側(cè)重地球化學(xué)現(xiàn)代儀器分析教學(xué)改革

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摘要:文章介紹了依托大型儀器平臺對地球化學(xué)專業(yè)開設(shè)的現(xiàn)代儀器分析課程進(jìn)行教學(xué)改革的具體做法。教師在授課過程中加入多種教學(xué)教學(xué)方法，將理論授課和實踐教學(xué)有機的結(jié)合起來，既能將地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的實際應(yīng)用加入到教學(xué)中，也能有效提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實際動手分析操作能力，為學(xué)生做畢業(yè)論文打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:地球化學(xué);現(xiàn)代儀器分析;教學(xué)改革

現(xiàn)代儀器分析是高校里開設(shè)面比較廣的一門專業(yè)基礎(chǔ)課或者專業(yè)選修課程，開設(shè)該門課程的專業(yè)包括化學(xué)、材料、生物、環(huán)境、藥物、食品科學(xué)、地球化學(xué)等相關(guān)專業(yè)［1］。桂林理工大學(xué)地球化學(xué)專業(yè)作為非常重要的一門學(xué)科，在找礦勘查及環(huán)境評價領(lǐng)域具有其他方法無法代替的獨立優(yōu)勢。地球化學(xué)專業(yè)在人才培養(yǎng)、教學(xué)和教學(xué)管理中，強調(diào)理論與實踐相結(jié)合，要求學(xué)生既掌握地球化學(xué)基礎(chǔ)理論，又能熟練將最新的儀器分析方法應(yīng)用到實際研究中。目前桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院建有廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘點實驗室，引進(jìn)的設(shè)備包括原子吸收分光光度計、原子熒光光譜儀、X射線熒光光譜儀、電子探針顯微分析儀、激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀等眾多大型儀器。因此，在地球化學(xué)專業(yè)的現(xiàn)代儀器分析課程教學(xué)過程中，依托現(xiàn)有的大型儀器設(shè)備開展適用本專業(yè)的儀器分析教學(xué)非常有必要［2］。

一、分章節(jié)專業(yè)知識分析及教學(xué)應(yīng)用

對于現(xiàn)代儀器分析課程的教學(xué)，依托學(xué)院現(xiàn)有的大型儀器設(shè)備，同時結(jié)合地球化學(xué)專業(yè)實際應(yīng)用的案例，設(shè)置課程中的各個章節(jié)。下面，簡單描述現(xiàn)代儀器分析各個章節(jié)的主要內(nèi)容以及地球化學(xué)專業(yè)實際應(yīng)用的案例。

(一)原子吸收分光光度計本章節(jié)系統(tǒng)講述原子吸收分光光度計的基本原理，該分析方法的發(fā)展背景及狀況、儀器組成、相對應(yīng)的配套實驗室條件、儀器參數(shù)設(shè)定、真實儀器數(shù)據(jù)分析、地質(zhì)樣品的準(zhǔn)備等知識。原子吸收分光光度計根據(jù)物質(zhì)基態(tài)原子蒸汽對特征輻射吸收的作用來進(jìn)行金屬元素分析，能夠靈敏可靠地測定微量或痕量元素。在地球化學(xué)專業(yè)中，可以利用原子吸收分光光度計測定地質(zhì)樣品中70多種元素，固體、溶液和氣體樣品均可以利用該儀器進(jìn)行分析。因此在實際教學(xué)過程中，側(cè)重該方法在地質(zhì)樣品測試的上的應(yīng)用，并將學(xué)院實驗室分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行課堂分享，使學(xué)生系統(tǒng)掌握相關(guān)知識。

(二)原子熒光光譜法本章節(jié)主要講述原子熒光光譜法的基本原理、原子熒光光譜的類型以及原子熒光分光光度計的組成。原子熒光光譜法具有很高的靈敏度，校正曲線的線性范圍寬，能進(jìn)行多元素同時測定，該方法是測定地質(zhì)化探樣品中微量砷、銻、鉍、汞、硒、碲、鍺等元素最成功的分析方法之一。原子熒光分光光度計與原子吸收分光光度計儀器組成相似，因此在講述該方法時可以采用對比教學(xué)法的方式引導(dǎo)學(xué)生掌握并區(qū)分兩種測試方法，加強學(xué)生對相關(guān)知識的掌握，并培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和能力。在講述原子熒光光譜法時，“化探樣品污染的來源和處理”“樣品測定中的干擾及其消除方法”是難點內(nèi)容，因此在講述這兩部分內(nèi)容時，除了傳統(tǒng)的課堂講授，教師可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)視頻、文獻(xiàn)資料等多種資源向?qū)W生展示相關(guān)的知識，這對于開拓學(xué)生的思維能力以及綜合素質(zhì)培養(yǎng)具有重要意義。

(三)X射線光譜法本章節(jié)講述X射線光譜法發(fā)展歷史、X射線的產(chǎn)生、X射線的吸收、散射和衍射的機理、X射線儀器的結(jié)構(gòu)以及X射線熒光法的應(yīng)用。X射線是由德國科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)的，也稱為倫琴射線，該發(fā)現(xiàn)在物理學(xué)和儀器分析領(lǐng)域具有非常重要的意義，也為X射線光譜法的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。因此教師在授課過程中，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)視頻向?qū)W生展示X射線的發(fā)現(xiàn)過程能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，非常有助于學(xué)生理解抽象的物理學(xué)知識，為提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識打下基礎(chǔ)。在講述X射線吸收、散射和衍射的機理，這部分內(nèi)容抽象難懂，教師可以采用案例教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生，同時結(jié)合日常生活中光的散射現(xiàn)象幫助學(xué)生理解。日常生活中看到太陽光透過云層、薄霧呈現(xiàn)出一道道光柱，這個現(xiàn)象就是由于光的散射造成的，也稱為“丁達(dá)爾現(xiàn)象”。而對于X射線的衍射機理，與中學(xué)物理中學(xué)習(xí)過的小孔成像實驗相似，可以在此基礎(chǔ)上給學(xué)生做進(jìn)一步的講解。

(四)表面分析法及電子探針本章節(jié)講述內(nèi)容分為兩部分:第一部分內(nèi)容包括表面分析法的概念、電子能譜基本原理及儀器應(yīng)用;第二部分內(nèi)容包括電子探針微束分析技術(shù)發(fā)展歷史、電子探針分析的物理基礎(chǔ)以及如何利用電子探針進(jìn)行定量分析和成像分析。表面分析法屬于微區(qū)分析的一種，是地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域常用的分析方法。對于剛接觸或者尚未接觸大型儀器分析的學(xué)生來說，理解該方法具有一定的難度，這時候教師在授課過程中需要加入表面分析法的演示視頻、實際儀器的照片以及自己科研工作實際獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行講解，幫助學(xué)生掌握該方法的特點和相關(guān)應(yīng)用。

(五)激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀本章節(jié)講述電感耦合等離子體質(zhì)譜儀基本原理、分析方法的發(fā)展過程、儀器組成、相對應(yīng)的配套實驗室條件、儀器參數(shù)設(shè)定、標(biāo)樣選擇、儀器的數(shù)據(jù)分析和在地質(zhì)方面的應(yīng)用等方面的知識。相比前面四種光譜學(xué)分析方法，激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜分析方法更復(fù)雜，學(xué)習(xí)過程中需要用到大量的物理學(xué)和分析化學(xué)知識，因此在講授該部分內(nèi)容之前需提醒學(xué)生預(yù)習(xí)相關(guān)的知識。在講述該章節(jié)內(nèi)容時，單一的使用“直接講授法”達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。因此，授課教師可以結(jié)合“問題導(dǎo)向式教學(xué)”“翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)”等方式進(jìn)行講述［3］，例如在授課時教師可以提出“等離子是什么”“激光有哪些用途，常見的激光波長是多少”“質(zhì)譜儀的測試原理與前面四種光譜學(xué)分析方法的不同點”等問題。通過提問與學(xué)生積極互動，既能檢驗學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，也能激發(fā)學(xué)生的興趣。同時，授課教師也可以利用“雨課堂”“中國大學(xué)MOOC”等互聯(lián)網(wǎng)資源嘗試混合式教學(xué)，有助于學(xué)生拓寬自己的知識面，加強創(chuàng)新意識。

(六)多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀本章節(jié)主要講述多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀基本原理，儀器結(jié)構(gòu)和地質(zhì)學(xué)應(yīng)用。多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可以精確測試多種同位素的組成。在上一節(jié)“激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀”講述的基礎(chǔ)上，本章節(jié)在過程中更應(yīng)強調(diào)“地質(zhì)學(xué)應(yīng)用”方面的內(nèi)容，因此采用“教研結(jié)合”的方式更好，教師在授課前可以發(fā)一篇與授課內(nèi)容密切相關(guān)的文獻(xiàn)給學(xué)生分組閱讀，例如將代表性的綜述文獻(xiàn)“電感耦合等離子體質(zhì)譜原理和應(yīng)用”發(fā)給學(xué)生課下閱讀［4］，課上進(jìn)行分組討論，討論時教師引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注“多接收器組成”“同位素分餾”等難點知識，同時要求學(xué)生課下自主收集查閱部分文獻(xiàn)，讓學(xué)生區(qū)分出“激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀”和“多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀”在地質(zhì)學(xué)上分別有哪些應(yīng)用，對待測地質(zhì)樣品的要求以及外標(biāo)法的使用方法。

二、利用大型儀器平臺開展實驗課

(一)現(xiàn)代儀器分析實驗課程目標(biāo)現(xiàn)代儀器分析實驗課要求學(xué)生掌握不同種類地質(zhì)樣品的預(yù)處理方法和操作規(guī)范，包括巖石、土壤、單礦物樣品等，掌握大型儀器實驗室的工作條件和儀器的基本操作方法，針對不同的測試要求選擇合適的儀器分析方法，同時學(xué)習(xí)地質(zhì)樣品測試完成后獲得數(shù)據(jù)的處理方法并撰寫實驗報告。通過實驗課程的開設(shè)，全面提升學(xué)生創(chuàng)新意識、動手能力和科研能力，為后續(xù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

(二)現(xiàn)代儀器分析實驗課課程設(shè)置現(xiàn)在桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院大型儀器平臺包括原子吸收分光光度計、原子熒光光譜儀、X射線熒光光譜儀、電子探針顯微分析儀、激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀等地球化學(xué)領(lǐng)域常用的儀器。上述這些儀器可以用于各類地質(zhì)類樣品的測試分析。目前實驗課程設(shè)置根據(jù)理論課的內(nèi)容，對每種不同的儀器安排2個學(xué)時的實驗課。

(三)現(xiàn)代儀器分析實驗課授課方式目前現(xiàn)代現(xiàn)代儀器分析實驗課授課過程中需要理論課主講教師與負(fù)責(zé)儀器管理的實驗師相配合。由于大型儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件要求高，操作難度大，因此在實際上課過程中對學(xué)生進(jìn)行分組，分別進(jìn)入不同實驗室在實驗師指導(dǎo)下學(xué)習(xí)相關(guān)知識，并對有條件的實驗室安排學(xué)生動手操作進(jìn)行樣品預(yù)處理和測試。理論課授課老師根據(jù)實驗安排再統(tǒng)一講授數(shù)據(jù)處理方法，例如要求學(xué)生掌握處理激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測試數(shù)據(jù)ICPMADataCal軟件的操作方法。

三、結(jié)語

依托現(xiàn)有大型儀器平臺進(jìn)行地球化學(xué)專業(yè)現(xiàn)代儀器課程改革，能充分做到理論與實踐結(jié)合，對提高教學(xué)效果，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、自主思維能力和動手能力的學(xué)生具有重要意義，也能加強學(xué)生就業(yè)時的競爭能力。

參考文獻(xiàn):

［1］王雁南，盧媛，陳翠紅，等．大型儀器平臺在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用于實踐［J］．實驗室研究與探索，2020，39(2):173-175．

［2］卓琳，吳四維．《儀器分析》課程教學(xué)探索與實踐［J］．廣州化工，2019，47(15):178-180．

［3］王荷芳，孔德明．儀器分析課程有效教學(xué)之有效測評及反饋［J］．大學(xué)化學(xué)，2020，35:1-5．

［4］李冰，楊紅霞．電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)最新進(jìn)展［J］．分析試驗室，2003，22(1):94-100．

作者：李雙 單位：桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院