基础无机化学教学中“f区元素”是元素化学中一个特殊的区，包含镧系与锕系元素两个系列，共30种元素。纵观过往教材，虽然是单列讲授，但其内容与新时代课程“高阶性、创新性和挑战度”的要求相比尚有差距，需要进行较大更新。近年来，我们以立德树人为导向、以专业引领为中心、思政教育为重，对该课程已有教学体系进行了重构和完善，使之更有利于实践“以学生发展为中心”的教学理念，提高基础无机化学的教学质量。
1 对f区元素内容的重新认识
(1) 课时安排。f区元素包含镧系元素与锕系元素两个系列，共30种元素，独立地构成了两大平行系列，按排满七个周期的周期表计算元素总数(共计118种)，镧系元素与锕系元素的总数占总元素的四分之一；按电子结构分区(s区，p区，d区，ds区，f区)，f区占到五分之一。然而，课时安排往往只有2学时。随着科学研究的不断发展，两系元素化学内容的不断丰富，显然课时是不够的。
图1
图2
(3) 能力培养。课程设计中所学知识与工业生产、社会经济发展的联系不足。①内容往往停留在“证据推理与模型认知”维度[13]，落脚在提高认知能力、注意力和记忆力方面，无法完全达到当今大学教学的根本目的——培养学生的理解力、思考力和判断力以及激发创造能力，即“启智”；②不能有效将原理、概念和基础知识与实际应用关联，突出应用性不够；例如，两系列元素的矿物提取、元素分离等技术，严重缺少，以至于学生不能做到学以致用，生产实习中看不懂工厂的生产流程；不能将元素性质与结构相联系(即探究构效关系)，无法联系原理和性质，达到在工业生产中的应用。所以在课程中，添加相关材料简介，如单分子磁体材料、荧光材料、激光材料、储氢、超导等材料[14–18]是必要的(图 3)。
图3
(4) 素质培养。课堂设计的教育功能不足。①学生应用哲学思想和批判性思维不明显、培养学生建立起科学研究方法不够突出。科学的最高境界是哲学思想的体现，哲学可为自然科学家提供研究的思维和准则。例如，缺乏镧系理论[19]和锕系理论[20]的建立背景；“f区元素定义争论”同样是典型的教例[21–23]。②课程中的思政教育元素、科学家的献身精神、中国科学家对世界科学发展的巨大贡献等因素挖掘得不够充分，没有很好地体现“专业与思政同向同行”的理念。在镧系元素的课程设计中，没有体现中国稀土矿储量大、用途广等特点，特别是没有充分体现徐光宪院士及其团队克服巨大艰辛，经过半个多世纪的努力，实现串级萃取理论在工业实践中的成功应用[24–29]。该理论不仅解决了稀土分离的核心技术，更是打破了美国对稀土的垄断，形成了对国际稀土界的“中国冲击”，把我国从稀土资源大国发展为稀土生产和应用强国。在锕系元素的课程设计中，同样没有充分展示中国核工业的发展及中国科学家做出的杰出贡献[30–35]。
显而易见，过往f区元素课程内容设计中存在一定的不足，可以进行相应的更新。
2 对f区元素课程设计的重构探索和建议
2.1 重构和完善教学课程新体系的基本思想
突出“高阶性、创新性和挑战度”，做好“知识-能力-素质有机融合”是实现“以学生发展为中心”理念，提高课程设计质量的基本思想。建议以实施“高阶性”作为重点突破方向，将知识模块做到完整、系统、科学；内容做到实、深、厚，把最新研究成果引入教学内容；能力训练做到“知其然又知其所以然”，进而达到“学以致用”。强调“启智”，突出培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维，强调科学素质养成、道德素质增长，强调具有哲学思想和批判性思维、懂得并明白如何建立自己的科学研究方法，具有科学家的献身精神，树立起社会主义的世界观、价值观、人生观。
如何做到以及如何实现上述目标，关键是新的课程设计如何能在教学中体现出“学习化、多样化、个性化、现代化”4个特征，能给学生一个先进的、厚实的、宽松的、朝气蓬勃的“想学、爱学、善于学”的空间和平台，注重培养科学思辨能力，做好“最后一公里”。
2.2 建议“f区元素”课程设计结构重组
表1 f区元素教学模块的建议内容
| 模块单元 | 内容布局及核心点 | 讲授设计策略 | 主要设计特点 |
| 1. 稀土元素概述(1学时) | 内容：稀土元素和镧系元素的概念；稀土元素的发现和命名；稀土元素在自然界中的存在；稀土元素资源的分布及我国的稀土资源；稀土元素的一般性质 核心点：稀土元素和镧系元素的概念；我国的稀土资源及特点；稀土元素的一般性质 | 前三个内容为线上提供资料学生自学；略讲我国的稀土资源及特点；详讲稀土元素的一般性质(从电子结构及成键讲述价态、原子半径和离子半径、离子的颜色等规律性或周期性特点)；全面介绍稀土元素一般性质的规律性、典型化学反应、晶体结构的多样性、制备技术 | 线上线下混合；依据课时安排张弛有度；有例题、思考题启发学生思考、交流；尽量精制表、彩图穿插，利于科学解析和阐释及课件制作；提供充足的参考文献，注重及时引入最新研究成果 |
| 历史事件回顾1)：混合稀土的分组命名 历史事件回顾2)：有关f区元素定义的争论仍在继续 | 专题讲座 专题讲座 | 提高科学思辨能力，吸收化学史的营养 | |
| 2. 稀土元素的光谱性质和磁学性质 (0.5学时) | 内容：稀土元素的光谱性质；物质的磁性 核心点：镧系离子的电子构型及基态光谱项；稀土金属的磁性特性 | 线上提供资料，课堂明晰概念：从镧系离子的电子构型及基态光谱项，引出有重要用途的镧系三价离子的能级和吸收光谱；从稀土元素离子的磁矩引出稀土金属的磁性及其与d过渡元素磁性的对比。目的在于讲清楚“构效关系” | 不是基础课核心内容，将光谱性质和磁学性质放在一起，注重概念和特点，为后面应用打基础，保持知识的连续性和科学性。目的使学生清楚“学以致用” |
| 3. 镧系元素的重要化合物(0.5学时) | 内容：氧化数为+3的化合物；氧化数为+2和+4的化合物；纳米稀土氧化物 核心点：重要稀土化合物(卤化物、硝酸盐、硫酸盐、草酸盐、碳酸盐、磷酸盐、高氯酸盐)；氧化物及氢氧化物；几种重要的纳米稀土氧化物 | 重点知识详讲：物理性质、化学性质的某些规律性、制备及应用基础。提倡“发散思维” | 注重从表、图中获得信息，理出头绪；提供充足的参考文献 |
| 4. 稀土元素配位化学简介(1学时) | 内容：稀土元素结构化学；稀土元素配位化学简介；稀土配合物的一般合成；稀土配合物的热力学性质；稀土与无机配体生成的配合物；稀土与大环配体及其开链类似物生成的配合物；稀土生物配合物 核心点：稀土元素结构化学；稀土元素配位化学简介 | 重点知识讲解保持张弛有度：尝试将结构化学和配位化学放在一个模块，基本内容偏重基础，适当扩充知识深度和宽度；稀土元素配位化学是在学生已有“配位化学知识基础”上学习，扩充应用范围，体现“高阶性” | 不是基础课核心内容，注重概念和特点，为后面应用打基础，保持知识的连续性和科学性。注重利用结构数据和热力学数据对问题的阐释 |
| 5. 稀土元素的提取(0.5学时) | 内容：提取稀土元素的概况；提取稀土元素的工业原料；稀土精矿的分解；稀土元素的化学法分离；稀土元素的离子交换法分离；稀土元素的溶剂萃取法分离 核心点：稀土精矿的分解；稀土元素的主要分离方法概述 | 重点知识详讲：我国稀土不光是资源储量世界第一，而且在资源开发和工业生产中的理论、工程技术也是独占鳌头。尽力突出中国科学家对世界科学进步的贡献，利于体现一个国家、一个民族的价值观体系功能，激起学生的爱国情怀 | 重点以典型的稀土矿为例讲解矿物分解原理、工艺、生产；以无机元素分离方法为基础，突出工业离子交换法和溶剂萃取法分离应用；提高学生的知识应用能力 |
| 历史事件回顾3)：徐光宪发展串级萃取理论 | 线上提供资料+专题讲座：突出中国稀土20世纪70年代对国际稀土界形成“中国冲击”，是北京大学徐光宪院士等提出的串级萃取理论及工业实践 | 突出中国科学家的贡献，学习老一辈科学家的敬业精神和爱国情怀，学习理论联系实际的研究作风、科学研究方法；将专业与思政有机结合，提高教材质量 | |
| 6. 稀土元素的应用简介(0.5学时) | 内容：磁性材料；荧光、激光材料；玻璃陶瓷材料；贮氢、超导材料；在冶金工业、催化、农业、医药中的应用 核心点：光、电、磁性质在先进功能材料中的应用 | 线上提供丰富资料，学生自学；提示注重构效关系、新型材料应用 | 以文献索引引导学生自主学习、认真思考(设置思考题) |
| 7. 锕系元素简介(1学时) | 内容：锕系元素的概念；锕系元素的一般性质；锕系元素的几种重要反应；锕系元素的几种重要化合物；锕系元素的分离；锕系元素的应用和毒性 核心点：一般性质；重要反应；重要化合物；锕系元素的分离、应用 | 线上提供丰富资料，学生自学；课堂重点知识详讲，构架锕系元素知识的完整性 | 以对照镧系元素特征规律的方式揭示锕系元素与镧系元素的异同和特点 |
建议整体课程设计内容应注意：
1) 在知识的饱满性、系统性、科学性上进行“知识-能力-素质有机融合”是关键。首先要给学生提供一个获得知识“实、深、厚”的平台，创造一个能够实现“以学生发展为中心”的游泳池。因此，适当扩充知识宽度和深度，全程引入最新研究成果于教学内容，强调知识的相关性和学科融合作用，争取做到“高阶性、创新性和挑战度”，引导学生“想学、爱学、善于学”，激发学生强烈求知欲。
2) 促进综合能力和高级思维活动必须采用让学生线上线下共同学习的学习方法(提供直接相关的足量彩色教学用图和文献)，教师主导、学生为主体，课堂上采用启发式、讨论式、范例式等多种教学方法展开学习。这种互动性的方式会让课程更有灵气，师生之间出现闪光点。闪光点的出现说明大家都在真正地思考，从而会产生出创新点，是促进学生自主学习的好方法。与学生互动产生“闪光点”，才能体现“知识-能力-素质有机融合”。
3) 虽然建议课时为5学时，但可根据具体教情在3–5学时完成。关键是讲述和引导相结合，线上和线下相结合，充分发挥学生主动学习的积极性。
3 结语
1) 出于对过往基础无机化学f区元素内容的剖析，对课程设计提出了内容重构建议。总体内容丰富，能够体现“高阶性、创新性和挑战度”的要求，有利于教师备课和学生自主学习。
2) 在内容结构的重新构建中，注意体现设计中“专业与思政同向同行”的理念，充分挖掘典型范例：化学史和背景的了解、科学家献身精神的学习、科学思维、方法和哲学思想培养、中华民族爱国情怀增强和社会主义三观的建立，都与专业水平提升相交融。
3) 以这样的研究思路编写的《f区元素》教材，已作为“无机化学探究式丛书”一个分册正在科学出版社加工出版。
参考文献
DOI:10.1002/anie.201907763 [本文引用: 1]
