走近稀土材料课程教学设计样例

胡瑞珏　苏海全　白凤华　苏越　张兵兵

摘  要：文章以走近稀土材料课程第一讲“稀土元素大家族的家谱”教学设计为例，主要通过以问题为导向的教学导入方式，学生为主体的讨论式、演示式、沉浸式教学方法和线上线下混合教学模式，培养学生主动提出问题、自主研究的能力和团队协作意识，并在教学和实践中培养学生脚踏实地，学以致用、知行合一及严谨笃实的品格和素质。课程带领学生探索稀土材料的各方面应用，结合高新技术的发展现状，扩大学生的知识面，提高学生的科学素养，并紧贴生态环境、家国情怀和扎根边疆等现实问题，帮助学生树立正确的人生观、价值观和发展观。

关键词：教学设计;问题为导向;线上线下混合教学;稀土材料

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：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、興学强区”是内蒙古大学自创办以来坚持的办学定位，走近稀土材料课程以内蒙古特色资源稀土为主题，以稀土功能材料为授课内容，以化学专业本科生为授课对象，同时面对社会大众，系统介绍稀土领域的最新进展，阐明稀土结构、组成与性能的关系[1]。课程带领学生探索稀土材料的各方面应用、结合高新技术的发展现状，扩大学生的知识面，提高学生的科学素养，并紧贴生态环境、家国情怀和扎根边疆等现实问题，帮助学生树立正确的人生观、价值观和发展观。走近稀土材料课堂具体怎么讲才能有效实现学思结合，发挥学生学习主动性，激发学生独立思考和创新意识，训练学生的批判性思维，提高学生分析和解决实际问题能力，是一直萦绕在课题组老师们脑海中的问题，即针对本科教育中稀土材料相关内容教育资源相对匮乏且教学内容与产业实际应用需求存在一定程度的脱节的问题，如何科学定位和设计内容，整合资源，以实现培养人才目标。为此我们积极探索教学方法，通过问题为导向的教学导入方式[2-3]引人入胜;通过课堂讨论和主题演讲，进行开放性、探究性学习;通过实地观摩实习，进行情境性学习;通过线上线下混合教学模式[4]增加学生的学习自由度。

课程内容包括线上视频和线下课程两部分。线上视频包含爱课程网视频公开课5个视频资源共253分钟，智慧树网46个视频资源共463分钟和其他视频资料等;章节测试题、期末考试题超350道，题型覆盖选择、判断和阅读理解等多种题型。线下课程包括课堂讲座、实践活动、调研等形式。课程采用线上教学10学时，占31.25%;线下教学22学时，占68.75%。

一、课程内容与资源建设及应用情况

走近稀土材料是一门与人类生活密切相关，同时具备普及性和专业性的科学技术类课程。课程是以我国特色资源稀土为主题，从稀土的资源概况、稀土发光材料、稀土磁性材料、稀土催化剂材料、稀土储氢材料、稀土超导材料、稀土陶瓷材料、稀土磁致伸缩与磁制冷材料、稀土军事材料和稀土合金金属材料10个专题深入浅出、系统而又重点突出地介绍了现代重要材料——稀土。

在课程资源方面，课程组成员录制的爱课程网视频公开课5个视频资源共253分钟和智慧树网46个视频资源共463分钟;并收集了一些讲解稀土材料基础知识或前沿进展的中英文小视频课和网页，作为教学的辅助教材。

（一）教学设计样例

以第一讲“稀土元素大家族的家谱”为例。

课程目标：

1. 了解稀土的广泛用途和在国计民生、军事和科技上的重要性。

2. 了解稀土在元素周期表中的位置、电子结构特点和分类。

3. 了解稀土元素的发现历史和典型应用。

4. 了解稀土的分离和提取方法。

5. 了解中国稀土资源状况和出口政策;使学生从能源、环境及经济的角度，充分认识到稀土材料将扮演越来越多的环保角色，但稀土开采面临的环境问题也同样需要去解决，环境友好和节能减排的优势是何等重要。

（二）课程设计理念

中国不仅稀土矿藏丰富，而且是世界上唯一能够出产全部17种稀土金属的国家。走近稀土材料课程第一讲介绍了丁道衡发现白云鄂博铁矿;何作霖发现白云鄂博稀土矿，后来又发现铌钽矿的故事。两位老一辈地质学家为中国的稀土事业、包头钢铁基地建设和大西北开发作出了重大历史功绩的事迹，激发了大学生，尤其是内蒙古大学生的自豪感和为家乡、为民族投身科学的情怀。

由于我国对稀土出口进行严格管控，以及激烈的中美贸易战等原因，以美国为首的多个国家已逐渐开始减少对中国稀土的依赖，并大力开发自己的稀土矿以对我国稀土产业进行“围堵”。在这样的严峻形势下，稀土材料的研发和应用水平对我国稀土产业链的发展以及我国在国际稀土市场上的话语权具有决定性的意义。

（三）教学设计

1. 导入

通过演示稀土超导材料的磁悬浮实验（并观看超导体介绍视频），引入稀土材料在生活和高科技领域的应用实例，并介绍稀土元素家族成员的发现历史和常见用途。

教师提问：美国的爱国者导弹为什么可以在伊拉克战争中轻易地击毁苏联的飞毛腿导弹？F-22战斗机为什么能够实现超音速的巡航功能呢？为什么美国军队的M1A1主坦克总是能最先发现对手，如先发制人打击伊拉克的坦克？（观看海外战争视频）

学生：应该是使用了稀土材料……

教师具体解释：美国的爱国者导弹之所以在伊拉克战争中轻易地击毁苏联的飞毛腿导弹，这得益于前者精确制导系统的出色工作。其制导系统中使用了大约4千克钐钴磁体和钕铁硼磁体用于电子束聚焦，钐、钕即是稀土元素。

F-22战斗机的机身是用稀土强化的镁钛合金武装，可以在400℃下长期工作，否则，超音速巡航中，机身强大的动力足以摧毁它自己。

M1A1主坦克装备的掺钕钇铝石榴石的激光测距机，在晴朗的白天可以达到近4 000米的观瞄距离。

教师总结：稀土在人们的生活中如影随形，从手机、相机、汽油、照明到火箭、卫星、飞机，都少不了稀土家族的助力。发达国家都把稀土作为战略资源，也就是从战略上给予重视，这是非常重要的一种资源，稀土既然这么重要，在材料里扮演了这么关键的角色，那么我们必须对稀土和稀土材料有一个逐步的了解，而我们这门课程走进稀土材料，就是这样来设计的。

2. 课程展开

介绍稀土这个名字的由来，稀土的“稀”，是稀散的意思，因为它在地壳中的含量比较少，一般是从十几个ppm到几百个ppm，只不过稀土元素富集成具有经济开采价值的矿物，还是需要种种自然条件的造化巧合的。

介绍解释稀土在元素周期表中的位置和分类。第6周期，第三副族，包括化学元素周期表中的15种镧系元素镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），再加上第4周期的钪（Sc）和第5周期的钇（Y），一共17个元素，我们把它们统称为稀土元素。把稀土元素分为两组，第1组是铈族稀土或者称为轻稀土，包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）。钇族稀土或者重稀土，包括钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）、钪（Sc）和钇（Y），共10个元素。

二、介绍中国的稀土资源状况

1992年，邓小平在南方谈话中特别提到“中东有石油，中国有稀土”，进一步强化了稀土是富有战略意义的“国家宝藏”这一观念。所以小平同志说：“一定要把稀土的事情办好，打好稀土这张牌，把我国的稀土优势发挥出来。”2012年6月，国务院新闻办发布了《中国的稀土状况与政策》白皮书指出，中国以23%的稀土资源承担了世界90%以上的市场供应。

抛出问题：为什么中国要限量出口稀土呢？

学生进行课堂讨论，观点如下。

第一，环境的原因。大家看看采完稀土以后对环境的一些伤害，白云鄂博昔日是富饶的“神山”，如今却已经开始隐隐约约出现了枯竭的趋势。曾经这里是一片隆起的山地丘陵，在不断的开采下，开始出现了巨大的向大地凹陷的“指印”，不久前我们看到的最新卫星图片和20年前相比，凹陷变得更大更深，并不断扩散，“指印”变成了大小连环，又像是抽象的蝴蝶翅膀，而那不断“钻”向大地深处的螺旋状矿坑公路，就如同神秘的指纹或图案。第二，资源有限。按照我国现在的开采速度，中国的稀土在10年以后就全部开采完毕。第三，浪费惊人。白云鄂博矿年开采1 000万吨的铁矿石中含稀土50万吨。50万吨的稀土在开采过程当中我们能够利用多少呢？据调查，其中仅利用了10%消耗10%，剩余80%进入尾矿坝，所以开采浪费相当严重。

稀土在原生矿中共生共存，分离特别困难，这就使稀土的分离与确认花了100多年的时间;稀土性质相近，难于分离精制，也使稀土工业走过了100多年漫长的道路;高纯稀土的获得，稀土化学与物理才得以迅速发展，其应用范围不断扩大。最常用的一个稀土分离工艺是溶剂萃取。中国科学院的徐光宪院士被誉为“中国稀土之父”，1975年他提出了串級萃取理论，实现了稀土分离技术的重大突破。开采出的原始矿并不能马上投入工业生产，而是要经过加工，才能进一步应用于各个领域。在这个层面上，中国目前所拥有比重最大、优势最明显的 “稀土牌”和“稀土宝藏”，并不是原始矿储量而是稀土产业链的上游部分。

可以说，在稀土采掘、冶炼、分离提纯方面，中国目前在规模、全球占比（八成左右）和成本方面的确占据着压倒性的优势。这一段产业链在很多国家都是空白，以至于美国开采的原始矿也要运到中国来加工，2018年，美国进口的稀土化合物和金属中80%来自中国。《纽约时报》也如此点评：“中国支配着稀土加工中的一个关键的流程，即将稀土氧化物转化为金属，且成本低、产能大。”

稀土的背后是一个庞大绵长的产业链和产业群。像是一条绵长浩荡的河流，从上游最初的稀土矿产品、中游冶炼提纯产品直至下游稀土应用产品，越接近稀土产品供应链的终端，科技含量越高，经济附加值越高，“中国可以生产400多个品种、1 000多个规格的稀土产品，但其中80%都是中低端产品。尤其在下游的高精尖应用领域与美日等国家仍有较大差距”。1元钱的稀土原料，我们粗加工最多卖10元、20元，到欧美日做成产品后，我们却要花1 000元才能买回来。可以说，中国是一个“稀土大国”，却还算不上是“稀土强国”。2011年，中国曾希望能减少稀土出口量、提高价格并对稀土征收出口税，对此日、美及欧盟联合起来以中国违反“入世”承诺为由向WTO提起了诉讼，尽管中国以“保护资源和环境实现可持续发展”为由而进行申辩，但在2014年最终败诉。在某种意义上，当今世界，单纯的“资源丰富”已不再是国际博弈和竞争的核心了。日本稀土产业繁荣，国内虽几乎没有稀土矿，但在高精尖的稀土应用技术方面却一马当先，数十年前便早早开始了全球专利布局，大量高质量专利和技术形成了紧密的“交叉封锁火力网”，是日本独有的“另类稀土资源”，不仅从全球获得高额收益，在国际上也拥有很强的话语权。

以稀土永磁材料为例，中国是全球最大的生产基地。每年却要向日本支付高额专利费，日本多年来积累了大量相关专利，其中有不少关键的“卡脖子”技术，某些尖端技术还列为产业机密，秘不外宣。其实，在2011年后中国稀土专利申请量也在迅速增长，2018年时总数已超过美国，直逼日本。但总体来说专利质量不够高，尚未达到巅峰对决、华山论剑的段位。

三、结束语

稀土是一个多面的概念，在国际博弈中，除了稀土储量，还有稀土产业、应用实力的较量。开采出的原始矿并不能马上投入工业生产，而是要经过加工，才能进一步应用于各个领域。在这个层面上，中国目前所拥有比重最大、优势最明显的“稀土牌”和“稀土宝藏”，并不是原始矿储量而是稀土产业链的上游部分。中国科学院的徐光宪院士被誉为“中国稀土之父”，1975年他提出了串级萃取理论，实现了稀土分离技术的重大突破。从这时开始，中国实现了从稀土资源大国向产业大国、出口大国的转变。中国多年的稀土生产还带来了巨大环境成本，如果我国能实现稀土产业升级，补上高端应用这个短板，资源就不用廉价外流而可以创造更大的价值，在环保上也可以投入更多，许多问题都能迎刃而解。鼓励学生投身稀土科学研究和生态环境保护事业，为中华民族的伟大复兴而奋斗。

课后督促学生完成布置的作业（见表1），并在下次课进行分组讨论，给出成绩评定。课后安排学生去自治区稀土材料化学与物理重点实验室包头稀土院参观，对学生进行沉浸式教学。

通过本讲的教学设计体现出走近稀土材料课程具有如下特色：（1）线上线下互相补充，课程内容、方式灵活多样。（2）以学生为主体、教师为主导，采用启发式、探究式、讨论式、参与式和沉浸式教学，有效实现学思结合，发挥学生主动精神，激发学生独立思考和创新意识，训练学生的批判性思维，提高分析和解决实际问题能力。（3）将生态文明价值观和爱国主义教育贯穿教学全过程。潜移默化地将生态智慧和生态道德培植在学生心中，达到润物无声的教育效果。同时激发学生的爱国热情，从而树立为民族复兴而努力、追求文明和进步的责任感和使命感。

参考文献：

[1]胡瑞珏，苏海全，白凤华.高校“走近稀土材料”视频公开课教学探析[J].教育教学论坛，2020（45）：303-304.

[2]徐琴，胡效亚.问题导向模式在《分析化学》双语教学中的应用[J].广州化工，2013，41（2）：170-171.

[3]柳玉英，蔺红桃，刘青，等.问题导向的分析化学理实一体化教学模式设计与实践[J].化学教育（中英文），2020，41（20）：32-36.

[4]梁爱萍，王月，丁晶，等.“五位一体”混合式教学模式研究与实践——以无机与分析化学课程为例[J].化学教育（中英文），2021，42（6）：33-37.

基金项目：2015年内蒙古教育厅视频公开课课程建设项目“走近稀土材料”（11600-12100908）;2020年內蒙古大学线上一流本科课程

建设项目“走近稀土材料”（2020-77-12）

作者简介：胡瑞珏（1974-），女，汉族，广东中山人，硕士，副教授，研究方向为能源催化材料。