同位素海洋学本科教学内容和方法的探索
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作者:孔德明 彭诗云 胡耀强 黄超
[摘要]为了提高海洋科学专业本科生的同位素知识和技能，使其能够更好地面向科研和就业，广东海洋大学综合参考国内院校开设地球科学类同位素课程的经验，对同位素海洋学课程的本科教学内容进行了精心设计，将教学内容分为稳定同位素基础、放射性同位素基础、同位素年代学、同位素示踪、同位素应用前沿这5个方面，兼顾课程内容的基础性、全面性和前沿性。灵活运用课内和课外多种教学手段，开展深度教学，鼓励教学互动，调动学生思考的主动性和创造性，力求在同位素知识教学过程中提高学生的思维品质，增强学生利用同位素基础知识解决实际问题的能力，为社会培养更多专业基础牢固、思维创新的人才。
[关键词]同位素海洋学;教学内容;教学内容本质;深度教学
[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2019）11-0048-03
同位素海洋学是一门新兴的交叉学科，近年来广泛应用于海洋水团和物质循环示踪、海洋资源与环境研究、古气候重建等。在当前海洋科学蓬勃发展和我国实施海洋强国战略的时代背景下，同位素在科学研究和海洋产业中都有着巨大的应用潜力，未来对有同位素专业知识和技能的人才需求量也将十分巨大。本校于2014年面向海洋科学专业本科生开设“同位素海洋学”课程，并在2017年教学改革时将该课程从32学时增加到48学时，以保证学生能学好同位素基础知识和技能，提高毕业生的专业素质和就业、考研竞争力。
目前我国高等院校的地球科学类同位素相关课程大部分是面向研究生开设的，相关的教材如刘广山教授所著的《同位素海洋学》具有很强的专业性。而面向本科生开设的同位素海洋学课程，不同高校的学生基础不一样，讲授内容各有侧重，差别较大，缺乏普适性的经验。比如同济大学、兰州大学、中国科学技术大学的同位素课程偏重于地质地球化学方面，而厦门大学的同位素课程则侧重于海水化学方面。我校开设同位素海洋学课程以来，教学团队对该课程的教学内容、教学方法进行了积极探索，力求使该门课程更加适合普通高校本科生，使学过该课程的学生不管是在研究还是生产领域，都能更好地应用同位素的思路和技术解决实际问题。本文总结团队的教学探索经验和不足，以期对该门课程的本科教学提供有益的参考。
一、关注学生的特点和需求，精心设置课程内容
同位素海洋学是同位素地球科学的一个分支，很多基础理论和方法都来源于传统的同位素地球化学。同位素根据其性质可以分为稳定同位素和放射性同位素，而根据其应用又可以分为同位素年代学、同位素示踪、稳定同位素地球化学和稀有同位素地球化学。考虑到本校的海洋科学本科生完全没有同位素的基础知识，而且以后只有一部分学生会进人海洋科学研究领域，因此本课程的教学内容尽量兼顾基础性、全面性和前沿性，既要使学生对同位素地球科学有全面的认识，又要突出同位素在海洋科学的特色应用，并让学生接触到最前沿的同位素研究方向。
目前可以参考的较新版本的专业书籍有《同位素地质年代学与地球化学》（陈岳龙著）、《同位素海洋学》（刘广山著）、《稳定同位素地球化学》（郑永飞著）等。其中《同位素地质年代学与地球化学》偏重于放射性同位素的年代学，而《稳定同位素地球化学》偏重于稳定同位素的分馏机制和矿物地质学。出于基础性和全面性考虑，本课程内容兼顾稳定同位素和放射性同位素的基础知识，以《同位素海洋学》为主要教材，其他几本参考书和近年来的顶级期刊论文为辅，将教学内容主要分为5大块：稳定同位素基础理论、放射性同位素基础理论、同位素年代学、同位素示踪、同位素应用前沿。稳定和放射性同位素的基础理论包含同位素表示方法、同位素热力学平衡分馏、动力学同位素分馏、同位素温度计、放射性衰变公式等。这些内容作为本学科的关键基础，概念和公式较多，要求学生能够完全掌握同位素的相关概念，熟练地推导出公式并用于计算。同位素年代学则以具体的同位素方法为例，如放射性碳14C、铀铅法、铀系不平衡法、銣锶等时线法、210Pb法等，介绍其用于年代测定的原理以及具体应用。同位素示踪则以碳、氢、氧、氮、硫等生物元素为主，介绍它们在生物地球化学循环、海洋水团运动、污染物示踪、古海洋和古气候重建等方面的应用。近年来，铀钍不平衡法在指示海洋生产力、颗粒有机物运移等方面有着很好的应用，这部分也作为同位素示踪来介绍。在这些基础上，课程最后以几个前沿科学问题为导向，重点介绍几篇最新发表研究性论文中的实例，包括铀钍法指示海洋生产力、氧同位素指示冰期一间冰期旋回、碳14指示大洋温盐环流等，通过解读这些研究性论文，使学生认识科研过程并激发其科研兴趣。在此基础上，向学生提出几个相关的科学问题，请学生通过调查资料写出利用同位素解决问题的方案。
二、把握课程内容本质，推动深度教学
虽然同位素知识的基本原理并不是很复杂，但在研究各种具体科学问题方面，同位素应用方法往往非常丰富而且巧妙。同位素课程教学比较容易陷入的误区就是教师不断讲授各种同位素的应用，而学生疲于记忆这些同位素的知识点，无法抓住同位素知识的本质，考完试后就将大部分知识忘记了。基于此，本课程的任课教师阅读了大量书籍和参考资料，参加了各种学术会议和由中国科学技术大学举办的“第二届非传统稳定同位素地球化学暑期学校”，通过不断加强自身学习以求能更深刻地把握教学内容的本质。只有任课教师对教学内容的本质有较好的把握，才能帮助学生抓住重点并加以深刻理解和深度思考。
对同位素知识本质的把握，关键在于深刻理解“同位素效应”和“同位素分馏”的规律。同位素是化学性质几乎完全一样而质量有微小差别的核素，同位素效应就是由于这种质量差异导致含这些核素的分子在物理和化学性质上产生差异。在不同的物理、化学和生物过程中，会出现不同的同位素效应，发生某种程度的同位素分馏。同位素分馏就是在一个系统中，某元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或者物相中。在同位素热力学分馏中，重同位素趋向于富集在化学键较强的结构位置、分子或者物相中。在动力学分馏过程中，轻同位素反应速率要比重同位素分子快，因而在反应生成物中优先富集于轻同位素。让学生反复通过基本原理去推导结果，就能对一些较为复杂的分馏过程，如光合作用过程植物富集12C而氨基酸代谢过程生物体富集15N，有非常深刻的理解，而不用去死记硬背不同情况下的同位素分馏的规律。 对放射性同位素年代学本质的理解，则分别以14C和铀系两种不同类型的同位素方法为例。14C用于年代测定的前提是假设大气中通过宇宙射线和氮气产生14C的速率是恒定的，通过测定4万年以内的含碳物质剩余14C的量就可以计算其年龄。这样通过课堂现场计算就能让学生深刻体会到放射性核素呈指数级衰变的规律。学生掌握这些基本概念和规律后，再讨论大气中14C含量的若干因素，进而引入利用14C重建太阳活动以及“休斯效应”。铀系定年的基本假设则不依赖于初始放射性母体的含量，而是测量多个样品的放射性母体和子体，绘制等时线利用斜率和截距进行年代计算。这种等时线法广泛用于铷锶法、钐钕法定年。学生深刻理解了这两种典型的年代学方法后，对于其他方法就很容易融会贯通。
对常见的同位素分馏过程进行推导学习后，教师会给出一些非传统同位素，如镁、硅、铁、钼、硼同位素，让学生尝试判断这些同位素在各种条件和过程中的分馏效应是怎样的。比如通过介绍海水中硼元素有“B和10B，溶解态的硼存在B（OH）3和B（OH）4两种状态的平衡，这种平衡会受到海水pH值的影响，然后让学生通过电离方程，判断pH值如何改变平衡以及硼同位素的分馏，进而解释怎样利用珊瑚中的硼同位素来指示历史时期海水pH值的变化。这些环节能够促使学生进行深度思考，在学习过程中锻炼思维能力和思维品质，学会举一反三、融会贯通，进而产生创造性的思维方式。这些对思维品质的训练将有助于学生在以后工作和研究中能够快速地理解新的同位素应用，并创造性地解决实际问题。
三、多种教学手段结合，调动学生主观能动性
本课程综合采用多媒体课件、板书推导、学生互动、课后辅导资料等多种教学手段开展教学。多媒体课件的优点是可以通过文字、图表、视频等形式高效地将信息传递给学生，大大提高授课效率。对于一般性的知识，本课程主要采取多媒体课件授课的方式，其中对于水循环中的动力分馏、放射性同位素衰变、核事故导致的137Cs扩散等较复杂的过程，则使用图片和动画短片的形式加以展示。但是，对于课程中一些重要而较难理解的概念和公式，如同位素热力学平衡分馏和动力学分馏，以及放射性衰变公式和等时线公式的推导，如果用多媒体的课件一放而过，学生不容易理解深刻。所以对于本课程中的所有公式，可以采用黑板板书逐步推导，并在板书过程中详细讲解。讲解完后，让学生亲自动手推导，并请一两个学生上台推导。这样可以确保所有学生都能全身心参与进学习过程，大大提高其课堂学习效果。
四、完善考核方式，提供实践机会
科学合理的考核方式能够客观评价学生的学习成绩，提高学生的学习兴趣，也能检验教师的教学效果。本课程在开设的第一年，平时对学生学习效果的检验大部分以口头问答的形式来完成，忽略了严格的书面练习，结果很多学生对期末考试中较复杂的推导和计算就无法完成。后来教师吸取教训，在每次讲授完基本概念和一些重要公式后，都会精心设计一些题目对学生进行考核（考核成绩作为平时成绩的一部分），保证学生在学习完每个课程内容后都能及时加以巩固，为后面的学习铺好基础。对于学生平时练習中出现的难题，教师会做重点讲解。比如在讲授第五部分“同位素应用前沿”时，会分发一些最新发表的论文给学生阅读，给出一些开放性的问题，让学生自己查阅文献并提出解决方案。这部分也作为考核的重要内容，重点考查学生对同位素基本原理的把握以及对知识的运用。期末考试试卷采用选择题、推导题、计算题、问答题等多种题型，难度尽量拉开差距，以求能够对学生的努力做出肯定和对不足加以鞭策。
虽然本课程并没有设置实验内容，但相关的同位素质谱知识和初步实践已经在仪器分析课程学习过。本学院有省级重点实验室和省级教学示范中心，配备有元素分析一同位素质谱和气相色谱一同位素质谱仪器。教师会以带领部分本科学生参与科研项目的形式，让学生进入实验室参与同位素测试样品的前处理和同位素质谱仪器的操作。笔者带领一些学生挑选有孑L虫做碳14测年和氧同位素，并将最终的测试结果给他们进行分析，让他们真正体会到做科研的状态。这部分学生往往能对其他学生产生很好的示范作用，而且能够进一步激发其自身的学习热情，积极锻炼动手能力，为以后进一步深造和工作奠定良好基础。
五、结语
本学院的同位素海洋学课程是面向普通高校海洋科学专业的基础理论课程，教学团队通过参考其他院校的教学经验和多本教材，选取了适合本校学生基础和有利于学生深造就业的教学内容，通过4年的摸索和改进，不断提升教师对教学内容本质的把握，通过解决一些开放性难题，鼓励学生进行深度思考、举一反三，锻炼学生的思维品质和创造能力。结合多种课内和课外的教学手段，完善考核方式，尽最大可能提高教学效率和该课程对学生的价值。同时在课堂之外向学生提供大量参与科研的机会，让部分学生在实验室得到更好的实践锻炼，为其进一步深造做好准备。随着海洋科学和我国海洋产业的进一步发展，相信同位素海洋学课程能为科研机构和相关工作岗位提供更多专业基础牢固、思维活跃、有创造力的人才。
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[责任编辑：庞丹丹]
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