側重地球化學專業的現代儀器分析教學改革

李雙

摘 要：文章介紹了依托大型儀器平臺對地球化學專業開設的現代儀器分析課程進行教學改革的具體做法。教師在授課過程中加入多種教學教學方法，將理論授課和實踐教學有機的結合起來，既能將地質學領域的實際應用加入到教學中，也能有效提高學生的創新能力和實際動手分析操作能力，為學生做畢業論文打下基礎。

關鍵詞：地球化學;現代儀器分析;教學改革

現代儀器分析是高校里開設面比較廣的一門專業基礎課或者專業選修課程，開設該門課程的專業包括化學、材料、生物、環境、藥物、食品科學、地球化學等相關專業[1]。桂林理工大學地球化學專業作為非常重要的一門學科，在找礦勘查及環境評價領域具有其他方法無法代替的獨立優勢。地球化學專業在人才培養、教學和教學管理中，強調理論與實踐相結合，要求學生既掌握地球化學基礎理論，又能熟練將最新的儀器分析方法應用到實際研究中。目前桂林理工大學地球科學學院建有廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室，引進的設備包括原子吸收分光光度計、原子熒光光譜儀、X射線熒光光譜儀、電子探針顯微分析儀、激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀和多接收器電感耦合等離子體質譜儀等眾多大型儀器。因此，在地球化學專業的現代儀器分析課程教學過程中，依托現有的大型儀器設備開展適用本專業的儀器分析教學非常有必要[2]。

一、分章節專業知識分析及教學應用

對于現代儀器分析課程的教學，依托學院現有的大型儀器設備，同時結合地球化學專業實際應用的案例，設置課程中的各個章節。下面，簡單描述現代儀器分析各個章節的主要內容以及地球化學專業實際應用的案例。

（一）原子吸收分光光度計

本章節系統講述原子吸收分光光度計的基本原理，該分析方法的發展背景及狀況、儀器組成、相對應的配套實驗室條件、儀器參數設定、真實儀器數據分析、地質樣品的準備等知識。原子吸收分光光度計根據物質基態原子蒸汽對特征輻射吸收的作用來進行金屬元素分析，能夠靈敏可靠地測定微量或痕量元素。在地球化學專業中，可以利用原子吸收分光光度計測定地質樣品中70多種元素，固體、溶液和氣體樣品均可以利用該儀器進行分析。因此在實際教學過程中，側重該方法在地質樣品測試的上的應用，并將學院實驗室分析的數據進行課堂分享，使學生系統掌握相關知識。

（二）原子熒光光譜法

本章節主要講述原子熒光光譜法的基本原理、原子熒光光譜的類型以及原子熒光分光光度計的組成。原子熒光光譜法具有很高的靈敏度，校正曲線的線性范圍寬，能進行多元素同時測定，該方法是測定地質化探樣品中微量砷、銻、鉍、汞、硒、碲、鍺等元素最成功的分析方法之一。原子熒光分光光度計與原子吸收分光光度計儀器組成相似，因此在講述該方法時可以采用對比教學法的方式引導學生掌握并區分兩種測試方法，加強學生對相關知識的掌握，并培養學生的科學思維和能力。在講述原子熒光光譜法時，“化探樣品污染的來源和處理”“樣品測定中的干擾及其消除方法”是難點內容，因此在講述這兩部分內容時，除了傳統的課堂講授，教師可以結合網絡視頻、文獻資料等多種資源向學生展示相關的知識，這對于開拓學生的思維能力以及綜合素質培養具有重要意義。

（三）X射線光譜法

本章節講述X射線光譜法發展歷史、X射線的產生、X射線的吸收、散射和衍射的機理、X射線儀器的結構以及X射線熒光法的應用。X射線是由德國科學家倫琴發現的，也稱為倫琴射線，該發現在物理學和儀器分析領域具有非常重要的意義，也為X射線光譜法的產生奠定了基礎。因此教師在授課過程中，結合網絡視頻向學生展示X射線的發現過程能激發學生學習的興趣，非常有助于學生理解抽象的物理學知識，為提高學生自主學習能力和創新意識打下基礎。在講述X射線吸收、散射和衍射的機理，這部分內容抽象難懂，教師可以采用案例教學法引導學生，同時結合日常生活中光的散射現象幫助學生理解。日常生活中看到太陽光透過云層、薄霧呈現出一道道光柱，這個現象就是由于光的散射造成的，也稱為“丁達爾現象”。而對于X射線的衍射機理，與中學物理中學習過的小孔成像實驗相似，可以在此基礎上給學生做進一步的講解。

（四）表面分析法及電子探針

本章節講述內容分為兩部分：第一部分內容包括表面分析法的概念、電子能譜基本原理及儀器應用;第二部分內容包括電子探針微束分析技術發展歷史、電子探針分析的物理基礎以及如何利用電子探針進行定量分析和成像分析。表面分析法屬于微區分析的一種，是地質學領域常用的分析方法。對于剛接觸或者尚未接觸大型儀器分析的學生來說，理解該方法具有一定的難度，這時候教師在授課過程中需要加入表面分析法的演示視頻、實際儀器的照片以及自己科研工作實際獲得的數據進行講解，幫助學生掌握該方法的特點和相關應用。

（五）激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀

本章節講述電感耦合等離子體質譜儀基本原理、分析方法的發展過程、儀器組成、相對應的配套實驗室條件、儀器參數設定、標樣選擇、儀器的數據分析和在地質方面的應用等方面的知識。相比前面四種光譜學分析方法，激光剝蝕電感耦合等離子體質譜分析方法更復雜，學習過程中需要用到大量的物理學和分析化學知識，因此在講授該部分內容之前需提醒學生預習相關的知識。在講述該章節內容時，單一的使用“直接講授法”達不到預期的教學效果。因此，授課教師可以結合“問題導向式教學”“翻轉課堂教學”等方式進行講述[3]，例如在授課時教師可以提出“等離子是什么”“激光有哪些用途，常見的激光波長是多少”“質譜儀的測試原理與前面四種光譜學分析方法的不同點”等問題。通過提問與學生積極互動，既能檢驗學生的預習效果，也能激發學生的興趣。同時，授課教師也可以利用“雨課堂”“中國大學MOOC”等互聯網資源嘗試混合式教學，有助于學生拓寬自己的知識面，加強創新意識。

（六）多接收器電感耦合等離子體質譜儀

本章節主要講述多接收器電感耦合等離子體質譜儀基本原理，儀器結構和地質學應用。多接收器電感耦合等離子體質譜儀在地質學領域應用廣泛，可以精確測試多種同位素的組成。在上一節“激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀”講述的基礎上，本章節在過程中更應強調“地質學應用”方面的內容，因此采用“教研結合”的方式更好，教師在授課前可以發一篇與授課內容密切相關的文獻給學生分組閱讀，例如將代表性的綜述文獻“電感耦合等離子體質譜原理和應用”發給學生課下閱讀[4]，課上進行分組討論，討論時教師引導學生關注“多接收器組成”“同位素分餾”等難點知識，同時要求學生課下自主收集查閱部分文獻，讓學生區分出“激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀”和“多接收器電感耦合等離子體質譜儀”在地質學上分別有哪些應用，對待測地質樣品的要求以及外標法的使用方法。

二、利用大型儀器平臺開展實驗課

（一）現代儀器分析實驗課程目標

現代儀器分析實驗課要求學生掌握不同種類地質樣品的預處理方法和操作規范，包括巖石、土壤、單礦物樣品等，掌握大型儀器實驗室的工作條件和儀器的基本操作方法，針對不同的測試要求選擇合適的儀器分析方法，同時學習地質樣品測試完成后獲得數據的處理方法并撰寫實驗報告。通過實驗課程的開設，全面提升學生創新意識、動手能力和科研能力，為后續的發展奠定基礎。

（二）現代儀器分析實驗課課程設置

現在桂林理工大學地球科學學院大型儀器平臺包括原子吸收分光光度計、原子熒光光譜儀、X射線熒光光譜儀、電子探針顯微分析儀、激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀和多接收器電感耦合等離子體質譜儀等地球化學領域常用的儀器。上述這些儀器可以用于各類地質類樣品的測試分析。目前實驗課程設置根據理論課的內容，對每種不同的儀器安排2個學時的實驗課。

（三）現代儀器分析實驗課授課方式

目前現代現代儀器分析實驗課授課過程中需要理論課主講教師與負責儀器管理的實驗師相配合。由于大型儀器結構復雜，工作條件要求高，操作難度大，因此在實際上課過程中對學生進行分組，分別進入不同實驗室在實驗師指導下學習相關知識，并對有條件的實驗室安排學生動手操作進行樣品預處理和測試。理論課授課老師根據實驗安排再統一講授數據處理方法，例如要求學生掌握處理激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀測試數據ICPMADataCal軟件的操作方法。

三、結語

依托現有大型儀器平臺進行地球化學專業現代儀器課程改革，能充分做到理論與實踐結合，對提高教學效果，培養具有創新意識、自主思維能力和動手能力的學生具有重要意義，也能加強學生就業時的競爭能力。

參考文獻：

[1]王雁南，盧媛，陳翠紅，等.大型儀器平臺在儀器分析教學中的應用于實踐[J].實驗室研究與探索，2020，39（2）：173-175.

[2]卓琳，吳四維.《儀器分析》課程教學探索與實踐[J].廣州化工，2019，47（15）：178-180.

[3]王荷芳，孔德明.儀器分析課程有效教學之有效測評及反饋[J].大學化學，2020，35：1-5.

[4]李冰，楊紅霞.電感耦合等離子體質譜技術最新進展[J].分析試驗室，2003，22（1）：94-100.