相關知識不可缺少的環節，同時還能培養學生的觀察能力、思維能力。對于學生來說，成功的演示實驗更加容易活躍課堂氣氛，激發學生學習的積極性。為了讓學生更好地將所學知識與實踐相聯系，教師將課堂演示實驗融入“走近稀土材料”教學過程中，激發學生對課程內容的學習興趣。

“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，會介紹相關的理論研究發展過程，描述這一領域的物理化學現象和規律。此時展示一組與知識內容有關的演示實驗，能讓學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學生發揚創新精神，提出問題以引導學生進行思考：當時為什么要設計這樣的實驗裝置和實驗步驟？假設學生處于當時的技術水平，怎樣設計獨特的實驗裝置來研究這個問題？引導學生進行不受限制的討論和分析，能夠幫助學生鍛煉綜合分析問題和提出解決辦法的能力，發揚理論學習和知識運用中的創新精神。2DEFB934-2478-4C13-A0A5-4531D6C0A944

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]曾碧梅.開放性 探究性 實踐性——在化學教學中實施研究性學習的實踐[J].化學教育，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年度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，廣東中山人，碩士，內蒙古大學化學化工學院副教授，主要從事能源催化材料研究;蘇 越（1988—），男，內蒙古呼和浩特人，博士，內蒙古大學生態與環境學院講師，主要從事稀土發光材料研究;蘇海全（1961—），男，內蒙古和林人，博士，內蒙古大學化學化工學院教授，博士生導師，主要從事稀土材料及能源催化研究。2DEFB934-2478-4C13-A0A5-4531D6C0A944