高職院校地質類專業(yè)同位素測試實驗教學探討

□賴冬蓉 李叢冠

實驗教學在高職院校實踐教學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)這一主線構建實驗教學內容，是實現(xiàn)高職院校技能應用性人才的培養(yǎng)目標的必由之路。同位素測試實驗教學是高職院校地質類地球化學、資源勘查工程、地球物理勘查技術等專業(yè)的一門重要實驗課。做好同位素測試實驗教學，對于促進地質類專業(yè)課堂教學、培養(yǎng)學生的動手操作能力、分析能力、觀察能力和創(chuàng)造能力，了解同位素地質在技術、方法、理論與應用方面的最新進展，形成腳踏實地的科學態(tài)度和認真仔細的工作作風，具有十分重要的意義。因實驗設備昂貴、實驗內容較多、實驗步驟復雜等因素，同位素測試實驗教學與其它課程的實驗教學相比具有特殊性。本文以高職院校地質類專業(yè)同位素測試實驗教學為例，探討不同實驗目的、對象、步驟等同位素測試實驗教學方法，評價實踐教學效果，并提出做好同位素測試實驗教學的建議，為高職院校地質類專業(yè)開展相關有效的實踐教學，探討高職人才培養(yǎng)模式提供借鑒。

一、同位素測試實驗教學目的與要求

（一）同位素測試實驗教學目的必須明確

同位素實驗教學就是要通過實驗課的學習，使學生加深對環(huán)境同位素地球化學的基本理論的理解，了解實驗儀器的性能指標，具體的操作規(guī)程，學會如何選取分析樣品，掌握同位素分析測試方法與步驟，對環(huán)境同位素測試數(shù)據(jù)進行分析和解釋，并對實驗數(shù)據(jù)真實性和可靠性進行判別，培養(yǎng)學生具有從事科學研究和解決實際問題的能力。

（二）同位素測試實驗教學必須按照計劃進行管理

要嚴格按照同位素測試實驗教學計劃和教學大綱中規(guī)定的實驗課時和內容進行，由任課教師提出實驗計劃，填寫“教師課內實驗安排表”。同位素實驗教學配有實驗教學大綱、實驗教材和實驗指導書，其內容包括：實驗目的、要求、原理、步驟、方法、儀器設備及使用說明、實驗材料、數(shù)據(jù)處理和注意事項等，且實驗課教學由任課教師和實驗員同時擔任。任課教師對每次實驗課教學都要精心準備，并在實驗前通知學生做好預習工作。實驗員要認真貫徹實驗計劃，提前做好各項準備工作，使儀器設備處于完好狀態(tài)。實驗準備就緒后，實驗員要與任課教師一起進行預實驗，確保實驗課按計劃順利進行。

（三）同位素測試實驗教學任課教師和實驗員要負責整個實驗教學過程

實驗開始前，任課教師和實驗員要檢查學生的預習情況，扼要講解與本次實驗有關的理論知識、實驗方法、操作技能、操作規(guī)程、安全注意事項以及應急措施。在實驗過程中，任課教師和實驗員共同做好指導工作，檢查學生是否按正確的操作規(guī)程進 行實驗，一旦操作失誤或儀器出現(xiàn)故障，要分析產生的原因，確保實驗獲得正確可靠的結果，并記錄實驗數(shù)據(jù)。實驗完成后學生要按規(guī)定撰寫和提交實驗報告。

二、同位素實驗儀器設備與教學方法

（一）實驗儀器性能

實驗前給學生詳細介紹實驗儀器的性能和參數(shù)至關重要，防止學生在實驗過程中可能因對儀器性能不了解或操作不當而影響實驗教學。本實驗教學采用的是德國Finnigan公司生產的新型MAT 253穩(wěn)定同位素比值質譜儀，它具高靈敏度和高線性特點，計算機控制離子源電壓和參數(shù)，不同高阻之間自由轉換。可以精確測量13C/12C、15N/14N、18O/16O、33S/32S、34S/32S、36S/32S 和 D/H 等同位素比值。質量分析器具有90度凹面（無散光）聚焦磁場，近百分之百轉換，具有10個積分通道用于多種離子流的同時測量。離子流強度可達50V，適合不同樣品量的樣品。采用雙路比較和連續(xù)流兩種模式測量，可方便地添加多種在線測量的外圍設備。

（二）操作規(guī)程

由于同位素實驗課內容比較多，操作過程復雜且費時較長，必須強化實驗前的規(guī)程介紹，讓學生嚴格按照操作規(guī)程進行。具體步驟如下：檢查儀器開關設置，保持房間溫度20±2℃和濕度＜40%；啟動空氣壓縮機使壓力在6-10大氣壓之間，儀器調節(jié)壓力為4大氣壓；檢查載氣、參考氣連接是否正確，確認無誤后打開氣體解壓閥，并用肥皂水檢漏；根據(jù)需要測試樣品的不同，打開與之對應針閥，一般抽氣30分鐘后，等真空度達到10-6Pa時，打開離子源；打開計算機系統(tǒng)，調出控制、分析程序；當本底水平達到后，分別引入測定和標準氣體；對測量氣體調整工作參數(shù)，由計算機進行自動測量；樣品做完后，抽去儲樣器中氣體，抽氣1小時后，先關高壓和離子源再關針閥；向系統(tǒng)充氦氣保護；關計算機系統(tǒng)，關電源，關空氣壓縮機。

（三）運行檢查

儀器設備的運行檢查一般由實驗員完成，開機后，如果有好幾天沒有做樣品，應先把柱子溫度升到120℃進行烘烤24個小時左右去殘氣；再把氦氣打開，表頭設在0.9左右，沖氣1-2個小時，當真空達到10-6Pa時，再把離子源關閉，針閥打開，先設在N2氣位置，做H2O、Ar峰對中測試，當H2O<3V、Ar<10mV時本底才穩(wěn)定；然后設在CO2位置，做CO2峰配鐘，使CO2<10mV左右；再單獨做幾個Zero Dela值，運行穩(wěn)定后才能對樣品進行測試。

（四）實驗樣品的測定與實驗步驟

同位素實驗包括4個部分：水中氧同位素、氫同位素組成測試，水中溶解無機碳（DIC）同位素組成測試、碳酸鹽巖碳氧同位素組成測試。

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，其實驗操作步驟如下：（1）恒溫槽調到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Sequence，把樣品統(tǒng)一號填在Sequence中的相應位置；（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進樣器上；（4）用0.3%CO2和He混合氣對樣品進行吹氣，并平衡20小時；（5）把吹氣針換成進樣針，把參考氣CO2打開，運行Sequence對樣品進行測試。在水樣與已知組成的CO2達到氧同位素交換平衡，根據(jù)測得的平衡CO2的18O/16O和已被精確測定的分離系數(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H2-H2O平衡法，具體的實驗操作步驟如下：（1）恒溫槽調到28℃，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 Sequence， 把 樣 品 統(tǒng) 一 號 填 在Sequence中的相應位置；（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進樣器上；（4）用2%H2和He混合氣對樣品進行吹氣，并平衡40分鐘；（5）把吹氣針換成進樣針，把參考氣H2打開，運行Sequence對樣品進行測試。

3.水中溶解無機碳（DIC）同位素組成分析

水中DIC以CO2、HCO3-和CO32-形式存在，在充滿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輸入質譜儀測量碳同位素組成。具體實驗操作步驟如下：（1）恒溫槽調到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Sequence，把樣品統(tǒng)一號填在Sequence中的相應位置；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進樣器上，用高純氦氣吹氣，然后加樣品 700μl并平衡 18個小時；（4）把吹氣針換進樣針，把參考氣CO2打開，運行Sequence對樣品進行測試。

4.碳酸鹽碳氧同位素組成（δ13C和δ18O）分析

實驗操作步驟如下：（1）恒溫槽調到72℃，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Sequence，把樣品統(tǒng)一號填在Sequence中的相應位置；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進樣器上，用純氦氣吹氣，然后加98%的H3PO430μl并平衡1個小時；（4）把吹氣針換進樣針，把參考氣CO2打開，運行Sequence對樣品進行測試。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轉入CO2），通過反應所釋放的CO2測量碳 氧同位素組成（δ13C 和δ18O）。

三、同位素測試實驗教學效果評價

通過同位素測試實驗教學，取得了以下幾個方面的效果：一是使地質類專業(yè)的學生學會了使用各種同位素測試實驗設備，掌握了水中氧同位素、水中氫同位素、水中溶解無機碳同位素（DIC）、碳酸鹽碳氧同位素的實驗方法，使學生能接觸到當今較先進的測試設備和實驗理念，提高了學生綜合素質。二是使學生了解了實驗儀器的工作性能，熟悉了實驗操作步驟，基本掌握了測試分析工作的要領，對同位素測試結果的科學價值有進一步了解，顯著提高了學生的動手操作能力、分析能力、觀察能力、創(chuàng)造能力以及分析和解決實際問題的能力。三是根據(jù)地質類不同專業(yè)的學生，形成了以學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心、以掌握測試操作技能為基礎、以提升科研能力為目標、以高科技、新技術同位素測試設備使用為學生創(chuàng)新能力延伸培養(yǎng)為主要手段的優(yōu)化實驗教學模式。

在同位素測試實驗教學過程中，也發(fā)現(xiàn)存在以下幾個方面的問題：首先，沒有建立有效的同位素測試實驗教學效果評價體系，有的教師和實驗員因為同位素測試實驗教學步驟復雜，沒有嚴格按同位素測試實驗教學大綱規(guī)定的內容和時間進行教學，在實驗教學上存在“縮水”現(xiàn)象；有的學生實驗態(tài)度不夠端正，不勤于思考和動手，不按規(guī)定完成同位素測試實驗步驟，不認真完成實驗報告。其次，有的學生對水中氧同位素、水中氫同位素、水中溶解無機碳同位素（DIC）、碳酸鹽碳氧同位素的目的、要求和作用不夠明確，對測試中獲得的數(shù)據(jù)所隱含的科學意義不夠清楚，不能很好地運用于解決實際的問題，這和教師課堂上理論教學與實驗操作知識相脫節(jié)、理論教師與實驗員沒有良好溝通等有關。第三，因同位素測試實驗設備比較昂貴，有的一臺設備就值400多萬元，并且實驗步驟較多且比較復雜，學生怕?lián)p害設備、怕麻煩，因而在實驗過程中放不開手腳，或有畏難情緒，難以達到實驗教學的目的。

四、提高同位素測試實驗教學效果的思考

（一）要建立科學有效的同位素測試實驗教學評價體系

學校要設立同位素測試實驗教學各項評價指標，并根據(jù)指標的重要程度賦予不同權重，采用量化評分標準進行綜合評價，要涉及教師、學生、教學管理及實驗儀器設備等多個因素，全面考核學生同位素實驗操作技能和對專業(yè)基礎知識的掌握程度。它是一個綜合體系，包括教師與實驗員評價、學生評價和同行專家評價。教師與實驗員評價主要在于是否嚴格按照同位素測試實驗教學大綱規(guī)定的內容和時間進行教學，是否盡職盡責，在教學中是否吃透和把握了實驗教學關鍵知識點，是否真正讓學生理解了所講授的知識和內容。學生評價采用問卷調查、網(wǎng)上評教、找學生談話等形式，收集學生對實驗課教學提出的一些合理建議和意見。同行和專家評價主要是針對實驗準備是否充分、實驗課程教學安排與組織是否恰當、是否達到實驗教學要求進行客觀評價。

（二）同位素測試實驗教學與具體理論教學相結合

理論教師與實驗員要進行良好地溝通與協(xié)作。理論老師要具備淵博的同位素地球化學等方面的知識，能向學生全面講解同位素測試的理論體系，使學生能較好地掌握同位素測試理論知識和實驗教學關鍵點。同時，學校提供的各實驗課程的教材與指導書中要有介紹實驗教學的目的、要求、步驟、方法等內容，真正讓學生理解同位素測試的理論知識和實踐內容，同時增加綜合性、設計性實驗內容，把教師科研成果引入實驗教學內容之中[5]，充分激發(fā)學生參與實驗教學的興趣和主觀能動性。

（三）教師和實驗員要參與同位素測試實驗教學全過程

教師和實驗員要統(tǒng)籌兼顧同位素測試實驗教學的實驗過程、實驗結果與實驗報告。教師和實驗員要做好同位素測試實驗教學的前期準備，可以將整個實驗過程拍攝成教學片在學生進行實驗前進行播放，讓學生對于同位素測試設備、實驗步驟有一定的感性認識和比較透徹地了解。在實驗過程當中，教師和實驗員要參學生的實驗操作的全過程，既讓參與實驗的每位同學都能獨立完成整個操作過程，又能及時在重點環(huán)節(jié)和可能帶來危險的地方予以指導[5]。在同位素測試實驗教學結束后，教師和實驗員要對學生撰寫實驗報告進行具體地指導，幫助學生端正實事求是的態(tài)度，提高實驗報告的規(guī)范性表達，體會測試中獲得的數(shù)據(jù)所隱含的科學意義，這樣才能真正達到實驗教學的目的。

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