同位素海洋學本科教學內容和方法的探索

孔德明　彭詩云　胡耀強　黃超

[摘要]為了提高海洋科學專業本科生的同位素知識和技能，使其能夠更好地面向科研和就業，廣東海洋大學綜合參考國內院校開設地球科學類同位素課程的經驗，對同位素海洋學課程的本科教學內容進行了精心設計，將教學內容分為穩定同位素基礎、放射性同位素基礎、同位素年代學、同位素示蹤、同位素應用前沿這5個方面，兼顧課程內容的基礎性、全面性和前沿性。靈活運用課內和課外多種教學手段，開展深度教學，鼓勵教學互動，調動學生思考的主動性和創造性，力求在同位素知識教學過程中提高學生的思維品質，增強學生利用同位素基礎知識解決實際問題的能力，為社會培養更多專業基礎牢固、思維創新的人才。

[關鍵詞]同位素海洋學;教學內容;教學內容本質;深度教學

[中圖分類號]G642[文獻標識碼]A[文章編號]2095-3437（2019）11-0048-03

同位素海洋學是一門新興的交叉學科，近年來廣泛應用于海洋水團和物質循環示蹤、海洋資源與環境研究、古氣候重建等。在當前海洋科學蓬勃發展和我國實施海洋強國戰略的時代背景下，同位素在科學研究和海洋產業中都有著巨大的應用潛力，未來對有同位素專業知識和技能的人才需求量也將十分巨大。本校于2014年面向海洋科學專業本科生開設“同位素海洋學”課程，并在2017年教學改革時將該課程從32學時增加到48學時，以保證學生能學好同位素基礎知識和技能，提高畢業生的專業素質和就業、考研競爭力。

目前我國高等院校的地球科學類同位素相關課程大部分是面向研究生開設的，相關的教材如劉廣山教授所著的《同位素海洋學》具有很強的專業性。而面向本科生開設的同位素海洋學課程，不同高校的學生基礎不一樣，講授內容各有側重，差別較大，缺乏普適性的經驗。比如同濟大學、蘭州大學、中國科學技術大學的同位素課程偏重于地質地球化學方面，而廈門大學的同位素課程則側重于海水化學方面。我校開設同位素海洋學課程以來，教學團隊對該課程的教學內容、教學方法進行了積極探索，力求使該門課程更加適合普通高校本科生，使學過該課程的學生不管是在研究還是生產領域，都能更好地應用同位素的思路和技術解決實際問題。本文總結團隊的教學探索經驗和不足，以期對該門課程的本科教學提供有益的參考。

一、關注學生的特點和需求，精心設置課程內容

同位素海洋學是同位素地球科學的一個分支，很多基礎理論和方法都來源于傳統的同位素地球化學。同位素根據其性質可以分為穩定同位素和放射性同位素，而根據其應用又可以分為同位素年代學、同位素示蹤、穩定同位素地球化學和稀有同位素地球化學。考慮到本校的海洋科學本科生完全沒有同位素的基礎知識，而且以后只有一部分學生會進人海洋科學研究領域，因此本課程的教學內容盡量兼顧基礎性、全面性和前沿性，既要使學生對同位素地球科學有全面的認識，又要突出同位素在海洋科學的特色應用，并讓學生接觸到最前沿的同位素研究方向。

目前可以參考的較新版本的專業書籍有《同位素地質年代學與地球化學》（陳岳龍著）、《同位素海洋學》（劉廣山著）、《穩定同位素地球化學》（鄭永飛著）等。其中《同位素地質年代學與地球化學》偏重于放射性同位素的年代學，而《穩定同位素地球化學》偏重于穩定同位素的分餾機制和礦物地質學。出于基礎性和全面性考慮，本課程內容兼顧穩定同位素和放射性同位素的基礎知識，以《同位素海洋學》為主要教材，其他幾本參考書和近年來的頂級期刊論文為輔，將教學內容主要分為5大塊：穩定同位素基礎理論、放射性同位素基礎理論、同位素年代學、同位素示蹤、同位素應用前沿。穩定和放射性同位素的基礎理論包含同位素表示方法、同位素熱力學平衡分餾、動力學同位素分餾、同位素溫度計、放射性衰變公式等。這些內容作為本學科的關鍵基礎，概念和公式較多，要求學生能夠完全掌握同位素的相關概念，熟練地推導出公式并用于計算。同位素年代學則以具體的同位素方法為例，如放射性碳14C、鈾鉛法、鈾系不平衡法、銣鍶等時線法、210Pb法等，介紹其用于年代測定的原理以及具體應用。同位素示蹤則以碳、氫、氧、氮、硫等生物元素為主，介紹它們在生物地球化學循環、海洋水團運動、污染物示蹤、古海洋和古氣候重建等方面的應用。近年來，鈾釷不平衡法在指示海洋生產力、顆粒有機物運移等方面有著很好的應用，這部分也作為同位素示蹤來介紹。在這些基礎上，課程最后以幾個前沿科學問題為導向，重點介紹幾篇最新發表研究性論文中的實例，包括鈾釷法指示海洋生產力、氧同位素指示冰期一間冰期旋回、碳14指示大洋溫鹽環流等，通過解讀這些研究性論文，使學生認識科研過程并激發其科研興趣。在此基礎上，向學生提出幾個相關的科學問題，請學生通過調查資料寫出利用同位素解決問題的方案。

二、把握課程內容本質，推動深度教學

雖然同位素知識的基本原理并不是很復雜，但在研究各種具體科學問題方面，同位素應用方法往往非常豐富而且巧妙。同位素課程教學比較容易陷入的誤區就是教師不斷講授各種同位素的應用，而學生疲于記憶這些同位素的知識點，無法抓住同位素知識的本質，考完試后就將大部分知識忘記了。基于此，本課程的任課教師閱讀了大量書籍和參考資料，參加了各種學術會議和由中國科學技術大學舉辦的“第二屆非傳統穩定同位素地球化學暑期學校”，通過不斷加強自身學習以求能更深刻地把握教學內容的本質。只有任課教師對教學內容的本質有較好的把握，才能幫助學生抓住重點并加以深刻理解和深度思考。

對同位素知識本質的把握，關鍵在于深刻理解“同位素效應”和“同位素分餾”的規律。同位素是化學性質幾乎完全一樣而質量有微小差別的核素，同位素效應就是由于這種質量差異導致含這些核素的分子在物理和化學性質上產生差異。在不同的物理、化學和生物過程中，會出現不同的同位素效應，發生某種程度的同位素分餾。同位素分餾就是在一個系統中，某元素的同位素以不同的比值分配到兩種物質或者物相中。在同位素熱力學分餾中，重同位素趨向于富集在化學鍵較強的結構位置、分子或者物相中。在動力學分餾過程中，輕同位素反應速率要比重同位素分子快，因而在反應生成物中優先富集于輕同位素。讓學生反復通過基本原理去推導結果，就能對一些較為復雜的分餾過程，如光合作用過程植物富集12C而氨基酸代謝過程生物體富集15N，有非常深刻的理解，而不用去死記硬背不同情況下的同位素分餾的規律。

對放射性同位素年代學本質的理解，則分別以14C和鈾系兩種不同類型的同位素方法為例。14C用于年代測定的前提是假設大氣中通過宇宙射線和氮氣產生14C的速率是恒定的，通過測定4萬年以內的含碳物質剩余14C的量就可以計算其年齡。這樣通過課堂現場計算就能讓學生深刻體會到放射性核素呈指數級衰變的規律。學生掌握這些基本概念和規律后，再討論大氣中14C含量的若干因素，進而引入利用14C重建太陽活動以及“休斯效應”。鈾系定年的基本假設則不依賴于初始放射性母體的含量，而是測量多個樣品的放射性母體和子體，繪制等時線利用斜率和截距進行年代計算。這種等時線法廣泛用于銣鍶法、釤釹法定年。學生深刻理解了這兩種典型的年代學方法后，對于其他方法就很容易融會貫通。

對常見的同位素分餾過程進行推導學習后，教師會給出一些非傳統同位素，如鎂、硅、鐵、鉬、硼同位素，讓學生嘗試判斷這些同位素在各種條件和過程中的分餾效應是怎樣的。比如通過介紹海水中硼元素有“B和10B，溶解態的硼存在B（OH）3和B（OH）4兩種狀態的平衡，這種平衡會受到海水pH值的影響，然后讓學生通過電離方程，判斷pH值如何改變平衡以及硼同位素的分餾，進而解釋怎樣利用珊瑚中的硼同位素來指示歷史時期海水pH值的變化。這些環節能夠促使學生進行深度思考，在學習過程中鍛煉思維能力和思維品質，學會舉一反三、融會貫通，進而產生創造性的思維方式。這些對思維品質的訓練將有助于學生在以后工作和研究中能夠快速地理解新的同位素應用，并創造性地解決實際問題。

三、多種教學手段結合，調動學生主觀能動性

本課程綜合采用多媒體課件、板書推導、學生互動、課后輔導資料等多種教學手段開展教學。多媒體課件的優點是可以通過文字、圖表、視頻等形式高效地將信息傳遞給學生，大大提高授課效率。對于一般性的知識，本課程主要采取多媒體課件授課的方式，其中對于水循環中的動力分餾、放射性同位素衰變、核事故導致的137Cs擴散等較復雜的過程，則使用圖片和動畫短片的形式加以展示。但是，對于課程中一些重要而較難理解的概念和公式，如同位素熱力學平衡分餾和動力學分餾，以及放射性衰變公式和等時線公式的推導，如果用多媒體的課件一放而過，學生不容易理解深刻。所以對于本課程中的所有公式，可以采用黑板板書逐步推導，并在板書過程中詳細講解。講解完后，讓學生親自動手推導，并請一兩個學生上臺推導。這樣可以確保所有學生都能全身心參與進學習過程，大大提高其課堂學習效果。

四、完善考核方式，提供實踐機會

科學合理的考核方式能夠客觀評價學生的學習成績，提高學生的學習興趣，也能檢驗教師的教學效果。本課程在開設的第一年，平時對學生學習效果的檢驗大部分以口頭問答的形式來完成，忽略了嚴格的書面練習，結果很多學生對期末考試中較復雜的推導和計算就無法完成。后來教師吸取教訓，在每次講授完基本概念和一些重要公式后，都會精心設計一些題目對學生進行考核（考核成績作為平時成績的一部分），保證學生在學習完每個課程內容后都能及時加以鞏固，為后面的學習鋪好基礎。對于學生平時練習中出現的難題，教師會做重點講解。比如在講授第五部分“同位素應用前沿”時，會分發一些最新發表的論文給學生閱讀，給出一些開放性的問題，讓學生自己查閱文獻并提出解決方案。這部分也作為考核的重要內容，重點考查學生對同位素基本原理的把握以及對知識的運用。期末考試試卷采用選擇題、推導題、計算題、問答題等多種題型，難度盡量拉開差距，以求能夠對學生的努力做出肯定和對不足加以鞭策。

雖然本課程并沒有設置實驗內容，但相關的同位素質譜知識和初步實踐已經在儀器分析課程學習過。本學院有省級重點實驗室和省級教學示范中心，配備有元素分析一同位素質譜和氣相色譜一同位素質譜儀器。教師會以帶領部分本科學生參與科研項目的形式，讓學生進入實驗室參與同位素測試樣品的前處理和同位素質譜儀器的操作。筆者帶領一些學生挑選有孑L蟲做碳14測年和氧同位素，并將最終的測試結果給他們進行分析，讓他們真正體會到做科研的狀態。這部分學生往往能對其他學生產生很好的示范作用，而且能夠進一步激發其自身的學習熱情，積極鍛煉動手能力，為以后進一步深造和工作奠定良好基礎。

五、結語

本學院的同位素海洋學課程是面向普通高校海洋科學專業的基礎理論課程，教學團隊通過參考其他院校的教學經驗和多本教材，選取了適合本校學生基礎和有利于學生深造就業的教學內容，通過4年的摸索和改進，不斷提升教師對教學內容本質的把握，通過解決一些開放性難題，鼓勵學生進行深度思考、舉一反三，鍛煉學生的思維品質和創造能力。結合多種課內和課外的教學手段，完善考核方式，盡最大可能提高教學效率和該課程對學生的價值。同時在課堂之外向學生提供大量參與科研的機會，讓部分學生在實驗室得到更好的實踐鍛煉，為其進一步深造做好準備。隨著海洋科學和我國海洋產業的進一步發展，相信同位素海洋學課程能為科研機構和相關工作崗位提供更多專業基礎牢固、思維活躍、有創造力的人才。

[參考文獻]

[1]劉廣山.同位素海洋學[M].鄭州：鄭州大學出版社，2010.

[2] 洪阿實.同位素海洋學的發展：回顧與展望[J].海洋環境科學，1994（1）：53-56.

[3]馬錦龍，范育新.高校“同位素地球化學”教學內容和方法探討[J].高等理科教育，2007（1）：99-102.

[4] 陳岳龍.《同位素地球化學》教學的新嘗試[J].中國地質教育，1998（2）：32-33.

[5] 鄭永飛，陳江峰.穩定同位素地球化學[M].北京：科學出版社.2000.

[6]陳駿，王鶴年.地球化學[M].北京：科學出版社，2004.

[7]陳清香，謝玲玲，侯慶華，等.海洋生態學教學內容和模式的改革探索[J].大學教育，2018 （7）：196-198.

[責任編輯：龐丹丹]