培養(yǎng)創(chuàng)新能力的儀器教學(xué)探討
——以氫化物發(fā)生原子熒光法測(cè)量發(fā)汞為例

吳穎娟， 孫 慧， 王筱虹， 陳鎮(zhèn)新， 彭 燕， 羅定貴

（廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣州510006）

0 引 言

自“一流大學(xué)”“高水平大學(xué)”逐漸成為我國(guó)高等教育的關(guān)鍵詞，研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)、研究型教學(xué)和研究型大學(xué)也依次成為高校教學(xué)研究的熱點(diǎn)，研究對(duì)學(xué)生能力的開發(fā)、對(duì)教學(xué)的促進(jìn)和對(duì)大學(xué)發(fā)展的重要得到廣泛認(rèn)同［1-6］。研究是孵化科學(xué)思想的溫床，而科學(xué)思想在本科階段的培育很大程度需要實(shí)驗(yàn)教學(xué)去完成［2-4］。早在建院初期，我院就被學(xué)校定位為教學(xué)—研究型學(xué)院，2015 年我院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科進(jìn)入廣東省高水平大學(xué)建設(shè)學(xué)科群—區(qū)域水環(huán)境安全與水生態(tài)保護(hù)學(xué)科群，2016 年環(huán)境工程專業(yè)于華南地區(qū)第一個(gè)通過國(guó)際工程教育認(rèn)證，此專業(yè)認(rèn)證以產(chǎn)出導(dǎo)向（Outcome based education，OBE）為理念，進(jìn)行人才培養(yǎng)體系的建設(shè)。即需要依照培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求構(gòu)建課程體系、確定教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源和教學(xué)方法。按“綜合性、研究型和國(guó)際化”建設(shè)高水平大學(xué)的目標(biāo)，和“重視基礎(chǔ)、趨向前沿、反映現(xiàn)代、綜合交叉”的現(xiàn)代課程建設(shè)理念，學(xué)科建設(shè)需要把知識(shí)傳播、技能掌握與科學(xué)品德、科學(xué)思想和方法的培育相結(jié)合，使學(xué)科發(fā)展與社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展相適應(yīng)［5，7］。2019 年10 月，教育部公布了《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》，明確了課程建設(shè)的具體內(nèi)容，開展研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅符合該文件的要求，而且激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，優(yōu)化和豐富教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力［1，3］；同時(shí)對(duì)教師創(chuàng)新能力的激發(fā)也有促進(jìn)作用。

環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程兩個(gè)專業(yè)的必修課，我院環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)是獨(dú)立開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程。“氫化物發(fā)生原子熒光法測(cè)量發(fā)汞”是我院環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典項(xiàng)目，至今已開出15 年，其意義在于：①原子熒光光譜法是與原子吸收光譜法和發(fā)射光譜并行的三大光譜分析法，廣泛應(yīng)用于食品、中藥、環(huán)境和地質(zhì)樣品中微量元素的檢測(cè)［8-10］；②原子熒光光度計(jì)是原子熒光光譜法的具象儀器，其光路設(shè)計(jì)與原子吸收光度計(jì)有很好的對(duì)比效果，是理解熒光光譜和吸收光譜抽象概念的良好教具。在多年的教學(xué)實(shí)踐中，把教學(xué)、科研與學(xué)生能力的拓展緊密結(jié)合，通過精心的課前準(zhǔn)備和大量的分析實(shí)踐，開發(fā)高溫高濕環(huán)境下原子熒光光度計(jì)的檢測(cè)條件［11］，有效地消除自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)引入的系統(tǒng)誤差［12］；在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行人群、地緣和飲食結(jié)構(gòu)差異與發(fā)汞關(guān)系的分析，進(jìn)行科學(xué)思維訓(xùn)練，取得良好的教學(xué)效果。

1 好奇心激發(fā)

氫化物發(fā)生原子熒光光度計(jì)是比較大型的全自動(dòng)精密儀器。教學(xué)過程包括儀器原理介紹、儀器方法選擇、儀器條件設(shè)置和檢測(cè)結(jié)果分析。因儀器自動(dòng)化程度較高，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式比較難適應(yīng)儀器自身的前沿性和實(shí)用操作特點(diǎn)，如果學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的原動(dòng)力，在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)很難學(xué)會(huì)并準(zhǔn)確操作儀器［13］。 心理學(xué)認(rèn)為，人在渴求滿足一定的需要并設(shè)法追求這個(gè)目標(biāo)時(shí)，這個(gè)目標(biāo)對(duì)個(gè)人動(dòng)機(jī)是一種激發(fā)，而激發(fā)力的大小取決于目標(biāo)價(jià)值和期望概率的乘積。假如一個(gè)人追求的目標(biāo)價(jià)值很大，估計(jì)能實(shí)現(xiàn)的概率也很高，那么這個(gè)目標(biāo)激發(fā)動(dòng)機(jī)的力量就越發(fā)強(qiáng)烈［14］。因此，在教學(xué)過程，沒有采取直接灌輸?shù)姆绞剑歉嬖V學(xué)生，今天學(xué)習(xí)的儀器是我國(guó)自主研發(fā)并走在世界同類檢測(cè)設(shè)備前列的儀器。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)課里，利用這臺(tái)儀器，開發(fā)了一個(gè)減小儀器系統(tǒng)誤差的方法，顯著提高了儀器性能，希望同學(xué)們能在這個(gè)實(shí)驗(yàn)課中和教師一起有新的發(fā)現(xiàn)。這種有所期待的導(dǎo)入點(diǎn)燃了學(xué)生對(duì)儀器的好奇和熱情，主動(dòng)觀察儀器運(yùn)行，提出各種問題，帶著真誠(chéng)的態(tài)度完成實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)步驟，學(xué)習(xí)的積極性顯著提高。

2 檢測(cè)原理和方法

表1 所示為發(fā)汞檢測(cè)儀器的原理。由表中可知，一個(gè)穩(wěn)定成熟的檢測(cè)方法需要同時(shí)確定前處理?xiàng)l件和還原劑濃度。由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，把前處理?xiàng)l件、還原劑濃度和儀器參數(shù)作為探查指標(biāo)，鼓勵(lì)有興趣的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室教師的指導(dǎo)下參與課前試驗(yàn)和儀器準(zhǔn)備，讓實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與科研對(duì)接。上課時(shí)，通報(bào)參與同學(xué)的名字，同學(xué)們會(huì)報(bào)以掌聲，參與的同學(xué)體驗(yàn)到成就感。

表1 汞檢測(cè)儀器的原理

2.1 前處理?xiàng)l件

毛發(fā)樣品的前處理是在清洗樣品后，加入強(qiáng)氧化性酸消解。汞是易揮發(fā)元素，據(jù)硝酸（120 ℃）和高氯酸（130 ℃）的沸點(diǎn)，汞樣品的消解宜控制在140 ℃以下，耗時(shí)較長(zhǎng)。為減少汞的損耗，有時(shí)需在消解罐加硝酸1.5 mL（0.1 g樣品），冷消化12 h，再加雙氧水0.5 mL微波消解，這在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)很難完成。所以通常采取硫酸（338 ℃）＋高錳酸鉀常壓消解，兩種強(qiáng)氧化劑混合反應(yīng)很激烈，需要嚴(yán)格控制高錳酸鉀的用量，保證實(shí)驗(yàn)安全；此外，硫酸殘留對(duì)儀器檢測(cè)的熒光度有負(fù)面影響，導(dǎo)致樣品較難檢出［11］。經(jīng)試驗(yàn)，采用2 mL硝酸＋1 mL雙氧水，1.2 MPa 壓力，微波加熱2 min消解樣品，可大大縮減前處理時(shí)間，后續(xù)檢測(cè)可由5 人／組改為2 人／組，增加學(xué)生操作儀器的機(jī)會(huì)。

2.2 還原劑濃度

還原劑的作用是把離子態(tài)的汞原子還原為原子態(tài)的汞蒸氣，使之在特定光源照射下激發(fā)躍遷（見表1），氫化物發(fā)生-原子熒光法采用硼氫化鉀作還原劑。檢測(cè)正常人群的發(fā)汞，還原劑濃度為1.5% ～2.5%，以2.0%為好［11］，檢測(cè)特殊人群的發(fā)汞，如生活在汞礦附近地區(qū)、有中毒癥狀的病人等，還原劑濃度宜取高值。

3 儀器條件設(shè)置

氫化物發(fā)生-原子熒光光度計(jì)的運(yùn)行參數(shù)由儀器參數(shù)和進(jìn)樣參數(shù)兩部分組成。由于穩(wěn)定性弱、測(cè)量重復(fù)性差，空白熒光強(qiáng)度高及線性不好是原子熒光光度計(jì)使用的常見問題［11，15］，產(chǎn)生的原因主要有空芯陰極燈不穩(wěn)定或位置不當(dāng)、氣路漏氣、通風(fēng)不暢和外界光干擾等［15］；此外，參數(shù)設(shè)置對(duì)儀器的運(yùn)行也有較大的影響［12］。儀器參數(shù)中，燈電流和負(fù)高壓對(duì)熒光度有較大影響，儀器運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)（特別在空調(diào)環(huán)境），需通過負(fù)高壓較正過高的熒光度［11］；燈電流宜設(shè)為25 ～30 mA，負(fù)高壓宜設(shè)為300 ～350 V。

氫化物發(fā)生-原子熒光光度計(jì)有手動(dòng)進(jìn)樣和自動(dòng)進(jìn)樣兩種方式，手動(dòng)進(jìn)樣為人工進(jìn)樣，參數(shù)無需設(shè)定；自動(dòng)進(jìn)樣為機(jī)器進(jìn)樣，合理設(shè)定進(jìn)樣參數(shù)可明顯減少儀器的系統(tǒng)誤差，顯著提高運(yùn)行效率［12］。在教學(xué)過程，把此前開發(fā)并獲得發(fā)明專利的授權(quán)的方法應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過對(duì)比儀器原方法和建立的新方法的參數(shù)設(shè)置及運(yùn)行效果，讓學(xué)生在研究的氛圍中學(xué)習(xí)，分享教學(xué)—研究型學(xué)院優(yōu)勢(shì)的學(xué)科資源。這種把科研展示作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)節(jié)，構(gòu)建教學(xué)和科研良好互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)一步調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性［3-4，6］。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析是任何一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的常規(guī)內(nèi)容，提升到研究型教學(xué)層次，需要具備：①實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容需具備研究型實(shí)驗(yàn)的特質(zhì)，②分析后的結(jié)論應(yīng)具有參考價(jià)值，可為同類的實(shí)驗(yàn)和研究提供參考的依據(jù)［2］。汞屬外源性內(nèi)分泌物質(zhì)，是具有較長(zhǎng)生物半衰期的強(qiáng)蓄積性元素（半衰期為76 d），可影響人體的生殖和分泌功能以及甲狀腺體的發(fā)育，破壞人的神經(jīng)系統(tǒng)、蛋白質(zhì)和核酸。在聯(lián)合國(guó)環(huán)保專題會(huì)上，汞被劃入14 種（鉛、鎘、汞、銅、錫、釩、鉻、鉬、錳、鈷、鎳、銻、砷和硒）最危險(xiǎn)的重金屬污染物，同時(shí)被我國(guó)、美國(guó)、歐盟、世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署列為優(yōu)先控制污染物；亞洲是人為源汞的高排放地區(qū)，排放量達(dá)1 000 t／a，占全球總排放量的50%；我國(guó)的工業(yè)體量大，汞排放量為500 ～700 t／a［16］。毛發(fā)具有排泄汞的功能，可反映身體環(huán)境汞暴露和內(nèi)部組織長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)汞的平均水平，毛發(fā)汞含量通常比血液等機(jī)體其他測(cè)量樣品的含量高，具有較好的檢測(cè)穩(wěn)定性和靈敏度。因此，毛發(fā)、血液和尿液是世界衛(wèi)生組織推薦的可用于人體毒物（汞、鉛、鎘、砷）評(píng)價(jià)的生物標(biāo)記物，是關(guān)注毒物暴露、進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理的有效工具［17］。基于以上依據(jù)，“氫化物發(fā)生-原子熒光法測(cè)量發(fā)汞”具備研究型實(shí)驗(yàn)特質(zhì)。事實(shí)上，對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究型教學(xué)分為兩部分：

（1）側(cè)重于儀器—開發(fā)穩(wěn)定成熟的檢測(cè)條件和方法［11-12］，研究結(jié)果不僅可指導(dǎo)儀器進(jìn)行各種樣品的汞測(cè)定，同時(shí)適用于儀器可檢測(cè)的不同樣品的13 種元素的測(cè)定。近10 年來，人發(fā)微量元素的臨床研究在老年癡呆、糖尿病、心血管病、鼻咽癌和前列腺腫瘤方面取得新突破，應(yīng)用人發(fā)微量元素檢測(cè)診斷，逐漸成為臨床研究和應(yīng)用的一種新方向［18］。

（2）側(cè)重于檢測(cè)對(duì)象—發(fā)汞的指示意義，通過發(fā)汞的含量引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合學(xué)院的學(xué)科方向：“有害元素微量地球化學(xué)”去發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證科學(xué)問題，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的學(xué)科交叉和實(shí)際應(yīng)用。比如，分析了400 例參與實(shí)驗(yàn)同學(xué)的發(fā)汞含量，45%的同學(xué)發(fā)汞≤1.0 μg／g，30%的同學(xué)發(fā)汞在1.0 ～1.5 μg／g之間。建議中國(guó)居民發(fā)汞的正常值為1.5 μg／g，美國(guó)環(huán)保署建議的發(fā)汞參考值為1.0 μg／g［19］。吳世安等［20］認(rèn)為人的發(fā)汞與每日汞攝入量相關(guān)，如果每日汞攝入量為0.12 μg，發(fā)汞值可達(dá)3 μg／g。顯然在檢測(cè)對(duì)象中，75%大學(xué)二年級(jí)學(xué)生的發(fā)汞值≤1.5 μg／g，提示18 ～20 歲健康青年的發(fā)汞值采用1.5 μg／g 的建議值比較合適；但仍有5% ～10%的同學(xué)發(fā)汞含量在7 ～10 μg／g之間，更有個(gè)別同學(xué)發(fā)汞的含量超過12 μg／g，而這些同學(xué)目前沒有出現(xiàn)健康異常。

我國(guó)裸土、水體、植被覆蓋土等主要自然源的汞釋放均比歐美同類地區(qū)明顯偏高，且我國(guó)西南地區(qū)約90萬km2（占國(guó)土面積約1／10）處于全球汞礦化帶，汞礦化帶等土壤汞相對(duì)集中區(qū)域的汞釋放是大氣汞重要的釋放源［16，21］，因此我國(guó)各地人群發(fā)汞的差別較大，且高于歐美同類地區(qū)人群［18-19］。此外我國(guó)沿海地區(qū)人群、汞暴露人員及其子女發(fā)汞的含量也高于普通人群，低于日本、西班牙沿海地區(qū)人群［22-24］。據(jù)報(bào)道使用化妝品組的孕產(chǎn)婦發(fā)汞含量大于不使用化妝品組的1.3倍，新生兒的發(fā)汞含量則大于不使用化妝品組的1.8倍［25］。因此，除了環(huán)境暴露可造成汞在人體蓄積外（發(fā)汞較高是表現(xiàn)之一），地緣、飲食結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣和遺傳因素也可能對(duì)發(fā)汞含量產(chǎn)生影響［16，18-24］，需要比較長(zhǎng)的個(gè)體監(jiān)測(cè)和較大的樣品數(shù)作對(duì)比，才能判別某項(xiàng)環(huán)境因素造成的汞暴露風(fēng)險(xiǎn)。有學(xué)者呼吁采用與全國(guó)膳食調(diào)查相類似的方法開展全國(guó)性人發(fā)多元素系統(tǒng)調(diào)查，以便積累完整的基線數(shù)據(jù)，建立正常參考值范圍［25］。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后續(xù)開課，以9 ～10 個(gè)活動(dòng)環(huán)境、作息時(shí)間、飲食結(jié)構(gòu)相似，且父母無職業(yè)汞暴露的同學(xué)為興趣小組，引導(dǎo)學(xué)生開展“地緣與飲食結(jié)構(gòu)”的發(fā)汞實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化并豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐證明，開展研究型儀器教學(xué)不僅培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，也促進(jìn)了學(xué)生和教師創(chuàng)新能力的雙向發(fā)展。實(shí)驗(yàn)課后，很多同學(xué)申請(qǐng)參與教師的科研項(xiàng)目，或聯(lián)系教師指導(dǎo)面向本科生的各級(jí)“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技競(jìng)賽及“國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練”項(xiàng)目。自2007 年起，我院學(xué)生數(shù)次在省級(jí)和國(guó)家級(jí)“挑戰(zhàn)杯”科技競(jìng)賽中獲一等獎(jiǎng)和特等獎(jiǎng)，任課教師的科研和教研能力也大大提升。因此，研究型儀器教學(xué)促進(jìn)了教研相長(zhǎng)。