微电极系统在海洋地球化学课程教学实践中的应用

摘  要：海洋地球化学是海洋地质学、海洋化学相结合的一门边缘交叉科学，主要研究海洋中化学物质的含量、分布、形态、转移和通量的学科。海洋地球化学课程教学中涉及海洋沉积物-水界面化学元素的分布、迁移等知识内容，往往因为空间分辨率要求高、内容抽象、不容易观测等问题，使课堂教学效果受到很大的影响。该文进行相关教学方法改革与探索，利用课程课堂教学与先进的微电极现场观测系统相结合，再加课后小组讨论、分析、总结等教学手段。实现对海洋沉积物-水界面进行实时高精度微米级的观测，使学生了解海洋沉积物-水界面位置处微米尺度的碳循环过程观测及其矿化降解通量的计算方法，强化学生对碳循环和碳减排等课程思政要素的了解，营造良好教学氛围，取得良好的教学效果。教学方法的探索表明将先进的科研仪器投入到本科教学中，可以极大地调动学生的学习积极性，保证课程教学的效果。

关键词：海洋地球化学；微电极系统；碳循环；思政要素；教学效果

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）22-0106-05

Abstract： Marine geochemistry is an interdisciplinary science between marine geology and chemistry， and mainly focuses on the study of the content， distribution， morphology， transfer， and flux of chemical substances in the ocean. In the teaching of Marine Geochemistry， there are some difficult problems related to the high space-resolution， abstract contents， and being hard to be observed in the interface between sediment and water. Based on the advanced micro-electrode system， the teaching method of the lesson is discussed in the paper. By the observation of high-precision on the sediment-water interface in a micrometer scale using micro-electrode system， students could better understand carbon cycle process on the sediment-water interface in detail and the related flux computation during organic carbon degradation and carbon cycle， combining with the discussion， analysis， and summary after the class. Meanwhile， the political and virtuous awareness education is intensified and good teaching results have been achieved in this teaching environment. Through the exploration of teaching methods， it is shown that putting advanced scientific research instruments into undergraduate teaching can greatly mobilize students' enthusiasm for learning and ensure the effect of course teaching.

Keywords： marine geochemistry; micro-electrode system; carbon cycle; political and virtuous awareness; teaching effect

基金项目：教育部2021年第二批产学合作协同育人项目“海洋地质地层构造变形数值仿真模拟实验教学课程设计”（202102072009）；中国地质大学（北京）2021年度本科教育质量提升计划建设项目“微电极系统在海洋地球化学课程实践教学中的应用及其思政教学作用研究”（JG202139）

第一作者简介：刘宝林（1976-），男，汉族，内蒙古乌兰察布人，博士，副教授。研究方向为海洋地质学。

大型仪器通常是指单台价格较高、运行环境要求较苛刻、操作程序较复杂及通用性较强的分析仪器[1]。大型仪器在高等学校不仅应承担科研任务，而且更应该在相关学科的本科生和研究生教学中发挥作用，进一步实现仪器价值最大化，提升高等学校教学科研水平，促进综合素质人才的培养[2-6]。

近几十年来，高分辨率微电极测量技术的出现使得人们对沉积物-水界面化学的认识取得了明显进步[7]。利用微电极直接测量沉积物的化学浓度梯度，从垂直化学浓度剖面可计算通量、消耗量和渗透深度，由此可推知氧化还原环境、微生物活动的层次和性质乃至各种化学成分的生物地球化学循环[8]，因此该方法具有重要价值。基于微电极测量技术发展起来的微电极分析系统是一套先进的大型仪器设备，具有微米级高灵敏度，可观测相关参数微小浓度的变化。检测时，其微米级尖细顶端不破坏检测对象的结构和生理活性、数据重现性好、可进行原位在线测量等特点均符合现代科研潮流，被广泛应用于动物、植物、土壤、生物膜、水环境及海洋沉积物等领域。应用微电极系统，开展课程实践教学，可让学生对沉积物-水界面的重要地球化学参数（如氧气通量、氧化还原电位等）的变化（微米级）有深入了解，深化对沉积物-水界面碳循环过程相关专业知识的理解。

一  微电极系统的组成

微电极指在电化学分析中电极面积很小但整个电极并非微型化的一类电极。常用微电极有金属和玻璃两类。微电极系统由电化学系统（微电极）、信号处理系统（测量主机）、三维操作器（马达）、测量软件和支架等几部分组成。微电极种类主要有氢气、氧气、硫化氢、温度、pH、氧化还原电极等几种。其主要优点是可在微电极尖端范围内进行微环境的测量，尤其是可以测量微米级的化学浓度梯度变化，用来研究复杂的微环境，其信号的传递过程十分迅速，最快响应时间可达200 ms。另外，许多传统传感器在测量过程中会消耗分析物。由于微电极极小的膜面积（通常为0.3×10-7 cm2），这种消耗在测量过程中可以忽略不计。

以氧气微电极为例，操作流程主要包括以下三个步骤。

1）极化（保证基线稳定）：直接将氧电极插入测量主机PA通道的插孔中，然后将电极放置于水中进行极化；氧电极极化时间需超过2 h以上。

2）校正：校正溶液和样品的噪声、温度和盐度要接近；分别配置无氧水、氧饱和水进行校正。

3）测定：根据研究对象沉积物的不同测量深度选用不同直径的微电极。在本项教学实践活动中，研究沉积物表层几厘米的深度，故选用尖端直径为100 ？滋m的微电极。

二  微电极系统在海洋地球化学课程教学中的应用与实践

（一）  海洋地球化学课程传统教学中存在的问题

海洋沉积物-水界面是大气二氧化碳排放与碳循环过程中一个重要的交换场所。陆地和海洋经由植物光合作用产生的有机质在降落沉积过程中，会首先经由海洋沉积物-水界面进入海洋底部，进而发生复杂的矿化作用，即各种有机物在沉积物-水界面所发生的降解转化过程。其中，氧气作为自然界中最重要的氧化剂，对有机碳的矿化分解过程起到了最重要的作用，是海洋体系中碳循环过程的重要一环。因而，海洋沉积物-水界面地球化学作用是海洋地球化学教学过程中的一个重要内容和知识点。然而，由于在沉积物内部，氧气扩散的作用非常浅（通常只有1～2 cm）。使用常规的方法很难监测到氧气在沉积物-水界面位置处的浓度变化，尤其是微米级的变化，导致学生对海洋体系碳循环过程知识的理解会出现一定的困难。以往的教学中，只能通过图件给学生讲解氧气在沉积物剖面上的变化特点。学生对相关知识的理解往往只是停留在表象上，缺乏对海洋沉积物-水界面碳循环机理的深刻认识。

（二）  采用可视化动态演示结合学生动手实验的教学方法，实现教学与实践的统一

针对上述海洋地球化学课程教学中存在的问题，我们将先进的微电极系统应用到了课程教学中，并采取了可视化动态演示加学生动手实践的教学方法。采取教师引导与激发两种方式，实现老师教学与学生动手实践的有效统一。

在课程实践教学前，老师先讲授微电极系统的基本原理与技术性能。然后再给学生讲授沉积物-水界面地球化学的基本知识和概念模型。使学生先了解海洋沉积物-水界面碳的固定与矿化过程。然后以小组为单位，进行分组实践活动。具体安排是：每一组学生提前准备好上课使用的沉积物柱子（含5 cm无扰动的上覆水），在实验环节，现场布设氧气微电极。微电极和主机与电脑相连接。以小组为单位，通过计算机主机的操作软件，让每个学生都有机会自己动手驱动电动马达按50 ？滋m的间距，将微电极从沉积物上覆水逐层深入沉积物柱中，测定氧气通量随深度的变化。获得微米尺度上，氧气通量随深度的变化。然后，让各小组学生以微电极测定的实验数据为基础，在沉积物表层与上覆底层海水之间，依据Fick第一扩散定律公式计算沉积物-水界面氧气通量的垂向变化。Fick第一扩散定律表达式为

沉积物中的矿物颗粒不允许气体或离子扩散。因此，对于沉积物的任何截面，只有孔隙空间部分可以进行扩散。而分子在沉积物颗粒周围需要移动较长的路径，所以在沉积物内部的有效扩散系数低于自由水中的有效扩散系数。Fick第一定律必须针对沉积物中的扩散过程进行修正[9]。

因此，在沉积物一侧，Fick第一定律修正为

沉积物中氧气的消耗主要是通过扩散作用进入沉积物表层的氧气对有机质的氧化作用（有机质的矿化）完成的，这一过程依据反应方程式[3]进行

在依据方程（2）计算出氧气的扩散通量后，通过反应方程（3），依据化学计量关系式可以估算出氧气分解矿化的有机碳通量。而沉积物中保存的有机碳通量的变化可以反映出海岸带环境中对大气中人类释放的碳的固定作用的影响程度。

传统的教学模式下，学生不能直接测定沉积物中的氧气浓度梯度的变化，因而无法计算出氧气在沉积物-水界面的扩散通量及氧气所氧化降解的有机碳通量。使用微电极系统后，学生可以直接通过实验测量的结果来完成以上的计算过程，更加直观地了解了沉积物中有机碳的矿化过程及其影响因素。在实际教学中，有效提升了教学氛围以及学生上课的参与程度，对于课程难点问题的克服也具有显著效果。使学生更直观地认识沉积物-水界面的关键地球化学参数（如氧气通量）变化特点与规律，增加学生的学习兴趣与课堂师生互动。调动学生的学习积极性，从老师“让我学”到“我要学”转变。

使用过的沉积物柱子可以在海洋学院实验室长期保存，每次的课程实践中，以人工配制海水替代上覆海水，实现长期使用的目的。

（三）  课堂及时分析总结，促进学生知识体系的提升

组织学生进行分组讨论，分析对比每个组的测定与计算结果，引导学生深入分析讨论沉积物-水界面氧气通量变化的影响因素及其与有机碳固定、矿化作用的关系，从而激发学生们的学习兴趣、探索能力和创新意识。最终整理成PPT进行小组汇报。在汇报阶段，每个小组汇报5 min，教师及其他小组同学对汇报内容进行评价和讨论。在汇报过程中，教师主要考察学生们对知识的掌握情况，同时还要针对每个小组同学汇报出现的问题及时总结分析，启发学生提升所学的知识。在这个归纳总结阶段，教师要让学生了解海岸带沉积物中溶解氧的浓度在沉积物-水界面位置处迅速下降的原因及其影响控制因素。