穩定同位素質譜儀與《環境同位素》課程教學探討

李清光 劉沛 顧尚義

摘要：現階段，穩定同位素質譜儀在環境地球科學領域應用十分廣泛。根據同位素比值的變化特征可以揭示生物圈物質循環過程的機理，并有助于學生加深對表生環境中污染物遷移轉化過程機制的認識。將同位素質譜分析原理與技術融入穩定同位素地球化學教學課程當中，能夠使學生接觸先進的科研儀器，更加深刻掌握同位素地球化學的相關理論與測試技能，從而開闊學生的學術視野，并培養學生的科研興趣和動手能力。在給環境地學類專業的學生講授本學科核心課程——《環境同位素》的過程中，首先應對授課內容進行較大規模的更新，結合近年來相關領域同位素分析的高水平研究成果，全面反映同位素在環境地學研究領域的研究進展。以解決科學問題為導向，通過導入研究案例，開展實踐教學活動是將同位素質譜儀引入環境同位素教學的良好切入點。結合多種形式的教學方式改革探索，培養學生獨立思考和解決問題的能力，盡快融入具體的科研工作當中。

關鍵詞：質譜儀；環境地球科學；教學內容；教學方式；課程改革

中圖分類號：G526.5 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）24-0155-04

20世紀初，英國劍橋大學Cavendish實驗室的Thomson和Aston在研究陰極射線過程中，揭示了氖（Neon）有兩個同位素20Ne、22Ne；隨后，Aston進一步開展同位素研究工作，先后在71種元素中發現了202種同位素[1]。由此，揭開了人們利用質譜技術探究自然界奧秘的序幕。現階段，同位素質譜儀已經廣泛應用于生命科學、化學、石油化工、地球科學、核科學、天體科學、材料科學、環境科學、醫療衛生、食品科學，以及刑偵緝毒工作和地質考古等眾多學科領域。

鑒于自然界物理化學條件的改變會使某一元素中同位素的組成比例產生不同程度的改變（同位素分餾），同位素質譜分析技術能夠揭示元素的地球化學循環過程、示蹤各種環境污染物的來源與去向，因此，成為環境地球科學研究領域的重要技術手段。將同位素質譜分析原理與技術融入本學科核心課程——《環境同位素》教學當中，可以使學生接觸到先進的大型科研儀器，更加深刻地理解穩定同位素地球化學的相關理論知識與儀器分析測試技巧，從而開闊學生的學術視野，培養學生的科研興趣和動手能力，并有助于其今后從事相關科學研究工作[2]。

一、氣體同位素質譜儀工作原理

氣體同位素質譜儀通常情況下是用于測定物質的分子量、原子量及其豐度，以及不同核素組成比例的精密儀器[3-5]。隨著分析技術的提高，現代同位素質譜儀一般由三大系統組成：分析系統、電學系統，以及真空系統。其中，電學系統和真空系統用以保證分析系統得以實現對樣品中某一特定元素中不同核素信號強度的分析。質譜儀的工作原理其本質上是利用帶電粒子在電場和磁場中的質量和旋轉軌道的差異進行分離，并檢測各粒子束信號強度，最后轉換為不同核素比值信號的儀器。其主要核心部件有離子源、質量分析系統和信號接收系統三部分。為保證質譜儀性能穩定，可以根據可測質量范圍、分辨率、靈敏度、精密度、質量色散和準確度等參數進行檢驗[5]。

由于同位素質譜儀價格比較昂貴，長期以來我院教學科研活動只能借助中國科學院地球化學研究所等其他科研單位的儀器平臺開展工作。借助中西部學科提升計劃重點學科建設項目的資助，我院于2012年購置Thermo Scientific Delta V Advantage氣體穩定同位素質譜儀系統一套。同時，配有元素分析儀和GasBench聯用裝置，進行環境地球科學樣品分析，主要用于測定表生環境和地質樣品的C、N、S、H、O等多種元素的穩定同位素比值，進行地球化學循環過程機理和環境污染物溯源等科學研究工作。目前，該儀器已基本調試完畢，并逐步開始服務于相關科學研究項目的樣品測試分析工作。目前，主要針對地下水和地表水樣品的硫酸鹽硫/氧同位素、硫化物硫同位素，以及碳酸鹽巖和水樣品溶解無機碳的碳/氧同位素等方面開展大量測試工作。與此同時，還在《高等地球化學》、《環境同位素》等研究生和本科生課堂教學過程中開始發揮重要的支撐作用。

二、環境地球科學研究中同位素質譜技術的應用

環境地學樣品中同位素自然豐度的變化主要與同位素的分餾效應有關。自然界中溫度、壓力、氧化還原條件等一系列物理、化學條件的改變和生物過程的影響都可以引起同位素的分餾。因此，根據同位素比值的變化特征可以揭示生物圈物質循環過程的機理，并有助于對表生環境中污染物遷移轉化過程機制的認識，進而對環境污染物的來源進行有效示蹤和識別，為降低環境污染物對包括人類在內的地球表層生態系統的負面影響提供科學依據。在地球表層水環境污染研究方面，同位素技術不僅可以對地表和地下水體中硫酸鹽、硝酸鹽和重金屬等污染物的來源和時空變化格局進行有效判別，還能從同位素地球化學的角度對水體富營養化發生的過程機制及影響因素進行深入探討。在大氣污染研究方面，通過空氣中硫化物、有機硫等不同含量組分的硫同位素研究，可以厘清大氣顆粒物的來源與遷移規律，揭示酸雨的成因和酸沉降過程機制，為大氣污染治理提供了堅實的科學依據。在土壤有機與無機污染物示蹤方面，同位素技術能夠示蹤土壤氮肥遷移轉化過程，查明硝化作用和反硝化作用的過程機理，并可以對多環芳烴等持久性有機污染物在表生生態系統中的放大效應開展精確的定量研究。由此可見，穩定同位素質譜分析技術具有傳統方法無可比擬的優勢，在環境地球科學研究領域大有可為。

三、《環境同位素》課程教學改革與探討

長期以來，傳統的穩定同位素地球化學課堂教學更多地是側重于基礎理論知識的講解，以及學科前沿的介紹。實際上，很多地質環境類專業的學生在大學二年級階段已經學習了地球化學的相關基礎知識。因此，該課程的講授需要進行大膽創新，而不應該“炒冷飯”，把很多基礎知識重復講授[6-8]。另一方面，許多知識的課堂講解仍停留在紙上談兵的階段，學生沒有進行過相關儀器操作，無法與實踐聯系起來，更不知道數據如何獲取。樣品采集、實驗前處理過程，以及儀器分析過程中應該注意的細節問題更是無從知曉，對數據質量的檢驗和同位素數據的校正也是一頭霧水。再者，由于我院前期沒有相關同位素質譜儀器，學生即使學習了一些儀器分析課程，也沒法將所學內容在實際操作中加以深化理解，造成學習內容與實際科研工作中應該具備的分析檢測技能嚴重脫節。

隨著環境地學領域科學研究工作的深入開展，相關科學問題的解決越來越離不開同位素地球化學數據的支撐。因此，同位素質譜儀的應用越來越普遍，這就要求環境地學類專業的學生需要具備此類高精尖儀器的操作與使用能力。由此可見，在《環境同位素》課程的講授過程中，有針對性地進行相關氣體同位素質譜儀的講解，就顯得十分必要。但是，在教學過程又不能只局限于課本中傳統教學內容的講解，而應因材施教，將氣體同位素質譜儀的使用融入不同科研樣品的分析過程中，讓學生了解并掌握質譜技術在環境地學領域的應用現狀，從而在教學過程中培養學生的科技創新意識和動手實踐能力[8，9]。

四、教學改革

1.教學內容的改革。現有的穩定同位素地球化學課程，所采用的教材和講授的內容基本是在地球科學研究積累的基礎上形成的課程體系。例如，2000年科學出版社出版的、由鄭永飛和陳江峰教授編著的《穩定同位素地球化學》和2000年科學出版社出版的、中國科學院地球化學所編著的《高等地球化學》等教材，理論知識的講解多以地質科學問題為依托，尤其是巖石地球化、礦床地球化學等傳統地質學領域的研究案例較多。另一方面，雖然穩定同位素地球化學在地球表生圈層研究中應用已經十分普遍，但是尚未有系統的環境同位素方面的專業教材面世。因此，在課堂教學過程中，需對授課內容進行較大規模的更新，不僅要將同位素地球化學的基礎知識講解得淺顯易懂，還應盡可能地全面反映同位素在環境地球科學研究領域的重大突破和熱點科學問題。當然，最好是能夠組織相關專業人士，在系統梳理前人研究成果的基礎上，結合學科前沿發展動態，編著一本適用于環境地球科學領域學生的專業教材。

考慮到學生在學習完基礎課程以后，還需要結合導師的科研課題，開展相應的選題和科學研究工作，課程教學過程中，還應結合學生培養的特點和不同研究領域學生的實際訴求，充分結合國內外學科前沿研究動態，既能讓學生學習到必要的基礎理論知識，又能讓學生了解最新的學科前沿熱點問題。此外，在同位素基礎知識的講解過程中，應以科學問題為紐帶，突出同位素技術在破解重大科學難題方面的突出優勢。最好是結合近年來相關領域同位素分析的高水平論文，逐步培養同學們對科研工作的興趣和熱情。

與此同時，還應結合我院辦學特色與相關科研儀器平臺，課堂上還應著重講解不同類型樣品的同位素前處理流程，特別要指出一些需要引起注意的同位素分餾的重要細節，以及一些常見的操作失誤。通過學生親自操作同位素質譜儀，對樣品進行分析，加深對相關專業基礎知識的理解。在質譜儀工作原理方面，最好結合實物進行講解，指出不同部件的功能和原理，把抽象的概念形象化。在數據獲取與處理方面，應盡可能把靈敏度、精確度和準確度等數據質量控制指標講解清楚，同時還應要求每一位同學都掌握數據校正的方法。此外，還應讓同學們認識到同位素數據校正的重要性，學會常用的校正方法。

2.教學方式的改革。眾所周知，傳統的填鴨式教學很容易抹殺學生的學習興趣和積極性，加之很多學生本科階段并未有地球化學方面的知識積累，因此，難以實現本科階段的教學目標。由此可見，教學方式的改革是現階段提高本科教學質量的關鍵。基于教師主導、學生主動的原則，根據教學內容和學生的專業學科背景等特點，采用BOPPPS教學模式、翻轉課堂、案例式教學、項目式教學和啟發式教學等[10，11]，綜合使用多種教學手段和改進實驗教學等，以實現環境地學類專業核心課程《環境同位素》教學方式改革的不斷探索和創新[12]。

其中，BOPPPS教學模式將教學過程模塊化，此種教學模式分為六個環節，即導入（Bridge-in）、學習目標（Outcome）、前測（Pre-test）、參與式學習（Participation）、后測（Post-test）和總結（Summary）。鑒于常人的專注力大約只能維持15分鐘，上課時要把握好每個環節的時間，同時每個環節還應遵循“起承轉合”的脈絡。BOPPPS教學模式是一個強調學生參與和反饋的閉環教學過程模式，注重教學目標的有效性和教學方法的多樣性。

現階段，很多教師開始嘗試采用討論式教學。在這一過程中，學生的注意力一直保持在“問題—思考—探索—解答”的活躍狀態。課堂上，大家會針對某一科學問題，從不同的角度來揭示其中的內涵和一些基本規律的實質。在閱讀相關專業文獻的基礎上，通過對前人的不同學術觀點進行探討，就會形成強烈的外部刺激，激發同學們對解決科學問題的高度興趣和極大熱情，由此形成自主性、探索性和協同性的良好學習氛圍，從而實踐“教師為主導、學生為主體”的教學思想。實際上，通過討論的方式來解決教學過程中出現的一些知識難點，有助于同學們進行思考和理解，針對性較強，教學效果比傳統的教學方式好得多。

翻轉課堂的實質是讓老師更多地成為指導者而不是教學內容的講解者。在這種教學模式中，老師還有更多的機會留意到學生們之間的交流。同學們通過相互幫助、相互探討和借鑒，實現對教學內容更深層次的理解。此外，還可以通過專題的形式介紹前沿動態，讓學生對不同的研究領域有一個系統、全面的了解，有助于學生快速把握學科定位，并聚焦感興趣的科學問題。

實際上，通過引入研究案例，以解決科學問題為導向，讓同學們從樣品采集、實驗分析、數據處理和解釋、研究報告的編寫等多個環節進行適當的訓練，是將同位素質譜儀引入環境同位素教學的良好切入點。在上述過程的訓練過程中，同學們會不自覺地應用到一些課堂教學的知識點。并且，同學們還要自己去思考、去創造，使得枯燥乏味的課堂教學變成生動活潑實踐教學。特別是在研究報告編寫階段，同學們需要對具體的科學問題提出一個研究結論。這就要求大家不僅是掌握相關的基礎知識，還要能夠將其運用到某一具體的科學問題的解決過程中，從而培養學生獨立思考和解決問題的能力，盡快融入具體的科研工作當中。

五、小結

綜上所述，穩定同位素質譜分析技術具有傳統方法無可比擬的優勢，能夠揭示表生環境中元素的地球化學循環過程、示蹤各種環境污染物的來源與去向，成為環境地球科學研究領域的重要技術手段。將同位素質譜分析原理與技術融入教學當中，可以使學生更加深刻地理解同位素地球化學的相關理論，還能開闊學生的學術視野，培養同學們的科研興趣和動手能力。

鑒于現階段尚未有環境同位素方面的專業教材面世，在給環境地球科學領域的學生講授《環境同位素》課程的過程中，首先應結合環境地球科學的學科特點，對教學大綱和授課內容進行較大規模的更新，不僅要將同位素地球化學的基礎知識講解得淺顯易懂，還應全面反映穩定同位素分析技術在環境地球科學研究領域的廣泛應用和取得的重大突破。最好是能夠組織有關人員盡快編著一本適用于環境地球科學領域學生的專業教材。

環境同位素課程的教學還應探索多種形式的教學方式的改革，從根本上提高學生教學質量、培養學生對科學研究的興趣和熱情。以解決科學問題為導向，通過導入研究案例開展實踐教學活動是將同位素質譜儀引入環境同位素教學的良好切入點。通過各個環節的訓練，培養學生獨立思考和解決問題的能力，盡快融入具體的科研工作當中。

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