徐麗娟 王興軍 王惠

［摘 要］ 同位素地球化學作為系統(tǒng)地球科學重要的示蹤和定年的手段逐漸應用到各個領域，同位素測試技術是同位素地球化學發(fā)展的重要部分。技術人才的培養(yǎng)是目前國家發(fā)展新的戰(zhàn)略，多元化的地學人才培養(yǎng)特別是實驗技術人才的培養(yǎng)成為迫在眉睫的要求，而實驗課在地球科學中是培養(yǎng)技術人才的關鍵，主要針對同位素地球化學實驗技術的課程內(nèi)容，從實驗安全、樣品的前處理和質譜儀測試三部分詳細闡述該課程，對該課程的教學內(nèi)容、教學方法及主要考核方式進行探討，從而達到強化學生的實驗理論知識、動手操作能力，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力及創(chuàng)造力的目的。

［關鍵詞］ 實驗技術；穩(wěn)定同位素；地球科學；前處理；課程內(nèi)容

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

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

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

進入21世紀以來，同位素地球化學作為系統(tǒng)地球科學重要的示蹤和定年的手段逐漸應用到地球化學、環(huán)境科學、海洋科學、能源科學、寶玉石學、生命科學等學科。地學人才的培養(yǎng)也呈現(xiàn)出多元化的趨勢，而同位素的測試技術由于其過程比較復雜、干擾較多、前處理環(huán)境要求較高等特點，從而對測試人員的要求也比較高。國家越來越重視技術人員的培養(yǎng)和發(fā)展，當前“國家重點研發(fā)計劃”項目的大量資金投入就是當前國家戰(zhàn)略開始布局從“科學”到“技術”再到“市場”的策略，所以構建適應新時代多元化的地學人才特別是實驗技術人才的培養(yǎng)成為迫在眉睫的事情［1-3］，是像中國地質大學（北京）這樣一個努力建設地球科學領域世界一流大學的高等學校的一項十分重要的任務。而技術人員的主要工作領域在實驗室，所以實驗室教學是培養(yǎng)技術人員的關鍵。實驗室教學與理論教學相互獨立、相互依存、相互促進，實驗室教學能夠幫助并加強理解課堂內(nèi)容，提高學生的學習興趣及實踐動手能力［3-4］。

一、“同位素地球化學實驗課”教學的思想和理念

目前中國地質大學（北京）地質過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室同位素地球化學實驗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)達到國際領先水平。近幾年，校內(nèi)和校外科研團隊與同位素地球化學實驗室廣泛開展合作，但經(jīng)過幾年的合作實踐發(fā)現(xiàn)，研究生的整體素質參差不齊、實驗素質較弱、動手能力較差、缺少專業(yè)的實驗技能。同位素化學前處理及儀器測試過程中會用到大量的濃酸、濃堿等危險化學物品，并且樣品處理過程比較復雜，對研究生的整體要求比較高。所以必須開設“同位素地球化學實驗課”，而開設本課程的主要目的是教授學生實驗期間的安全注意事項、實驗室構建的基本機理、質譜測試的基本機理，以此全面、專業(yè)地提高研究生的同位素化學實驗技能和科學素養(yǎng)，同時也保證學生的實驗安全及數(shù)據(jù)的真實可靠。

二、“同位素地球化學實驗課”教學的主要內(nèi)容

同位素地球化學的前處理過程及分析儀器都比較昂貴，且儀器都非常精密，同時儀器和超凈實驗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，所以在實驗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。習近平總書記說：“紀律是成文的規(guī)矩，一些未明文列入紀律的規(guī)矩是不成文的紀律。”［5］立規(guī)矩、講紀律才能更好地維護實驗室的正常運轉，才能做出更準確、精確的實驗數(shù)據(jù)。所以本課程在進行實驗之前先立規(guī)矩、講紀律，進行安全教育，主要培養(yǎng)學生的安全意識、責任感及主人翁的意識。下面舉例說明針對千級實驗室的實驗室規(guī)章制度。（1）任何進入超凈實驗室的人員需獲得實驗室負責人的批準并進行崗前培訓，參與實驗室工作的人員禁止使用有強烈揮發(fā)性的化妝品（如：香水）等。（2）任何使用實驗室的人員有義務遵守實驗室的各項規(guī)定，服從實驗室管理，承擔分配的各項工作，有義務參加實驗室日常維護工作，實行輪流值日制度，值日期間需認真完成清潔工作并履行安全職責。（3）未經(jīng)同意，不得動用實驗室內(nèi)他人的實驗物品。（4）室內(nèi)所有設備、儀器、耗材未經(jīng)同意，不能私自外借或拿出實驗室。（5）禁止把與實驗室工作無關的物品帶進實驗室（包括充電器、充電寶和電腦），攜帶手機類的通信工具也應該注意保管，遠離酸和水。（6）各房間之間的門應及時關閉，防止交叉污染。（7）離開實驗室時，必須確認關好水、電，并做好登記等。

實驗室是技術人員的主戰(zhàn)場，所以實驗室教學是培養(yǎng)技術人才的關鍵，但是目前很多高校的學生重理論、輕實驗，實驗時不認真，實驗過程缺少理論創(chuàng)新和技術創(chuàng)新，缺乏綜合性、設計性的研究環(huán)節(jié)，不去積極地探索。同位素地球化學測試技術屬于現(xiàn)代化的測試技術，測試過程對人的技術水平及理論基礎要求比較高，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理論的同時介紹某些實驗環(huán)節(jié)的缺陷，鼓勵以及引導學生自己去設計實驗環(huán)節(jié)、實驗過程，甚至鼓勵學生嘗試去寫一些發(fā)明專利。

例如，非傳統(tǒng)金屬同位素地球化學的測試技術主要分為實驗樣品的前處理和質譜儀測試兩部分。其中熱電離質譜儀測試中一般利用固體進樣法，在進樣過程中會用到一個焊帶支架，工廠配備的支架在點樣前會進行預處理，會將支架上的金屬燈絲用銼刀搓掉，進行這項工作時一次只能完成一個支架的打磨。所以傳統(tǒng)的手工打磨單帶支架勞神耗時，且容易在打磨時造成單帶支架的變形損壞，筆者嘗試引導學生改良該設備，發(fā)明一種可高效預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，該學生也因此獲得了一項實用新型專利。

同時質譜儀測試是在電磁場的作用下使帶電粒子按照其質荷比大小分離開來的儀器，其質量數(shù)相同質子數(shù)不同的不同原子在儀器測試時是分不開的。例如，在對Cr（Cr50、Cr52、Cr53、Cr54）進行同位素分析時，F(xiàn)e54、Ti50、V50等同質異位數(shù)會在質譜測試過程中干擾Cr同位素的測試。所以我們會利用不同元素化學性質的不同（例如，跟樹脂的結合能力的不同）進行樣品的前處理，先把Fe、Ti、V等同質異位數(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行樣品的前處理，且質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、試劑等的金屬雜質的含量要特別低（＜10-9g/g），從而降低其引入的雜質，同時空氣/水中金屬離子會達到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、試劑空白的基礎上進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，所有的前處理實驗操作都在千級超凈實驗室進行。在這一部分講解中，筆者為了提高學生的學習興趣和創(chuàng)新型思維，在環(huán)境處理中設置了7個富有挑戰(zhàn)性的問題：（1）超凈實驗室空氣過濾的手段；（2）超凈實驗室空氣過濾材料的識別、選擇和應用；（3）超凈實驗室恒溫、恒濕條件中空調的選擇；（4）超凈實驗安全柜的運行原理和材質選擇；（5）超凈實驗室廢酸酸氣的處理方法；（6）超凈實驗室個人的清潔度問題；（7）超凈實驗室維護過程。

這一部分的科學問題不僅讓學生牢牢記住實驗室的基礎知識，提高學生的動手能力及創(chuàng)新能力，同時可增強學生的環(huán)保知識，使其樹立“綠水青山就是金山銀山”的理念和意識，增強學生在提高科學素養(yǎng)的同時用科學的手段愛護家園的理念。

針對器皿處理：這部分包括器皿的選擇和器皿的洗滌，整個樣品的前處理過程中用到不同種類、不同材質及不同價格的器皿。在這一部分講解中，筆者為了發(fā)散學生的創(chuàng)新型思維，以及提高學習的興趣，在講解過程中設置了6個富有挑戰(zhàn)性的問題：（1）塑料制品有幾種材質？我們常喝的礦泉水的水瓶有幾種材質？（2）不同材質的受熱溫度是多少？（3）不同材質器皿的金屬雜質含量是多少？（4）設計一個溶解樣品的實驗需要哪幾種材質的樣品？（5）目前實驗室用到的器皿可以做何改進？（6）器皿的金屬雜質如何清洗？

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。這些材質的樣品之前大部分依賴美國進口，但是目前隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的開始，近幾年進口聚四氟乙烯樣品的成本比原來貴3～4倍。目前各個大學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)課給學生講授器皿的材質及制作過程的同時，鼓勵學生在實驗過程中利用自己學到的知識創(chuàng)新實驗的器皿。在這部分工作中增強學生的民族自信心，提高其主人翁的意識。同時該類課程能引導學生體會前人的學習方法和實驗思想，以前人的方法為指導，學會研究、制作、設計，在培養(yǎng)學生學習興趣的同時，提高學生的實驗素養(yǎng)以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、豐富知識及具有較強的挑戰(zhàn)能力的新世紀人才，而不是培養(yǎng)模仿照搬的機械性人才。

針對試劑和水的純化過程：在實驗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。筆者在這一部分設置了7個重要的問題：（1）試劑純度調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)外試劑的價格、廠家及用途調研；（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。

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

三、主要教學形式

“同位素地球化學實驗課”的主要教學形式為理論和實驗操作，先鋪墊理論，理論主要讓學生整體了解同位素地球化學實驗室安全、測試工作的原理和基本理論。讓學生知道一個優(yōu)秀的同位素實驗室要出高準確度、高精確度的數(shù)據(jù)必須有嚴格的規(guī)章制度，無規(guī)矩不成方圓。本課程主要讓學生親自動手進行實驗，在實驗過程中體驗獲得數(shù)據(jù)的過程和樂趣。同時培養(yǎng)學生的研究和創(chuàng)新能力及溝通協(xié)作能力，拓寬學生的視野，增強學生實際動手的能力。同時通過不同的科學問題，引導學生進行實驗過程和實驗器皿的改良，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，最后通過該課程增強學生的民族自信心及其主人翁的意識，為促進學校人才的培養(yǎng)、科學研究的水平貢獻一份力量，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，不注重平時的學習，在考試的時候突擊，考試完會很快把學到的知識忘記，且這樣也只注重個人學習，不利于團隊的合作［6-7］。此外，因為超凈實驗的場地有限，人多會對實驗室造成污染，所以本科生主要采取的是分組且不同時段進行上課。我們打分按照小組進行，小組實驗進行得順利，分值就高；反之，分值就低。這種考核方式利于學生之間互相監(jiān)督、互相督促、互相幫助，會讓他們?yōu)榱诵〖w的榮譽而努力，實驗過程中有些實驗本來就需要兩個人共同合作完成，所以這種教學形式有助于提高學生相互協(xié)作和團結的能力。

結語

高等教育承擔著培養(yǎng)新型人才、專門人才、技術人才，以及推動科技發(fā)展的重大核心任務。所以提高技術人才的教育和發(fā)展是當前傳統(tǒng)地球科學向非地球系統(tǒng)科學轉變進一步深化面臨的新型挑戰(zhàn)［3］?！巴凰氐厍蚧瘜W實驗課”是培養(yǎng)同位素測試方面技術人員的重要組成部分。將同位素地球化學學科最前沿的知識及時地融入教學中，更新教學體系，構建新的“同位素地球化學實驗課”課程教學體系，確立培養(yǎng)人才的新理念，探索培養(yǎng)人才的新模式，為地球化學學科的發(fā)展培養(yǎng)有知識、有情懷、有全球視野、有良好的科學素養(yǎng)并且德才兼?zhèn)涞男滦腿瞬?，從而為地球化學學科的發(fā)展提供重要的支持，對于提高高校地球科學專業(yè)教學整體水平，促進人才培養(yǎng)，特別是對當前國家開始布局從“科學”到“技術”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