“走近稀土材料”课程实践性教学模式探索

胡瑞珏　苏越　苏海全

[摘 要] 稀土是我国的重要战略性资源，有“工业维生素”的美誉。尽管稀土材料的重要性在业内众所周知，但在本科教育中相关内容却较少。“走近稀土材料”这门课程深入探索稀土元素的应用领域，阐明其应用原理，以紧贴现实问题为宗旨，向学生阐明这种新型材料的相关知识，使学生了解目前我国稀土产业的发展趋势。并在教学中进行了实践性教学模式探索，旨在培养学生自主研究的能力和团队协作意识，以及学以致用和严谨笃实的科研素质。

[关键词] 实践性;稀土材料;本科教育;教学模式

[中图分类号] G642 [文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2022）13-0078-04

一、课程介绍

“走近稀土材料”课程紧贴内蒙古大学“扎根北疆、兴学强区”的办学定位，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]。

“走近稀土材料”于2015年1月被评为国家级精品视频公开课，其中前五讲分别为：“稀土元素大家族家谱”“光明使者—稀土发光材料”“永磁之王—稀土磁性材料”“化学反应魔术师—稀土催化剂”“清洁能源转化的得力助—稀土储氢材料”。该五讲视频被搬上爱课程（https：//www.icourses.cn/web/sword/portalsearch/homeSearch，12664人学习）、网易公开课https：//open.163.com/newview/movie/free？pid=MAEBE0DCK&mid=MAEJ6GV6R，14万次播放）、bilibili（https：//www.bilibili.com/video/BV14s411x7Ks？p=1，2万次播放）等公共平台。作为大学生素质教育课程，“走近稀土材料”以稀土化学、材料科学作为教学基础，以浅显的理论、通俗的语言重点介绍稀土材料的应用原理和在现代生活中及高科技领域中的用途。同时满足社会大众对稀土材料的浓厚兴趣，提高观众的科学素养，激发学生探索新材料的热情，受到广泛好评。

为了进一步适应在线教育的要求，并扩大课程的影响，课程组又将“走近稀土材料”内容扩展为智慧树线上课程。“走近稀土材料”智慧树线上课程涉及稀土的概况及资源分布、发光稀土材料、磁性稀土材料、催化稀土材料、贮氢稀土材料、超导稀土材料、陶瓷稀土材料、磁致伸缩和磁制冷稀土材料、稀土在军事中的应用和稀土合金材料等十个专题。系统而又重点突出地介绍了现代重要材料——稀土。课程组成员录制了2学分的课程内容视频，共计463分钟。课程视频、章节测试题及讨论题库、期末在线考试等教学内容于2021年4月在智慧树网平台上线（https：//coursehome.zhihuishu.com/courseHome/1000060656#teachTeam，累计选课346人）。

二、目前存在的问题

稀土有“工业维生素”“工业黄金”“新材料之母”和“新材料的宝库”等美誉。稀土材料具有难以取代的磁、光、电、催化等优异性能，尤其在尖端军工和航空航天领域，稀土材料更是展现了应用的巨大空间。我国在国际稀土市场中扮演着重量级的角色，稀土也是我国重要的战略性资源。“稀土之乡”内蒙古自治区白云鄂博矿区更是以一矿之大，占到了全国稀土总储量的九成以上，是世界上最大的稀土矿。尽管稀土材料的重要性在业内众所周知，但在本科教育中的相关内容却相对较少。我校大部分化学专业本科生对稀土的认识较匮乏和浅显，只在“无机化学”课程的《镧系元素与锕系元素》一章中了解到稀土元素的名称、电子构型、原子半径等基本性质，而对稀土元素在工业中的重要价值、稀土材料的具体应用，以及我国稀土产业面临的难题和未来应对的挑战等相关认知基本处于空白。也有大量学生不知道包头市有白云鄂博这个世界上最大的稀土矿，从未听说过邓小平同志“中东有石油，中国有稀土”的论断。以上提到的情况不容忽视，这表明目前本科教学内容与产业实际应用需求存在一定程度的脱节。开设化学或材料专业的高校应该在本科生阶段注重稀土产业人才方面的培养，使学生充分认识到我国稀土产业的困境和发展方向，树立为国家崛起，民族复兴而读书的信念。

为此，“走近稀土材料”这门课程以紧贴现实问题为宗旨，深入探索稀土元素的应用领域，阐明其应用原理，介绍新型稀土材料的相关知识，并使学生了解目前我国稀土产业的发展趋势。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、知行合一和严谨笃实的品格和素质。

三、实践性教学模式探索

如何将稀土材料理论知识与稀土产业的现实问题相结合，并调动学生自主学习的积极性，提高学生的科学素养并培养学生家国情怀等现实问题，是作为教育工作者的课题组教师需要解决的重要问题。在“走近稀土材料”课程教学中，树立立德树人、科教兴国的理念，以学生为主体、教师为主导，采用启发式、探究式、讨论式、沉浸式和参与式教学，有效实现学思结合，发挥学生的主动精神，激发学生的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的能力。尤其对课程实践性教学模式进行了多方位的探索。

1.通过实地观摩实习，进行情景式学习。在实际情境中，学生的学习活动必然与情境中的各部分发生必要的联系。这种联系除了有知识结构、认知的相互联系，也涉及主体与外部环境的相互联系。即在“实践性学习”的观念中，学习是在主体与客体相互作用的过程中完成的。

学生参观白云鄂博稀土资源研究与综合利用国家重点实验室时，了解到包头稀土院的稀土产品主要有高純稀土金属及化合物，高性能稀土磁性材料、稀土催化材料及新型稀土贮氢材料等各种稀土功能材料，稀土靶材、PVC稀土助剂、稀土电热材料等特种稀土材料。为“神舟”号系列飞船、“长征”系列运载火箭、“中国探月工程”和“载人航天”等诸多国家重点工程，研制生产了大量的关键材料和器件，为稀土产业的发展和国家重大工程的需求作出了重大贡献。2DEFB934-2478-4C13-A0A5-4531D6C0A944

参观内蒙古自治区稀土材料化学与物理重点实验室时，实验室主任苏海全教授为学生讲述了实验室刚刚成立，正值内蒙古自治区煤化工领域刚刚起步，实验室带头人从国家安全的战略角度考虑，决心开发具有自主知识产权的催化剂及工艺，解决受制于国外技术工艺“卡脖子”的问题。第一步是要攻克设备难关。当时国内仅有的一家科研院所，相关的催化剂评价设备并不对外开放。面对困难挑战，苏海全教授决心自主研发。经过一年半废寝忘食的研究攻关，内蒙古自治区第一台“合成气制液体燃料单通道反应系统”成功研发并开始运行。五年后又升级研发了12通道反应系统，能同时满足12组催化剂的评价，大大提高了评价效率。经过十余年的探索和积累，苏海全带领课题组解决了催化剂设计中稀土与过渡金属双活性位的构筑及对合成气转化率和产物中醇类选择性的调控问题，设计出一氧化碳加氢制低碳醇高效稀土催化剂及其运行工艺，并投入中试，为稀土催化剂在能源催化领域的应用与产业化奠定了基础。

实验室刘志亮教授课题组经过十多年的艰苦攻关，设计合成了系列稀土配合物及配位聚合物，开发出的新型稀土功能材料可应用靶向载药、生物标志物荧光传感和医学磁共振成像。王晓晶教授研制的以稀土氧化物及稀土共生矿物铌钽化合物等助剂的太阳光可再生的光催化剂/羽毛活性炭复合材料，应用于高浓度药物残留的制药废水的净化处理。实验室的愿景是“培育内蒙古稀土产业新优势，为稀土产业提供战略性、基础性、前瞻性知识储备和科技支撑，让优势特色资源高值化利用，为提高自治区在稀土产业的国际竞争力和话语权夯实基础”，此愿景正在研究者孜孜不倦的勤奋努力中一步步实现。

2.通过课堂讨论和主题演讲，进行开放性、探究性学习。实践性学习是学习者进行知识深层理解的主要学习方式，是一种主动的学习方式，而不是被動地灌输知识。实践性学习是以学习者亲身经历的方式探究学习的奥秘，在实践和学习的过程中探究知识的奥秘，获得解决问题的方法和促进自身经验的积累，以及自身能力的发展[2]。教师每节课后都布置开放性的讨论作业，学生分组通过探究式学习，大量查阅文献，组织答案在下节课进行解答和主题演讲。

例如，“永磁之王—稀土磁性材料”课后的讨论作业为：介绍丁肇中教授和阿尔法磁谱仪。学生给出的解答为：阿尔法磁谱仪是1988年由“发现号”航天飞机载入太空的第一个大型磁谱仪。它利用强磁场和精密探测器来探测宇宙空间的反物质和暗物质，探索和研究宇宙物理学、基本粒子物理学和宇宙演化学的一些重大和疑难问题，例如寻找磁单极子等。这套既具有重要科学意义，又应用高新技术的阿尔法磁谱仪的提出和领导者为美籍华裔物理学家丁肇中教授，他的祖籍为山东省日照县。因父亲和母亲都在美国留学而出生在美国（1936）。回到中国后不久抗日战争爆发，随父母到四川度过童年。后又同父母到台湾。1956年去美国留学，最初在工学院学习，后转入物理系学习。在取得博士学位后，便从事物理研究工作。1974年同其领导的实验小组发现J粒子，两年后（1976）丁肇中教授因这项重要发现而获得诺贝尔物理学奖。1993年由丁肇中教授发起，邀请美国和中国等10多个国家和地区的科学家组成国际合作研究的阿尔法磁谱仪实验组。在阿尔法磁谱仪的研究中，由中国科学家完成了大型的稀土永磁铁系统的设计、制造和安装等工作。可以看出，阿尔法磁谱仪是当代宇宙磁学中的一项重要的研究和应用成果。我国在这项重要的研究和应用中也作出了重要的贡献。

再如，“稀土在军事中的应用”课后的讨论作业为：稀土在军事防护技术上的应用有哪些？学生给出的答案为：以核辐射屏蔽应用为例，美国采用了1%的硼和5%的稀土元素钆、钐、和镧，制成厚度为600mm的防辐射混凝土，用于屏蔽游泳池式反应堆裂变中子源。而法国采用石墨为基材，并添加硼化物、稀土化合物或稀土合金，研制成一种新型稀土防辐射材料。这种复合屏蔽材料的填料要求分布均匀，根据屏蔽部位的不同要求，分别置于反应堆通道的四周。而利用稀土热中子屏蔽的防护技术，可以参考坦克的热辐射屏蔽。这种特殊材料由四层单板组成：第一层由玻璃纤维增强塑料制成，采用无机粉末添加2%的稀土化合物为填料，以阻滞快中子和吸收慢中子;而第二层和第三层，是在前者之中再加入硼石墨和聚苯以及占填料总量10%的稀土元素，以阻滞中能中子和吸收热中子;第四层采用石墨代替玻璃纤维，加入含25%稀土化合物，用来吸收热中子。

有学生期末对课程进行了如下评价：通过“走近稀土材料”这门课程的学习，我了解了稀土这一领域的一些前沿动态，相关的基础知识、学习了基本理论，更重要的是通过查阅文献、搜集资料，提高了自主学习的能力。回顾苏老师和胡老师在课堂上那全新的教学方式，从真正意义上了解了稀土材料的应用，在学习这门课程前，尽管自己是稀土材料专业的学生，但只知道些最基本的内容（周期表里的稀土元素），但通过这门课程，清楚地掌握了稀土在军事、材料（陶瓷、金属发光、磁性）、催化剂、人体健康和医学等方面的应用。

3.通过课堂演示实验，进行启示性学习。演示实验是化学材料类教学的重要组成部分，是建立物理化学概念和规律、理解和掌握相关知识不可缺少的环节，同时还能培养学生的观察能力、思维能力。对于学生来说，成功的演示实验更加容易活跃课堂气氛，激发学生学习的积极性。为了让学生更好地将所学知识与实践相联系，教师将课堂演示实验融入“走近稀土材料”教学过程中，激发学生对课程内容的学习兴趣。

“走近稀土材料”课题组教师利用演示实验引入新的理论问题。课程在讲述新的知识前，会介绍相关的理论研究发展过程，描述这一领域的物理化学现象和规律。此时展示一组与知识内容有关的演示实验，能让学生对新的理论问题建立起直观印象。之后，教师再解释对这些实验现象的抽象化分析过程，给出理论模型的定义。教师还利用演示实验引导学生发扬创新精神，提出问题以引导学生进行思考：当时为什么要设计这样的实验装置和实验步骤？假设学生处于当时的技术水平，怎样设计独特的实验装置来研究这个问题？引导学生进行不受限制的讨论和分析，能够帮助学生锻炼综合分析问题和提出解决办法的能力，发扬理论学习和知识运用中的创新精神。2DEFB934-2478-4C13-A0A5-4531D6C0A944

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]曾碧梅.开放性 探究性 实践性——在化学教学中实施研究性学习的实践[J].化学教育，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年度内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，广东中山人，硕士，内蒙古大学化学化工学院副教授，主要从事能源催化材料研究;苏 越（1988—），男，内蒙古呼和浩特人，博士，内蒙古大学生态与环境学院讲师，主要从事稀土发光材料研究;苏海全（1961—），男，内蒙古和林人，博士，内蒙古大学化学化工学院教授，博士生导师，主要从事稀土材料及能源催化研究。2DEFB934-2478-4C13-A0A5-4531D6C0A944