礦物加工工程專業“生物冶金”課程教學探索與研究

李俠 蔣海明 屈啟龍

[摘 要] 生物冶金在低品位礦產資源綜合利用中逐漸凸顯其重要性。“生物冶金”課程的開設對生物冶金人才的培養具有十分重要的作用。由于學生對生物冶金作用認識不足，在授課過程中首先講述生物冶金的“前世今生”，激發學生學習生物冶金的動力，充分發揮緒論課的引領作用。積極改進教學內容，恰當引入思想政治育人要素，達到專業育人和思想政治育人的雙重目標。采取豐富的教學方式，通過研討教學及學術論文的撰寫，提升學生生物冶金方向專業能力及科研素養，為復合型、創新型人才的培養奠定堅實的基礎。

[關鍵詞] 生物冶金;引領作用;教學內容;教學方式

[基金項目] 2018年度國家自然科學基金項目“生物預處理對白云鄂博礦礦石中鈮礦物可選性影響機制研究”（51864037）;2021年度內蒙古自然科學基金項目“鈮礦組合捕收劑及其在鈮礦物表面協同吸附組裝機制研究”（2021MS05066）;2020年度內蒙古自治區教育科學研究“十三五”規劃課題“生物工程設備實物教學模型設計與制作研究”（NGJGH2020140）

[作者簡介] 李 俠（1979—），女（滿族），遼寧錦州人，工學碩士，內蒙古科技大學礦業與煤炭學院副教授，主要從事金屬礦選礦及礦產資源綜合利用研究。

[中圖分類號] TD925;G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）22-0121-04 [收稿日期] 2021-12-27

面向21世紀的礦物加工人才培養目標是“培養具有扎實的物理學、化學、生物學、材料科學等基礎知識，能綜合運用礦物加工、材料科學和生物技術等領域的研究方法和現代技術手段，具有獨立從事資源加工的研究工作和解決實際問題能力的創新型復合拔尖人才”[1]。目前在礦物加工人才培養過程中，已經把生物學與礦物加工傳統技術所依靠的理論依據物理學和化學放在同等位置上，充分顯現了生物技術在資源加工中的重要作用。

生物冶金儼然已是礦物加工學科中的一個重要方向，逐漸得到各方的重視[2]。生物冶金的產業化案例越來越多，但有關資料顯示，國內目前缺少專門培養生物冶金方面人才的高校。“生物冶金”課程的開設對生物冶金人才的培養起到十分重要的作用，尤其是內蒙古科技大學地處我國西北偏遠地區，肩負著為西北部礦業培養生物冶金人才的重任。內蒙古科技大學礦物加工工程專業從2016年開始開設“生物冶金”課程，作為該課程團隊的負責人，筆者已經連續三年主講該課程，一直在探索教學內容、教學方法的改革，以及激發學生學習生物冶金動力的方法。通過“生物冶金”課程的學習，學生不僅能掌握生物冶金的原理、工藝及應用，同時能提高學生對礦物加工工程專業的興趣及對專業的認同感[3]，為我國礦業的發展貢獻自己的一份力量。

一、通過講述生物冶金的前世今生，激發學生學習生物冶金的動力，使緒論課發揮引領作用

根據內蒙古科技大學礦物加工工程專業的培養方案，“生物冶金”被安排在大四學年第一學期進行授課。此時學生已經具備礦物加工工程專業傳統磁重浮理論知識，具有一定的自我滿意度，再加上學生面臨考研和就業壓力，對學習一門新的跨學科專業選修課興趣度很低，因此，“生物冶金”課程授課難度非常大。緒論課在教學工作環節中起著不可忽視的作用，一堂好的緒論課是一場動人的演說，是一次求知欲望的激發，它不僅可以使學生全面地了解課程的基本內容，而且通過緒論課學生可以看到生物冶金技術在礦物加工行業的應用前景。因此，筆者精心設計了如下緒論課內容。

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用，凸顯生物冶金技術與磁重浮傳統的礦物加工技術的同等重要性，以及在古代的銅資源提取中就扮演重要的角色。生物冶金技術雖然是20世紀50年代以后逐漸發展起來的高新技術[4]，但是我國早在公元前2世紀就開始采用微生物濕法冶金技術[5]。西漢初年淮南王劉安及門客李尚、蘇飛、伍被等共同編著《淮南萬畢術》中就有“曾青得鐵則化為銅”的記載;東漢時現存最早的中藥學經典著作《神農本草經》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在古代應用的實例，用細菌法浸出銅以后，再加鐵置換出海綿銅。這充分說明了生物冶金在礦產資源提取發展過程中發揮的重要作用。

第二，情景引入生物冶金的“今生”，即生物冶金在當今礦產資源提取中的應用。講述從國內最早安徽銅陵有色金屬公司的松樹山浸礦的應用到福建紫金集團及江銅集團生物堆浸的應用。生物冶金之所以應用日益廣泛，主要源于它的技術優勢：設備投資少、生產費用低、環境污染輕且易治理。將紫金集團的紫金山金銅礦火法煉銅和生物提銅工藝流程對比，講述生物冶金的優點，其中生物法能源消耗、水消耗、溫室效應、酸化效應遠遠低于火法煉銅，通過這個知識點的講解學生了解了生物冶金和火法冶金工藝流程的區別，增強了對生物濕法冶金的認識。通過對生物冶金“前世今生”的講解，學生已經基本了解了生物冶金的應用、生物冶金原理和工藝優勢，并對課程有了一個全面了解，只需全面進入一個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資源加工與生物學院邱冠周院士的生物冶金團隊及東北大學冶金學院楊洪英教授團隊。重點介紹這兩個團隊目前的研究方向、研究內容及已完成和在研的一些代表性課題。筆者認為這個內容非常具有實用性，可以說“一箭三雕”：一是學生可以了解到高校生物冶金研究團隊已經取得的科研成果及生物冶金的研究現狀;二是可以使考研的學生醍醐灌頂，不僅增加了對礦物加工工程研究方向、導師及科研團隊的了解，也為自己的考研方向及導師的選擇增加了一個新的有潛力的選項;三是科研團隊生物冶金的橫向課題合作企業的介紹，對于學生的就業具有一定的指導作用。經過兩年多來的實踐，緒論課對學生學習“生物冶金”課程的指引作用，對考研、就業的指導作用非常明顯，教學效果顯著。

二、積極改進教學內容，在講授“生物冶金”課程內容的同時不乏趣味性

在生物冶金中目前應用的菌種主要為細菌和放線菌，因此在“微生物學基礎”的授課內容中，需要講授細菌和放線菌兩個知識要點，但內容相對比較枯燥。日常生活中每個人都有可能服用抗生素，抗生素其實就是來源于種類豐富的放線菌。目前已分離和發現的抗生素有4000多種，其中應用比較廣泛的有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，在授課內容設計上，可以以抗生素為切入點講授細菌的主要結構和抗生素抑菌作用機理。細菌的主要結構有細胞壁、細胞質膜、核物質（核酸）與細胞質及其內含物。抗生素抑菌作用機理包含四種方式，對細菌細胞壁合成的抑制、細胞膜與抗生素相互作用、對核酸轉錄和復制的抑制，以及對蛋白質合成的干擾。從抗生素的抑菌作用可以看出抗生素就是通過破壞細菌的四種主要結構以達到抑制細菌生長的目的。因此，在這個知識點的安排上，通過對抗生素的講解，不僅引起了學生對細菌和放線菌的興趣，同時加強了學生對細菌和放線菌知識點的理解和掌握，起到了較好的教學效果。

在礦物加工的專業課中，主要講授一些傳統礦物資源的加工、分離及提取工藝，對于戰略資源鈾礦談之甚少。對于當前的礦物加工工程專業的學生來說，專業知識的掌握不應停留在傳統的礦物資源的提取上，更應掌握戰略金屬資源的提取。世界金屬礦產資源爭奪的重點已經從基本金屬轉向戰略金屬，因此，在鈾礦石的微生物浸出授課內容中，應涉及鈾、鈾礦資源的介紹及鈾礦生物浸出機理與工藝過程，重點講授三個內容：（1）鈾生三子，各不相同，使學生了解鈾的三種同位素;（2）我國鈾礦資源需求狀況及鈾礦資源特點;（3）原位微生物技術在鈾礦提取中的應用及技術發展關鍵。

鈾生三子是指鈾234、鈾235和鈾238三種同位素，其中發生不了核裂變的是鈾234，通常不能發生核裂變的是鈾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，而核電站發電所用的燃燒棒中鈾235含量的標準是3%，因此，開采出來的鈾礦石需要經過多道加工、提純、濃縮環節，使鈾235相對含量提高。我國是全球核電站在建規模最大的國家，與此相應的鈾資源需求將急劇上升，據測算，到2030年，我國核電天然鈾需求將過2.2萬噸，消耗鈾資源儲量約3.14萬噸。我國鈾礦資源特點是低品位且難處理。原位生物浸出法提取鈾在近二十年發展迅速，是非常前沿的技術。由于大多數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進入人們的視線。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研究方向。在鈾礦的生物冶金技術研究中，專屬浸礦菌的選育、馴化及工業擴大培養、浸礦過程監測與調控等是技術發展的關鍵。

三、恰當引入思政元素，達到專業育人和思想政治育人的雙重目標

以國內最早的生物冶金技術應用礦山——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。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，在古代就有記載。今安徽省池州市貴池區即唐代的秋浦就屬于銅官山礦床，在唐代時是著名的銀和銅的產地之一，唐代大詩人李白來到秋浦，寫下描寫和歌頌冶煉工人的詩歌《秋浦歌其十四》，這首詩歌通過正面描寫，歌頌了冶煉工人，在我國浩如煙海的古典詩歌中較為罕見，極為可貴。這首詩歌對冶煉工人的歌頌，不僅反映了唐代礦冶的繁榮，也體現了古人的勤勞質樸及對本職工作的熱愛，通過課堂引入這首詩歌，可以大大增強學生的民族自豪感，提升學生對礦冶工程的文化自信。

當今，我國在核電站建設規模上全球領先。鈾是核電站使用的核燃料，核電發展對鈾資源需求巨大，而其中60%以上的天然鈾需要從第三世界國家進口，所以我國亟待開發低成本、綠色開采鈾的工藝技術。原子彈的威力及切爾諾貝利和福島核事故，不免使不少人對鈾的放射性產生恐懼心理，擔心核電站會影響自己的生命安全。從切爾諾貝利核電事故教訓中，向學生牢固樹立安全發展理念，無論是傳統的礦物加工方式還是生物冶金，抑或是礦冶工程行業，一定要堅持“生命至上、安全第一”的底線思維，工作中一定要認真按照操作規程進行，不能以自己的工作意愿行事。

四、豐富教學方式，使“灌輸式”學習轉變為自主學習

傳統的教學方式屬于“灌輸式”學習，必須改變傳統的教學方式，使“灌輸式”學習轉變為自主學習，激發學生的學習動力與熱情，使其主動參與學習，享受學習獲得的滿足感與愉悅感[6]。而這正是現在的大學生最缺乏的一種感受。筆者認為，教師在上課的過程中應該不僅講授知識，更應該讓學生深層次地理解掌握知識，使其內化為自己的知識體系，從中獲得獲取知識后的滿足感與愉悅感，從而將負荷式學習轉變為享受式學習。

（一）情境引入

正如《論語·雍也》所說：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”情境引入是為了吸引聽眾，讓受教者的動機得到塑造。例如，在微生物濕法冶金發展中引入古代微生物濕法冶金的應用情況。《山海經》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，宋朝發展更盛。這些引入使學生了解到微生物濕法冶金歷史之悠久，生物冶金技術是資源加工提取的重要技術，從而使學生受到啟發，自然而然地走進“生物冶金”課堂探究生物冶金的奧秘。

（二）研討式教學

在部分章節教學內容講授之后，教師列出一定的討論題目，要求學生查閱資料后進行課堂討論，最后由教師總結歸納。在查閱資料過程中，學生可以進一步強化對基本概念、基本理論、重點內容的理解，并發現自己的疑問和見解;在課堂討論過程中，學生可以針對這些疑難點問題展開討論，越爭越明，越辯越清，從而徹底理解疑點、難點問題，獲得學習新知識的成就感，從而促使自己進一步學習獲取新知識，提高教學效果。

（三）摘要總結

對課堂所學內容進行摘要和總結，通過這一過程實現對課堂精華的總結，使重點難點得到回顧和強化[7]。現在的課程教學主要采取多媒體方式，信息量大，不像傳統教學以板書為主，主要內容一目了然，因此在多媒體教學中摘要總結非常重要。在摘要總結過程中，學生可以據此更加清晰地了解自己對知識點的學習情況及與目標的差距，可以更好地實現學習內容的整合及重點難點內容的鞏固與加深。

（四）學術論文的撰寫

結合課堂教學內容，布置當前生物冶金方面的小課題，要求學生撰寫小型學術論文，提高收集文獻、閱讀文獻和撰寫綜述類論文的能力。小論文的撰寫過程可以讓學生進一步了解當前該課題領域的研究現狀、發展趨勢及相應試驗研究方法，同時能不斷發現知識的不足及時補齊自己的短板，進一步開拓了學生的學術創新思維。因此，小論文的撰寫是“生物冶金”課程中一個非常有效的研究性學習過程，讓課下的課程學習完全成為一個自主式學習過程，為科技論文的撰寫及研究生的學習打下夯實的基礎。

生物冶金對低品位礦產資源的綜合利用具有重要的意義，但是新興學科起步較晚，受到的重視程度較低，課堂教學效果不佳。因此，“生物冶金”課程的教學內容和教學方法需要不斷研究、探索，努力做到學以致用。在教學過程中，注重科研成果的引入，既可以豐富教學內容，又可以起到潤物細無聲的教學效果。良好的教學效果需要有效的教學方法，應用多種教學方法進行多角度的課堂設計，認真上好每一節課，使教育教學效果最大化。

參考文獻

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[7]唐鴻鵠，王麗，楊越，等.基于BOPPPS的礦物加工工程專業浮選藥劑課程教學改革初探[J].科技創新導報，2020，17（12）：201-202.

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