大型仪器应用于高校地质学实验教学方法研究

熊聪慧，王雪莲

兰州大学 地质科学与矿产资源学院 甘肃省西部矿产资源重点实验室，甘肃 兰州 730000

地质学狭义上是一门探索地球深远历史的自然科学，她的形成与人类的诞生几乎是同步的[1]。在有文字记载的历史中，人类开始观察和描述地质现象始于远古时期，如我国商周时《周易》和《诗经》中的某些篇章，古希腊泰奥弗拉斯托斯的《石头论》，都记载着人类对岩矿知识的最早总结。中世纪以后，古学者们基于科学考察和探险旅行，对海陆变迁、古气候变化和化石成因等已有了初步的认识，古生物学、地层学、岩石学、矿物学和构造地质学等理论构成的宏观地质学体系便逐渐形成。19世纪至今，新技术尤其是大型仪器设备的研发大大促进了现代地质学的发展。如19世纪上半叶，偏光显微镜的发明使得人类对地质学微观世界的研究成为可能。现代地质学研究中经常使用的大型仪器包括：岩石矿物等样品中常量元素、微量元素和稀有元素浓度分析的等离子体光谱仪（ICP-OES）和质谱仪（ICP-MS），同位素比值测定的热电离质谱仪（TIMS）和多接收等离子体质谱仪（MC-ICPMS），分析样品成分并确定晶体结构的X光衍射仪（XRD），用于样品微区化学组成定性和定量分析的电子探针（EPMA），样品表面微观形态观察的扫描电子显微镜（SEM）等。

在现代地质学的研究中，几乎所有地质学分支学科的研究工作均始于野外调查。野外调查亦是十分重要的实践教学环节[2]。在野外调查结束之后，还需要大量的室内分析研究工作。毫无疑问，大型仪器已在后者中起到了极为关键的作用。尤其自2015年教育部办公厅《关于加强高等学校科研基础设施和科研仪器开放共享的指导意见》下发以来，我国各高校和研究所已相继开发了大型仪器共享管理系统，开放共享平台的使用、研究和探索使大型仪器在科研应用上发挥了更为广阔的作用，也提高了大型仪器在地质学研究领域的利用率[3-5]。21世纪以来，据笔者查阅文献资料统计，大型仪器在高校化学、环境科学、材料学等领域用于实验教学已有了一定的实践和探索[6-8]。随着我国综合国力的提高，开设有地质学一级学科的高校基本均拥有相应的大型仪器设备。然而，相比于其他领域，将地质学大型仪器实验分析开设为单独的课程并应用于本科生和研究生的教学，还非常之少。在实验室中，学生直接参加测试工作和科研训练，这对促进学生教学质量和培养创新意识将起到重要作用[9]。目前，很多高校地质学专业的学生毕业后甚至不了解本专业的室内分析大型仪器和分析方法，这严重限制了学生的专业视野和创新能力。因此，在我国高校，亟须将大型仪器实验分析应用于地质学教学之中。

一、地质学大型仪器应用于教学中的任务和难点

1.教学任务

2012年教育部印发的《高等教育专题规划》指出，高等教育要更新教育教学观念，并做到四个注重，即注重创新性，培养批判性思维和跨学科思维，增强学生的创新精神和创新能力；注重综合性，拓宽学生的知识面，提高学生综合能力素质；注重实践性，强化实践教学，提高学生解决实际问题的能力；注重开放性，培育学生的国际视野和尊重多元文化的博大胸怀；注重选择性，为学生创造更加灵活多样的学习机会[10]。因此，地质学大型仪器实验分析课程应以实践教学为主，坚持以学生为主体，以实际观察和操作为主，使学生深入了解各种大型仪器的特点，分析方法的实验流程和操作难点，提高学生的动手能力；但大型仪器实验分析课程还应有更重要的目的，即培养学生利用实验方法解决具体科学问题的能力。在实践教学的基础上，鼓励学生多想、多问、多思考，结合理论知识和科研课题，提高专业视野和创新能力，为祖国培养急需的高质量复合型人才。

2.教学难点

相比于传统的地质学室内标本观察实验课，大型仪器实验分析课程有着一定的难点。难点主要集中于实践操作课中[11-12]。（1）学生多而大型仪器设备少，这将可能存在教学设备无法满足课程需求的问题。（2）大型仪器设备一般价格均在40万元以上，甚至几百万，管理者担心学生上机时会弄坏仪器。（3）地质学很多大型仪器的分析方法中首先要对样品进行前处理，这一过程中将会使用到强酸强碱等化学试剂，存在着可能的安全隐患。

二、根据教学任务和难点进行的课程设计

兰州大学地质科学与矿产资源学院于2015年成立了甘肃省西部矿产资源重点实验室，实验室拥有以下地质学大型仪器设备：电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES）、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）、多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)、热电离质谱仪（TIMS）、X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）。依托大型仪器设备，实验室在承担科研分析及测试应用的同时，已于近年开始承担研究生的教学任务。在我院开设的“岩矿实验技术分析”课程中，5次共15个学时的课程是专门针对大型仪器分析和应用而设计的，笔者本人也承担了其中的部分课程。根据所承担的课程、制定的教学任务、教学中所存在的难点及国内外实验教学的特点[13-17]，笔者设计了以下教学方法。

1.理论教学部分

先进行大型仪器分析理论教学，这是实践和应用教学的基础。理论教学包括以下内容：（1）大型仪器的研发初心和发展简史。这部分是教学内容中最容易被忽视的一块，因为它似乎与主题联系不大。但该部分其实非常重要，理论课中很重要的一点就是认知教育。在讲授中，强调某一个问题的发生和发展能够激发学生的好奇心，培养他们对科学问题的兴趣。（2）大型仪器的主要结构和功能原理。该部分内容比较抽象。首先，在课堂中先使用仪器设备的三维动画进行教学，然后，在实践课开始，让学生通过实地观察后，再重点讲授。（3）大型仪器的应用范围及样品准备。这部分讲授大型仪器可用于地质学研究的应用实例及样品准备流程，为学生实际操作打好理论基础。

2.实践教学部分

课程的重点即学生实践应用部分。我院研一学生每年约有30人，地质样品前处理室和大型仪器设备操作室每次可容纳6～8人。因为研究生在入学之后，虽然小课题可能未定，但大方向基本已定。由于课时有限，针对前述第一个难点，笔者在实践课的设计选择了更加灵活的方式，鼓励学生自由分组，在老师设计的若干实验中，自主选择跟自己专业更为相关或更感兴趣的实验，亲自动手，上机操作，完整地完成一次实验过程。

在实践教学中，笔者设计了两个实例教学方法：

（1）扫描电子显微镜（SEM）进行植物化石木炭结构微观形态观察。选择本实验的小组学生在老师带领下，首先进行样品的制备。样品选择我国二叠纪早期的植物木炭化石。老师先进行详细操作，指出操作中的重点步骤，然后由学生进行实际操作。指导学生将样品放入电镜铜座导电胶上，排列整齐，喷金，然后指导学生打开电脑软件，进行必要的软件设置，将样品放入样品槽中，设置软件后再进行微观形态观察。针对第二个难点，因为小组学生人数不多，老师可鼓励学生自主操作软件，老师从旁指导并提前提醒操作细节即可。实验中，鼓励学生从不同角度以不同实验模式细心细致观察微观形态，拍摄照片，并通过文字和手绘描述所观察到的植物化石木炭结构的重要特征；通过查阅文献资料，找出结构与之相似的化石属种，完成思考作业和实验报告（图1）。

图1 扫描电子显微镜进行植物化石木炭结构微观形态观察的实验教学流程

（2）电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES）碱溶法进行沉积岩常量元素分析。该实例将会使用到偏硼酸锂（BLiO2）和硝酸（HNO3，密度为68%），以及高温的马弗炉，因此相较于第一个实例多了第三个难点。其中，硝酸属于强酸试剂，因此实验伊始务必要提醒并指导学生穿好实验服，戴好一次性手套和一次性口罩；在操作高温马弗炉时还应戴好隔热手套和防热眼镜，做好安全措施。该实验过程较长，老师可以提前开放实验室，以便选择本实验的小组学生提前进入实验室。在老师指导下将ICP-OES所用氩气接入，打开冷却水，开机，并将马弗炉预热，校正好天平，然后准备试剂材料和样品。随后，老师示范称样过程，并指导学生实际操作。称样完毕后，待马弗炉预热到900℃后，老师首先操作第一个样品，使用铂金坩埚钳将装有样品的铂金坩埚放入马弗炉中，随后指导学生依次操作。样品全部放入后，指导学生将马弗炉设置入第二个程序，加热到1000℃并恒温15 min。加热完毕后，指导学生将样品取出，放入烧杯置于搅拌器中，加入硝酸，溶解样品。样品准备好后，再指导学生上机操作，导出数据，完成思考作业和实验报告（图2）。

图2 电感耦合等离子体光谱仪碱溶法进行沉积岩常量元素分析的实验教学流程

在这两个实例教学中，均以学生自己动手操作为主，老师旁边指导为辅。学生在实际操作过程中，会遇到很多问题并会去思考找出问题的答案，这些问题大部分可在实验中实地解决，也有部分需要老师和学生课后查阅文献资料，找出更合理更有拓展性的答案。通过大型仪器实地操作教学，使得学生大大提高了实验动手能力。实验教学中有部分学生提到，自己以前从未做过酸碱实验，从未使用过大型仪器，对实验操作有一部分的敬畏心理，但做完实验后，他们发现实验课程并没有想象中的那么难，因此实验课程降低了学生的畏难心理，而实验中遇到的问题和思考过程同时培养了学生的实验兴趣，使得学生结合自己的科研方向开发了思维并发现了问题。

三、结束语

本院的地质学大型仪器实验分析课程尚处于探索阶段。首先，由于实验空间和实验课时有限，因此无法设置多种地质样品类型进行完整的各个大型仪器实践课程并进行对比实验教学。其次，由于教学地理位置的限制等，目前该课程仅对研究生进行了开放，本科生尚无法获得相应的训练。最后，由于笔者的教学经验有限，课程设计和教学水平还有待进一步的提高。然而，毫无疑问，地质学大型仪器实验分析课程亟须得到进一步重视，尤其在本科生和研究生实验教学中，对其的重视程度应仅次于野外实践考察。如条件允许，应与室内标本基本形态观察等实验课并列开放于本科生和研究生。地质学大型仪器实验分析课程作为地质学实验课程教育中的一个重要组成部分，只有落实到位，才更有利于为祖国培育更多适应新时代的复合型人才。