关键原材料作为化学教育中的社会科学问题：来自欧盟和美国的比较案例

《Journal of Chemical Education》：Critical Raw Materials as a Socioscientific Issue in Chemistry Education: Comparative Cases from the European Union and the United States

关键原材料教育实践与数字学习环境在欧盟及美国化学课程中的应用研究。摘要：本研究分析了欧盟和美国关键原材料（CRMs）在中学及大学化学教育中的教学实践，采用数字学习平台结合角色扮演和小组讨论，显著提升了学生对该议题的认知与兴趣，强调了其在可持续发展教育中的重要性。

　　在当今快速发展的世界中，原材料的供应状况已成为各国经济安全和可持续发展的重要议题。无论是在发达国家还是在发展中国家，原材料的获取和使用都深刻影响着工业生产、技术创新以及日常生活。特别是随着全球对清洁能源、数字化技术、可持续交通等领域的重视，某些原材料因其稀缺性、地理分布不均或供应链脆弱性而被认定为“关键原材料”（Critical Raw Materials, CRMs）。这种关键性不仅体现在经济层面，还涉及环境、社会和政治等多个维度。因此，将关键原材料纳入化学教育中，成为培养未来科学家和社会公民综合素养的重要途径。

在德国的高中教育和美国的大学化学课程中，关键原材料这一主题已被尝试融入教学实践。这些教学活动基于数字学习环境，利用H5P等工具构建了互动性强、内容丰富的学习资源。德国的案例中，教学设计围绕关键原材料的经济重要性和供应风险展开，通过小组协作、角色扮演和课堂讨论等方式，使学生能够从多个角度理解原材料在现代技术中的作用及其潜在风险。美国的案例则更加注重学生的主动参与和批判性思维的培养，通过模拟真实世界的利益相关者角色，引导学生思考如何应对原材料供应的不确定性。

在德国的高中教学中，学习环境采用了H5P平台，创建了一个基于欧盟2023年报告的散点图，展示了关键原材料的经济重要性和供应风险。图中包含30个信息点，每个点代表一种原材料或材料组，例如锂、钴、稀土元素等。这些信息点的位置反映了原材料在欧盟经济中的重要性以及其供应可能受到的干扰程度。学生点击每个信息点后，可以查看简短的图文说明，内容涵盖原材料的来源、应用、关键性原因以及替代品或回收的可能性。这种结构化信息不仅帮助学生理解原材料在日常生活中的使用，还使他们能够评估进口依赖性及其对欧盟经济的影响。

教学活动共分为五个课时，每课时45分钟。课程首先引入关键原材料的概念，随后采用“拼图活动”（Jigsaw method）的方式，让学生通过小组合作和相互教学来深化对内容的理解。在这一过程中，学生被分配了与日常生活和可持续发展相关的“物品”：智能手机、电动汽车、风力涡轮机、太阳能板和LED灯。这些物品为学生提供了联系实际生活的契机，使他们能够认识到关键原材料的重要性不仅限于科学领域，还涉及社会和经济层面。通过屏幕上的学习环境，学生被要求识别与这些物品相关的关键原材料，并填写表格，列出这些原材料的名称。他们还需要总结这些原材料为何被视为关键，以及是否存在替代品或回收的可能性。在收集完信息后，学生组成混合小组，向其他学习者进行2小时的成果展示。

在第三到第五课时，教学引入了角色扮演的小组讨论环节。这一环节类似于拼图活动，通过模拟不同利益相关者之间的对话，使学生能够从多个视角探讨关键原材料的使用和应对措施。学生被分配了不同的角色：手机行业代表、环保组织成员、矿工和普通公众。他们需要为自己的角色提出支持和反对的论点，涵盖环境影响、成本效益、工作条件和生态因素等方面。通过这样的讨论，学生不仅能够理解关键原材料的使用带来的挑战，还能够思考如何通过研究替代品、改善回收体系和鼓励个人参与回收等方式降低供应风险。

在德国的案例中，教学活动覆盖了两个年级：九年级（N=44，年龄15-16岁）和十一年级（N=35，年龄17-18岁）。为了收集学生反馈，研究者使用了问卷调查，结合了李克特量表和三个开放式问题。结果显示，学生普遍认为该主题具有吸引力和教育价值。尽管大多数学生表示此前从未听说过关键原材料的概念，但在学习之后，他们感到更加有兴趣并认识到这一主题的重要性。超过一半的学生表示他们现在对关键原材料的含义有了更深入的理解。此外，一些学生希望增加更多关于关键原材料的学习机会，并扩展相关的信息内容。值得注意的是，相较于九年级学生，十一年级学生对关键原材料的重视程度更高，这表明随着教育水平的提升，学生对这一主题的理解和兴趣也在逐步加深。

在德国的案例中，学生反馈表明，学习环境在提升他们对关键原材料供应风险的认识方面具有积极作用。他们能够通过图文信息，了解原材料在现代技术中的应用，同时认识到这些材料的稀缺性和供应链的脆弱性。这种学习方式不仅有助于学生掌握科学知识，还能够培养他们的沟通能力和批判性思维能力。通过小组讨论和角色扮演，学生能够在互动中探索不同的观点，并学会从多角度评估原材料使用带来的影响。

在美国的大学教学案例中，研究者基于美国地质调查局（USGS）2022年的报告，构建了一个类似的数字学习环境。学习环境中的散点图展示了关键原材料的供应风险和经济脆弱性，采用美国报告中的术语进行标注。该图中包含54种关键原材料，这些原材料根据其全球供应来源、关键性程度和经济相关性进行了分类。每个关键原材料都有一个信息按钮，点击后会打开专门的页面，详细介绍其分类、供应来源、关键性原因以及替代品或回收的可能性。此外，原材料在图表上被用蓝色到红色的渐变色进行标记，反映了其供应风险的高低。这种视觉化设计有助于学生直观地理解原材料的供应状况，并识别其对经济和环境的影响。

教学活动涉及699名美国大学本科生，他们被随机分配到不同的学习主题和利益相关者角色。学习主题包括电动汽车、太阳能板、风力涡轮机、智能手机和LED灯等，而角色则包括环保活动家、工业专家、矿产公司代表和政府官员。学生通过数字平台探索关键原材料的相关信息，并完成第一份作业，选择并排序他们所分配行业中最关键的五种原材料。他们需要根据经济脆弱性、供应风险、供应中断潜力和个人兴趣等因素来说明自己的选择。在完成第一份作业后，学生参加了常规的小组讨论，通常由助教主持，帮助学生学习如何解决一般的化学问题。讨论过程中，学生首先与同一角色的同伴组成小组，讨论他们的材料排名，并提交第二份作业，表示小组的共识。随后，小组被重新组织为混合角色团队，他们需要从不同利益相关者的视角辩论原材料的重要性，并完成第三份作业，记录他们的反思和观点变化。所有活动均在正常课程时间进行，并以50分钟的 moderated 讨论作为总结。在化学课程结束后，教师鼓励学生进一步反思和讨论他们的学习经历。最后，学生完成了关于关键原材料主题的感知调查，以揭示他们对该主题的看法和感受。

在美国的案例中，学生反馈显示，尽管大多数学生在学习前对关键原材料了解有限，但在学习之后，他们对这一主题表现出强烈的兴趣和认可。问卷调查的结果表明，许多学生认为学习关键原材料的概念具有教育意义，并认识到其在社会和经济中的重要性。这反映了学生对这一主题的意识和理解在学习过程中得到了显著提升。此外，大多数学生同意关键原材料应该在化学教学中更加突出，这表明他们认为当前的化学课程在这一方面存在一定的不足。学生还表示，他们对如何获取和解读关键原材料相关的新闻和数据变得更加自信，这表明他们的科学素养和批判性思维能力得到了增强。

在德国和美国的案例中，关键原材料的教育实践均显示出积极的效果。学生不仅能够理解关键原材料的科学属性，还能够认识到其在社会和经济中的重要性。这种跨学科的学习方式有助于学生建立对原材料供应问题的全面认识，并培养他们在面对现实问题时的解决问题能力、沟通能力和批判性思维能力。通过将关键原材料的教育融入化学课程，教师能够引导学生思考如何在日常生活中减少对关键原材料的依赖，并采取更负责任的消费行为，例如通过回收旧设备、减少不必要的消费和改善回收体系等方式。

此外，关键原材料的教育实践还反映了教育与社会需求之间的紧密联系。在21世纪，关键原材料不仅影响着科技发展，还关系到全球可持续发展目标。例如，清洁能源系统、电动汽车和电子设备的制造都依赖于关键原材料的供应。然而，这些原材料的提取和使用往往伴随着环境、地缘政治和伦理方面的挑战。因此，未来科学家和公民需要具备对关键原材料的全面认识，以便在面对这些挑战时做出更明智的决策。通过将关键原材料纳入化学课程，教育者可以促进跨学科的学习，使学生能够理解科学、政策和可持续性之间的关系。

关键原材料的教育实践还具有重要的社会意义。它不仅帮助学生认识到原材料供应的脆弱性，还促使他们思考如何通过科学知识和行动来应对这些挑战。例如，学生可以学习如何通过研究替代品、改善回收技术以及倡导可持续消费等方式，减少对关键原材料的依赖。这种学习方式不仅有助于学生理解科学知识，还能够培养他们的社会责任感和环保意识。通过将关键原材料的教育融入化学课程，教师可以引导学生思考如何在日常生活中做出更负责任的选择，并为未来的可持续发展做出贡献。

从德国和美国的案例来看，关键原材料的教育实践在不同教育阶段均展现出积极的效果。在德国的九年级学生中，虽然他们对关键原材料的概念了解有限，但在学习之后，他们对这一主题表现出浓厚的兴趣，并认为其具有教育价值。而在美国的本科生中，学生不仅对关键原材料的科学属性有了更深入的理解，还能够从多个利益相关者的视角探讨其使用和应对措施。这种差异可能与教育阶段的不同有关，但同时也表明，随着教育水平的提高，学生对关键原材料的重视程度也在逐步加深。

总体而言，关键原材料的教育实践为化学教育提供了新的视角和教学方法。通过数字学习环境和互动式教学活动，学生能够更加直观地理解关键原材料的供应状况及其对经济和环境的影响。这种学习方式不仅有助于学生掌握科学知识，还能够培养他们的批判性思维能力和社会责任感。同时，它也表明，关键原材料的教育可以有效地促进学生对可持续发展议题的理解，并为未来的社会和环境问题提供解决方案。

关键原材料的教育实践还具有重要的现实意义。在全球范围内，关键原材料的供应问题已经成为各国政府和企业关注的重点。由于这些原材料的供应可能受到地缘政治、环境变化和经济波动的影响，它们的获取和使用面临诸多挑战。因此，将关键原材料的教育融入化学课程，不仅有助于学生理解这些挑战，还能够培养他们在面对现实问题时的解决问题能力和决策能力。通过这种方式，学生可以更好地认识到关键原材料在现代社会中的重要性，并思考如何通过科学知识和行动来应对这些挑战。

此外，关键原材料的教育实践还能够促进跨学科的学习。在化学课程中，学生不仅能够学习关键原材料的科学属性，还能够了解其在经济、社会和环境中的影响。这种跨学科的学习方式有助于学生建立更全面的知识体系，并培养他们在不同领域之间进行联系和思考的能力。通过这种方式，学生可以更好地理解关键原材料在现代社会中的复杂性，并为未来的可持续发展做出贡献。

关键原材料的教育实践还能够帮助学生认识到资源管理的重要性。在现代社会，资源的获取和使用不仅影响着经济利益，还关系到环境保护和社会公平。因此，将关键原材料的教育融入化学课程，有助于学生思考如何在资源管理中实现可持续性。通过这种方式，学生可以更好地理解资源的有限性和供应链的脆弱性，并思考如何通过科学研究和技术创新来解决这些问题。

最后，关键原材料的教育实践还能够促进学生的全球视野。在全球化背景下，关键原材料的供应和使用往往涉及多个国家和地区的合作与竞争。因此，将关键原材料的教育融入化学课程，有助于学生认识到全球资源管理的复杂性，并培养他们在全球范围内进行合作和思考的能力。通过这种方式，学生可以更好地理解关键原材料在现代社会中的重要性，并为未来的全球可持续发展做出贡献。