徐麗娟 王興軍 王惠

［摘 要］ 同位素地球化學(xué)作為系統(tǒng)地球科學(xué)重要的示蹤和定年的手段逐漸應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，同位素測試技術(shù)是同位素地球化學(xué)發(fā)展的重要部分。技術(shù)人才的培養(yǎng)是目前國家發(fā)展新的戰(zhàn)略，多元化的地學(xué)人才培養(yǎng)特別是實(shí)驗(yàn)技術(shù)人才的培養(yǎng)成為迫在眉睫的要求，而實(shí)驗(yàn)課在地球科學(xué)中是培養(yǎng)技術(shù)人才的關(guān)鍵，主要針對同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的課程內(nèi)容，從實(shí)驗(yàn)安全、樣品的前處理和質(zhì)譜儀測試三部分詳細(xì)闡述該課程，對該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及主要考核方式進(jìn)行探討，從而達(dá)到強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)理論知識、動手操作能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及創(chuàng)造力的目的。

［關(guān)鍵詞］ 實(shí)驗(yàn)技術(shù)；穩(wěn)定同位素；地球科學(xué)；前處理；課程內(nèi)容

［基金項(xiàng)目］ 2019年度科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心項(xiàng)目“深部碳、氧循環(huán)的金屬同位素示蹤技術(shù)”（2019YFA0708400）；2023年度中國地質(zhì)大學(xué)（北京）研究生教材教改建設(shè)專項(xiàng)（JG202318）

［作者簡介］ 徐麗娟（1984—），女，山東濰坊人，博士，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）科學(xué)研究院副教授，主要從事巖石學(xué)、地球化學(xué)研究；王興軍（1984—），男，山東青州人，教育學(xué)學(xué)士，山東省日照市莒縣第三中學(xué)中級教師，主要從事教育教學(xué)研究；王 惠（1984—），女，山東青州人，教育學(xué)學(xué)士，山東省益都師范附屬小學(xué)初級教師，主要從事教育教學(xué)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）32-0013-04 ［收稿日期］ 2022-02-27

進(jìn)入21世紀(jì)以來，同位素地球化學(xué)作為系統(tǒng)地球科學(xué)重要的示蹤和定年的手段逐漸應(yīng)用到地球化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、海洋科學(xué)、能源科學(xué)、寶玉石學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科。地學(xué)人才的培養(yǎng)也呈現(xiàn)出多元化的趨勢，而同位素的測試技術(shù)由于其過程比較復(fù)雜、干擾較多、前處理環(huán)境要求較高等特點(diǎn)，從而對測試人員的要求也比較高。國家越來越重視技術(shù)人員的培養(yǎng)和發(fā)展，當(dāng)前“國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”項(xiàng)目的大量資金投入就是當(dāng)前國家戰(zhàn)略開始布局從“科學(xué)”到“技術(shù)”再到“市場”的策略，所以構(gòu)建適應(yīng)新時(shí)代多元化的地學(xué)人才特別是實(shí)驗(yàn)技術(shù)人才的培養(yǎng)成為迫在眉睫的事情［1-3］，是像中國地質(zhì)大學(xué)（北京）這樣一個(gè)努力建設(shè)地球科學(xué)領(lǐng)域世界一流大學(xué)的高等學(xué)校的一項(xiàng)十分重要的任務(wù)。而技術(shù)人員的主要工作領(lǐng)域在實(shí)驗(yàn)室，所以實(shí)驗(yàn)室教學(xué)是培養(yǎng)技術(shù)人員的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與理論教學(xué)相互獨(dú)立、相互依存、相互促進(jìn)，實(shí)驗(yàn)室教學(xué)能夠幫助并加強(qiáng)理解課堂內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及實(shí)踐動手能力［3-4］。

一、“同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)課”教學(xué)的思想和理念

目前中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室已建成多種高精度穩(wěn)定同位素（Fe-Mg-Cu-Zn-Cr）及放射性同位素（Sr-Nd-Pd-Hf）測試方法，且已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。近幾年，校內(nèi)和校外科研團(tuán)隊(duì)與同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣泛開展合作，但經(jīng)過幾年的合作實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，研究生的整體素質(zhì)參差不齊、實(shí)驗(yàn)素質(zhì)較弱、動手能力較差、缺少專業(yè)的實(shí)驗(yàn)技能。同位素化學(xué)前處理及儀器測試過程中會用到大量的濃酸、濃堿等危險(xiǎn)化學(xué)物品，并且樣品處理過程比較復(fù)雜，對研究生的整體要求比較高。所以必須開設(shè)“同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)課”，而開設(shè)本課程的主要目的是教授學(xué)生實(shí)驗(yàn)期間的安全注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的基本機(jī)理、質(zhì)譜測試的基本機(jī)理，以此全面、專業(yè)地提高研究生的同位素化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)素養(yǎng)，同時(shí)也保證學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全及數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。

二、“同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)課”教學(xué)的主要內(nèi)容

同位素地球化學(xué)的前處理過程及分析儀器都比較昂貴，且儀器都非常精密，同時(shí)儀器和超凈實(shí)驗(yàn)室都是有使用壽命的，而數(shù)據(jù)的產(chǎn)出過程需要規(guī)范的操作，所以在實(shí)驗(yàn)過程中一定要制定相對完善的規(guī)章制度，韓非子說“萬物莫不有規(guī)矩”，俗話講“無規(guī)矩不成方圓”，講的都是規(guī)章制度的重要性。習(xí)近平總書記說：“紀(jì)律是成文的規(guī)矩，一些未明文列入紀(jì)律的規(guī)矩是不成文的紀(jì)律?！保?］立規(guī)矩、講紀(jì)律才能更好地維護(hù)實(shí)驗(yàn)室的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，才能做出更準(zhǔn)確、精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。所以本課程在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前先立規(guī)矩、講紀(jì)律，進(jìn)行安全教育，主要培養(yǎng)學(xué)生的安全意識、責(zé)任感及主人翁的意識。下面舉例說明針對千級實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度。（1）任何進(jìn)入超凈實(shí)驗(yàn)室的人員需獲得實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人的批準(zhǔn)并進(jìn)行崗前培訓(xùn)，參與實(shí)驗(yàn)室工作的人員禁止使用有強(qiáng)烈揮發(fā)性的化妝品（如：香水）等。（2）任何使用實(shí)驗(yàn)室的人員有義務(wù)遵守實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)規(guī)定，服從實(shí)驗(yàn)室管理，承擔(dān)分配的各項(xiàng)工作，有義務(wù)參加實(shí)驗(yàn)室日常維護(hù)工作，實(shí)行輪流值日制度，值日期間需認(rèn)真完成清潔工作并履行安全職責(zé)。（3）未經(jīng)同意，不得動用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)他人的實(shí)驗(yàn)物品。（4）室內(nèi)所有設(shè)備、儀器、耗材未經(jīng)同意，不能私自外借或拿出實(shí)驗(yàn)室。（5）禁止把與實(shí)驗(yàn)室工作無關(guān)的物品帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（包括充電器、充電寶和電腦），攜帶手機(jī)類的通信工具也應(yīng)該注意保管，遠(yuǎn)離酸和水。（6）各房間之間的門應(yīng)及時(shí)關(guān)閉，防止交叉污染。（7）離開實(shí)驗(yàn)室時(shí)，必須確認(rèn)關(guān)好水、電，并做好登記等。

實(shí)驗(yàn)室是技術(shù)人員的主戰(zhàn)場，所以實(shí)驗(yàn)室教學(xué)是培養(yǎng)技術(shù)人才的關(guān)鍵，但是目前很多高校的學(xué)生重理論、輕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)不認(rèn)真，實(shí)驗(yàn)過程缺少理論創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，缺乏綜合性、設(shè)計(jì)性的研究環(huán)節(jié)，不去積極地探索。同位素地球化學(xué)測試技術(shù)屬于現(xiàn)代化的測試技術(shù)，測試過程對人的技術(shù)水平及理論基礎(chǔ)要求比較高，且目前處于高速發(fā)展的階段，所以在授課過程中我們在講授基礎(chǔ)理論的同時(shí)介紹某些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的缺陷，鼓勵以及引導(dǎo)學(xué)生自己去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)過程，甚至鼓勵學(xué)生嘗試去寫一些發(fā)明專利。

例如，非傳統(tǒng)金屬同位素地球化學(xué)的測試技術(shù)主要分為實(shí)驗(yàn)樣品的前處理和質(zhì)譜儀測試兩部分。其中熱電離質(zhì)譜儀測試中一般利用固體進(jìn)樣法，在進(jìn)樣過程中會用到一個(gè)焊帶支架，工廠配備的支架在點(diǎn)樣前會進(jìn)行預(yù)處理，會將支架上的金屬燈絲用銼刀搓掉，進(jìn)行這項(xiàng)工作時(shí)一次只能完成一個(gè)支架的打磨。所以傳統(tǒng)的手工打磨單帶支架勞神耗時(shí)，且容易在打磨時(shí)造成單帶支架的變形損壞，筆者嘗試引導(dǎo)學(xué)生改良該設(shè)備，發(fā)明一種可高效預(yù)處理單帶支架的器械，其環(huán)保耐用，操作簡單，儲放方便，體積小巧，使用過程節(jié)約人力成本，且能保障單帶支架打磨過程中最低程度的損耗，該學(xué)生也因此獲得了一項(xiàng)實(shí)用新型專利。

同時(shí)質(zhì)譜儀測試是在電磁場的作用下使帶電粒子按照其質(zhì)荷比大小分離開來的儀器，其質(zhì)量數(shù)相同質(zhì)子數(shù)不同的不同原子在儀器測試時(shí)是分不開的。例如，在對Cr（Cr50、Cr52、Cr53、Cr54）進(jìn)行同位素分析時(shí)，F(xiàn)e54、Ti50、V50等同質(zhì)異位數(shù)會在質(zhì)譜測試過程中干擾Cr同位素的測試。所以我們會利用不同元素化學(xué)性質(zhì)的不同（例如，跟樹脂的結(jié)合能力的不同）進(jìn)行樣品的前處理，先把Fe、Ti、V等同質(zhì)異位數(shù)在前處理過程中除掉。測試同位素的過程有很多工作都是在進(jìn)行樣品的前處理，且質(zhì)譜儀的檢測限一般在ppb級（10-9g/g），這就要求在前處理過程中用到的環(huán)境、器皿、試劑等的金屬雜質(zhì)的含量要特別低（＜10-9g/g），從而降低其引入的雜質(zhì)，同時(shí)空氣/水中金屬離子會達(dá)到ppm/百分含量級別，所以前處理的大部分工作是在降低全流程空白的基礎(chǔ)上把同位素分開?；谝陨显?，前處理的工作一般在降低環(huán)境、器皿、試劑空白的基礎(chǔ)上進(jìn)行同位素的分離處理。

針對環(huán)境：環(huán)境的污染主要來自粉塵，為了排除空氣中灰塵所帶的金屬離子的干擾，所有的前處理實(shí)驗(yàn)操作都在千級超凈實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。在這一部分講解中，筆者為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新型思維，在環(huán)境處理中設(shè)置了7個(gè)富有挑戰(zhàn)性的問題：（1）超凈實(shí)驗(yàn)室空氣過濾的手段；（2）超凈實(shí)驗(yàn)室空氣過濾材料的識別、選擇和應(yīng)用；（3）超凈實(shí)驗(yàn)室恒溫、恒濕條件中空調(diào)的選擇；（4）超凈實(shí)驗(yàn)安全柜的運(yùn)行原理和材質(zhì)選擇；（5）超凈實(shí)驗(yàn)室廢酸酸氣的處理方法；（6）超凈實(shí)驗(yàn)室個(gè)人的清潔度問題；（7）超凈實(shí)驗(yàn)室維護(hù)過程。

這一部分的科學(xué)問題不僅讓學(xué)生牢牢記住實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生的動手能力及創(chuàng)新能力，同時(shí)可增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保知識，使其樹立“綠水青山就是金山銀山”的理念和意識，增強(qiáng)學(xué)生在提高科學(xué)素養(yǎng)的同時(shí)用科學(xué)的手段愛護(hù)家園的理念。

針對器皿處理：這部分包括器皿的選擇和器皿的洗滌，整個(gè)樣品的前處理過程中用到不同種類、不同材質(zhì)及不同價(jià)格的器皿。在這一部分講解中，筆者為了發(fā)散學(xué)生的創(chuàng)新型思維，以及提高學(xué)習(xí)的興趣，在講解過程中設(shè)置了6個(gè)富有挑戰(zhàn)性的問題：（1）塑料制品有幾種材質(zhì)？我們常喝的礦泉水的水瓶有幾種材質(zhì)？（2）不同材質(zhì)的受熱溫度是多少？（3）不同材質(zhì)器皿的金屬雜質(zhì)含量是多少？（4）設(shè)計(jì)一個(gè)溶解樣品的實(shí)驗(yàn)需要哪幾種材質(zhì)的樣品？（5）目前實(shí)驗(yàn)室用到的器皿可以做何改進(jìn)？（6）器皿的金屬雜質(zhì)如何清洗？

這一部分主要用到一些聚四氟乙烯的洗瓶和溶樣杯，以及純化酸用的亞沸蒸餾器。這些材質(zhì)的樣品之前大部分依賴美國進(jìn)口，但是目前隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的開始，近幾年進(jìn)口聚四氟乙烯樣品的成本比原來貴3～4倍。目前各個(gè)大學(xué)或者科研院所找到一些廠家合作，提高生產(chǎn)工藝，且優(yōu)化產(chǎn)品特性，生產(chǎn)出了屬于中國的同位素操作器皿。本節(jié)課給學(xué)生講授器皿的材質(zhì)及制作過程的同時(shí)，鼓勵學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中利用自己學(xué)到的知識創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的器皿。在這部分工作中增強(qiáng)學(xué)生的民族自信心，提高其主人翁的意識。同時(shí)該類課程能引導(dǎo)學(xué)生體會前人的學(xué)習(xí)方法和實(shí)驗(yàn)思想，以前人的方法為指導(dǎo)，學(xué)會研究、制作、設(shè)計(jì)，在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、豐富知識及具有較強(qiáng)的挑戰(zhàn)能力的新世紀(jì)人才，而不是培養(yǎng)模仿照搬的機(jī)械性人才。

針對試劑和水的純化過程：在實(shí)驗(yàn)過程中我們會用到大量的濃酸和濃堿，如硝酸、鹽酸、氫氟酸等。筆者在這一部分設(shè)置了7個(gè)重要的問題：（1）試劑純度調(diào)研及如何選擇試劑的純度；（2）自來水中金屬離子的含量及純化過程；（3）國內(nèi)外試劑的價(jià)格、廠家及用途調(diào)研；（4）試劑的配制方法；（5）試劑的純化過程、方法及可能操作過程；（6）利用酸純化樣品的金屬同位素的基本原理和基本方法；（7）酸的主要危害及使用注意事項(xiàng)。

習(xí)近平總書記在中央政治局就加強(qiáng)基礎(chǔ)研究的第三次集體學(xué)習(xí)中強(qiáng)調(diào)“切實(shí)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，夯實(shí)科技自立自強(qiáng)根基”，要求“要強(qiáng)化基礎(chǔ)研究前瞻性、戰(zhàn)略性、系統(tǒng)性布局”。在基礎(chǔ)科研中金屬穩(wěn)定同位素作為一種投入較高的測試手段已經(jīng)逐漸應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。通過以上重要的7個(gè)科學(xué)問題，不僅讓學(xué)生牢牢掌握同位素實(shí)驗(yàn)過程中酸的基本知識，也讓學(xué)生了解國家在基礎(chǔ)科研的投入狀況以及國內(nèi)科研環(huán)境。通過對比，增強(qiáng)學(xué)生的民族自信心，提高學(xué)生的興趣和專注力。習(xí)近平總書記在2023年的新年賀詞中提到“明天的中國，奮斗創(chuàng)造奇跡”，引導(dǎo)學(xué)生為國家的科研事業(yè)努力奮斗，增強(qiáng)學(xué)生為社會主義科研事業(yè)奮斗終身的決心。

三、主要教學(xué)形式

“同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)課”的主要教學(xué)形式為理論和實(shí)驗(yàn)操作，先鋪墊理論，理論主要讓學(xué)生整體了解同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全、測試工作的原理和基本理論。讓學(xué)生知道一個(gè)優(yōu)秀的同位素實(shí)驗(yàn)室要出高準(zhǔn)確度、高精確度的數(shù)據(jù)必須有嚴(yán)格的規(guī)章制度，無規(guī)矩不成方圓。本課程主要讓學(xué)生親自動手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中體驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)的過程和樂趣。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的研究和創(chuàng)新能力及溝通協(xié)作能力，拓寬學(xué)生的視野，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)際動手的能力。同時(shí)通過不同的科學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)器皿的改良，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，最后通過該課程增強(qiáng)學(xué)生的民族自信心及其主人翁的意識，為促進(jìn)學(xué)校人才的培養(yǎng)、科學(xué)研究的水平貢獻(xiàn)一份力量，從而為國家培養(yǎng)高級專業(yè)人才、創(chuàng)新型人才，以及促進(jìn)社會主義現(xiàn)代化的重任添磚加瓦。

四、考核方式

傳統(tǒng)的考試只注重最后的期末考試，不注重平時(shí)的學(xué)習(xí)，在考試的時(shí)候突擊，考試完會很快把學(xué)到的知識忘記，且這樣也只注重個(gè)人學(xué)習(xí)，不利于團(tuán)隊(duì)的合作［6-7］。此外，因?yàn)槌瑑魧?shí)驗(yàn)的場地有限，人多會對實(shí)驗(yàn)室造成污染，所以本科生主要采取的是分組且不同時(shí)段進(jìn)行上課。我們打分按照小組進(jìn)行，小組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行得順利，分值就高；反之，分值就低。這種考核方式利于學(xué)生之間互相監(jiān)督、互相督促、互相幫助，會讓他們?yōu)榱诵〖w的榮譽(yù)而努力，實(shí)驗(yàn)過程中有些實(shí)驗(yàn)本來就需要兩個(gè)人共同合作完成，所以這種教學(xué)形式有助于提高學(xué)生相互協(xié)作和團(tuán)結(jié)的能力。

結(jié)語

高等教育承擔(dān)著培養(yǎng)新型人才、專門人才、技術(shù)人才，以及推動科技發(fā)展的重大核心任務(wù)。所以提高技術(shù)人才的教育和發(fā)展是當(dāng)前傳統(tǒng)地球科學(xué)向非地球系統(tǒng)科學(xué)轉(zhuǎn)變進(jìn)一步深化面臨的新型挑戰(zhàn)［3］?！巴凰氐厍蚧瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課”是培養(yǎng)同位素測試方面技術(shù)人員的重要組成部分。將同位素地球化學(xué)學(xué)科最前沿的知識及時(shí)地融入教學(xué)中，更新教學(xué)體系，構(gòu)建新的“同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)課”課程教學(xué)體系，確立培養(yǎng)人才的新理念，探索培養(yǎng)人才的新模式，為地球化學(xué)學(xué)科的發(fā)展培養(yǎng)有知識、有情懷、有全球視野、有良好的科學(xué)素養(yǎng)并且德才兼?zhèn)涞男滦腿瞬?，從而為地球化學(xué)學(xué)科的發(fā)展提供重要的支持，對于提高高校地球科學(xué)專業(yè)教學(xué)整體水平，促進(jìn)人才培養(yǎng)，特別是對當(dāng)前國家開始布局從“科學(xué)”到“技術(shù)”到“市場”的戰(zhàn)略策略具有重要的意義。

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Discussion on the Teaching Content and Methods of Stable Isotope Experimental Technology Course

under the New Situation

XU Li-juan1， WANG Xing-jun2， WANG Hui3

（1. Scientific Research Institute， China University of Geosciences（Beijing）， Beijing 100083， China;

2. Juxian No.3 Middle School， Rizhao， Shandong 276500， China; 3. Shandong Yidu Normal School Affiliated Primary School， Weifang， Shandong 262500， China）

Abstract： As an important means of tracing and dating in systematic earth science， isotope geochemistry has been gradually applied to various fields， and isotope testing technology is an important part of the development of isotope geochemistry. The training of technical personnel is a new strategy of national development at present. The requirement of building diversified geoscience talents training， especially the experimental technology talents， has become an urgent requirement. The experiment course is the key to cultivate technical talents in earth science. This paper mainly aims at the course content of isotopic geochemistry experiment technology， expounds the course from three parts： experimental safety， sample pretreatment and mass spectrometer test， and discusses the teaching content， teaching methods and main assessment methods of the course. So as to achieve the purpose of strengthening students experimental theoretical knowledge， hands-on ability， and cultivating students teamwork ability and creativity.

Key words： experimental analysis technology; stable isotope; earth science; Pre-treatment; course content