地球化学探秘公选课的课程设置与完善

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　　[摘 要]地球化学探秘是福州大学面向文科生开设的一门公共选修课。该课程是在地质专业本科课程地球化学的基础上，将地球化学基础理论与自然事件的发生、发展过程相结合，探索自然现象的一门学科。旨在拓宽学生知识面的同时，锻炼学生的逻辑思维能力。课程自建立以来，经过不断实践与修正已渐趋完善。
　　[关键词]地球化学;公共选修课;自然探秘
　　[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）02-0071-03
　　地球化学是福州大学地质专业本科生的专业必修课，其教学目的是要求本专业学生在掌握地球化学基础知识的同时，通过分析、解决实际地球化学问题提高逻辑思维能力。地球化学探秘是在地球化学课程的基础上，借鉴地球科学等相关公选课的经验[1-2]，主要面对在校文科生开设的一门公共选修课。由于文科生通常更擅长感性思维，对其分析问题、解决问题等逻辑思维的培养将有助于提高学生系统的理性思维能力，使学生建立“系统”的思想[1]。同时，知识面的扩张也能够拓展学生的思维空间，促进学生综合能力的提高。
　　一、地球化学探秘课程的内容与完善
　　地球化学探秘公共选修课早期设置为24学时，随着人类对自然的认知的发展，新的内容不断加入进来，目前已增为32学时。在历经14个学期的教学中，课程系统讲解了地球化学在元素起源、太阳系、地球至地壳的形成、矿产资源以及环境演化等方面的研究进展。在课程进行过程中，教师力求用浅显易懂的讲解将地球化学的基础理论知识融入探索自然的过程之中。公选课内容的合理设置是提高学生接受水平的关键。知识点太难，学生掌握不了，很容易放弃;太简单，学生学不到东西，达不到教学要求。我们的课程采取循序渐进的方式，引导学生在不知不觉中发现自然的神奇。
　　（一）元素起源
　　我们会首先从自身出发将学生引向元素的起源。我们每个人都是由元素组成的。对于一个质量为70kg的成人，其氧元素的质量占比可达61%，碳元素占比为23%，氢元素占比为10%，此外还包括氮、钙、微量元素等。那么这些元素是怎么来的？我们来一步步反推：身体内的元素来自于食物和水，食物来自于动植物，归根结底来自于土壤，来自地壳，那么组成地壳乃至地球的元素哪里来的呢？来自于45亿年以前某些超新星的爆炸。也就是说，我们身体里的元素已经存在至少45亿年了（排除极少量放射性同位素的衰变子体）。想想组成我们身体的元素居然已经这么古老了，会不会觉得惊奇。由此，我们再利用照片、视频、图表等方式，对超新星内部元素的核聚变及超新星爆炸瞬间重元素的形成进行详细的讲解。
　　陨石是我们研究地外星系最直接的证据，也是研究地球历史的依据。C1型球粒陨石与太阳大气相似的元素组成特征，使其成为研究早期地球及后期演化过程的标尺。最新的研究认为陨石还可能与地球上的水与生命有直接关系。像这样不断提出的关于宇宙的知识点，以及BBC等高清视频的讲解都会极大吸引学生的注意力，使学生了解到地球化学是如何利用我们肉眼看不见的元素来研究地球乃至宇宙等宏观地质体的形成和演化。
　　（三）地球的形成及壳、幔、核演化
　　根据美国宇航员在太空中对盐粒做的实验结果可知，太空中分散的物质会趋向于聚集在一起，并最终形成像太阳、地球这样的星体。目前的研究成果认为，早期地球由于陨石撞击汇聚和放射性同位素衰变生热等作用而整体处于熔融状态。此时，Fe、Ni等重元素由于引力作用趋向于向核部聚集，并逐渐形成地核。大约2亿年后，来自地幔的岩浆在地球表面逐渐冷却形成地壳。在壳、幔、核的形成过程中，地球的组成成分经历了重新分配，重元素逐渐向地心聚集，岩浆携带着更多的不相容元素形成了地壳。出露于地球表面的来自不同时期、不同深度的岩浆岩元素组成特征，定量化地展示了壳、幔分异的过程。不相容元素在地壳中的富集以及在地幔中相应的亏损，是地壳起源于地幔的有利地球化学证据。我们将重点讲解元素的分类、性质以及在地球化学研究中的应用。
　　对加拿大北部古老角闪石样品的高精度U-Pb同位素年代学研究告诉我们，这些古老岩石已经存在了漫长的43亿年。放射性同位素的衰变特性是我们进行岩石年龄测定的理论基础。这种衰变是原子核内部自发进行的，它不受温度、压力等外界条件的影响。对于某一种放射性同位素，其衰变速率是恒定的，母体衰变成子体的多少只与时间有关系。
　　（三）板块构造
　　地壳与最上部地幔组成的岩石圈形成了板块运动的基础。板块运动是刚性的岩石圈在塑性的软流圈之上的水平位移。板块运动改造着地壳表面的地质特征也改造着我们的世界。在板块俯冲、碰撞的区域会形成高大的山系，这是我们地球上所有高大山脉的成因。而在大洋中脊，来自地幔的岩浆正在形成新的洋壳以弥补俯冲作用导致的地壳表面积减少。由于俯冲作用的存在，目前已测得的洋壳年龄一般不会超过2亿年。而从洋中脊至俯冲带洋壳年龄的递增，则为洋中脊扩张理论提供了强有力的地球化学证据。
　　（四）地球资源
　　地壳构造运动使元素发生迁移聚集，从而使各种矿产资源得以形成。我们的日常生活离不开矿产。矿床是矿产在地壳或地表的集中产地，是一定地质作用下的产物。课程对钻石矿、金矿、煤矿等不同矿产的成因及开采历史和开采过程进行了图文并茂的解释。这一过程不仅锻炼了学生利用元素、同位素等地球化学研究手段解决地质问题的能力，也使学生了解到矿产资源的不可再生以及从勘探到开采的艰难。同时，加入教师本人在具体地球化学课题研究中的实际研究思路及工作经验，使学生对地球化学研究的方式方法和过程有一个基本的了解。
　　（五）生命形成与环境演化
　　地球的形成与演化使生命得以诞生。生命的形成与水是息息相关的。同时，地球上一切生物都含有氨基酸，氨基酸是生命形成的化学原料。目前科学家已经在陨石中发现了水和氨基酸，这使我们对原始生命的形成空间的认知从地球扩展到了宇宙。而距今30多亿年前，組成叠层石的蓝细菌开始产生氧气并逐渐改变了大气结构，引发了生物大爆发，至今依然影响着生命的演化。 　　地球的气候、环境是不断变化的，它们一直影响着人类的发展，而温度是指示气候冷暖的指标。古往今来，地球的温度是如何变化的呢？温度可以保存吗？是通过什么方式保存下来的？本次课将对稳定同位素的分馏原理进行介绍。讲解神奇的稳定同位素温度计，如何利用稳定同位素分馏原理来记录亿万年前的温度。对冰心及古海洋生物等的稳定同位素研究告诉了我们地球温度对年代、随季节的变化情况。学生们总会惊奇于时时消逝的温度居然是可以保存的，并愿意用实际计算来验证其可行性。
　　本课题还以肆虐中国北方的沙尘暴为例，对相关知识进行讲解。我们首先用视频展现北方快速蔓延的沙尘暴及其灾难性的后果，然后引导学生去追踪沙尘暴的源区——这是进行沙尘暴防治的前提。由此引出同位素示踪的概念。对于沙尘中的每一粒沙而言，它所携带的同位素特征就类似于人类的DNA密码，指示着它的来源。同位素示踪是目前探索物源最为精密的手段。在讲解过程中我们尽量保留基本的原理而简化复杂公式的推导。
　　综上所述，地球化学研究的本质，即“见微而知著”。就是利用我們肉眼看不见的“微”小的地球化学元素，来研究地球乃至宇宙形成、演化之“著”。
　　二、课程特色
　　（一）引发学生的兴趣
　　高校设置公共选修课的初衷是帮助学生在学习专业课之余，广泛接触不同学科领域，完善自己的知识结构，从而提高自身的综合素质和对社会的适应水平。高校公选课在完成以上任务的同时，也存在某些弊端，比如师资力量有限，课程设置不合理，学生只为学分，逃课严重等现象[3-4]。而课程开设随意，教学质量不高也严重影响了学生学习的积极性[5]，降低了学生学习的兴趣。
　　我们在开设地球化学探秘之初，就开始研究如何从学生的视角出发来设置课程，引导学生发现自然的神奇并产生强烈的兴趣，为顺利完成教学目标打下基础。我们在课程中不仅穿插了教师在野外采样以及实验室不同研究阶段的大量过程图片，还将部分岩石、薄片等实物样品带入课堂。使学生对地球化学的整体研究过程有一个较为系统的了解。本课程学分的获得也是以比较灵活的课堂作业的形式，要求学生利用当堂课所学到的知识完成规定的作业题目，将研究思路及实际应用联系起来巩固课堂所学。
　　在第一时间引起学生的兴趣，是我们课程进行中紧抓的核心。例如在讲解元素性质时，我们会联系到学生寸步不离的手机。讲解手机为什么要用锂电池？锂是什么元素？这种金属为什么可以漂在水上并与水发生化学反应？这样的问题通常会瞬间吸引学生的注意，让他们对元素产生兴趣。同时，鼓励学生对课程内容提出他们的兴趣点，并以此为根据实时更新课程信息，最大限度地提高学生的注意力。
　　（二）启发学生的逻辑思维
　　以恐龙灭绝为例，为什么一度称霸地球的陆生恐龙和大量的海洋浮游生物会在短期内突然灭绝？地质演变、沧海桑田，导致恐龙灭绝的宏观痕迹已很难找到，而我们肉眼所看不见的很多元素、同位素却悄悄记录下了诸如地层某些元素丰度突然增加、海水温度突然上升等出现过的变化。这为陨石撞击导致恐龙灭绝的观点提供了强有力的证据。在金刚石成因探索中，对金刚石矿床的发现进行详细的讲解，包括如何发现金伯利岩、如何采集样品进行鉴定、如何处理数据并追根溯源找到矿床等，这有助于学生理清思路并建立对于类似问题的思考模式，启发学生自主思考。
　　我们在课程中还穿插了大量从野外到实验室的不同研究阶段的图片，并将部分岩石、薄片等实物样品带入课堂。使学生对地球化学的研究过程有一个较为系统的认识。
　　（三）充分利用动画及视频
　　与教学内容相关的制作精良的视频能强烈刺激学生的感官。例如，宇宙探索系列中的《宇宙大揭秘》视频，不仅将轻元素至重元素的形成过程在视频中完美地展示出来，还包含了超新星的核爆炸等壮观的画面，能给学生留下深刻印象。地球起源系列视频《地球的诞生》则动态地展示了在宇宙中漂浮的物质如何逐渐聚集并形成地球，以及初期熔融状态的地球如何进行核幔分异以及地壳的形成等。
　　动画在演示元素运动模式方面也有着极大的优势。例如在演示K与Rb元素类质同象过程中，动画可以生动地显示Rb元素以类质同象形式占据了晶格中K的位置。类质同象是微量元素在自然界的主要存在方式，动画可以帮助学生更清晰的理解这一替代过程。
　　（四）减少复杂公式的推导
　　课件中公式出现的多少与学生低头看手机的概率是直接成正比的。学生对于公式普遍反映枯燥、难懂。经过几轮的修改，我们缩减了复杂的地球化学公式的推导，课件的内容更倾向于基本原理的描述和实际应用结果的展现。学生的反馈显示现有的公式难易度较合理，比较容易接受。
　　（五）穿插趣味故事
　　课堂上偶尔穿插一些趣味故事，会瞬间调动起学生的积极性。例如，元素的“标准数据”在地球化学中是必不可少的基础数据。如何理解其重要性呢？我们举了一个简单的例子：假设你身体不适去了医院，验血报告上面显示红细胞是200。这时候，你最想知道的是什么呢？是的，我们需要一个能判断数据是否正常的标准。我们也是通过元素及其与“标准数据”的对比，来判断其在地球演化中的行为。因此，元素的地球化学“标准数据”是研究元素行为变化的重要依据。
　　在讲到大陆漂移时，我们会聊一下最早的提出者，即出生于德国柏林的魏格纳的生平。魏格纳从小就喜欢幻想和冒险，并在26岁时就加入了著名的丹麦探险队。在1910年生病期间，魏格纳由于病房中的一张世界地图而产生了大陆漂移的想法，并在1912年法兰克福地质协会上提出了大陆漂移假说理论。
　　（六）课程中的哲理
　　地球作为一个纯物质的世界居然演化出了可以思考的高智能人类，这是宇宙的奇迹。宇宙创造我们用了几十亿年的时间，所以，我们应该万分珍惜生命。而宇宙的浩瀚也提醒我们要心怀宽广，我们如宇宙中的一粒尘埃，应努力做好自己，而不该为鸡毛蒜皮的事耗费心力。
　　在讲解利用同位素追踪黄土物源时，视频《对抗沙尘暴》的最后一个镜头，是一个灰头土脸的孩子迎着漫天扬尘在巨大的沙堆中攀爬，随着镜头渐远，音乐响起，给人一种大漠苍凉、绝望的感觉。这警醒着学生要保护环境，这不仅是为了我们自己，也是为了我们的后人，为了地球的子孙。
　　三、结语
　　地球化学探秘公选课自建立以来，教学内容在不断的改进过程中渐趋完善。总体来看，学生对于该课程的授课内容及授课方式是认可的。课程到目前为止已完成了14个学期的授课，总授课人数1546人，学生的评教成绩均为优秀。课件随着科技进步和学生认知的发展在不断改进，我们希望能在有限的时间内给学生打开一扇展现自然界不一样内容的窗口。
　　[ 参 考 文 献 ]
　　[1] 李艳，唐晓春. 高校开设“地球科学概论”公选课的实践与探索[J].中国地质教育，2009（3）：73-76.
　　[2] 褚庆忠.高校开设“地球科学概论”公选课的必要性探讨[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2005（4）：72-74.
　　[3] 郭锦鹏. 高校公选课的大学生学习心理、状态和效果分析[J]. 教育教学论坛，2013（48）： 278-279.
　　[4] 吴慧华，徐燕. 高校公选课教学存在的问题与对策[J].教育探索，2011（1）： 71-72.
　　[5] 李晓琼， 郭文锋. 高校公选课教学及管理中存在的问题及对策分析[J].大学教育，2015（2）：179-180.
　　[责任编辑：刘凤华]
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