高職院校地質(zhì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

□賴(lài)冬蓉 李叢冠

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高職院校實(shí)踐教學(xué)中有著非常重要的地位，也是高職院校人才培養(yǎng)模式的重要特征。圍繞技能培養(yǎng)這一主線構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)高職院校技能應(yīng)用性人才的培養(yǎng)目標(biāo)的必由之路。同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高職院校地質(zhì)類(lèi)地球化學(xué)、資源勘查工程、地球物理勘查技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要實(shí)驗(yàn)課。做好同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于促進(jìn)地質(zhì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)課堂教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力、分析能力、觀察能力和創(chuàng)造能力，了解同位素地質(zhì)在技術(shù)、方法、理論與應(yīng)用方面的最新進(jìn)展，形成腳踏實(shí)地的科學(xué)態(tài)度和認(rèn)真仔細(xì)的工作作風(fēng)，具有十分重要的意義。因?qū)嶒?yàn)設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多、實(shí)驗(yàn)步驟復(fù)雜等因素，同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)與其它課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比具有特殊性。本文以高職院校地質(zhì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，探討不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?duì)象、步驟等同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，評(píng)價(jià)實(shí)踐教學(xué)效果，并提出做好同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建議，為高職院校地質(zhì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)展相關(guān)有效的實(shí)踐教學(xué)，探討高職人才培養(yǎng)模式提供借鑒。

一、同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的與要求

（一）同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的必須明確

同位素實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生加深對(duì)環(huán)境同位素地球化學(xué)的基本理論的理解，了解實(shí)驗(yàn)儀器的性能指標(biāo)，具體的操作規(guī)程，學(xué)會(huì)如何選取分析樣品，掌握同位素分析測(cè)試方法與步驟，對(duì)環(huán)境同位素測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋?zhuān)?duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性和可靠性進(jìn)行判別，培養(yǎng)學(xué)生具有從事科學(xué)研究和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

（二）同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須按照計(jì)劃進(jìn)行管理

要嚴(yán)格按照同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)大綱中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)課時(shí)和內(nèi)容進(jìn)行，由任課教師提出實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，填寫(xiě)“教師課內(nèi)實(shí)驗(yàn)安排表”。同位素實(shí)驗(yàn)教學(xué)配有實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，其內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁?、原理、步驟、方法、儀器設(shè)備及使用說(shuō)明、實(shí)驗(yàn)材料、數(shù)據(jù)處理和注意事項(xiàng)等，且實(shí)驗(yàn)課教學(xué)由任課教師和實(shí)驗(yàn)員同時(shí)擔(dān)任。任課教師對(duì)每次實(shí)驗(yàn)課教學(xué)都要精心準(zhǔn)備，并在實(shí)驗(yàn)前通知學(xué)生做好預(yù)習(xí)工作。實(shí)驗(yàn)員要認(rèn)真貫徹實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，提前做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，使儀器設(shè)備處于完好狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備就緒后，實(shí)驗(yàn)員要與任課教師一起進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，確保實(shí)驗(yàn)課按計(jì)劃順利進(jìn)行。

（三）同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)任課教師和實(shí)驗(yàn)員要負(fù)責(zé)整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，任課教師和實(shí)驗(yàn)員要檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，扼要講解與本次實(shí)驗(yàn)有關(guān)的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法、操作技能、操作規(guī)程、安全注意事項(xiàng)以及應(yīng)急措施。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，任課教師和實(shí)驗(yàn)員共同做好指導(dǎo)工作，檢查學(xué)生是否按正確的操作規(guī)程進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)，一旦操作失誤或儀器出現(xiàn)故障，要分析產(chǎn)生的原因，確保實(shí)驗(yàn)獲得正確可靠的結(jié)果，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)完成后學(xué)生要按規(guī)定撰寫(xiě)和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

二、同位素實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備與教學(xué)方法

（一）實(shí)驗(yàn)儀器性能

實(shí)驗(yàn)前給學(xué)生詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)儀器的性能和參數(shù)至關(guān)重要，防止學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能因?qū)x器性能不了解或操作不當(dāng)而影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的是德國(guó)Finnigan公司生產(chǎn)的新型MAT 253穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀，它具高靈敏度和高線性特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)控制離子源電壓和參數(shù)，不同高阻之間自由轉(zhuǎn)換?？梢跃_測(cè)量13C/12C、15N/14N、18O/16O、33S/32S、34S/32S、36S/32S 和 D/H 等同位素比值。質(zhì)量分析器具有90度凹面（無(wú)散光）聚焦磁場(chǎng)，近百分之百轉(zhuǎn)換，具有10個(gè)積分通道用于多種離子流的同時(shí)測(cè)量。離子流強(qiáng)度可達(dá)50V，適合不同樣品量的樣品。采用雙路比較和連續(xù)流兩種模式測(cè)量，可方便地添加多種在線測(cè)量的外圍設(shè)備。

（二）操作規(guī)程

由于同位素實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容比較多，操作過(guò)程復(fù)雜且費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，必須強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)前的規(guī)程介紹，讓學(xué)生嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行。具體步驟如下：檢查儀器開(kāi)關(guān)設(shè)置，保持房間溫度20±2℃和濕度＜40%；啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)使壓力在6-10大氣壓之間，儀器調(diào)節(jié)壓力為4大氣壓；檢查載氣、參考?xì)膺B接是否正確，確認(rèn)無(wú)誤后打開(kāi)氣體解壓閥，并用肥皂水檢漏；根據(jù)需要測(cè)試樣品的不同，打開(kāi)與之對(duì)應(yīng)針閥，一般抽氣30分鐘后，等真空度達(dá)到10-6Pa時(shí)，打開(kāi)離子源；打開(kāi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，調(diào)出控制、分析程序；當(dāng)本底水平達(dá)到后，分別引入測(cè)定和標(biāo)準(zhǔn)氣體；對(duì)測(cè)量氣體調(diào)整工作參數(shù)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量；樣品做完后，抽去儲(chǔ)樣器中氣體，抽氣1小時(shí)后，先關(guān)高壓和離子源再關(guān)針閥；向系統(tǒng)充氦氣保護(hù)；關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，關(guān)電源，關(guān)空氣壓縮機(jī)。

（三）運(yùn)行檢查

儀器設(shè)備的運(yùn)行檢查一般由實(shí)驗(yàn)員完成，開(kāi)機(jī)后，如果有好幾天沒(méi)有做樣品，應(yīng)先把柱子溫度升到120℃進(jìn)行烘烤24個(gè)小時(shí)左右去殘氣；再把氦氣打開(kāi)，表頭設(shè)在0.9左右，沖氣1-2個(gè)小時(shí)，當(dāng)真空達(dá)到10-6Pa時(shí)，再把離子源關(guān)閉，針閥打開(kāi)，先設(shè)在N2氣位置，做H2O、Ar峰對(duì)中測(cè)試，當(dāng)H2O<3V、Ar<10mV時(shí)本底才穩(wěn)定；然后設(shè)在CO2位置，做CO2峰配鐘，使CO2<10mV左右；再單獨(dú)做幾個(gè)Zero Dela值，運(yùn)行穩(wěn)定后才能對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。

（四）實(shí)驗(yàn)樣品的測(cè)定與實(shí)驗(yàn)步驟

同位素實(shí)驗(yàn)包括4個(gè)部分：水中氧同位素、氫同位素組成測(cè)試，水中溶解無(wú)機(jī)碳（DIC）同位素組成測(cè)試、碳酸鹽巖碳氧同位素組成測(cè)試。

1.水中氧同位素組成（δ18O）分析

水中氧同位素組成分析采用CO2-H2O平衡法，其實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：（1）恒溫槽調(diào)到40℃，檢查吹氣針的針尖是否變卷或是否有東西堵住；（2）建立一個(gè)Sequence，把樣品統(tǒng)一號(hào)填在Sequence中的相應(yīng)位置；（3）使用移液管把200μl樣品注射到試管中，擰好蓋子，再把吹氣針安裝在自動(dòng)進(jìn)樣器上；（4）用0.3%CO2和He混合氣對(duì)樣品進(jìn)行吹氣，并平衡20小時(shí)；（5）把吹氣針換成進(jìn)樣針，把參考?xì)釩O2打開(kāi)，運(yùn)行Sequence對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。在水樣與已知組成的CO2達(dá)到氧同位素交換平衡，根據(jù)測(cè)得的平衡CO2的18O/16O和已被精確測(cè)定的分離系數(shù)α（α=1.0412）確定水樣得氧同位素組成（δ18O）。

2.水中氫同位素組成分析

水中氫同位素組成分析也稱(chēng)H2-H2O平衡法，具體的實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：（1）恒溫槽調(diào)到28℃，檢查吹氣針的針尖是否變卷或是否有東西堵??；（2） 建 立 一 個(gè) Sequence， 把 樣 品 統(tǒng) 一 號(hào) 填 在Sequence中的相應(yīng)位置；（3）使用移液管把200μl樣品注射到試管中，再把碳棒放到試管中，然后擰好蓋子，把吹氣針安裝在自動(dòng)進(jìn)樣器上；（4）用2%H2和He混合氣對(duì)樣品進(jìn)行吹氣，并平衡40分鐘；（5）把吹氣針換成進(jìn)樣針，把參考?xì)釮2打開(kāi)，運(yùn)行Sequence對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。

3.水中溶解無(wú)機(jī)碳（DIC）同位素組成分析

水中DIC以CO2、HCO3-和CO32-形式存在，在充滿(mǎn)高純氦氣條件下以純磷酸（H3PO4）酸化水樣，改變DIC存在形式并釋放CO2，將CO2輸入質(zhì)譜儀測(cè)量碳同位素組成。具體實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：（1）恒溫槽調(diào)到40℃，檢查酸泵和吹氣針的針尖是否變卷或是否有東西堵住；（2）建立一個(gè)Sequence，把樣品統(tǒng)一號(hào)填在Sequence中的相應(yīng)位置；并在干凈的試管中加98%的H3PO430μl放在恒溫槽；（3）把吹氣針安裝在自動(dòng)進(jìn)樣器上，用高純氦氣吹氣，然后加樣品 700μl并平衡 18個(gè)小時(shí)；（4）把吹氣針換進(jìn)樣針，把參考?xì)釩O2打開(kāi)，運(yùn)行Sequence對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。

4.碳酸鹽碳氧同位素組成（δ13C和δ18O）分析

實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：（1）恒溫槽調(diào)到72℃，檢查酸泵和吹氣針的針尖是否變卷或是否有東西堵?。唬?）建立一個(gè)Sequence，把樣品統(tǒng)一號(hào)填在Sequence中的相應(yīng)位置；并在干凈的試管中加碳酸鹽巖樣品放在恒溫槽中；（3）把吹氣針安裝在自動(dòng)進(jìn)樣器上，用純氦氣吹氣，然后加98%的H3PO430μl并平衡1個(gè)小時(shí)；（4）把吹氣針換進(jìn)樣針，把參考?xì)釩O2打開(kāi)，運(yùn)行Sequence對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)已知的氧同位素平衡分離系數(shù)（碳酸鹽中的氧只有2/3轉(zhuǎn)入CO2），通過(guò)反應(yīng)所釋放的CO2測(cè)量碳 氧同位素組成（δ13C 和δ18O）。

三、同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)

通過(guò)同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了以下幾個(gè)方面的效果：一是使地質(zhì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生學(xué)會(huì)了使用各種同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備，掌握了水中氧同位素、水中氫同位素、水中溶解無(wú)機(jī)碳同位素（DIC）、碳酸鹽碳氧同位素的實(shí)驗(yàn)方法，使學(xué)生能接觸到當(dāng)今較先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備和實(shí)驗(yàn)理念，提高了學(xué)生綜合素質(zhì)。二是使學(xué)生了解了實(shí)驗(yàn)儀器的工作性能，熟悉了實(shí)驗(yàn)操作步驟，基本掌握了測(cè)試分析工作的要領(lǐng)，對(duì)同位素測(cè)試結(jié)果的科學(xué)價(jià)值有進(jìn)一步了解，顯著提高了學(xué)生的動(dòng)手操作能力、分析能力、觀察能力、創(chuàng)造能力以及分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。三是根據(jù)地質(zhì)類(lèi)不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，形成了以學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心、以掌握測(cè)試操作技能為基礎(chǔ)、以提升科研能力為目標(biāo)、以高科技、新技術(shù)同位素測(cè)試設(shè)備使用為學(xué)生創(chuàng)新能力延伸培養(yǎng)為主要手段的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

在同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：首先，沒(méi)有建立有效的同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系，有的教師和實(shí)驗(yàn)員因?yàn)橥凰販y(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟復(fù)雜，沒(méi)有嚴(yán)格按同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容和時(shí)間進(jìn)行教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上存在“縮水”現(xiàn)象；有的學(xué)生實(shí)驗(yàn)態(tài)度不夠端正，不勤于思考和動(dòng)手，不按規(guī)定完成同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)步驟，不認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其次，有的學(xué)生對(duì)水中氧同位素、水中氫同位素、水中溶解無(wú)機(jī)碳同位素（DIC）、碳酸鹽碳氧同位素的目的、要求和作用不夠明確，對(duì)測(cè)試中獲得的數(shù)據(jù)所隱含的科學(xué)意義不夠清楚，不能很好地運(yùn)用于解決實(shí)際的問(wèn)題，這和教師課堂上理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)操作知識(shí)相脫節(jié)、理論教師與實(shí)驗(yàn)員沒(méi)有良好溝通等有關(guān)。第三，因同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較昂貴，有的一臺(tái)設(shè)備就值400多萬(wàn)元，并且實(shí)驗(yàn)步驟較多且比較復(fù)雜，學(xué)生怕?lián)p害設(shè)備、怕麻煩，因而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中放不開(kāi)手腳，或有畏難情緒，難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

四、提高同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的思考

（一）要建立科學(xué)有效的同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系

學(xué)校要設(shè)立同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)指標(biāo)的重要程度賦予不同權(quán)重，采用量化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，要涉及教師、學(xué)生、教學(xué)管理及實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等多個(gè)因素，全面考核學(xué)生同位素實(shí)驗(yàn)操作技能和對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度。它是一個(gè)綜合體系，包括教師與實(shí)驗(yàn)員評(píng)價(jià)、學(xué)生評(píng)價(jià)和同行專(zhuān)家評(píng)價(jià)。教師與實(shí)驗(yàn)員評(píng)價(jià)主要在于是否嚴(yán)格按照同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容和時(shí)間進(jìn)行教學(xué)，是否盡職盡責(zé)，在教學(xué)中是否吃透和把握了實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，是否真正讓學(xué)生理解了所講授的知識(shí)和內(nèi)容。學(xué)生評(píng)價(jià)采用問(wèn)卷調(diào)查、網(wǎng)上評(píng)教、找學(xué)生談話等形式，收集學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)提出的一些合理建議和意見(jiàn)。同行和專(zhuān)家評(píng)價(jià)主要是針對(duì)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備是否充分、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)安排與組織是否恰當(dāng)、是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。

（二）同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)與具體理論教學(xué)相結(jié)合

理論教師與實(shí)驗(yàn)員要進(jìn)行良好地溝通與協(xié)作。理論老師要具備淵博的同位素地球化學(xué)等方面的知識(shí)，能向?qū)W生全面講解同位素測(cè)試的理論體系，使學(xué)生能較好地掌握同位素測(cè)試?yán)碚撝R(shí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)鍵點(diǎn)。同時(shí)，學(xué)校提供的各實(shí)驗(yàn)課程的教材與指導(dǎo)書(shū)中要有介紹實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的、要求、步驟、方法等內(nèi)容，真正讓學(xué)生理解同位素測(cè)試的理論知識(shí)和實(shí)踐內(nèi)容，同時(shí)增加綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，把教師科研成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之中[5]，充分激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的興趣和主觀能動(dòng)性。

（三）教師和實(shí)驗(yàn)員要參與同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程

教師和實(shí)驗(yàn)員要統(tǒng)籌兼顧同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師和實(shí)驗(yàn)員要做好同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前期準(zhǔn)備，可以將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程拍攝成教學(xué)片在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行播放，讓學(xué)生對(duì)于同位素測(cè)試設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟有一定的感性認(rèn)識(shí)和比較透徹地了解。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，教師和實(shí)驗(yàn)員要參學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作的全過(guò)程，既讓參與實(shí)驗(yàn)的每位同學(xué)都能獨(dú)立完成整個(gè)操作過(guò)程，又能及時(shí)在重點(diǎn)環(huán)節(jié)和可能帶來(lái)危險(xiǎn)的地方予以指導(dǎo)[5]。在同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)束后，教師和實(shí)驗(yàn)員要對(duì)學(xué)生撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行具體地指導(dǎo)，幫助學(xué)生端正實(shí)事求是的態(tài)度，提高實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范性表達(dá)，體會(huì)測(cè)試中獲得的數(shù)據(jù)所隱含的科學(xué)意義，這樣才能真正達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

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