同位素海洋學(xué)本科教學(xué)內(nèi)容和方法的探索

孔德明　彭詩云　胡耀強(qiáng)　黃超

[摘要]為了提高海洋科學(xué)專業(yè)本科生的同位素知識和技能，使其能夠更好地面向科研和就業(yè)，廣東海洋大學(xué)綜合參考國內(nèi)院校開設(shè)地球科學(xué)類同位素課程的經(jīng)驗(yàn)，對同位素海洋學(xué)課程的本科教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，將教學(xué)內(nèi)容分為穩(wěn)定同位素基礎(chǔ)、放射性同位素基礎(chǔ)、同位素年代學(xué)、同位素示蹤、同位素應(yīng)用前沿這5個(gè)方面，兼顧課程內(nèi)容的基礎(chǔ)性、全面性和前沿性。靈活運(yùn)用課內(nèi)和課外多種教學(xué)手段，開展深度教學(xué)，鼓勵教學(xué)互動，調(diào)動學(xué)生思考的主動性和創(chuàng)造性，力求在同位素知識教學(xué)過程中提高學(xué)生的思維品質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生利用同位素基礎(chǔ)知識解決實(shí)際問題的能力，為社會培養(yǎng)更多專業(yè)基礎(chǔ)牢固、思維創(chuàng)新的人才。

[關(guān)鍵詞]同位素海洋學(xué);教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)內(nèi)容本質(zhì);深度教學(xué)

[中圖分類號]G642[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]2095-3437（2019）11-0048-03

同位素海洋學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，近年來廣泛應(yīng)用于海洋水團(tuán)和物質(zhì)循環(huán)示蹤、海洋資源與環(huán)境研究、古氣候重建等。在當(dāng)前海洋科學(xué)蓬勃發(fā)展和我國實(shí)施海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的時(shí)代背景下，同位素在科學(xué)研究和海洋產(chǎn)業(yè)中都有著巨大的應(yīng)用潛力，未來對有同位素專業(yè)知識和技能的人才需求量也將十分巨大。本校于2014年面向海洋科學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)“同位素海洋學(xué)”課程，并在2017年教學(xué)改革時(shí)將該課程從32學(xué)時(shí)增加到48學(xué)時(shí)，以保證學(xué)生能學(xué)好同位素基礎(chǔ)知識和技能，提高畢業(yè)生的專業(yè)素質(zhì)和就業(yè)、考研競爭力。

目前我國高等院校的地球科學(xué)類同位素相關(guān)課程大部分是面向研究生開設(shè)的，相關(guān)的教材如劉廣山教授所著的《同位素海洋學(xué)》具有很強(qiáng)的專業(yè)性。而面向本科生開設(shè)的同位素海洋學(xué)課程，不同高校的學(xué)生基礎(chǔ)不一樣，講授內(nèi)容各有側(cè)重，差別較大，缺乏普適性的經(jīng)驗(yàn)。比如同濟(jì)大學(xué)、蘭州大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的同位素課程偏重于地質(zhì)地球化學(xué)方面，而廈門大學(xué)的同位素課程則側(cè)重于海水化學(xué)方面。我校開設(shè)同位素海洋學(xué)課程以來，教學(xué)團(tuán)隊(duì)對該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行了積極探索，力求使該門課程更加適合普通高校本科生，使學(xué)過該課程的學(xué)生不管是在研究還是生產(chǎn)領(lǐng)域，都能更好地應(yīng)用同位素的思路和技術(shù)解決實(shí)際問題。本文總結(jié)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)探索經(jīng)驗(yàn)和不足，以期對該門課程的本科教學(xué)提供有益的參考。

一、關(guān)注學(xué)生的特點(diǎn)和需求，精心設(shè)置課程內(nèi)容

同位素海洋學(xué)是同位素地球科學(xué)的一個(gè)分支，很多基礎(chǔ)理論和方法都來源于傳統(tǒng)的同位素地球化學(xué)。同位素根據(jù)其性質(zhì)可以分為穩(wěn)定同位素和放射性同位素，而根據(jù)其應(yīng)用又可以分為同位素年代學(xué)、同位素示蹤、穩(wěn)定同位素地球化學(xué)和稀有同位素地球化學(xué)?？紤]到本校的海洋科學(xué)本科生完全沒有同位素的基礎(chǔ)知識，而且以后只有一部分學(xué)生會進(jìn)人海洋科學(xué)研究領(lǐng)域，因此本課程的教學(xué)內(nèi)容盡量兼顧基礎(chǔ)性、全面性和前沿性，既要使學(xué)生對同位素地球科學(xué)有全面的認(rèn)識，又要突出同位素在海洋科學(xué)的特色應(yīng)用，并讓學(xué)生接觸到最前沿的同位素研究方向。

目前可以參考的較新版本的專業(yè)書籍有《同位素地質(zhì)年代學(xué)與地球化學(xué)》（陳岳龍著）、《同位素海洋學(xué)》（劉廣山著）、《穩(wěn)定同位素地球化學(xué)》（鄭永飛著）等。其中《同位素地質(zhì)年代學(xué)與地球化學(xué)》偏重于放射性同位素的年代學(xué)，而《穩(wěn)定同位素地球化學(xué)》偏重于穩(wěn)定同位素的分餾機(jī)制和礦物地質(zhì)學(xué)。出于基礎(chǔ)性和全面性考慮，本課程內(nèi)容兼顧穩(wěn)定同位素和放射性同位素的基礎(chǔ)知識，以《同位素海洋學(xué)》為主要教材，其他幾本參考書和近年來的頂級期刊論文為輔，將教學(xué)內(nèi)容主要分為5大塊：穩(wěn)定同位素基礎(chǔ)理論、放射性同位素基礎(chǔ)理論、同位素年代學(xué)、同位素示蹤、同位素應(yīng)用前沿。穩(wěn)定和放射性同位素的基礎(chǔ)理論包含同位素表示方法、同位素?zé)崃W(xué)平衡分餾、動力學(xué)同位素分餾、同位素溫度計(jì)、放射性衰變公式等。這些內(nèi)容作為本學(xué)科的關(guān)鍵基礎(chǔ)，概念和公式較多，要求學(xué)生能夠完全掌握同位素的相關(guān)概念，熟練地推導(dǎo)出公式并用于計(jì)算。同位素年代學(xué)則以具體的同位素方法為例，如放射性碳14C、鈾鉛法、鈾系不平衡法、銣鍶等時(shí)線法、210Pb法等，介紹其用于年代測定的原理以及具體應(yīng)用。同位素示蹤則以碳、氫、氧、氮、硫等生物元素為主，介紹它們在生物地球化學(xué)循環(huán)、海洋水團(tuán)運(yùn)動、污染物示蹤、古海洋和古氣候重建等方面的應(yīng)用。近年來，鈾釷不平衡法在指示海洋生產(chǎn)力、顆粒有機(jī)物運(yùn)移等方面有著很好的應(yīng)用，這部分也作為同位素示蹤來介紹。在這些基礎(chǔ)上，課程最后以幾個(gè)前沿科學(xué)問題為導(dǎo)向，重點(diǎn)介紹幾篇最新發(fā)表研究性論文中的實(shí)例，包括鈾釷法指示海洋生產(chǎn)力、氧同位素指示冰期一間冰期旋回、碳14指示大洋溫鹽環(huán)流等，通過解讀這些研究性論文，使學(xué)生認(rèn)識科研過程并激發(fā)其科研興趣。在此基礎(chǔ)上，向?qū)W生提出幾個(gè)相關(guān)的科學(xué)問題，請學(xué)生通過調(diào)查資料寫出利用同位素解決問題的方案。

二、把握課程內(nèi)容本質(zhì)，推動深度教學(xué)

雖然同位素知識的基本原理并不是很復(fù)雜，但在研究各種具體科學(xué)問題方面，同位素應(yīng)用方法往往非常豐富而且巧妙。同位素課程教學(xué)比較容易陷入的誤區(qū)就是教師不斷講授各種同位素的應(yīng)用，而學(xué)生疲于記憶這些同位素的知識點(diǎn)，無法抓住同位素知識的本質(zhì)，考完試后就將大部分知識忘記了?；诖耍菊n程的任課教師閱讀了大量書籍和參考資料，參加了各種學(xué)術(shù)會議和由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)舉辦的“第二屆非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素地球化學(xué)暑期學(xué)?！?，通過不斷加強(qiáng)自身學(xué)習(xí)以求能更深刻地把握教學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)。只有任課教師對教學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)有較好的把握，才能幫助學(xué)生抓住重點(diǎn)并加以深刻理解和深度思考。

對同位素知識本質(zhì)的把握，關(guān)鍵在于深刻理解“同位素效應(yīng)”和“同位素分餾”的規(guī)律。同位素是化學(xué)性質(zhì)幾乎完全一樣而質(zhì)量有微小差別的核素，同位素效應(yīng)就是由于這種質(zhì)量差異導(dǎo)致含這些核素的分子在物理和化學(xué)性質(zhì)上產(chǎn)生差異。在不同的物理、化學(xué)和生物過程中，會出現(xiàn)不同的同位素效應(yīng)，發(fā)生某種程度的同位素分餾。同位素分餾就是在一個(gè)系統(tǒng)中，某元素的同位素以不同的比值分配到兩種物質(zhì)或者物相中。在同位素?zé)崃W(xué)分餾中，重同位素趨向于富集在化學(xué)鍵較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)位置、分子或者物相中。在動力學(xué)分餾過程中，輕同位素反應(yīng)速率要比重同位素分子快，因而在反應(yīng)生成物中優(yōu)先富集于輕同位素。讓學(xué)生反復(fù)通過基本原理去推導(dǎo)結(jié)果，就能對一些較為復(fù)雜的分餾過程，如光合作用過程植物富集12C而氨基酸代謝過程生物體富集15N，有非常深刻的理解，而不用去死記硬背不同情況下的同位素分餾的規(guī)律。

對放射性同位素年代學(xué)本質(zhì)的理解，則分別以14C和鈾系兩種不同類型的同位素方法為例。14C用于年代測定的前提是假設(shè)大氣中通過宇宙射線和氮?dú)猱a(chǎn)生14C的速率是恒定的，通過測定4萬年以內(nèi)的含碳物質(zhì)剩余14C的量就可以計(jì)算其年齡。這樣通過課堂現(xiàn)場計(jì)算就能讓學(xué)生深刻體會到放射性核素呈指數(shù)級衰變的規(guī)律。學(xué)生掌握這些基本概念和規(guī)律后，再討論大氣中14C含量的若干因素，進(jìn)而引入利用14C重建太陽活動以及“休斯效應(yīng)”。鈾系定年的基本假設(shè)則不依賴于初始放射性母體的含量，而是測量多個(gè)樣品的放射性母體和子體，繪制等時(shí)線利用斜率和截距進(jìn)行年代計(jì)算。這種等時(shí)線法廣泛用于銣鍶法、釤釹法定年。學(xué)生深刻理解了這兩種典型的年代學(xué)方法后，對于其他方法就很容易融會貫通。

對常見的同位素分餾過程進(jìn)行推導(dǎo)學(xué)習(xí)后，教師會給出一些非傳統(tǒng)同位素，如鎂、硅、鐵、鉬、硼同位素，讓學(xué)生嘗試判斷這些同位素在各種條件和過程中的分餾效應(yīng)是怎樣的。比如通過介紹海水中硼元素有“B和10B，溶解態(tài)的硼存在B（OH）3和B（OH）4兩種狀態(tài)的平衡，這種平衡會受到海水pH值的影響，然后讓學(xué)生通過電離方程，判斷pH值如何改變平衡以及硼同位素的分餾，進(jìn)而解釋怎樣利用珊瑚中的硼同位素來指示歷史時(shí)期海水pH值的變化。這些環(huán)節(jié)能夠促使學(xué)生進(jìn)行深度思考，在學(xué)習(xí)過程中鍛煉思維能力和思維品質(zhì)，學(xué)會舉一反三、融會貫通，進(jìn)而產(chǎn)生創(chuàng)造性的思維方式。這些對思維品質(zhì)的訓(xùn)練將有助于學(xué)生在以后工作和研究中能夠快速地理解新的同位素應(yīng)用，并創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題。

三、多種教學(xué)手段結(jié)合，調(diào)動學(xué)生主觀能動性

本課程綜合采用多媒體課件、板書推導(dǎo)、學(xué)生互動、課后輔導(dǎo)資料等多種教學(xué)手段開展教學(xué)。多媒體課件的優(yōu)點(diǎn)是可以通過文字、圖表、視頻等形式高效地將信息傳遞給學(xué)生，大大提高授課效率。對于一般性的知識，本課程主要采取多媒體課件授課的方式，其中對于水循環(huán)中的動力分餾、放射性同位素衰變、核事故導(dǎo)致的137Cs擴(kuò)散等較復(fù)雜的過程，則使用圖片和動畫短片的形式加以展示。但是，對于課程中一些重要而較難理解的概念和公式，如同位素?zé)崃W(xué)平衡分餾和動力學(xué)分餾，以及放射性衰變公式和等時(shí)線公式的推導(dǎo)，如果用多媒體的課件一放而過，學(xué)生不容易理解深刻。所以對于本課程中的所有公式，可以采用黑板板書逐步推導(dǎo)，并在板書過程中詳細(xì)講解。講解完后，讓學(xué)生親自動手推導(dǎo)，并請一兩個(gè)學(xué)生上臺推導(dǎo)。這樣可以確保所有學(xué)生都能全身心參與進(jìn)學(xué)習(xí)過程，大大提高其課堂學(xué)習(xí)效果。

四、完善考核方式，提供實(shí)踐機(jī)會

科學(xué)合理的考核方式能夠客觀評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能檢驗(yàn)教師的教學(xué)效果。本課程在開設(shè)的第一年，平時(shí)對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的檢驗(yàn)大部分以口頭問答的形式來完成，忽略了嚴(yán)格的書面練習(xí)，結(jié)果很多學(xué)生對期末考試中較復(fù)雜的推導(dǎo)和計(jì)算就無法完成。后來教師吸取教訓(xùn)，在每次講授完基本概念和一些重要公式后，都會精心設(shè)計(jì)一些題目對學(xué)生進(jìn)行考核（考核成績作為平時(shí)成績的一部分），保證學(xué)生在學(xué)習(xí)完每個(gè)課程內(nèi)容后都能及時(shí)加以鞏固，為后面的學(xué)習(xí)鋪好基礎(chǔ)。對于學(xué)生平時(shí)練習(xí)中出現(xiàn)的難題，教師會做重點(diǎn)講解。比如在講授第五部分“同位素應(yīng)用前沿”時(shí)，會分發(fā)一些最新發(fā)表的論文給學(xué)生閱讀，給出一些開放性的問題，讓學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)并提出解決方案。這部分也作為考核的重要內(nèi)容，重點(diǎn)考查學(xué)生對同位素基本原理的把握以及對知識的運(yùn)用。期末考試試卷采用選擇題、推導(dǎo)題、計(jì)算題、問答題等多種題型，難度盡量拉開差距，以求能夠?qū)W(xué)生的努力做出肯定和對不足加以鞭策。

雖然本課程并沒有設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但相關(guān)的同位素質(zhì)譜知識和初步實(shí)踐已經(jīng)在儀器分析課程學(xué)習(xí)過。本學(xué)院有省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和省級教學(xué)示范中心，配備有元素分析一同位素質(zhì)譜和氣相色譜一同位素質(zhì)譜儀器。教師會以帶領(lǐng)部分本科學(xué)生參與科研項(xiàng)目的形式，讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參與同位素測試樣品的前處理和同位素質(zhì)譜儀器的操作。筆者帶領(lǐng)一些學(xué)生挑選有孑L蟲做碳14測年和氧同位素，并將最終的測試結(jié)果給他們進(jìn)行分析，讓他們真正體會到做科研的狀態(tài)。這部分學(xué)生往往能對其他學(xué)生產(chǎn)生很好的示范作用，而且能夠進(jìn)一步激發(fā)其自身的學(xué)習(xí)熱情，積極鍛煉動手能力，為以后進(jìn)一步深造和工作奠定良好基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

本學(xué)院的同位素海洋學(xué)課程是面向普通高校海洋科學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)理論課程，教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過參考其他院校的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和多本教材，選取了適合本校學(xué)生基礎(chǔ)和有利于學(xué)生深造就業(yè)的教學(xué)內(nèi)容，通過4年的摸索和改進(jìn)，不斷提升教師對教學(xué)內(nèi)容本質(zhì)的把握，通過解決一些開放性難題，鼓勵學(xué)生進(jìn)行深度思考、舉一反三，鍛煉學(xué)生的思維品質(zhì)和創(chuàng)造能力。結(jié)合多種課內(nèi)和課外的教學(xué)手段，完善考核方式，盡最大可能提高教學(xué)效率和該課程對學(xué)生的價(jià)值。同時(shí)在課堂之外向?qū)W生提供大量參與科研的機(jī)會，讓部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室得到更好的實(shí)踐鍛煉，為其進(jìn)一步深造做好準(zhǔn)備。隨著海洋科學(xué)和我國海洋產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，相信同位素海洋學(xué)課程能為科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)工作崗位提供更多專業(yè)基礎(chǔ)牢固、思維活躍、有創(chuàng)造力的人才。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]