穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀與《環(huán)境同位素》課程教學(xué)探討

李清光 劉沛 顧尚義

摘要：現(xiàn)階段，穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀在環(huán)境地球科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)同位素比值的變化特征可以揭示生物圈物質(zhì)循環(huán)過程的機(jī)理，并有助于學(xué)生加深對表生環(huán)境中污染物遷移轉(zhuǎn)化過程機(jī)制的認(rèn)識。將同位素質(zhì)譜分析原理與技術(shù)融入穩(wěn)定同位素地球化學(xué)教學(xué)課程當(dāng)中，能夠使學(xué)生接觸先進(jìn)的科研儀器，更加深刻掌握同位素地球化學(xué)的相關(guān)理論與測試技能，從而開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，并培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和動手能力。在給環(huán)境地學(xué)類專業(yè)的學(xué)生講授本學(xué)科核心課程——《環(huán)境同位素》的過程中，首先應(yīng)對授課內(nèi)容進(jìn)行較大規(guī)模的更新，結(jié)合近年來相關(guān)領(lǐng)域同位素分析的高水平研究成果，全面反映同位素在環(huán)境地學(xué)研究領(lǐng)域的研究進(jìn)展。以解決科學(xué)問題為導(dǎo)向，通過導(dǎo)入研究案例，開展實踐教學(xué)活動是將同位素質(zhì)譜儀引入環(huán)境同位素教學(xué)的良好切入點。結(jié)合多種形式的教學(xué)方式改革探索，培養(yǎng)學(xué)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(dāng)中。

關(guān)鍵詞：質(zhì)譜儀；環(huán)境地球科學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方式；課程改革

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

20世紀(jì)初，英國劍橋大學(xué)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(jìn)一步開展同位素研究工作，先后在71種元素中發(fā)現(xiàn)了202種同位素[1]。由此，揭開了人們利用質(zhì)譜技術(shù)探究自然界奧秘的序幕?，F(xiàn)階段，同位素質(zhì)譜儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、化學(xué)、石油化工、地球科學(xué)、核科學(xué)、天體科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品科學(xué)，以及刑偵緝毒工作和地質(zhì)考古等眾多學(xué)科領(lǐng)域。

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

一、氣體同位素質(zhì)譜儀工作原理

氣體同位素質(zhì)譜儀通常情況下是用于測定物質(zhì)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(shù)的提高，現(xiàn)代同位素質(zhì)譜儀一般由三大系統(tǒng)組成：分析系統(tǒng)、電學(xué)系統(tǒng)，以及真空系統(tǒng)。其中，電學(xué)系統(tǒng)和真空系統(tǒng)用以保證分析系統(tǒng)得以實現(xiàn)對樣品中某一特定元素中不同核素信號強(qiáng)度的分析。質(zhì)譜儀的工作原理其本質(zhì)上是利用帶電粒子在電場和磁場中的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)軌道的差異進(jìn)行分離，并檢測各粒子束信號強(qiáng)度，最后轉(zhuǎn)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(zhì)量分析系統(tǒng)和信號接收系統(tǒng)三部分。為保證質(zhì)譜儀性能穩(wěn)定，可以根據(jù)可測質(zhì)量范圍、分辨率、靈敏度、精密度、質(zhì)量色散和準(zhǔn)確度等參數(shù)進(jìn)行檢驗[5]。

由于同位素質(zhì)譜儀價格比較昂貴，長期以來我院教學(xué)科研活動只能借助中國科學(xué)院地球化學(xué)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(xué)科提升計劃重點學(xué)科建設(shè)項目的資助，我院于2012年購置Thermo Scientific Delta V Advantage氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀系統(tǒng)一套。同時，配有元素分析儀和GasBench聯(lián)用裝置，進(jìn)行環(huán)境地球科學(xué)樣品分析，主要用于測定表生環(huán)境和地質(zhì)樣品的C、N、S、H、O等多種元素的穩(wěn)定同位素比值，進(jìn)行地球化學(xué)循環(huán)過程機(jī)理和環(huán)境污染物溯源等科學(xué)研究工作。目前，該儀器已基本調(diào)試完畢，并逐步開始服務(wù)于相關(guān)科學(xué)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(jī)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(xué)》、《環(huán)境同位素》等研究生和本科生課堂教學(xué)過程中開始發(fā)揮重要的支撐作用。

二、環(huán)境地球科學(xué)研究中同位素質(zhì)譜技術(shù)的應(yīng)用

環(huán)境地學(xué)樣品中同位素自然豐度的變化主要與同位素的分餾效應(yīng)有關(guān)。自然界中溫度、壓力、氧化還原條件等一系列物理、化學(xué)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(jù)同位素比值的變化特征可以揭示生物圈物質(zhì)循環(huán)過程的機(jī)理，并有助于對表生環(huán)境中污染物遷移轉(zhuǎn)化過程機(jī)制的認(rèn)識，進(jìn)而對環(huán)境污染物的來源進(jìn)行有效示蹤和識別，為降低環(huán)境污染物對包括人類在內(nèi)的地球表層生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響提供科學(xué)依據(jù)。在地球表層水環(huán)境污染研究方面，同位素技術(shù)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(jìn)行有效判別，還能從同位素地球化學(xué)的角度對水體富營養(yǎng)化發(fā)生的過程機(jī)制及影響因素進(jìn)行深入探討。在大氣污染研究方面，通過空氣中硫化物、有機(jī)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(guī)律，揭示酸雨的成因和酸沉降過程機(jī)制，為大氣污染治理提供了堅實的科學(xué)依據(jù)。在土壤有機(jī)與無機(jī)污染物示蹤方面，同位素技術(shù)能夠示蹤土壤氮肥遷移轉(zhuǎn)化過程，查明硝化作用和反硝化作用的過程機(jī)理，并可以對多環(huán)芳烴等持久性有機(jī)污染物在表生生態(tài)系統(tǒng)中的放大效應(yīng)開展精確的定量研究。由此可見，穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析技術(shù)具有傳統(tǒng)方法無可比擬的優(yōu)勢，在環(huán)境地球科學(xué)研究領(lǐng)域大有可為。

三、《環(huán)境同位素》課程教學(xué)改革與探討

長期以來，傳統(tǒng)的穩(wěn)定同位素地球化學(xué)課堂教學(xué)更多地是側(cè)重于基礎(chǔ)理論知識的講解，以及學(xué)科前沿的介紹。實際上，很多地質(zhì)環(huán)境類專業(yè)的學(xué)生在大學(xué)二年級階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了地球化學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識。因此，該課程的講授需要進(jìn)行大膽創(chuàng)新，而不應(yīng)該“炒冷飯”，把很多基礎(chǔ)知識重復(fù)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(xué)生沒有進(jìn)行過相關(guān)儀器操作，無法與實踐聯(lián)系起來，更不知道數(shù)據(jù)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(yīng)該注意的細(xì)節(jié)問題更是無從知曉，對數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢驗和同位素數(shù)據(jù)的校正也是一頭霧水。再者，由于我院前期沒有相關(guān)同位素質(zhì)譜儀器，學(xué)生即使學(xué)習(xí)了一些儀器分析課程，也沒法將所學(xué)內(nèi)容在實際操作中加以深化理解，造成學(xué)習(xí)內(nèi)容與實際科研工作中應(yīng)該具備的分析檢測技能嚴(yán)重脫節(jié)。

隨著環(huán)境地學(xué)領(lǐng)域科學(xué)研究工作的深入開展，相關(guān)科學(xué)問題的解決越來越離不開同位素地球化學(xué)數(shù)據(jù)的支撐。因此，同位素質(zhì)譜儀的應(yīng)用越來越普遍，這就要求環(huán)境地學(xué)類專業(yè)的學(xué)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(huán)境同位素》課程的講授過程中，有針對性地進(jìn)行相關(guān)氣體同位素質(zhì)譜儀的講解，就顯得十分必要。但是，在教學(xué)過程又不能只局限于課本中傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的講解，而應(yīng)因材施教，將氣體同位素質(zhì)譜儀的使用融入不同科研樣品的分析過程中，讓學(xué)生了解并掌握質(zhì)譜技術(shù)在環(huán)境地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，從而在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新意識和動手實踐能力[8，9]。

四、教學(xué)改革

1.教學(xué)內(nèi)容的改革?，F(xiàn)有的穩(wěn)定同位素地球化學(xué)課程，所采用的教材和講授的內(nèi)容基本是在地球科學(xué)研究積累的基礎(chǔ)上形成的課程體系。例如，2000年科學(xué)出版社出版的、由鄭永飛和陳江峰教授編著的《穩(wěn)定同位素地球化學(xué)》和2000年科學(xué)出版社出版的、中國科學(xué)院地球化學(xué)所編著的《高等地球化學(xué)》等教材，理論知識的講解多以地質(zhì)科學(xué)問題為依托，尤其是巖石地球化、礦床地球化學(xué)等傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的研究案例較多。另一方面，雖然穩(wěn)定同位素地球化學(xué)在地球表生圈層研究中應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，但是尚未有系統(tǒng)的環(huán)境同位素方面的專業(yè)教材面世。因此，在課堂教學(xué)過程中，需對授課內(nèi)容進(jìn)行較大規(guī)模的更新，不僅要將同位素地球化學(xué)的基礎(chǔ)知識講解得淺顯易懂，還應(yīng)盡可能地全面反映同位素在環(huán)境地球科學(xué)研究領(lǐng)域的重大突破和熱點科學(xué)問題。當(dāng)然，最好是能夠組織相關(guān)專業(yè)人士，在系統(tǒng)梳理前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)科前沿發(fā)展動態(tài)，編著一本適用于環(huán)境地球科學(xué)領(lǐng)域?qū)W生的專業(yè)教材。

考慮到學(xué)生在學(xué)習(xí)完基礎(chǔ)課程以后，還需要結(jié)合導(dǎo)師的科研課題，開展相應(yīng)的選題和科學(xué)研究工作，課程教學(xué)過程中，還應(yīng)結(jié)合學(xué)生培養(yǎng)的特點和不同研究領(lǐng)域?qū)W生的實際訴求，充分結(jié)合國內(nèi)外學(xué)科前沿研究動態(tài)，既能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到必要的基礎(chǔ)理論知識，又能讓學(xué)生了解最新的學(xué)科前沿?zé)狳c問題。此外，在同位素基礎(chǔ)知識的講解過程中，應(yīng)以科學(xué)問題為紐帶，突出同位素技術(shù)在破解重大科學(xué)難題方面的突出優(yōu)勢。最好是結(jié)合近年來相關(guān)領(lǐng)域同位素分析的高水平論文，逐步培養(yǎng)同學(xué)們對科研工作的興趣和熱情。

與此同時，還應(yīng)結(jié)合我院辦學(xué)特色與相關(guān)科研儀器平臺，課堂上還應(yīng)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(xì)節(jié)，以及一些常見的操作失誤。通過學(xué)生親自操作同位素質(zhì)譜儀，對樣品進(jìn)行分析，加深對相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識的理解。在質(zhì)譜儀工作原理方面，最好結(jié)合實物進(jìn)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(shù)據(jù)獲取與處理方面，應(yīng)盡可能把靈敏度、精確度和準(zhǔn)確度等數(shù)據(jù)質(zhì)量控制指標(biāo)講解清楚，同時還應(yīng)要求每一位同學(xué)都掌握數(shù)據(jù)校正的方法。此外，還應(yīng)讓同學(xué)們認(rèn)識到同位素數(shù)據(jù)校正的重要性，學(xué)會常用的校正方法。

2.教學(xué)方式的改革。眾所周知，傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)很容易抹殺學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，加之很多學(xué)生本科階段并未有地球化學(xué)方面的知識積累，因此，難以實現(xiàn)本科階段的教學(xué)目標(biāo)。由此可見，教學(xué)方式的改革是現(xiàn)階段提高本科教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵?；诮處熤鲗?dǎo)、學(xué)生主動的原則，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的專業(yè)學(xué)科背景等特點，采用BOPPPS教學(xué)模式、翻轉(zhuǎn)課堂、案例式教學(xué)、項目式教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)等[10，11]，綜合使用多種教學(xué)手段和改進(jìn)實驗教學(xué)等，以實現(xiàn)環(huán)境地學(xué)類專業(yè)核心課程《環(huán)境同位素》教學(xué)方式改革的不斷探索和創(chuàng)新[12]。

其中，BOPPPS教學(xué)模式將教學(xué)過程模塊化，此種教學(xué)模式分為六個環(huán)節(jié)，即導(dǎo)入（Bridge-in）、學(xué)習(xí)目標(biāo)（Outcome）、前測（Pre-test）、參與式學(xué)習(xí)（Participation）、后測（Post-test）和總結(jié)（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(huán)節(jié)的時間，同時每個環(huán)節(jié)還應(yīng)遵循“起承轉(zhuǎn)合”的脈絡(luò)。BOPPPS教學(xué)模式是一個強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與和反饋的閉環(huán)教學(xué)過程模式，注重教學(xué)目標(biāo)的有效性和教學(xué)方法的多樣性。

現(xiàn)階段，很多教師開始嘗試采用討論式教學(xué)。在這一過程中，學(xué)生的注意力一直保持在“問題—思考—探索—解答”的活躍狀態(tài)。課堂上，大家會針對某一科學(xué)問題，從不同的角度來揭示其中的內(nèi)涵和一些基本規(guī)律的實質(zhì)。在閱讀相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過對前人的不同學(xué)術(shù)觀點進(jìn)行探討，就會形成強(qiáng)烈的外部刺激，激發(fā)同學(xué)們對解決科學(xué)問題的高度興趣和極大熱情，由此形成自主性、探索性和協(xié)同性的良好學(xué)習(xí)氛圍，從而實踐“教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)思想。實際上，通過討論的方式來解決教學(xué)過程中出現(xiàn)的一些知識難點，有助于同學(xué)們進(jìn)行思考和理解，針對性較強(qiáng)，教學(xué)效果比傳統(tǒng)的教學(xué)方式好得多。

翻轉(zhuǎn)課堂的實質(zhì)是讓老師更多地成為指導(dǎo)者而不是教學(xué)內(nèi)容的講解者。在這種教學(xué)模式中，老師還有更多的機(jī)會留意到學(xué)生們之間的交流。同學(xué)們通過相互幫助、相互探討和借鑒，實現(xiàn)對教學(xué)內(nèi)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(tài)，讓學(xué)生對不同的研究領(lǐng)域有一個系統(tǒng)、全面的了解，有助于學(xué)生快速把握學(xué)科定位，并聚焦感興趣的科學(xué)問題。

實際上，通過引入研究案例，以解決科學(xué)問題為導(dǎo)向，讓同學(xué)們從樣品采集、實驗分析、數(shù)據(jù)處理和解釋、研究報告的編寫等多個環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?xùn)練，是將同位素質(zhì)譜儀引入環(huán)境同位素教學(xué)的良好切入點。在上述過程的訓(xùn)練過程中，同學(xué)們會不自覺地應(yīng)用到一些課堂教學(xué)的知識點。并且，同學(xué)們還要自己去思考、去創(chuàng)造，使得枯燥乏味的課堂教學(xué)變成生動活潑實踐教學(xué)。特別是在研究報告編寫階段，同學(xué)們需要對具體的科學(xué)問題提出一個研究結(jié)論。這就要求大家不僅是掌握相關(guān)的基礎(chǔ)知識，還要能夠?qū)⑵溥\(yùn)用到某一具體的科學(xué)問題的解決過程中，從而培養(yǎng)學(xué)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(dāng)中。

五、小結(jié)

綜上所述，穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析技術(shù)具有傳統(tǒng)方法無可比擬的優(yōu)勢，能夠揭示表生環(huán)境中元素的地球化學(xué)循環(huán)過程、示蹤各種環(huán)境污染物的來源與去向，成為環(huán)境地球科學(xué)研究領(lǐng)域的重要技術(shù)手段。將同位素質(zhì)譜分析原理與技術(shù)融入教學(xué)當(dāng)中，可以使學(xué)生更加深刻地理解同位素地球化學(xué)的相關(guān)理論，還能開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，培養(yǎng)同學(xué)們的科研興趣和動手能力。

鑒于現(xiàn)階段尚未有環(huán)境同位素方面的專業(yè)教材面世，在給環(huán)境地球科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)生講授《環(huán)境同位素》課程的過程中，首先應(yīng)結(jié)合環(huán)境地球科學(xué)的學(xué)科特點，對教學(xué)大綱和授課內(nèi)容進(jìn)行較大規(guī)模的更新，不僅要將同位素地球化學(xué)的基礎(chǔ)知識講解得淺顯易懂，還應(yīng)全面反映穩(wěn)定同位素分析技術(shù)在環(huán)境地球科學(xué)研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和取得的重大突破。最好是能夠組織有關(guān)人員盡快編著一本適用于環(huán)境地球科學(xué)領(lǐng)域?qū)W生的專業(yè)教材。

環(huán)境同位素課程的教學(xué)還應(yīng)探索多種形式的教學(xué)方式的改革，從根本上提高學(xué)生教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)研究的興趣和熱情。以解決科學(xué)問題為導(dǎo)向，通過導(dǎo)入研究案例開展實踐教學(xué)活動是將同位素質(zhì)譜儀引入環(huán)境同位素教學(xué)的良好切入點。通過各個環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)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(dāng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]白欣，馮曉穎，王曉義.1922年諾貝爾化學(xué)獎獲得者——阿斯頓[J].化學(xué)通報，2011，74（3）：284-288.

[2]李辰，葉倩.《儀器分析》課程的興趣培養(yǎng)和課程改革[J].考試周刊，2011，（49）：9-10.

[3]王桂友，臧斌，顧昭.質(zhì)譜儀技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2009，（6）：124-128.

[4]周肅，劉愛華，秦紅，等.大型精密儀器質(zhì)譜分析課程教學(xué)的實踐與思考[J].中國地質(zhì)教育，2008，（3）：44-47.

[5]石榮彥.對質(zhì)譜儀的教學(xué)拓展[J].現(xiàn)代物理知識，2009，21（2）：41-45.

[6]龔頻，陳福欣，楊文娟，等.研究生課程《現(xiàn)代分析與檢測技術(shù)》教學(xué)改革初探[J].教育教學(xué)論壇，2018，（11）：87-88.

[7]朱廣華，鞠熀先.儀器分析發(fā)展史在大學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].大學(xué)化學(xué)，2003，（8）：30-32.

[8]趙麗嬌，鐘儒剛，甄巖.現(xiàn)代儀器分析教學(xué)中科技創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[J].理工高教研究，2008，27（5）：143-145.

[9]王輝，高穎.質(zhì)譜實驗課的教學(xué)體會[J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2011，29（24）：60-61.

[10]劉峻峰，孫作達(dá)，李冬梅，等.研究生綜合實驗課教學(xué)模式研究[J].教育現(xiàn)代化，2016，（39）：31-32.

[11]龔曉艷，何建社.液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用設(shè)計實驗教學(xué)探討[J].長江大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，10（25）：128-129.

[12]趙麗嬌，鐘儒剛，甄巖.現(xiàn)代儀器分析教學(xué)中科技創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[J].理工高教研究，2008，27（5）：143-145.