對比教學法在稀有金屬冶金學中的運用范文

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摘要：稀有金屬涉及元素多，覆蓋面非常廣，同類稀有金屬中元素的性質相似程度高，不同類稀有金屬元素冶煉提取工藝及過程差別非常大。為提高稀有金屬冶金學課程教學效果，引入對比教學法。分析了對比教學在稀有金屬冶金學中應用的可行性，稀有金屬冶金學中可作為對比教學的內容，并從課堂組織方面介紹了保證教學效果的方案。教學實踐表明，對比教學法適合稀有金屬冶金學教學，教學效果顯著提高。

關鍵詞：稀有金屬冶金學；對比教學；鎢鉬；鈦鋯鉿；溶劑萃取；離子交換

稀有金屬冶金學是有色金屬冶金專業重要的骨干課程，作為冶金工程學科的一個分支，主要研究稀有金屬冶金過程原理和工藝。課程的教學目標是培養學生掌握稀有金屬冶金過程的基本原理、基本工藝和相關設備，為工藝優化、資源高效利用及冶金過程環境保護提供理論依據，并為今后工作和學習奠定堅實的理論基礎。在有色金屬分類過程中，一般將地殼中賦存量小、礦床品位及儲量低、提取困難和發現較晚的金屬歸類為稀有金屬。按照中國的慣例，將稀有金屬分為稀有輕金屬、稀有高熔點金屬、稀土金屬和稀散金屬四大類，包含的元素多達59種，覆蓋面非常廣[1]。一直以來，本校稀有金屬冶金學課程的授課對象為有色金屬冶金方向的大三學生，學時為48，按照傳統的教學方法，只能對鎢冶金、鉬冶金和鈦冶金進行講解，沒有多余學時涉及稀土等其它稀有金屬冶金過程。

對比法是文學創作中常用的一種表現手法，把對立或相近的意思或事物放在一起作比較，讓讀者在比較中分清好壞，辨別是非。對比教學即是借鑒文學創作中的對比法，將具有聯系和區別的教學內容放到一起進行對比分析，找出相同和不同之處，使學生在掌握了一個內容之后能夠自然地聯系到另一個內容，并能自行理解和掌握，從而達到預期的教學目的。將教學內容相近或對立的內容聯系起來形成對比，其本質特征在于“比較”、“對照”、“對比”和“參照”，依據一定的標準（內容的或形式的）把彼此之間具有某種聯系的教學材料或教學內容放在一起，加以對比分析，以確定其異同關系，認識其本質差異。從教學內容異同和訓練學生思維的角度，可將對比教學分為兩個類型：求同比較，將相近的知識點放到一起加以比較，找出其共同點和共性，學生利用新知識和舊知識的聯系，溫故知新，加深對舊知識的理解和新知識的認識；求異比較，任何事物之間均存在一定差異，通過比較相近知識點和內容，引導學生揭示其差異，增強對類似規律和內容的區分，同時加強對相關知識點的理解。正確運用對比教學法，不僅可以將新舊知識、事務關系溝通組織起來，而且能夠培提高學生學習興趣，活躍思維，還能創造良好的教學氣氛和秩序，幫助學生分清概念，提高分析水平，獲得規律性認識[2-3]。

一、對比教學可行性

目前使用的教材是1990年冶金工業出版社出版的由李洪桂主編的《稀有金屬冶金學》，主要內容包括鎢鉬冶金、鈦鋯鉿冶金、鉭鈮冶金、稀土金屬冶金，以及高純和致密稀有金屬生產5個部分。由于教材編寫時間較早，內容相對陳舊，與現行生產實踐存在很大差異。例如，含鎢溶液凈化的溶劑萃取工藝，教材只介紹了酸性萃鎢工藝，由于在酸性條件下鎢和主要雜質如磷、砷、硅等可形成雜多酸而同時被萃取，在萃取之前需采用化學法除雜。實際上，近年來隨著鎢工業的蓬勃發展及鎢提取冶金技術的進步，堿性萃鎢工藝已完全成熟，可以在萃取過程中同時實現富集和除雜功能。此外，雖然現在已不用傳統“黑板+粉筆”式的教學方法，而采用幻燈片為主的多媒體教學，但往往只對教材中的工藝和技術等進行逐條講解。這一方面使授課內容枯燥無味；另一方面，授課效率不高，課程內容講述不全。稀有金屬冶金學課程安排了48學時，按照傳統的教學方法，只能對鎢冶金、鉬冶金和鈦冶金進行講解，沒有多余學時涉及稀土等其它稀有金屬及冶金過程。稀有金屬包含59種元素，覆蓋面非常廣。學生的興趣是多樣的，有的對鉬冶金感興趣，有的對鋯、鉿冶金感興趣，有的對稀土冶煉分離過程感興趣，還有不少學生希望了解目前稀有金屬冶金的研究熱點。在有限的教學時間完全滿足所有學生的要求是不現實的，但在教學實踐中發現，大三學生已經具備了一定自學能力，通過前期對無機及元素化學的學習，已經掌握了部分元素的主要性質。

因此，通過元素性質的對比，學生更容易理解和掌握相應稀有金屬的提取原理和工藝。同時，根據稀有金屬的特點，同類稀有金屬中元素的性質相似程度高，不同類稀有金屬元素的冶煉提取工藝及過程差別非常大。因此，在教學過程中選取代表性的金屬講解其提取原理和工藝，針對同類稀有金屬元素冶金過程，分析其元素性質差異，并對比冶煉過程的異同，可使學生更易于掌握同類稀有金屬冶煉工藝、原理和規律，擴展知識面。

二、教學內容選擇

在教學過程中，并不是所有知識點都適于對比教學。用于對比教學的兩個知識點或內容之間要有一定聯系，還應有一定區別，通過對其異同之間的分析，應該能夠揭示其內在的規律。

（一）鎢鉬對比教學[4]

1．鎢鉬性質比較

鎢鉬同屬元素周期表第VI族副族，物理、化學性質相似，具有較高熔點和沸點，屬變價金屬，氧化物均有六價和四價形式，并具有中間氧化物；可溶于堿性溶液形成正鎢酸鹽和鉬酸鹽，隨著溶液pH值的變化，鎢鉬均可發生聚合形成同多酸鹽；在弱酸性及酸性溶液中，可與磷、砷、硅等10余種元素形成雜多酸；氯化物也有相應的二氯化物、三氯化物、四氯化物、五氯化物和六氯化物。鎢鉬的性質有一些細微差別：鎢在自然界中主要以氧化物形式存在，而鉬在自然界中主要以硫化物形式存在，表明鎢親氧而鉬親硫，這也為鎢鉬冶煉過程中的鎢鉬分離提供了基礎。鉬酸在酸性條件下微溶，但可溶于強酸，而鎢酸在強酸條件下也難以溶解。

2．鎢鉬冶煉過程工藝比較

由于鎢鉬化學性質相近，也有一些區別，冶煉工藝有很多相同之處，也有很大的不同。在濕法冶煉過程中，含鎢和鉬的原料都可以采用堿性浸出、凈化除雜（經典化學法、溶劑萃取和離子交換法）工序得到仲鎢（鉬）酸銨，仲鎢（鉬）酸銨經分解后得到的三氧化鎢（鉬），再經氫還原得到金屬鎢（鉬）。由于鎢和鉬在自然界中存在形態的差異，其選礦和冶煉過程又有很大不同。鎢主要以氧化物形式如黑鎢礦（（Fe，Mn）WO4）和白鎢礦（CaWO4）存在，其選別過程主要為重選，浸出過程主要為黑鎢礦或白鎢礦與堿（蘇打和苛性鈉）或酸的分解反應；鉬主要以硫化物形式如輝鉬礦（MoS2）存在，可以采用浮選方法，而且選別效果一般比鎢礦要好。由于鉬酸在強酸性條件下可溶，其浸出工藝通常可采用酸浸出和堿浸出，但其浸出過程通常需要有氧化劑存在（硝酸浸出和堿性條件下高壓氧分解）以氧化輝鉬礦中的硫。同時，由于選別效果較好，得到的輝鉬礦中MoS2含量較高，鉬的冶煉過程通常采用氧化焙燒方式將MoS2氧化為MoO3，直接揮發或再經后續濕法處理得到純鉬的氧化物。

（二）鈦鋯鉿對比教學

鈦、鋯、鉿都屬元素周期表第IV副族元素，也屬稀有高熔點金屬，冶煉過程主要特點是氯化冶金。由于與氧的親和能力較強，鈦、鋯、鉿在自然界中基本都是以氧化物形式存在（TiO2，ZrO2，HfO2，FeTiO3，ZrSiO4，HfSiO4），且它們的金屬都可以在表面形成致密氧化物薄膜，使其在氧化性酸和氧化氣氛中具有很強的耐腐蝕性能。由于與氧的結合能力較強，生產金屬鈦、鋯、鉿較少采用以氧化物直接還原的方法，而是采用其氯化物或氟化物為原料。制備海綿鈦、鋯、鉿的原則流程一般為制備富集鈦、鋯、鉿的氧化物-加碳氯化-精制分離雜質-金屬熱還原-海綿鈦、鋯、鉿。制備鈦氧化物（高鈦渣或富鈦料）的方法有還原熔煉、選擇氯化、還原銹蝕和酸浸法。鋯和鉿經常伴生，鋯英石是制備鋯、鉿產品的主要原料，其分解方法有苛性鈉、蘇打、石灰或碳酸鈣燒結，燒結產物水解法制備氧化鋯（鉿）。也可與硅氟酸鉀融合得到氟鋯（鉿）酸鉀，氟鋯（鉿）酸鉀直接還原制備金屬鋯、鉿，還可將鋯英石用炭還原制備碳化鋯（鉿）作為加碳氯化的原料，加碳氯化后得到的粗四氯化鈦、四氯化鋯、四氯化鉿，通常采用精餾方法得到純四氯化鈦（鋯、鉿），而純四氯化鈦（鋯、鉿）一般采用金屬鎂還原得到海綿鈦（鋯、鉿）。由于鋯、鉿經常伴生，鋯英石中Hf/Zr達到22.5%，而原子能工業中使用的鋯，要求其中的Hf<0.01%。因此，在鋯（鉿）生產過程中，必須將鋯、鉿分離，其分離方法有溶劑萃取法、離子交換法以及火法精餾和蒸餾法。

（三）稀有金屬提取分離技術對比

稀有金屬提取分離過程中常用的技術手段有浸出沉淀、溶劑萃取和離子交換等，各種分離技術之間有一定的聯系和區別，每一種技術手段不斷發展，各種分離技術之間及同一種分離技術的發展，都可以采用對比法講解其聯系和區別。

1．溶劑萃取和離子交換

在稀有金屬特別是鎢、鉬分離、富集和轉型過程中，溶劑萃取和離子交換是最常用的技術手段。溶劑萃取和離子交換都是利用溶液中的離子與萃取劑或離子交換劑上功能基團親和能力的差異，功能基團優先萃取或吸附與之親和力大的離子，從而實現溶液中各離子的分離和富集。溶劑萃取和離子交換劑，可以按功能基團可交換離子種類進行大致分類，可交換陽離子的是酸性萃取劑和酸性陽離子交換樹脂，可交換陰離子的是堿性萃取劑和堿性陰離子陰離子交換樹脂。在鎢鉬冶金中常用的是堿性陰離子交換樹脂和堿性萃取劑。采用溶劑萃取和離子交換均可實現浸出液中鎢和鉬的分離、富集和轉型，但由于各自工藝過程特點和差異，溶劑萃取和離子交換各有優缺點。離子交換的優點：能直接處理從堿分解得到的堿性料液而無需調酸，轉型的同時除去P、As、Si等雜質，除雜效果好，鎢回收率高，流程短；離子交換的缺點：交換速度慢，不適合處理濃溶液，需要對浸出液進行稀釋。溶劑萃取的優點：萃取速度快，平衡時間短，流程短，金屬回收率高；溶劑萃取的缺點：萃取劑易乳化和揮發損失，由于有機相易燃易爆，對設備和安全要求高，需要各項防火防爆等措施。因此，針對離子交換和溶劑萃取各自的優缺點，可將其分別應用于不同領域。

2．溶劑萃取技術進步

在含鎢溶液凈化的溶劑萃取過程中，由于在酸性條件下（pH<6）鎢酸根可以聚合形成仲鎢酸根和偏鎢酸根，提高整個聚合陰離子中鎢原子數和陰離子價數的比值，可以提高萃取交換容量。因此，原來一直采用酸性條件下弱堿性萃取劑萃取分離鎢工藝。但是，由于在酸性條件下鎢和主要雜質如磷、砷、硅等可形成雜多酸而同時被萃取，因而，在萃取之前需要預先采用化學法除雜。同時，為了保證鎢的浸出率，浸出液中通常含有大量的游離堿，在酸性條件下萃取必須消耗大量的無機酸以中和游離堿，使得溶劑萃取工藝流程變長，成本增加。近年來，中南大學開發出了堿性萃鎢新工藝，即采用季銨鹽在強堿性條件下直接萃鎢。此工藝雖然降低了萃取劑的萃取容量，但能在轉型的同時有效除去磷、砷、硅等雜質，并無需調酸和稀釋，具有流程短、堿耗低、水耗少及無大量含鈉廢水等優點，是一種極具工業應用前景的工藝，在國內得到了推廣[5]。

三、對比教學的課堂教學組織

對比教學的成功取決于教師和學生的共同努力，需要教學雙方積極參與和配合。要使學生深刻理解對比內容的聯系和區別，除了要求教師在課前認真備課，熟練掌握對比內容，還要求學生積極參與。針對上述對比教學內容，采取了以下教學途徑，以保證對比教學的效果。一是課前預習。在對比教學內容之前，要求學生對將要學習的內容進行預習，并針對對比內容布置一定的思考題，啟發學生獨立思考。讓學生熟悉相關內容，為后續課堂對比內容的討論奠定基礎。二是課堂講解和討論。進入對比課堂教學后，簡要介紹相關知識點，組織學生對相關內容進行討論，由教師總結相關內容的區別和聯系。例如，鎢鉬冶金教學過程中，先由教師對鎢鉬的物理化學性質進行簡要介紹，然后組織學生對鎢鉬化學性質的相似和區別進行討論，并對討論結果進行記錄。討論結束后，由學生整理鎢鉬物理化學性質的異同，教師進行補充和總結。由于最終的結論是討論的結果，學生對鎢鉬性質的區別和聯系印象比較深刻。

在后續鎢鉬冶煉工藝的授課過程中，由于學生掌握了鎢鉬性質的差異，可將鎢鉬的冶煉工藝一起講解，以鎢為主，以鉬為輔。通過對比和討論，加深學生對鎢鉬冶煉工藝的印象和理解，以及冶煉工藝的聯系和區別，以相對較少的課時達到了較好的教學效果。

參考文獻：

[1]王明玉，王學文.《稀有金屬冶金學》教學與實踐[J].湖北函授大學學報，2014，27（1）：127.

[2]李運模.比較教學法論略[J].中南民族大學學報：人文社會科學版，2000，20（3）：125-127.

[3]陳時見.比較教學論[M].南昌：江西教育出版社，1996：271-279.

[4]李洪桂.稀有金屬冶金學[M].北京：冶金工業出版社，1990：6-101.

[5]柯兆華，張貴清，關文娟，等.季銨鹽從堿性鎢酸鈉溶液中萃取鎢的研究[J].稀有金屬與硬質合金，2012（6）：1-4.

作者:向小艷 尹建國 楊文強 夏文堂 袁曉麗 單位:重慶科技學院