“数据”在地球化学教学中的应用探讨①

2013-08-16张天继

当代教育理论与实践 2013年10期

张天继

(1.青海大学地质工程系，青海西宁810016;2.青藏高原北缘新生代资源环境重点实验室，青海西宁810016)

地球化学是地球科学与化学的交叉学科，它与侧重于自然地质现象描述的传统地学相比，不仅有着定性描述的特点，还具有用“化学”数据来做半定量－定量解释的特点。随着社会和科学技术的迅速发展，精密和先进的分析测试仪器的成功研制，可以使我们获得大量的地球化学数据信息，这促进了当代地球化学的研究范围和研究课题不断扩大，在矿产资源和能源的开发，人居环境与自然灾害防治和研究，以及地球科学基础理论的研究与应用等方面起着越来越多的作用。在地学院校及系所中，面向地质、矿产专业的学生普遍开设地球化学课程。

青海大学资源勘查工程专业自2004年恢复开设以来，地球化学一直是一门重要的专业基础课。本着为青藏高原矿产资源开发服务、培养应用型人才的宗旨，该课程的教学目的是使学生不仅建立地球化学科学思维方法，更重要的是掌握分析研究各种地质作用地球化学机理的基本技能，具备应用地球化学理论和方法解决实际问题的能力，从而在走上工作岗位后，更好地服务地方经济发展。

笔者在承担“地球化学”授课任务时，最初是按照传统的授课方式进行授课，教学结构和内容以及教学思维是根据选用的教材框架的安排，在课程讲授过程中注重地球化学理论知识的阐述，虽有一些实际应用的穿插，但是不够深入，理论讲授与实例讲解相脱离。这样使学生对课本知识的认识停留在文字认知阶段而非本质认知和拓展认知，学生在学习过程中甚至考试结束之后仍然不知道自己所学的知识能在什么地方应用，怎么应用，结果导致学生学习目的性模糊，学习兴趣不高，最终是教与学两方面都理论与实际脱节。注意到这些问题后，笔者等在教研室的支持下进行教学上的改革。注意到地球化学数据在理论教学及实验教学中的作用，将地球化学数据的获取、处理、理论依据、解释等一系列过程做为贯穿教学的主线，对每一个教学环节进行了精心的设计。

一地球化学数据介绍

1.地球化学数据的类型

一般来说，地球化学数据有主量元素、微量元素、放射性成因同位素、稳定同位素数据［1］。

主量元素一般指在体系中占绝对多量的元素，如Si，Al，Fe，Mg，K等，一般用氧化物重量百分数来表示他们的含量。一些挥发成份如H2O，CO2和S一般也包括在主要元素分析数据中。微量元素是指在体系中含量低于0.1%的那些元素。放射性成因同位素包括那些因天然放射性而自发衰变的同位素以及衰变体系的最终子体。地球化学中的稳定同位素一般指那些因质量差异而发生同位素之间分馏的轻稳定同位素。

2.地球化学数据的应用

地球化学因其众多的分支学科而难以总结地球化学数据的应用领域，但毋庸置疑的是它的广泛应用。在本科教学过程中，我们也是仅对它在地质矿产方面的应用做简单的介绍。而在地质和矿产方面，它们的主要应用体现在:主量元素在岩石分类、定名方面的应用，微量元素在示踪方面的应用，放射性成因同位素数据在测年及示踪方面的应用，稳定同位素在测温、示踪方面的应用［2-3］。

二课程内容安排

国内高校开设的大学本科地球化学课程，教材一般选用韩吟文主编的《地球化学》(2003年出版)［2］，最新的教材有张宏飞、高山主编的《地球化学》(2012年出版)［3］，课时量主要安排为48课时左右，教学内容主要包括太阳系和地球系统元素的丰度、元素结合规律和赋存形式、微量元素地球化学、同位素地球化学等。从选用的教材和教学内容上不难看出，教学中是需要运用大量地球化学数据来说明问题的(如表1)。

三教学过程探讨

1.教学前数据的准备

青海大学地质系恢复办学时间较短，硬件设施不能和国内其他高校相比，缺乏元素测试分析仪器，学生缺乏动手实践的机会，因此授课教师要准备教学中适用的地球化学数据来辅助教学。笔者选择了东昆仑祁漫塔格地区基础地质、矿区地质的大量地球化学数据来进行教学。祁漫塔格地区具有优越的成矿条件［4］，是国家“十二五”地质勘查规划的十大资源战略基地之一，近年来地质勘查成果也较为丰富，大量的地球化学数据适合用于教学。

表1 地球化学课程教学内容

2.教学过程

该课程的教学，是在学生理解地球化学理论的基础上，着重强调学生对知识的运用，培养学生动手能力。结合教学条件，对学生的培养主要是地球化学数据的处理，因而按照地球化学数据类型，将教学内容分成六部分，每一部分融入相应的地球化学数据。具体教学过程如下。

第一部分主要是对课程的了解认识部分，用2个课时来完成。主要讲解本课程体系、教学要求、学习方法，以及本课程在专业学习中的地位和意义。课堂中给出一些地球化学方法解决地质问题的实例，激发学生兴趣。同时介绍教学所用地球化学数据的来源，介绍祁漫塔格地区的地质背景，为理解和处理地球化学数据打下基础。

第二部分为主量元素教学。共安排4个课时的教学和2个课时的实验。前两个课时安排为介绍岩石化学数据的应用前的检查与调整及应用，后面两个课时放在实验之后。实验环节介绍现在最常用的地球化学小软件Geokit［5］，并处理原始数据。安排这一环节的教学，主要是考虑到岩石化学的教学在《岩石学》教学中的缺失。从多所设置地矿类专业高校来看，由于近年来专业课时的压缩调整，岩石学的教学内容中多不安排岩石化学数据处理教学，或者做简单介绍，而《地球化学》教材中普遍缺失这一环节。主量元素在岩石定名等方面有着广泛的应用，作为培养应用型人才的高校，理当补充这些知识。在教学中，由于学生已经具备岩石学知识，而岩石学教材上也不乏岩石化学数据投点图，由这一点切入到地球化学教学中，不仅能够激发他们的兴趣，而且有利于学生克服课程难学的心理，认真学好课程知识。在这一部分，课堂上围绕“祁漫塔格地区岩石化学原始分析数据”，讲解清楚这些数据从样品的采集到分析的过程，在获得原始数据后并不能马上进行投影作图来解释地质现象，而是要进行检查。因为主量元素是用氧化物重量百分数来表示他们的含量的，对于“Fe”，在还原环境呈+2价，地表样品被氧化而呈+3价，不能代表其在地下深处的原始状态，因而在数据处理过程中要根据应用情况进行调整。在讲清楚数据的预处理后，结合岩石学教材，回顾岩石化学主要参数的计算，火成岩成岩系列，以及岩石类型图解。在课堂结束时，留给学生一个问题:用什么软件可以快速做成地球化学图解?怎么做?并要求学生查阅文献，在实习课上应用软件处理数据。让学生自己去探索，自己去研究。并将原始数据发到公共邮箱，让学生可以先自己动手处理数据。在实习课上，将学生分成几个小组，在用Excel完成数据预处理后，用预习的软件来成图，然后小组间交流。

在这个环节完成之后，根据教学经验，这个时候学生基本上都有了学习热情，可以适时讲解元素的起源、演化、分配、迁移等基本知识。这些知识不需深入讲解，因为这些知识与普通化学、普通地质学、结晶学与矿物学等有重复，例如类质同象内容，学生在结晶学中已经接触并了解，课堂上针对地球化学内容做阐述。

第三部分安排为微量元素的教学。这一部分安排为8个课时的教学和2个课时的实验以及2个课时的讨论。对微量元素的把握主要是对微量元素分配定律的理解，这一点必须给学生讲解清楚。学生对分配系数有了透彻的理解后，对岩浆作用过程中微量元素的定量模型才能有深刻的理解。这分别需要2个课时来进行讲授。对于微量元素中一般做为整体活动的稀土元素，也需要2课时来讲解。实验环节主要是微量元素蛛网图、稀土元素配分图、稀土元素参数的计算，通过做图和计算，学生把握得才能更深。微量元素的示踪、测温测压方面的应用用2课时来做介绍。讨论课则偏重对微量元素示踪的研究，要求学生大量阅读文献，自己总结微量元素示踪的应用，并进行举例说明，以读书报告的形式或者PPT的形式汇交，并请学生做汇报。这一环节一般安排在课程结束之际。

第四部分，是放射性成因同位素地球化学的教学工作。这一部分安排为12个课时的教学、2个课时实验、2个课时讨论。放射性同位素数据的主要应用是测年、示踪方面。理论授课时使学生熟悉测年的基本原理，各种测年方法的适用范围、数据处理与数据解释。Isoplot(ver 3.0)是样品的加权平均年龄计算及谐和图的绘制采用的宏，加载在Excel中。实验课时引导学生动手运用Isoplot处理同位素测年分析的原始数据，计算获得年龄值，使他们更深层次地理解和掌握测年原理和所得数据的意义。讨论课则探讨放射性子体同位素及其稳定同位素的示踪作用，同样是由学生阅读文献总结，并通过汇报完成。

第五部分，是稳定同位素的教学，这一部分安排6个课时的理论教学和2课时的实验环节。稳定同位素教学研究对象主要是一些轻稳定同位素如C、H、O、S、N等，主要通过这些同位素比值的变化来研究稳定同位素的分布规律和在各种条件下的迁移和演化规律，并运用这些规律来解释物质来源及成因等地质问题。实验课则是给出祁漫塔格地区科研中运用的数据，指导学生计算并分析其所代表的意义。

第六部分，简介一些流体包裹体地球化学知识，用2个理论课时完成。根据目前的资料，从包裹体研究可以获得下列主要参数，它们是:温度、压力、盐度、成分、密度、流体体系、流体的 pH、流体的 Eh、流体的稳定同位素组成(δ18O、δD、δ13C 和 δ15N 等)、流体捕获的时间(K － Ar、Rb－Sr和Sm－Nd年龄)、岩浆的冷却史、流体的流动速率以及找矿晕等［6］。这些知识应用比较广泛，但是多安排在研究生学习阶段深入学习，对于本科生来说了解这种方法及其原理，有助于在工作需要时自己能够快速入手进行自主学习研究。