稳定同位素质谱仪与《环境同位素》课程教学探讨
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摘要：现阶段，稳定同位素质谱仪在环境地球科学领域应用十分广泛。根据同位素比值的变化特征可以揭示生物圈物质循环过程的机理，并有助于学生加深对表生环境中污染物迁移转化过程机制的认识。将同位素质谱分析原理与技术融入稳定同位素地球化学教学课程当中，能够使学生接触先进的科研仪器，更加深刻掌握同位素地球化学的相关理论与测试技能，从而开阔学生的学术视野，并培养学生的科研兴趣和动手能力。在给环境地学类专业的学生讲授本学科核心课程——《环境同位素》的过程中，首先应对授课内容进行较大规模的更新，结合近年来相关领域同位素分析的高水平研究成果，全面反映同位素在环境地学研究领域的研究进展。以解决科学问题为导向，通过导入研究案例，开展实践教学活动是将同位素质谱仪引入环境同位素教学的良好切入点。结合多种形式的教学方式改革探索，培养学生独立思考和解决问题的能力，尽快融入具体的科研工作当中。
关键词：质谱仪；环境地球科学；教学内容；教学方式；课程改革
中图分类号：G526.5 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）24-0155-04
20世纪初，英国剑桥大学Cavendish实验室的Thomson和Aston在研究阴极射线过程中，揭示了氖（Neon）有两个同位素20Ne、22Ne；随后，Aston进一步开展同位素研究工作，先后在71种元素中发现了202种同位素[1]。由此，揭开了人们利用质谱技术探究自然界奥秘的序幕。现阶段，同位素质谱仪已经广泛应用于生命科学、化学、石油化工、地球科学、核科学、天体科学、材料科学、环境科学、医疗卫生、食品科学，以及刑侦缉毒工作和地质考古等众多学科领域。
鉴于自然界物理化学条件的改变会使某一元素中同位素的组成比例产生不同程度的改变（同位素分馏），同位素质谱分析技术能够揭示元素的地球化学循环过程、示踪各种环境污染物的来源与去向，因此，成为环境地球科学研究领域的重要技术手段。将同位素质谱分析原理与技术融入本学科核心课程——《环境同位素》教学当中，可以使学生接触到先进的大型科研仪器，更加深刻地理解稳定同位素地球化学的相关理论知识与仪器分析测试技巧，从而开阔学生的学术视野，培养学生的科研兴趣和动手能力，并有助于其今后从事相关科学研究工作[2]。
一、气体同位素质谱仪工作原理
气体同位素质谱仪通常情况下是用于测定物质的分子量、原子量及其丰度，以及不同核素组成比例的精密仪器[3-5]。随着分析技术的提高，现代同位素质谱仪一般由三大系统组成：分析系统、电学系统，以及真空系统。其中，电学系统和真空系统用以保证分析系统得以实现对样品中某一特定元素中不同核素信号强度的分析。质谱仪的工作原理其本质上是利用带电粒子在电场和磁场中的质量和旋转轨道的差异进行分离，并检测各粒子束信号强度，最后转换为不同核素比值信号的仪器。其主要核心部件有离子源、质量分析系统和信号接收系统三部分。为保证质谱仪性能稳定，可以根据可测质量范围、分辨率、灵敏度、精密度、质量色散和准确度等参数进行检验[5]。
由于同位素质谱仪价格比较昂贵，长期以来我院教学科研活动只能借助中国科学院地球化学研究所等其他科研单位的仪器平台开展工作。借助中西部学科提升计划重点学科建设项目的资助，我院于2012年购置Thermo Scientific Delta V Advantage气体稳定同位素质谱仪系统一套。同时，配有元素分析仪和GasBench联用装置，进行环境地球科学样品分析，主要用于测定表生环境和地质样品的C、N、S、H、O等多种元素的稳定同位素比值，进行地球化学循环过程机理和环境污染物溯源等科学研究工作。目前，该仪器已基本调试完毕，并逐步开始服务于相关科学研究项目的样品测试分析工作。目前，主要针对地下水和地表水样品的硫酸盐硫/氧同位素、硫化物硫同位素，以及碳酸盐岩和水样品溶解无机碳的碳/氧同位素等方面开展大量测试工作。与此同时，还在《高等地球化学》、《环境同位素》等研究生和本科生课堂教学过程中开始发挥重要的支撑作用。
二、环境地球科学研究中同位素质谱技术的应用
环境地学样品中同位素自然丰度的变化主要与同位素的分馏效应有关。自然界中温度、压力、氧化还原条件等一系列物理、化学条件的改变和生物过程的影响都可以引起同位素的分馏。因此，根据同位素比值的变化特征可以揭示生物圈物质循环过程的机理，并有助于对表生环境中污染物迁移转化过程机制的认识，进而对环境污染物的来源进行有效示踪和识别，为降低环境污染物对包括人类在内的地球表层生态系统的负面影响提供科学依据。在地球表层水环境污染研究方面，同位素技术不仅可以对地表和地下水体中硫酸盐、硝酸盐和重金属等污染物的来源和时空变化格局进行有效判别，还能从同位素地球化学的角度对水体富营养化发生的过程机制及影响因素进行深入探讨。在大气污染研究方面，通过空气中硫化物、有机硫等不同含量组分的硫同位素研究，可以厘清大气颗粒物的来源与迁移规律，揭示酸雨的成因和酸沉降过程机制，为大气污染治理提供了坚实的科学依据。在土壤有机与无机污染物示踪方面，同位素技术能够示踪土壤氮肥迁移转化过程，查明硝化作用和反硝化作用的过程机理，并可以对多环芳烃等持久性有机污染物在表生生态系统中的放大效应开展精确的定量研究。由此可见，稳定同位素质谱分析技术具有传统方法无可比拟的优势，在环境地球科学研究领域大有可为。
三、《环境同位素》课程教学改革与探讨
长期以来，传统的穩定同位素地球化学课堂教学更多地是侧重于基础理论知识的讲解，以及学科前沿的介绍。实际上，很多地质环境类专业的学生在大学二年级阶段已经学习了地球化学的相关基础知识。因此，该课程的讲授需要进行大胆创新，而不应该“炒冷饭”，把很多基础知识重复讲授[6-8]。另一方面，许多知识的课堂讲解仍停留在纸上谈兵的阶段，学生没有进行过相关仪器操作，无法与实践联系起来，更不知道数据如何获取。样品采集、实验前处理过程，以及仪器分析过程中应该注意的细节问题更是无从知晓，对数据质量的检验和同位素数据的校正也是一头雾水。再者，由于我院前期没有相关同位素质谱仪器，学生即使学习了一些仪器分析课程，也没法将所学内容在实际操作中加以深化理解，造成学习内容与实际科研工作中应该具备的分析检测技能严重脱节。 随着环境地学领域科学研究工作的深入开展，相关科学问题的解决越来越离不开同位素地球化学数据的支撑。因此，同位素质谱仪的应用越来越普遍，这就要求环境地学类专业的学生需要具备此类高精尖仪器的操作与使用能力。由此可见，在《环境同位素》课程的讲授过程中，有针对性地进行相关气体同位素质谱仪的讲解，就显得十分必要。但是，在教学过程又不能只局限于课本中传统教学内容的讲解，而应因材施教，将气体同位素质谱仪的使用融入不同科研样品的分析过程中，让学生了解并掌握质谱技术在环境地学领域的应用现状，从而在教学过程中培养学生的科技创新意识和动手实践能力[8，9]。
四、教学改革
1.教学内容的改革。现有的稳定同位素地球化学课程，所采用的教材和讲授的内容基本是在地球科学研究积累的基础上形成的课程体系。例如，2000年科学出版社出版的、由郑永飞和陈江峰教授编著的《稳定同位素地球化学》和2000年科学出版社出版的、中国科学院地球化学所编著的《高等地球化学》等教材，理论知识的讲解多以地质科学问题为依托，尤其是岩石地球化、矿床地球化学等传统地质学领域的研究案例较多。另一方面，虽然稳定同位素地球化学在地球表生圈层研究中应用已经十分普遍，但是尚未有系统的环境同位素方面的专业教材面世。因此，在课堂教学过程中，需对授课内容进行较大规模的更新，不仅要将同位素地球化学的基础知识讲解得浅显易懂，还应尽可能地全面反映同位素在環境地球科学研究领域的重大突破和热点科学问题。当然，最好是能够组织相关专业人士，在系统梳理前人研究成果的基础上，结合学科前沿发展动态，编著一本适用于环境地球科学领域学生的专业教材。
考虑到学生在学习完基础课程以后，还需要结合导师的科研课题，开展相应的选题和科学研究工作，课程教学过程中，还应结合学生培养的特点和不同研究领域学生的实际诉求，充分结合国内外学科前沿研究动态，既能让学生学习到必要的基础理论知识，又能让学生了解最新的学科前沿热点问题。此外，在同位素基础知识的讲解过程中，应以科学问题为纽带，突出同位素技术在破解重大科学难题方面的突出优势。最好是结合近年来相关领域同位素分析的高水平论文，逐步培养同学们对科研工作的兴趣和热情。
与此同时，还应结合我院办学特色与相关科研仪器平台，课堂上还应着重讲解不同类型样品的同位素前处理流程，特别要指出一些需要引起注意的同位素分馏的重要细节，以及一些常见的操作失误。通过学生亲自操作同位素质谱仪，对样品进行分析，加深对相关专业基础知识的理解。在质谱仪工作原理方面，最好结合实物进行讲解，指出不同部件的功能和原理，把抽象的概念形象化。在数据获取与处理方面，应尽可能把灵敏度、精确度和准确度等数据质量控制指标讲解清楚，同时还应要求每一位同学都掌握数据校正的方法。此外，还应让同学们认识到同位素数据校正的重要性，学会常用的校正方法。
2.教学方式的改革。众所周知，传统的填鸭式教学很容易抹杀学生的学习兴趣和积极性，加之很多学生本科阶段并未有地球化学方面的知识积累，因此，难以实现本科阶段的教学目标。由此可见，教学方式的改革是现阶段提高本科教学质量的关键。基于教师主导、学生主动的原则，根据教学内容和学生的专业学科背景等特点，采用BOPPPS教学模式、翻转课堂、案例式教学、项目式教学和启发式教学等[10，11]，综合使用多种教学手段和改进实验教学等，以实现环境地学类专业核心课程《环境同位素》教学方式改革的不断探索和创新[12]。
其中，BOPPPS教学模式将教学过程模块化，此种教学模式分为六个环节，即导入（Bridge-in）、学习目标（Outcome）、前测（Pre-test）、参与式学习（Participation）、后测（Post-test）和总结（Summary）。鉴于常人的专注力大约只能维持15分钟，上课时要把握好每个环节的时间，同时每个环节还应遵循“起承转合”的脉络。BOPPPS教学模式是一个强调学生参与和反馈的闭环教学过程模式，注重教学目标的有效性和教学方法的多样性。
现阶段，很多教师开始尝试采用讨论式教学。在这一过程中，学生的注意力一直保持在“问题—思考—探索—解答”的活跃状态。课堂上，大家会针对某一科学问题，从不同的角度来揭示其中的内涵和一些基本规律的实质。在阅读相关专业文献的基础上，通过对前人的不同学术观点进行探讨，就会形成强烈的外部刺激，激发同学们对解决科学问题的高度兴趣和极大热情，由此形成自主性、探索性和协同性的良好学习氛围，从而实践“教师为主导、学生为主体”的教学思想。实际上，通过讨论的方式来解决教学过程中出现的一些知识难点，有助于同学们进行思考和理解，针对性较强，教学效果比传统的教学方式好得多。
翻转课堂的实质是让老师更多地成为指导者而不是教学内容的讲解者。在这种教学模式中，老师还有更多的机会留意到学生们之间的交流。同学们通过相互帮助、相互探讨和借鉴，实现对教学内容更深层次的理解。此外，还可以通过专题的形式介绍前沿动态，让学生对不同的研究领域有一个系统、全面的了解，有助于学生快速把握学科定位，并聚焦感兴趣的科学问题。
实际上，通过引入研究案例，以解决科学问题为导向，让同学们从样品采集、实验分析、数据处理和解释、研究报告的编写等多个环节进行适当的训练，是将同位素质谱仪引入环境同位素教学的良好切入点。在上述过程的训练过程中，同学们会不自觉地应用到一些课堂教学的知识点。并且，同学们还要自己去思考、去创造，使得枯燥乏味的课堂教学变成生动活泼实践教学。特别是在研究报告编写阶段，同学们需要对具体的科学问题提出一个研究结论。这就要求大家不仅是掌握相关的基础知识，还要能够将其运用到某一具体的科学问题的解决过程中，从而培养学生独立思考和解决问题的能力，尽快融入具体的科研工作当中。
五、小结
综上所述，稳定同位素质谱分析技术具有传统方法无可比拟的优势，能够揭示表生环境中元素的地球化学循环过程、示踪各种环境污染物的来源与去向，成为环境地球科学研究领域的重要技术手段。将同位素质谱分析原理与技术融入教学当中，可以使学生更加深刻地理解同位素地球化学的相关理论，还能开阔学生的学术视野，培养同学们的科研兴趣和动手能力。 鉴于现阶段尚未有环境同位素方面的专业教材面世，在给环境地球科学领域的学生讲授《环境同位素》课程的过程中，首先应结合环境地球科学的学科特点，对教学大纲和授课内容进行较大规模的更新，不仅要将同位素地球化学的基础知识讲解得浅显易懂，还应全面反映稳定同位素分析技术在环境地球科学研究领域的广泛应用和取得的重大突破。最好是能够组织有关人员尽快编著一本适用于环境地球科学领域学生的专业教材。
环境同位素课程的教学还应探索多种形式的教学方式的改革，从根本上提高学生教学质量、培养学生对科学研究的兴趣和热情。以解决科学问题为导向，通過导入研究案例开展实践教学活动是将同位素质谱仪引入环境同位素教学的良好切入点。通过各个环节的训练，培养学生独立思考和解决问题的能力，尽快融入具体的科研工作当中。
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