侧重地球化学专业的现代仪器分析教学改革

作者:未知

  摘 要:文章介绍了依托大型仪器平台对地球化学专业开设的现代仪器分析课程进行教学改革的具体做法。教师在授课过程中加入多种教学教学方法,将理论授课和实践教学有机的结合起来,既能将地质学领域的实际应用加入到教学中,也能有效提高学生的创新能力和实际动手分析操作能力,为学生做毕业论文打下基础。
  关键词:地球化学;现代仪器分析;教学改革
   现代仪器分析是高校里开设面比较广的一门专业基础课或者专业选修课程,开设该门课程的专业包括化学、材料、生物、环境、药物、食品科学、地球化学等相关专业[1]。桂林理工大学地球化学专业作为非常重要的一门学科,在找矿勘查及环境评价领域具有其他方法无法代替的独立优势。地球化学专业在人才培养、教学和教学管理中,强调理论与实践相结合,要求学生既掌握地球化学基础理论,又能熟练将最新的仪器分析方法应用到实际研究中。目前桂林理工大学地球科学学院建有广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,引进的设备包括原子吸收分光光度计、原子荧光光谱仪、X射线荧光光谱仪、电子探针显微分析仪、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪和多接收器电感耦合等离子体质谱仪等众多大型仪器。因此,在地球化学专业的现代仪器分析课程教学过程中,依托现有的大型仪器设备开展适用本专业的仪器分析教学非常有必要[2]。
  一、分章节专业知识分析及教学应用
  对于现代仪器分析课程的教学,依托学院现有的大型仪器设备,同时结合地球化学专业实际应用的案例,设置课程中的各个章节。下面,简单描述现代仪器分析各个章节的主要内容以及地球化学专业实际应用的案例。
  (一)原子吸收分光光度计
  本章节系统讲述原子吸收分光光度计的基本原理,该分析方法的发展背景及状况、仪器组成、相对应的配套实验室条件、仪器参数设定、真实仪器数据分析、地质样品的准备等知识。原子吸收分光光度计根据物质基态原子蒸汽对特征辐射吸收的作用来进行金属元素分析,能够灵敏可靠地测定微量或痕量元素。在地球化学专业中,可以利用原子吸收分光光度计测定地质样品中70多种元素,固体、溶液和气体样品均可以利用该仪器进行分析。因此在实际教学过程中,侧重该方法在地质样品测试的上的应用,并将学院实验室分析的数据进行课堂分享,使学生系统掌握相关知识。
  (二)原子荧光光谱法
  本章节主要講述原子荧光光谱法的基本原理、原子荧光光谱的类型以及原子荧光分光光度计的组成。原子荧光光谱法具有很高的灵敏度,校正曲线的线性范围宽,能进行多元素同时测定,该方法是测定地质化探样品中微量砷、锑、铋、汞、硒、碲、锗等元素最成功的分析方法之一。原子荧光分光光度计与原子吸收分光光度计仪器组成相似,因此在讲述该方法时可以采用对比教学法的方式引导学生掌握并区分两种测试方法,加强学生对相关知识的掌握,并培养学生的科学思维和能力。在讲述原子荧光光谱法时,“化探样品污染的来源和处理”“样品测定中的干扰及其消除方法”是难点内容,因此在讲述这两部分内容时,除了传统的课堂讲授,教师可以结合网络视频、文献资料等多种资源向学生展示相关的知识,这对于开拓学生的思维能力以及综合素质培养具有重要意义。
  (三)X射线光谱法
  本章节讲述X射线光谱法发展历史、X射线的产生、X射线的吸收、散射和衍射的机理、X射线仪器的结构以及X射线荧光法的应用。X射线是由德国科学家伦琴发现的,也称为伦琴射线,该发现在物理学和仪器分析领域具有非常重要的意义,也为X射线光谱法的产生奠定了基础。因此教师在授课过程中,结合网络视频向学生展示X射线的发现过程能激发学生学习的兴趣,非常有助于学生理解抽象的物理学知识,为提高学生自主学习能力和创新意识打下基础。在讲述X射线吸收、散射和衍射的机理,这部分内容抽象难懂,教师可以采用案例教学法引导学生,同时结合日常生活中光的散射现象帮助学生理解。日常生活中看到太阳光透过云层、薄雾呈现出一道道光柱,这个现象就是由于光的散射造成的,也称为“丁达尔现象”。而对于X射线的衍射机理,与中学物理中学习过的小孔成像实验相似,可以在此基础上给学生做进一步的讲解。
  (四)表面分析法及电子探针
  本章节讲述内容分为两部分:第一部分内容包括表面分析法的概念、电子能谱基本原理及仪器应用;第二部分内容包括电子探针微束分析技术发展历史、电子探针分析的物理基础以及如何利用电子探针进行定量分析和成像分析。表面分析法属于微区分析的一种,是地质学领域常用的分析方法。对于刚接触或者尚未接触大型仪器分析的学生来说,理解该方法具有一定的难度,这时候教师在授课过程中需要加入表面分析法的演示视频、实际仪器的照片以及自己科研工作实际获得的数据进行讲解,帮助学生掌握该方法的特点和相关应用。
  (五)激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪
  本章节讲述电感耦合等离子体质谱仪基本原理、分析方法的发展过程、仪器组成、相对应的配套实验室条件、仪器参数设定、标样选择、仪器的数据分析和在地质方面的应用等方面的知识。相比前面四种光谱学分析方法,激光剥蚀电感耦合等离子体质谱分析方法更复杂,学习过程中需要用到大量的物理学和分析化学知识,因此在讲授该部分内容之前需提醒学生预习相关的知识。在讲述该章节内容时,单一的使用“直接讲授法”达不到预期的教学效果。因此,授课教师可以结合“问题导向式教学”“翻转课堂教学”等方式进行讲述[3],例如在授课时教师可以提出“等离子是什么”“激光有哪些用途,常见的激光波长是多少”“质谱仪的测试原理与前面四种光谱学分析方法的不同点”等问题。通过提问与学生积极互动,既能检验学生的预习效果,也能激发学生的兴趣。同时,授课教师也可以利用“雨课堂”“中国大学MOOC”等互联网资源尝试混合式教学,有助于学生拓宽自己的知识面,加强创新意识。
  (六)多接收器电感耦合等离子体质谱仪
  本章节主要讲述多接收器电感耦合等离子体质谱仪基本原理,仪器结构和地质学应用。多接收器电感耦合等离子体质谱仪在地质学领域应用广泛,可以精确测试多种同位素的组成。在上一节“激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪”讲述的基础上,本章节在过程中更应强调“地质学应用”方面的内容,因此采用“教研结合”的方式更好,教师在授课前可以发一篇与授课内容密切相关的文献给学生分组阅读,例如将代表性的综述文献“电感耦合等离子体质谱原理和应用”发给学生课下阅读[4],课上进行分组讨论,讨论时教师引导学生关注“多接收器组成”“同位素分馏”等难点知识,同时要求学生课下自主收集查阅部分文献,让学生区分出“激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪”和“多接收器电感耦合等离子体质谱仪”在地质学上分别有哪些应用,对待测地质样品的要求以及外标法的使用方法。   二、利用大型仪器平台开展实验课
  (一)现代仪器分析实验课程目标
  现代仪器分析实验课要求学生掌握不同种类地质样品的预处理方法和操作规范,包括岩石、土壤、单矿物样品等,掌握大型仪器实验室的工作条件和仪器的基本操作方法,针对不同的测试要求选择合适的仪器分析方法,同时学习地质样品测试完成后获得数据的处理方法并撰写实验报告。通过实验课程的开设,全面提升学生创新意识、动手能力和科研能力,为后续的发展奠定基础。
  (二)现代仪器分析实验课课程设置
  现在桂林理工大学地球科学学院大型仪器平台包括原子吸收分光光度计、原子荧光光谱仪、X射线荧光光谱仪、电子探针显微分析仪、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪和多接收器电感耦合等离子体质谱仪等地球化学领域常用的仪器。上述这些仪器可以用于各类地质类样品的测试分析。目前实验课程设置根据理论课的内容,对每种不同的仪器安排2个学时的实验课。
  (三)现代仪器分析实验课授课方式
  目前现代现代仪器分析实验课授课过程中需要理论课主讲教师与负责仪器管理的实验师相配合。由于大型仪器结构复杂,工作条件要求高,操作难度大,因此在实际上课过程中对学生进行分组,分别进入不同实验室在实验师指导下学习相关知识,并对有条件的实验室安排学生动手操作进行样品预处理和测试。理论课授课老师根据实验安排再统一讲授数据处理方法,例如要求学生掌握处理激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪测试数据ICPMADataCal软件的操作方法。
  三、结语
  依托现有大型仪器平台进行地球化学专业现代仪器课程改革,能充分做到理论与实践结合,对提高教学效果,培养具有创新意识、自主思维能力和动手能力的學生具有重要意义,也能加强学生就业时的竞争能力。
  参考文献:
  [1]王雁南,卢媛,陈翠红,等.大型仪器平台在仪器分析教学中的应用于实践[J].实验室研究与探索,2020,39(2):173-175.
  [2]卓琳,吴四维.《仪器分析》课程教学探索与实践[J].广州化工,2019,47(15):178-180.
  [3]王荷芳,孔德明.仪器分析课程有效教学之有效测评及反馈[J].大学化学,2020,35:1-5.
  [4]李冰,杨红霞.电感耦合等离子体质谱技术最新进展[J].分析试验室,2003,22(1):94-100.
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