培養(yǎng)創(chuàng)新能力的儀器教學(xué)探討
——以氫化物發(fā)生原子熒光法測量發(fā)汞為例

吳穎娟， 孫 慧， 王筱虹， 陳鎮(zhèn)新， 彭 燕， 羅定貴

（廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣州510006）

0 引 言

自“一流大學(xué)”“高水平大學(xué)”逐漸成為我國高等教育的關(guān)鍵詞，研究型實驗教學(xué)、研究型教學(xué)和研究型大學(xué)也依次成為高校教學(xué)研究的熱點，研究對學(xué)生能力的開發(fā)、對教學(xué)的促進和對大學(xué)發(fā)展的重要得到廣泛認(rèn)同［1-6］。研究是孵化科學(xué)思想的溫床，而科學(xué)思想在本科階段的培育很大程度需要實驗教學(xué)去完成［2-4］。早在建院初期，我院就被學(xué)校定位為教學(xué)—研究型學(xué)院，2015 年我院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科進入廣東省高水平大學(xué)建設(shè)學(xué)科群—區(qū)域水環(huán)境安全與水生態(tài)保護學(xué)科群，2016 年環(huán)境工程專業(yè)于華南地區(qū)第一個通過國際工程教育認(rèn)證，此專業(yè)認(rèn)證以產(chǎn)出導(dǎo)向（Outcome based education，OBE）為理念，進行人才培養(yǎng)體系的建設(shè)。即需要依照培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求構(gòu)建課程體系、確定教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源和教學(xué)方法。按“綜合性、研究型和國際化”建設(shè)高水平大學(xué)的目標(biāo)，和“重視基礎(chǔ)、趨向前沿、反映現(xiàn)代、綜合交叉”的現(xiàn)代課程建設(shè)理念，學(xué)科建設(shè)需要把知識傳播、技能掌握與科學(xué)品德、科學(xué)思想和方法的培育相結(jié)合，使學(xué)科發(fā)展與社會經(jīng)濟文化的發(fā)展相適應(yīng)［5，7］。2019 年10 月，教育部公布了《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》，明確了課程建設(shè)的具體內(nèi)容，開展研究型實驗教學(xué)不僅符合該文件的要求，而且激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，優(yōu)化和豐富教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力［1，3］；同時對教師創(chuàng)新能力的激發(fā)也有促進作用。

環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程兩個專業(yè)的必修課，我院環(huán)境監(jiān)測實驗是獨立開設(shè)的實驗課程?！皻浠锇l(fā)生原子熒光法測量發(fā)汞”是我院環(huán)境監(jiān)測實驗的經(jīng)典項目，至今已開出15 年，其意義在于：①原子熒光光譜法是與原子吸收光譜法和發(fā)射光譜并行的三大光譜分析法，廣泛應(yīng)用于食品、中藥、環(huán)境和地質(zhì)樣品中微量元素的檢測［8-10］；②原子熒光光度計是原子熒光光譜法的具象儀器，其光路設(shè)計與原子吸收光度計有很好的對比效果，是理解熒光光譜和吸收光譜抽象概念的良好教具。在多年的教學(xué)實踐中，把教學(xué)、科研與學(xué)生能力的拓展緊密結(jié)合，通過精心的課前準(zhǔn)備和大量的分析實踐，開發(fā)高溫高濕環(huán)境下原子熒光光度計的檢測條件［11］，有效地消除自動進樣系統(tǒng)引入的系統(tǒng)誤差［12］；在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進行人群、地緣和飲食結(jié)構(gòu)差異與發(fā)汞關(guān)系的分析，進行科學(xué)思維訓(xùn)練，取得良好的教學(xué)效果。

1 好奇心激發(fā)

氫化物發(fā)生原子熒光光度計是比較大型的全自動精密儀器。教學(xué)過程包括儀器原理介紹、儀器方法選擇、儀器條件設(shè)置和檢測結(jié)果分析。因儀器自動化程度較高，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式比較難適應(yīng)儀器自身的前沿性和實用操作特點，如果學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的原動力，在有限的實驗課時內(nèi)很難學(xué)會并準(zhǔn)確操作儀器［13］。 心理學(xué)認(rèn)為，人在渴求滿足一定的需要并設(shè)法追求這個目標(biāo)時，這個目標(biāo)對個人動機是一種激發(fā)，而激發(fā)力的大小取決于目標(biāo)價值和期望概率的乘積。假如一個人追求的目標(biāo)價值很大，估計能實現(xiàn)的概率也很高，那么這個目標(biāo)激發(fā)動機的力量就越發(fā)強烈［14］。因此，在教學(xué)過程，沒有采取直接灌輸?shù)姆绞剑歉嬖V學(xué)生，今天學(xué)習(xí)的儀器是我國自主研發(fā)并走在世界同類檢測設(shè)備前列的儀器。在這個實驗課里，利用這臺儀器，開發(fā)了一個減小儀器系統(tǒng)誤差的方法，顯著提高了儀器性能，希望同學(xué)們能在這個實驗課中和教師一起有新的發(fā)現(xiàn)。這種有所期待的導(dǎo)入點燃了學(xué)生對儀器的好奇和熱情，主動觀察儀器運行，提出各種問題，帶著真誠的態(tài)度完成實驗的每一個步驟，學(xué)習(xí)的積極性顯著提高。

2 檢測原理和方法

表1 所示為發(fā)汞檢測儀器的原理。由表中可知，一個穩(wěn)定成熟的檢測方法需要同時確定前處理條件和還原劑濃度。由于實驗課時有限，把前處理條件、還原劑濃度和儀器參數(shù)作為探查指標(biāo)，鼓勵有興趣的同學(xué)在實驗室教師的指導(dǎo)下參與課前試驗和儀器準(zhǔn)備，讓實驗環(huán)節(jié)與科研對接。上課時，通報參與同學(xué)的名字，同學(xué)們會報以掌聲，參與的同學(xué)體驗到成就感。

表1 汞檢測儀器的原理

2.1 前處理條件

毛發(fā)樣品的前處理是在清洗樣品后，加入強氧化性酸消解。汞是易揮發(fā)元素，據(jù)硝酸（120 ℃）和高氯酸（130 ℃）的沸點，汞樣品的消解宜控制在140 ℃以下，耗時較長。為減少汞的損耗，有時需在消解罐加硝酸1.5 mL（0.1 g樣品），冷消化12 h，再加雙氧水0.5 mL微波消解，這在有限的實驗課時內(nèi)很難完成。所以通常采取硫酸（338 ℃）＋高錳酸鉀常壓消解，兩種強氧化劑混合反應(yīng)很激烈，需要嚴(yán)格控制高錳酸鉀的用量，保證實驗安全；此外，硫酸殘留對儀器檢測的熒光度有負(fù)面影響，導(dǎo)致樣品較難檢出［11］。經(jīng)試驗，采用2 mL硝酸＋1 mL雙氧水，1.2 MPa 壓力，微波加熱2 min消解樣品，可大大縮減前處理時間，后續(xù)檢測可由5 人／組改為2 人／組，增加學(xué)生操作儀器的機會。

2.2 還原劑濃度

還原劑的作用是把離子態(tài)的汞原子還原為原子態(tài)的汞蒸氣，使之在特定光源照射下激發(fā)躍遷（見表1），氫化物發(fā)生-原子熒光法采用硼氫化鉀作還原劑。檢測正常人群的發(fā)汞，還原劑濃度為1.5% ～2.5%，以2.0%為好［11］，檢測特殊人群的發(fā)汞，如生活在汞礦附近地區(qū)、有中毒癥狀的病人等，還原劑濃度宜取高值。

3 儀器條件設(shè)置

氫化物發(fā)生-原子熒光光度計的運行參數(shù)由儀器參數(shù)和進樣參數(shù)兩部分組成。由于穩(wěn)定性弱、測量重復(fù)性差，空白熒光強度高及線性不好是原子熒光光度計使用的常見問題［11，15］，產(chǎn)生的原因主要有空芯陰極燈不穩(wěn)定或位置不當(dāng)、氣路漏氣、通風(fēng)不暢和外界光干擾等［15］；此外，參數(shù)設(shè)置對儀器的運行也有較大的影響［12］。儀器參數(shù)中，燈電流和負(fù)高壓對熒光度有較大影響，儀器運行時間過長（特別在空調(diào)環(huán)境），需通過負(fù)高壓較正過高的熒光度［11］；燈電流宜設(shè)為25 ～30 mA，負(fù)高壓宜設(shè)為300 ～350 V。

氫化物發(fā)生-原子熒光光度計有手動進樣和自動進樣兩種方式，手動進樣為人工進樣，參數(shù)無需設(shè)定；自動進樣為機器進樣，合理設(shè)定進樣參數(shù)可明顯減少儀器的系統(tǒng)誤差，顯著提高運行效率［12］。在教學(xué)過程，把此前開發(fā)并獲得發(fā)明專利的授權(quán)的方法應(yīng)用到實驗教學(xué)中，通過對比儀器原方法和建立的新方法的參數(shù)設(shè)置及運行效果，讓學(xué)生在研究的氛圍中學(xué)習(xí)，分享教學(xué)—研究型學(xué)院優(yōu)勢的學(xué)科資源。這種把科研展示作為實驗教學(xué)的環(huán)節(jié)，構(gòu)建教學(xué)和科研良好互動的實驗教學(xué)模式進一步調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性［3-4，6］。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)分析是任何一項實驗項目的常規(guī)內(nèi)容，提升到研究型教學(xué)層次，需要具備：①實驗項目的內(nèi)容需具備研究型實驗的特質(zhì)，②分析后的結(jié)論應(yīng)具有參考價值，可為同類的實驗和研究提供參考的依據(jù)［2］。汞屬外源性內(nèi)分泌物質(zhì)，是具有較長生物半衰期的強蓄積性元素（半衰期為76 d），可影響人體的生殖和分泌功能以及甲狀腺體的發(fā)育，破壞人的神經(jīng)系統(tǒng)、蛋白質(zhì)和核酸。在聯(lián)合國環(huán)保專題會上，汞被劃入14 種（鉛、鎘、汞、銅、錫、釩、鉻、鉬、錳、鈷、鎳、銻、砷和硒）最危險的重金屬污染物，同時被我國、美國、歐盟、世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列為優(yōu)先控制污染物；亞洲是人為源汞的高排放地區(qū)，排放量達1 000 t／a，占全球總排放量的50%；我國的工業(yè)體量大，汞排放量為500 ～700 t／a［16］。毛發(fā)具有排泄汞的功能，可反映身體環(huán)境汞暴露和內(nèi)部組織長時期內(nèi)汞的平均水平，毛發(fā)汞含量通常比血液等機體其他測量樣品的含量高，具有較好的檢測穩(wěn)定性和靈敏度。因此，毛發(fā)、血液和尿液是世界衛(wèi)生組織推薦的可用于人體毒物（汞、鉛、鎘、砷）評價的生物標(biāo)記物，是關(guān)注毒物暴露、進行風(fēng)險評估和風(fēng)險管理的有效工具［17］。基于以上依據(jù)，“氫化物發(fā)生-原子熒光法測量發(fā)汞”具備研究型實驗特質(zhì)。事實上，對這個實驗項目的研究型教學(xué)分為兩部分：

（1）側(cè)重于儀器—開發(fā)穩(wěn)定成熟的檢測條件和方法［11-12］，研究結(jié)果不僅可指導(dǎo)儀器進行各種樣品的汞測定，同時適用于儀器可檢測的不同樣品的13 種元素的測定。近10 年來，人發(fā)微量元素的臨床研究在老年癡呆、糖尿病、心血管病、鼻咽癌和前列腺腫瘤方面取得新突破，應(yīng)用人發(fā)微量元素檢測診斷，逐漸成為臨床研究和應(yīng)用的一種新方向［18］。

（2）側(cè)重于檢測對象—發(fā)汞的指示意義，通過發(fā)汞的含量引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合學(xué)院的學(xué)科方向：“有害元素微量地球化學(xué)”去發(fā)現(xiàn)和驗證科學(xué)問題，強化實驗的學(xué)科交叉和實際應(yīng)用。比如，分析了400 例參與實驗同學(xué)的發(fā)汞含量，45%的同學(xué)發(fā)汞≤1.0 μg／g，30%的同學(xué)發(fā)汞在1.0 ～1.5 μg／g之間。建議中國居民發(fā)汞的正常值為1.5 μg／g，美國環(huán)保署建議的發(fā)汞參考值為1.0 μg／g［19］。吳世安等［20］認(rèn)為人的發(fā)汞與每日汞攝入量相關(guān)，如果每日汞攝入量為0.12 μg，發(fā)汞值可達3 μg／g。顯然在檢測對象中，75%大學(xué)二年級學(xué)生的發(fā)汞值≤1.5 μg／g，提示18 ～20 歲健康青年的發(fā)汞值采用1.5 μg／g 的建議值比較合適；但仍有5% ～10%的同學(xué)發(fā)汞含量在7 ～10 μg／g之間，更有個別同學(xué)發(fā)汞的含量超過12 μg／g，而這些同學(xué)目前沒有出現(xiàn)健康異常。

我國裸土、水體、植被覆蓋土等主要自然源的汞釋放均比歐美同類地區(qū)明顯偏高，且我國西南地區(qū)約90萬km2（占國土面積約1／10）處于全球汞礦化帶，汞礦化帶等土壤汞相對集中區(qū)域的汞釋放是大氣汞重要的釋放源［16，21］，因此我國各地人群發(fā)汞的差別較大，且高于歐美同類地區(qū)人群［18-19］。此外我國沿海地區(qū)人群、汞暴露人員及其子女發(fā)汞的含量也高于普通人群，低于日本、西班牙沿海地區(qū)人群［22-24］。據(jù)報道使用化妝品組的孕產(chǎn)婦發(fā)汞含量大于不使用化妝品組的1.3倍，新生兒的發(fā)汞含量則大于不使用化妝品組的1.8倍［25］。因此，除了環(huán)境暴露可造成汞在人體蓄積外（發(fā)汞較高是表現(xiàn)之一），地緣、飲食結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣和遺傳因素也可能對發(fā)汞含量產(chǎn)生影響［16，18-24］，需要比較長的個體監(jiān)測和較大的樣品數(shù)作對比，才能判別某項環(huán)境因素造成的汞暴露風(fēng)險。有學(xué)者呼吁采用與全國膳食調(diào)查相類似的方法開展全國性人發(fā)多元素系統(tǒng)調(diào)查，以便積累完整的基線數(shù)據(jù)，建立正常參考值范圍［25］。在實驗項目后續(xù)開課，以9 ～10 個活動環(huán)境、作息時間、飲食結(jié)構(gòu)相似，且父母無職業(yè)汞暴露的同學(xué)為興趣小組，引導(dǎo)學(xué)生開展“地緣與飲食結(jié)構(gòu)”的發(fā)汞實驗研究，優(yōu)化并豐富實驗教學(xué)內(nèi)容。

5 結(jié) 語

實踐證明，開展研究型儀器教學(xué)不僅培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，也促進了學(xué)生和教師創(chuàng)新能力的雙向發(fā)展。實驗課后，很多同學(xué)申請參與教師的科研項目，或聯(lián)系教師指導(dǎo)面向本科生的各級“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技競賽及“國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練”項目。自2007 年起，我院學(xué)生數(shù)次在省級和國家級“挑戰(zhàn)杯”科技競賽中獲一等獎和特等獎，任課教師的科研和教研能力也大大提升。因此，研究型儀器教學(xué)促進了教研相長。