对比教学法在稀有金属冶金学中的运用范文

摘要：稀有金属涉及元素多，覆盖面非常广，同类稀有金属中元素的性质相似程度高，不同类稀有金属元素冶炼提取工艺及过程差别非常大。为提高稀有金属冶金学课程教学效果，引入对比教学法。分析了对比教学在稀有金属冶金学中应用的可行性，稀有金属冶金学中可作为对比教学的内容，并从课堂组织方面介绍了保证教学效果的方案。教学实践表明，对比教学法适合稀有金属冶金学教学，教学效果显著提高。

关键词：稀有金属冶金学；对比教学；钨钼；钛锆铪；溶剂萃取；离子交换

稀有金属冶金学是有色金属冶金专业重要的骨干课程，作为冶金工程学科的一个分支，主要研究稀有金属冶金过程原理和工艺。课程的教学目标是培养学生掌握稀有金属冶金过程的基本原理、基本工艺和相关设备，为工艺优化、资源高效利用及冶金过程环境保护提供理论依据，并为今后工作和学习奠定坚实的理论基础。在有色金属分类过程中，一般将地壳中赋存量小、矿床品位及储量低、提取困难和发现较晚的金属归类为稀有金属。按照中国的惯例，将稀有金属分为稀有轻金属、稀有高熔点金属、稀土金属和稀散金属四大类，包含的元素多达59种，覆盖面非常广[1]。一直以来，本校稀有金属冶金学课程的授课对象为有色金属冶金方向的大三学生，学时为48，按照传统的教学方法，只能对钨冶金、钼冶金和钛冶金进行讲解，没有多余学时涉及稀土等其它稀有金属冶金过程。

对比法是文学创作中常用的一种表现手法，把对立或相近的意思或事物放在一起作比较，让读者在比较中分清好坏，辨别是非。对比教学即是借鉴文学创作中的对比法，将具有联系和区别的教学内容放到一起进行对比分析，找出相同和不同之处，使学生在掌握了一个内容之后能够自然地联系到另一个内容，并能自行理解和掌握，从而达到预期的教学目的。将教学内容相近或对立的内容联系起来形成对比，其本质特征在于“比较”、“对照”、“对比”和“参照”，依据一定的标准（内容的或形式的）把彼此之间具有某种联系的教学材料或教学内容放在一起，加以对比分析，以确定其异同关系，认识其本质差异。从教学内容异同和训练学生思维的角度，可将对比教学分为两个类型：求同比较，将相近的知识点放到一起加以比较，找出其共同点和共性，学生利用新知识和旧知识的联系，温故知新，加深对旧知识的理解和新知识的认识；求异比较，任何事物之间均存在一定差异，通过比较相近知识点和内容，引导学生揭示其差异，增强对类似规律和内容的区分，同时加强对相关知识点的理解。正确运用对比教学法，不仅可以将新旧知识、事务关系沟通组织起来，而且能够培提高学生学习兴趣，活跃思维，还能创造良好的教学气氛和秩序，帮助学生分清概念，提高分析水平，获得规律性认识[2-3]。

一、对比教学可行性

目前使用的教材是1990年冶金工业出版社出版的由李洪桂主编的《稀有金属冶金学》，主要内容包括钨钼冶金、钛锆铪冶金、钽铌冶金、稀土金属冶金，以及高纯和致密稀有金属生产5个部分。由于教材编写时间较早，内容相对陈旧，与现行生产实践存在很大差异。例如，含钨溶液净化的溶剂萃取工艺，教材只介绍了酸性萃钨工艺，由于在酸性条件下钨和主要杂质如磷、砷、硅等可形成杂多酸而同时被萃取，在萃取之前需采用化学法除杂。实际上，近年来随着钨工业的蓬勃发展及钨提取冶金技术的进步，碱性萃钨工艺已完全成熟，可以在萃取过程中同时实现富集和除杂功能。此外，虽然现在已不用传统“黑板+粉笔”式的教学方法，而采用幻灯片为主的多媒体教学，但往往只对教材中的工艺和技术等进行逐条讲解。这一方面使授课内容枯燥无味；另一方面，授课效率不高，课程内容讲述不全。稀有金属冶金学课程安排了48学时，按照传统的教学方法，只能对钨冶金、钼冶金和钛冶金进行讲解，没有多余学时涉及稀土等其它稀有金属及冶金过程。稀有金属包含59种元素，覆盖面非常广。学生的兴趣是多样的，有的对钼冶金感兴趣，有的对锆、铪冶金感兴趣，有的对稀土冶炼分离过程感兴趣，还有不少学生希望了解目前稀有金属冶金的研究热点。在有限的教学时间完全满足所有学生的要求是不现实的，但在教学实践中发现，大三学生已经具备了一定自学能力，通过前期对无机及元素化学的学习，已经掌握了部分元素的主要性质。

因此，通过元素性质的对比，学生更容易理解和掌握相应稀有金属的提取原理和工艺。同时，根据稀有金属的特点，同类稀有金属中元素的性质相似程度高，不同类稀有金属元素的冶炼提取工艺及过程差别非常大。因此，在教学过程中选取代表性的金属讲解其提取原理和工艺，针对同类稀有金属元素冶金过程，分析其元素性质差异，并对比冶炼过程的异同，可使学生更易于掌握同类稀有金属冶炼工艺、原理和规律，扩展知识面。

二、教学内容选择

在教学过程中，并不是所有知识点都适于对比教学。用于对比教学的两个知识点或内容之间要有一定联系，还应有一定区别，通过对其异同之间的分析，应该能够揭示其内在的规律。

（一）钨钼对比教学[4]

1．钨钼性质比较

钨钼同属元素周期表第VI族副族，物理、化学性质相似，具有较高熔点和沸点，属变价金属，氧化物均有六价和四价形式，并具有中间氧化物；可溶于碱性溶液形成正钨酸盐和钼酸盐，随着溶液pH值的变化，钨钼均可发生聚合形成同多酸盐；在弱酸性及酸性溶液中，可与磷、砷、硅等10余种元素形成杂多酸；氯化物也有相应的二氯化物、三氯化物、四氯化物、五氯化物和六氯化物。钨钼的性质有一些细微差别：钨在自然界中主要以氧化物形式存在，而钼在自然界中主要以硫化物形式存在，表明钨亲氧而钼亲硫，这也为钨钼冶炼过程中的钨钼分离提供了基础。钼酸在酸性条件下微溶，但可溶于强酸，而钨酸在强酸条件下也难以溶解。

2．钨钼冶炼过程工艺比较

由于钨钼化学性质相近，也有一些区别，冶炼工艺有很多相同之处，也有很大的不同。在湿法冶炼过程中，含钨和钼的原料都可以采用碱性浸出、净化除杂（经典化学法、溶剂萃取和离子交换法）工序得到仲钨（钼）酸铵，仲钨（钼）酸铵经分解后得到的三氧化钨（钼），再经氢还原得到金属钨（钼）。由于钨和钼在自然界中存在形态的差异，其选矿和冶炼过程又有很大不同。钨主要以氧化物形式如黑钨矿（（Fe，Mn）WO4）和白钨矿（CaWO4）存在，其选别过程主要为重选，浸出过程主要为黑钨矿或白钨矿与碱（苏打和苛性钠）或酸的分解反应；钼主要以硫化物形式如辉钼矿（MoS2）存在，可以采用浮选方法，而且选别效果一般比钨矿要好。由于钼酸在强酸性条件下可溶，其浸出工艺通常可采用酸浸出和碱浸出，但其浸出过程通常需要有氧化剂存在（硝酸浸出和碱性条件下高压氧分解）以氧化辉钼矿中的硫。同时，由于选别效果较好，得到的辉钼矿中MoS2含量较高，钼的冶炼过程通常采用氧化焙烧方式将MoS2氧化为MoO3，直接挥发或再经后续湿法处理得到纯钼的氧化物。

（二）钛锆铪对比教学

钛、锆、铪都属元素周期表第IV副族元素，也属稀有高熔点金属，冶炼过程主要特点是氯化冶金。由于与氧的亲和能力较强，钛、锆、铪在自然界中基本都是以氧化物形式存在（TiO2，ZrO2，HfO2，FeTiO3，ZrSiO4，HfSiO4），且它们的金属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气氛中具有很强的耐腐蚀性能。由于与氧的结合能力较强，生产金属钛、锆、铪较少采用以氧化物直接还原的方法，而是采用其氯化物或氟化物为原料。制备海绵钛、锆、铪的原则流程一般为制备富集钛、锆、铪的氧化物-加碳氯化-精制分离杂质-金属热还原-海绵钛、锆、铪。制备钛氧化物（高钛渣或富钛料）的方法有还原熔炼、选择氯化、还原锈蚀和酸浸法。锆和铪经常伴生，锆英石是制备锆、铪产品的主要原料，其分解方法有苛性钠、苏打、石灰或碳酸钙烧结，烧结产物水解法制备氧化锆（铪）。也可与硅氟酸钾融合得到氟锆（铪）酸钾，氟锆（铪）酸钾直接还原制备金属锆、铪，还可将锆英石用炭还原制备碳化锆（铪）作为加碳氯化的原料，加碳氯化后得到的粗四氯化钛、四氯化锆、四氯化铪，通常采用精馏方法得到纯四氯化钛（锆、铪），而纯四氯化钛（锆、铪）一般采用金属镁还原得到海绵钛（锆、铪）。由于锆、铪经常伴生，锆英石中Hf/Zr达到22.5%，而原子能工业中使用的锆，要求其中的Hf<0.01%。因此，在锆（铪）生产过程中，必须将锆、铪分离，其分离方法有溶剂萃取法、离子交换法以及火法精馏和蒸馏法。

（三）稀有金属提取分离技术对比

稀有金属提取分离过程中常用的技术手段有浸出沉淀、溶剂萃取和离子交换等，各种分离技术之间有一定的联系和区别，每一种技术手段不断发展，各种分离技术之间及同一种分离技术的发展，都可以采用对比法讲解其联系和区别。

1．溶剂萃取和离子交换

在稀有金属特别是钨、钼分离、富集和转型过程中，溶剂萃取和离子交换是最常用的技术手段。溶剂萃取和离子交换都是利用溶液中的离子与萃取剂或离子交换剂上功能基团亲和能力的差异，功能基团优先萃取或吸附与之亲和力大的离子，从而实现溶液中各离子的分离和富集。溶剂萃取和离子交换剂，可以按功能基团可交换离子种类进行大致分类，可交换阳离子的是酸性萃取剂和酸性阳离子交换树脂，可交换阴离子的是碱性萃取剂和碱性阴离子阴离子交换树脂。在钨钼冶金中常用的是碱性阴离子交换树脂和碱性萃取剂。采用溶剂萃取和离子交换均可实现浸出液中钨和钼的分离、富集和转型，但由于各自工艺过程特点和差异，溶剂萃取和离子交换各有优缺点。离子交换的优点：能直接处理从碱分解得到的碱性料液而无需调酸，转型的同时除去P、As、Si等杂质，除杂效果好，钨回收率高，流程短；离子交换的缺点：交换速度慢，不适合处理浓溶液，需要对浸出液进行稀释。溶剂萃取的优点：萃取速度快，平衡时间短，流程短，金属回收率高；溶剂萃取的缺点：萃取剂易乳化和挥发损失，由于有机相易燃易爆，对设备和安全要求高，需要各项防火防爆等措施。因此，针对离子交换和溶剂萃取各自的优缺点，可将其分别应用于不同领域。

2．溶剂萃取技术进步

在含钨溶液净化的溶剂萃取过程中，由于在酸性条件下（pH<6）钨酸根可以聚合形成仲钨酸根和偏钨酸根，提高整个聚合阴离子中钨原子数和阴离子价数的比值，可以提高萃取交换容量。因此，原来一直采用酸性条件下弱碱性萃取剂萃取分离钨工艺。但是，由于在酸性条件下钨和主要杂质如磷、砷、硅等可形成杂多酸而同时被萃取，因而，在萃取之前需要预先采用化学法除杂。同时，为了保证钨的浸出率，浸出液中通常含有大量的游离碱，在酸性条件下萃取必须消耗大量的无机酸以中和游离碱，使得溶剂萃取工艺流程变长，成本增加。近年来，中南大学开发出了碱性萃钨新工艺，即采用季铵盐在强碱性条件下直接萃钨。此工艺虽然降低了萃取剂的萃取容量，但能在转型的同时有效除去磷、砷、硅等杂质，并无需调酸和稀释，具有流程短、碱耗低、水耗少及无大量含钠废水等优点，是一种极具工业应用前景的工艺，在国内得到了推广[5]。

三、对比教学的课堂教学组织

对比教学的成功取决于教师和学生的共同努力，需要教学双方积极参与和配合。要使学生深刻理解对比内容的联系和区别，除了要求教师在课前认真备课，熟练掌握对比内容，还要求学生积极参与。针对上述对比教学内容，采取了以下教学途径，以保证对比教学的效果。一是课前预习。在对比教学内容之前，要求学生对将要学习的内容进行预习，并针对对比内容布置一定的思考题，启发学生独立思考。让学生熟悉相关内容，为后续课堂对比内容的讨论奠定基础。二是课堂讲解和讨论。进入对比课堂教学后，简要介绍相关知识点，组织学生对相关内容进行讨论，由教师总结相关内容的区别和联系。例如，钨钼冶金教学过程中，先由教师对钨钼的物理化学性质进行简要介绍，然后组织学生对钨钼化学性质的相似和区别进行讨论，并对讨论结果进行记录。讨论结束后，由学生整理钨钼物理化学性质的异同，教师进行补充和总结。由于最终的结论是讨论的结果，学生对钨钼性质的区别和联系印象比较深刻。

在后续钨钼冶炼工艺的授课过程中，由于学生掌握了钨钼性质的差异，可将钨钼的冶炼工艺一起讲解，以钨为主，以钼为辅。通过对比和讨论，加深学生对钨钼冶炼工艺的印象和理解，以及冶炼工艺的联系和区别，以相对较少的课时达到了较好的教学效果。

参考文献：

[1]王明玉，王学文.《稀有金属冶金学》教学与实践[J].湖北函授大学学报，2014，27（1）：127.

[2]李运模.比较教学法论略[J].中南民族大学学报：人文社会科学版，2000，20（3）：125-127.

[3]陈时见.比较教学论[M].南昌：江西教育出版社，1996：271-279.

[4]李洪桂.稀有金属冶金学[M].北京：冶金工业出版社，1990：6-101.

[5]柯兆华，张贵清，关文娟，等.季铵盐从碱性钨酸钠溶液中萃取钨的研究[J].稀有金属与硬质合金，2012（6）：1-4.

作者:向小艳 尹建国 杨文强 夏文堂 袁晓丽 单位:重庆科技学院