新形势下高校实验技术课程的教学内容和方法探讨

［摘 要］ 同位素地球化学作为系统地球科学重要的示踪和定年的手段逐渐应用到各个领域，同位素测试技术是同位素地球化学发展的重要部分。技术人才的培养是目前国家发展新的战略，多元化的地学人才培养特别是实验技术人才的培养成为迫在眉睫的要求，而实验课在地球科学中是培养技术人才的关键，主要针对同位素地球化学实验技术的课程内容，从实验安全、样品的前处理和质谱仪测试三部分详细阐述该课程，对该课程的教学内容、教学方法及主要考核方式进行探讨，从而达到强化学生的实验理论知识、动手操作能力，培养学生的团队协作能力及创造力的目的。

［关键词］ 实验技术；稳定同位素；地球科学；前处理；课程内容

［基金项目］ 2019年度科学技术部高技术研究发展中心项目“深部碳、氧循环的金属同位素示踪技术”（2019YFA0708400）；2023年度中国地质大学（北京）研究生教材教改建设专项（JG202318）

［作者简介］ 徐丽娟（1984—），女，山东潍坊人，博士，中国地质大学（北京）科学研究院副教授，主要从事岩石学、地球化学研究；王兴军（1984—），男，山东青州人，教育学学士，山东省日照市莒县第三中学中级教师，主要从事教育教学研究；王 惠（1984—），女，山东青州人，教育学学士，山东省益都师范附属小学初级教师，主要从事教育教学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）32-0013-04 ［收稿日期］ 2022-02-27

进入21世纪以来，同位素地球化学作为系统地球科学重要的示踪和定年的手段逐渐应用到地球化学、环境科学、海洋科学、能源科学、宝玉石学、生命科学等学科。地学人才的培养也呈现出多元化的趋势，而同位素的测试技术由于其过程比较复杂、干扰较多、前处理环境要求较高等特点，从而对测试人员的要求也比较高。国家越来越重视技术人员的培养和发展，当前“国家重点研发计划”项目的大量资金投入就是当前国家战略开始布局从“科学”到“技术”再到“市场”的策略，所以构建适应新时代多元化的地学人才特别是实验技术人才的培养成为迫在眉睫的事情［1-3］，是像中国地质大学（北京）这样一个努力建设地球科学领域世界一流大学的高等学校的一项十分重要的任务。而技术人员的主要工作领域在实验室，所以实验室教学是培养技术人员的关键。实验室教学与理论教学相互独立、相互依存、相互促进，实验室教学能够帮助并加强理解课堂内容，提高学生的学习兴趣及实践动手能力［3-4］。

一、“同位素地球化学实验课”教学的思想和理念

目前中国地质大学（北京）地质过程与矿产资源国家重点实验室同位素地球化学实验室已建成多种高精度稳定同位素（Fe-Mg-Cu-Zn-Cr）及放射性同位素（Sr-Nd-Pd-Hf）测试方法，且已经达到国际领先水平。近几年，校内和校外科研团队与同位素地球化学实验室广泛开展合作，但经过几年的合作实践发现，研究生的整体素质参差不齐、实验素质较弱、动手能力较差、缺少专业的实验技能。同位素化学前处理及仪器测试过程中会用到大量的浓酸、浓碱等危险化学物品，并且样品处理过程比较复杂，对研究生的整体要求比较高。所以必须开设“同位素地球化学实验课”，而开设本课程的主要目的是教授学生实验期间的安全注意事项、实验室构建的基本机理、质谱测试的基本机理，以此全面、专业地提高研究生的同位素化学实验技能和科学素养，同时也保证学生的实验安全及数据的真实可靠。

二、“同位素地球化学实验课”教学的主要内容

同位素地球化学的前处理过程及分析仪器都比较昂贵，且仪器都非常精密，同时仪器和超净实验室都是有使用寿命的，而数据的产出过程需要规范的操作，所以在实验过程中一定要制定相对完善的规章制度，韩非子说“万物莫不有规矩”，俗话讲“无规矩不成方圆”，讲的都是规章制度的重要性。习近平总书记说：“纪律是成文的规矩，一些未明文列入纪律的规矩是不成文的纪律。”［5］立规矩、讲纪律才能更好地维护实验室的正常运转，才能做出更准确、精确的实验数据。所以本课程在进行实验之前先立规矩、讲纪律，进行安全教育，主要培养学生的安全意识、责任感及主人翁的意识。下面举例说明针对千级实验室的实验室规章制度。（1）任何进入超净实验室的人员需获得实验室负责人的批准并进行岗前培训，参与实验室工作的人员禁止使用有强烈挥发性的化妆品（如：香水）等。（2）任何使用实验室的人员有义务遵守实验室的各项规定，服从实验室管理，承担分配的各项工作，有义务参加实验室日常维护工作，实行轮流值日制度，值日期间需认真完成清洁工作并履行安全职责。（3）未经同意，不得动用实验室内他人的实验物品。（4）室内所有设备、仪器、耗材未经同意，不能私自外借或拿出实验室。（5）禁止把与实验室工作无关的物品带进实验室（包括充电器、充电宝和电脑），携带手机类的通信工具也应该注意保管，远离酸和水。（6）各房间之间的门应及时关闭，防止交叉污染。（7）离开实验室时，必须确认关好水、电，并做好登记等。

实验室是技术人员的主战场，所以实验室教学是培养技术人才的关键，但是目前很多高校的学生重理论、轻实验，实验时不认真，实验过程缺少理论创新和技术创新，缺乏综合性、设计性的研究环节，不去积极地探索。同位素地球化学测试技术属于现代化的测试技术，测试过程对人的技术水平及理论基础要求比较高，且目前处于高速发展的阶段，所以在授课过程中我们在讲授基础理论的同时介绍某些实验环节的缺陷，鼓励以及引导学生自己去设计实验环节、实验过程，甚至鼓励学生尝试去写一些发明专利。

例如，非传统金属同位素地球化学的测试技术主要分为实验样品的前处理和质谱仪测试两部分。其中热电离质谱仪测试中一般利用固体进样法，在进样过程中会用到一个焊带支架，工厂配备的支架在点样前会进行预处理，会将支架上的金属灯丝用锉刀搓掉，进行这项工作时一次只能完成一个支架的打磨。所以传统的手工打磨单带支架劳神耗时，且容易在打磨时造成单带支架的变形损坏，笔者尝试引导学生改良该设备，发明一种可高效预处理单带支架的器械，其环保耐用，操作简单，储放方便，体积小巧，使用过程节约人力成本，且能保障单带支架打磨过程中最低程度的损耗，该学生也因此获得了一项实用新型专利。

同时质谱仪测试是在电磁场的作用下使带电粒子按照其质荷比大小分离开来的仪器，其质量数相同质子数不同的不同原子在仪器测试时是分不开的。例如，在对Cr（Cr50、Cr52、Cr53、Cr54）进行同位素分析时，Fe54、Ti50、V50等同质异位数会在质谱测试过程中干扰Cr同位素的测试。所以我们会利用不同元素化学性质的不同（例如，跟树脂的结合能力的不同）进行样品的前处理，先把Fe、Ti、V等同质异位数在前处理过程中除掉。测试同位素的过程有很多工作都是在进行样品的前处理，且质谱仪的检测限一般在ppb级（10-9g/g），这就要求在前处理过程中用到的环境、器皿、试剂等的金属杂质的含量要特别低（＜10-9g/g），从而降低其引入的杂质，同时空气/水中金属离子会达到ppm/百分含量级别，所以前处理的大部分工作是在降低全流程空白的基础上把同位素分开。基于以上原因，前处理的工作一般在降低环境、器皿、试剂空白的基础上进行同位素的分离处理。

针对环境：环境的污染主要来自粉尘，为了排除空气中灰尘所带的金属离子的干扰，所有的前处理实验操作都在千级超净实验室进行。在这一部分讲解中，笔者为了提高学生的学习兴趣和创新型思维，在环境处理中设置了7个富有挑战性的问题：（1）超净实验室空气过滤的手段；（2）超净实验室空气过滤材料的识别、选择和应用；（3）超净实验室恒温、恒湿条件中空调的选择；（4）超净实验安全柜的运行原理和材质选择；（5）超净实验室废酸酸气的处理方法；（6）超净实验室个人的清洁度问题；（7）超净实验室维护过程。

这一部分的科学问题不仅让学生牢牢记住实验室的基础知识，提高学生的动手能力及创新能力，同时可增强学生的环保知识，使其树立“绿水青山就是金山银山”的理念和意识，增强学生在提高科学素养的同时用科学的手段爱护家园的理念。

针对器皿处理：这部分包括器皿的选择和器皿的洗涤，整个样品的前处理过程中用到不同种类、不同材质及不同价格的器皿。在这一部分讲解中，笔者为了发散学生的创新型思维，以及提高学习的兴趣，在讲解过程中设置了6个富有挑战性的问题：（1）塑料制品有几种材质？我们常喝的矿泉水的水瓶有几种材质？（2）不同材质的受热温度是多少？（3）不同材质器皿的金属杂质含量是多少？（4）设计一个溶解样品的实验需要哪几种材质的样品？（5）目前实验室用到的器皿可以做何改进？（6）器皿的金属杂质如何清洗？

这一部分主要用到一些聚四氟乙烯的洗瓶和溶样杯，以及纯化酸用的亚沸蒸馏器。这些材质的样品之前大部分依赖美国进口，但是目前随着中美贸易战的开始，近几年进口聚四氟乙烯样品的成本比原来贵3～4倍。目前各个大学或者科研院所找到一些厂家合作，提高生产工艺，且优化产品特性，生产出了属于中国的同位素操作器皿。本节课给学生讲授器皿的材质及制作过程的同时，鼓励学生在实验过程中利用自己学到的知识创新实验的器皿。在这部分工作中增强学生的民族自信心，提高其主人翁的意识。同时该类课程能引导学生体会前人的学习方法和实验思想，以前人的方法为指导，学会研究、制作、设计，在培养学生学习兴趣的同时，提高学生的实验素养以培养具有创新精神、丰富知识及具有较强的挑战能力的新世纪人才，而不是培养模仿照搬的机械性人才。

针对试剂和水的纯化过程：在实验过程中我们会用到大量的浓酸和浓碱，如硝酸、盐酸、氢氟酸等。笔者在这一部分设置了7个重要的问题：（1）试剂纯度调研及如何选择试剂的纯度；（2）自来水中金属离子的含量及纯化过程；（3）国内外试剂的价格、厂家及用途调研；（4）试剂的配制方法；（5）试剂的纯化过程、方法及可能操作过程；（6）利用酸纯化样品的金属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项。

习近平总书记在中央政治局就加强基础研究的第三次集体学习中强调“切实加强基础研究，夯实科技自立自强根基”，要求“要强化基础研究前瞻性、战略性、系统性布局”。在基础科研中金属稳定同位素作为一种投入较高的测试手段已经逐渐应用到各个领域。通过以上重要的7个科学问题，不仅让学生牢牢掌握同位素实验过程中酸的基本知识，也让学生了解国家在基础科研的投入状况以及国内科研环境。通过对比，增强学生的民族自信心，提高学生的兴趣和专注力。习近平总书记在2023年的新年贺词中提到“明天的中国，奋斗创造奇迹”，引导学生为国家的科研事业努力奋斗，增强学生为社会主义科研事业奋斗终身的决心。

三、主要教学形式

“同位素地球化学实验课”的主要教学形式为理论和实验操作，先铺垫理论，理论主要让学生整体了解同位素地球化学实验室安全、测试工作的原理和基本理论。让学生知道一个优秀的同位素实验室要出高准确度、高精确度的数据必须有严格的规章制度，无规矩不成方圆。本课程主要让学生亲自动手进行实验，在实验过程中体验获得数据的过程和乐趣。同时培养学生的研究和创新能力及沟通协作能力，拓宽学生的视野，增强学生实际动手的能力。同时通过不同的科学问题，引导学生进行实验过程和实验器皿的改良，培养学生的创新能力，最后通过该课程增强学生的民族自信心及其主人翁的意识，为促进学校人才的培养、科学研究的水平贡献一份力量，从而为国家培养高级专业人才、创新型人才，以及促进社会主义现代化的重任添砖加瓦。

四、考核方式

传统的考试只注重最后的期末考试，不注重平时的学习，在考试的时候突击，考试完会很快把学到的知识忘记，且这样也只注重个人学习，不利于团队的合作［6-7］。此外，因为超净实验的场地有限，人多会对实验室造成污染，所以本科生主要采取的是分组且不同时段进行上课。我们打分按照小组进行，小组实验进行得顺利，分值就高；反之，分值就低。这种考核方式利于学生之间互相监督、互相督促、互相帮助，会让他们为了小集体的荣誉而努力，实验过程中有些实验本来就需要两个人共同合作完成，所以这种教学形式有助于提高学生相互协作和团结的能力。