高职院校地质类专业同位素测试实验教学探讨

□赖冬蓉 李丛冠

实验教学在高职院校实践教学中有着非常重要的地位，也是高职院校人才培养模式的重要特征。围绕技能培养这一主线构建实验教学内容，是实现高职院校技能应用性人才的培养目标的必由之路。同位素测试实验教学是高职院校地质类地球化学、资源勘查工程、地球物理勘查技术等专业的一门重要实验课。做好同位素测试实验教学，对于促进地质类专业课堂教学、培养学生的动手操作能力、分析能力、观察能力和创造能力，了解同位素地质在技术、方法、理论与应用方面的最新进展，形成脚踏实地的科学态度和认真仔细的工作作风，具有十分重要的意义。因实验设备昂贵、实验内容较多、实验步骤复杂等因素，同位素测试实验教学与其它课程的实验教学相比具有特殊性。本文以高职院校地质类专业同位素测试实验教学为例，探讨不同实验目的、对象、步骤等同位素测试实验教学方法，评价实践教学效果，并提出做好同位素测试实验教学的建议，为高职院校地质类专业开展相关有效的实践教学，探讨高职人才培养模式提供借鉴。

一、同位素测试实验教学目的与要求

（一）同位素测试实验教学目的必须明确

同位素实验教学就是要通过实验课的学习，使学生加深对环境同位素地球化学的基本理论的理解，了解实验仪器的性能指标，具体的操作规程，学会如何选取分析样品，掌握同位素分析测试方法与步骤，对环境同位素测试数据进行分析和解释，并对实验数据真实性和可靠性进行判别，培养学生具有从事科学研究和解决实际问题的能力。

（二）同位素测试实验教学必须按照计划进行管理

要严格按照同位素测试实验教学计划和教学大纲中规定的实验课时和内容进行，由任课教师提出实验计划，填写“教师课内实验安排表”。同位素实验教学配有实验教学大纲、实验教材和实验指导书，其内容包括：实验目的、要求、原理、步骤、方法、仪器设备及使用说明、实验材料、数据处理和注意事项等，且实验课教学由任课教师和实验员同时担任。任课教师对每次实验课教学都要精心准备，并在实验前通知学生做好预习工作。实验员要认真贯彻实验计划，提前做好各项准备工作，使仪器设备处于完好状态。实验准备就绪后，实验员要与任课教师一起进行预实验，确保实验课按计划顺利进行。

（三）同位素测试实验教学任课教师和实验员要负责整个实验教学过程

实验开始前，任课教师和实验员要检查学生的预习情况，扼要讲解与本次实验有关的理论知识、实验方法、操作技能、操作规程、安全注意事项以及应急措施。在实验过程中，任课教师和实验员共同做好指导工作，检查学生是否按正确的操作规程进 行实验，一旦操作失误或仪器出现故障，要分析产生的原因，确保实验获得正确可靠的结果，并记录实验数据。实验完成后学生要按规定撰写和提交实验报告。

二、同位素实验仪器设备与教学方法

（一）实验仪器性能

实验前给学生详细介绍实验仪器的性能和参数至关重要，防止学生在实验过程中可能因对仪器性能不了解或操作不当而影响实验教学。本实验教学采用的是德国Finnigan公司生产的新型MAT 253稳定同位素比值质谱仪，它具高灵敏度和高线性特点，计算机控制离子源电压和参数，不同高阻之间自由转换。可以精确测量13C/12C、15N/14N、18O/16O、33S/32S、34S/32S、36S/32S 和 D/H 等同位素比值。质量分析器具有90度凹面（无散光）聚焦磁场，近百分之百转换，具有10个积分通道用于多种离子流的同时测量。离子流强度可达50V，适合不同样品量的样品。采用双路比较和连续流两种模式测量，可方便地添加多种在线测量的外围设备。

（二）操作规程

由于同位素实验课内容比较多，操作过程复杂且费时较长，必须强化实验前的规程介绍，让学生严格按照操作规程进行。具体步骤如下：检查仪器开关设置，保持房间温度20±2℃和湿度＜40%；启动空气压缩机使压力在6-10大气压之间，仪器调节压力为4大气压；检查载气、参考气连接是否正确，确认无误后打开气体解压阀，并用肥皂水检漏；根据需要测试样品的不同，打开与之对应针阀，一般抽气30分钟后，等真空度达到10-6Pa时，打开离子源；打开计算机系统，调出控制、分析程序；当本底水平达到后，分别引入测定和标准气体；对测量气体调整工作参数，由计算机进行自动测量；样品做完后，抽去储样器中气体，抽气1小时后，先关高压和离子源再关针阀；向系统充氦气保护；关计算机系统，关电源，关空气压缩机。

（三）运行检查

仪器设备的运行检查一般由实验员完成，开机后，如果有好几天没有做样品，应先把柱子温度升到120℃进行烘烤24个小时左右去残气；再把氦气打开，表头设在0.9左右，冲气1-2个小时，当真空达到10-6Pa时，再把离子源关闭，针阀打开，先设在N2气位置，做H2O、Ar峰对中测试，当H2O<3V、Ar<10mV时本底才稳定；然后设在CO2位置，做CO2峰配钟，使CO2<10mV左右；再单独做几个Zero Dela值，运行稳定后才能对样品进行测试。

（四）实验样品的测定与实验步骤

同位素实验包括4个部分：水中氧同位素、氢同位素组成测试，水中溶解无机碳（DIC）同位素组成测试、碳酸盐岩碳氧同位素组成测试。

1.水中氧同位素组成（δ18O）分析

水中氧同位素组成分析采用CO2-H2O平衡法，其实验操作步骤如下：（1）恒温槽调到40℃，检查吹气针的针尖是否变卷或是否有东西堵住；（2）建立一个Sequence，把样品统一号填在Sequence中的相应位置；（3）使用移液管把200μl样品注射到试管中，拧好盖子，再把吹气针安装在自动进样器上；（4）用0.3%CO2和He混合气对样品进行吹气，并平衡20小时；（5）把吹气针换成进样针，把参考气CO2打开，运行Sequence对样品进行测试。在水样与已知组成的CO2达到氧同位素交换平衡，根据测得的平衡CO2的18O/16O和已被精确测定的分离系数α（α=1.0412）确定水样得氧同位素组成（δ18O）。

2.水中氢同位素组成分析

水中氢同位素组成分析也称H2-H2O平衡法，具体的实验操作步骤如下：（1）恒温槽调到28℃，检查吹气针的针尖是否变卷或是否有东西堵住；（2） 建 立 一 个 Sequence， 把 样 品 统 一 号 填 在Sequence中的相应位置；（3）使用移液管把200μl样品注射到试管中，再把碳棒放到试管中，然后拧好盖子，把吹气针安装在自动进样器上；（4）用2%H2和He混合气对样品进行吹气，并平衡40分钟；（5）把吹气针换成进样针，把参考气H2打开，运行Sequence对样品进行测试。

3.水中溶解无机碳（DIC）同位素组成分析

水中DIC以CO2、HCO3-和CO32-形式存在，在充满高纯氦气条件下以纯磷酸（H3PO4）酸化水样，改变DIC存在形式并释放CO2，将CO2输入质谱仪测量碳同位素组成。具体实验操作步骤如下：（1）恒温槽调到40℃，检查酸泵和吹气针的针尖是否变卷或是否有东西堵住；（2）建立一个Sequence，把样品统一号填在Sequence中的相应位置；并在干净的试管中加98%的H3PO430μl放在恒温槽；（3）把吹气针安装在自动进样器上，用高纯氦气吹气，然后加样品 700μl并平衡 18个小时；（4）把吹气针换进样针，把参考气CO2打开，运行Sequence对样品进行测试。

4.碳酸盐碳氧同位素组成（δ13C和δ18O）分析

实验操作步骤如下：（1）恒温槽调到72℃，检查酸泵和吹气针的针尖是否变卷或是否有东西堵住；（2）建立一个Sequence，把样品统一号填在Sequence中的相应位置；并在干净的试管中加碳酸盐岩样品放在恒温槽中；（3）把吹气针安装在自动进样器上，用纯氦气吹气，然后加98%的H3PO430μl并平衡1个小时；（4）把吹气针换进样针，把参考气CO2打开，运行Sequence对样品进行测试。根据已知的氧同位素平衡分离系数（碳酸盐中的氧只有2/3转入CO2），通过反应所释放的CO2测量碳 氧同位素组成（δ13C 和δ18O）。

三、同位素测试实验教学效果评价

通过同位素测试实验教学，取得了以下几个方面的效果：一是使地质类专业的学生学会了使用各种同位素测试实验设备，掌握了水中氧同位素、水中氢同位素、水中溶解无机碳同位素（DIC）、碳酸盐碳氧同位素的实验方法，使学生能接触到当今较先进的测试设备和实验理念，提高了学生综合素质。二是使学生了解了实验仪器的工作性能，熟悉了实验操作步骤，基本掌握了测试分析工作的要领，对同位素测试结果的科学价值有进一步了解，显著提高了学生的动手操作能力、分析能力、观察能力、创造能力以及分析和解决实际问题的能力。三是根据地质类不同专业的学生，形成了以学生创新思维和创新能力培养为核心、以掌握测试操作技能为基础、以提升科研能力为目标、以高科技、新技术同位素测试设备使用为学生创新能力延伸培养为主要手段的优化实验教学模式。

在同位素测试实验教学过程中，也发现存在以下几个方面的问题：首先，没有建立有效的同位素测试实验教学效果评价体系，有的教师和实验员因为同位素测试实验教学步骤复杂，没有严格按同位素测试实验教学大纲规定的内容和时间进行教学，在实验教学上存在“缩水”现象；有的学生实验态度不够端正，不勤于思考和动手，不按规定完成同位素测试实验步骤，不认真完成实验报告。其次，有的学生对水中氧同位素、水中氢同位素、水中溶解无机碳同位素（DIC）、碳酸盐碳氧同位素的目的、要求和作用不够明确，对测试中获得的数据所隐含的科学意义不够清楚，不能很好地运用于解决实际的问题，这和教师课堂上理论教学与实验操作知识相脱节、理论教师与实验员没有良好沟通等有关。第三，因同位素测试实验设备比较昂贵，有的一台设备就值400多万元，并且实验步骤较多且比较复杂，学生怕损害设备、怕麻烦，因而在实验过程中放不开手脚，或有畏难情绪，难以达到实验教学的目的。

四、提高同位素测试实验教学效果的思考

（一）要建立科学有效的同位素测试实验教学评价体系

学校要设立同位素测试实验教学各项评价指标，并根据指标的重要程度赋予不同权重，采用量化评分标准进行综合评价，要涉及教师、学生、教学管理及实验仪器设备等多个因素，全面考核学生同位素实验操作技能和对专业基础知识的掌握程度。它是一个综合体系，包括教师与实验员评价、学生评价和同行专家评价。教师与实验员评价主要在于是否严格按照同位素测试实验教学大纲规定的内容和时间进行教学，是否尽职尽责，在教学中是否吃透和把握了实验教学关键知识点，是否真正让学生理解了所讲授的知识和内容。学生评价采用问卷调查、网上评教、找学生谈话等形式，收集学生对实验课教学提出的一些合理建议和意见。同行和专家评价主要是针对实验准备是否充分、实验课程教学安排与组织是否恰当、是否达到实验教学要求进行客观评价。

（二）同位素测试实验教学与具体理论教学相结合

理论教师与实验员要进行良好地沟通与协作。理论老师要具备渊博的同位素地球化学等方面的知识，能向学生全面讲解同位素测试的理论体系，使学生能较好地掌握同位素测试理论知识和实验教学关键点。同时，学校提供的各实验课程的教材与指导书中要有介绍实验教学的目的、要求、步骤、方法等内容，真正让学生理解同位素测试的理论知识和实践内容，同时增加综合性、设计性实验内容，把教师科研成果引入实验教学内容之中[5]，充分激发学生参与实验教学的兴趣和主观能动性。

（三）教师和实验员要参与同位素测试实验教学全过程

教师和实验员要统筹兼顾同位素测试实验教学的实验过程、实验结果与实验报告。教师和实验员要做好同位素测试实验教学的前期准备，可以将整个实验过程拍摄成教学片在学生进行实验前进行播放，让学生对于同位素测试设备、实验步骤有一定的感性认识和比较透彻地了解。在实验过程当中，教师和实验员要参学生的实验操作的全过程，既让参与实验的每位同学都能独立完成整个操作过程，又能及时在重点环节和可能带来危险的地方予以指导[5]。在同位素测试实验教学结束后，教师和实验员要对学生撰写实验报告进行具体地指导，帮助学生端正实事求是的态度，提高实验报告的规范性表达，体会测试中获得的数据所隐含的科学意义，这样才能真正达到实验教学的目的。

[1]王强,张颖,张蓉.地方应用型本科院校实验教学评价指标体系研究[J].科教导刊，2012(05)：52.

[2]付琪.关于高职计算机实验教学的探讨[J].职教论坛，2011(29)：138－140.

[3]智海素.以技能培养为中心改革基础课实验教学[J].职教论坛，2011(11)：21－23.

[4]宋忠宝.同位素地质新进展：技术、方法、理论与应用[J].西北地质，2004(01)：107－108.

[5]肖宏滨,倪锋,吕铁军,等.实验室开放的探索与实践[J].实验室研究与探索,2009(09)：146－148.

[6]张烨烨.强化工科院校实验教学管理的改革[J].长春工业大学学报（高教研究版），2012（04)：105－106.