地球化學課程實驗教學的思考

摘"要：地球化學是地質類專業重要的專業基礎課，本文以貴州大學資源勘查工程專業為例，針對目前課程教學中存在的重理論弱實驗、學生學習積極性弱等基本現狀，依托學院大型儀器平臺建設成果，探討增加地球化學實驗課程的教學改革。通過增加課程中實驗內容的教學、實驗操作教學、實驗課程考核等，幫助學生及早參與科研項目，進而促進本科生地球化學課程綜合能力的全面提升。

關鍵詞：地球化學；實驗教學；教學改革

地球化學是研究地球及其子系統（地圈、地體、巖層、巖石，甚至礦物）中地球物質化學運動的學科，是地質學、地球化學和資源勘查工程等地球科學類專業的一門重要專業基礎課［13］。一般在地質學專業中，地球化學課程總體學時長、學分高，但在工科的地質類專業中，學時減少、學分降低。例如，在資源勘查工程專業中，重理論輕實驗，導致學生基礎知識掌握不牢。而且地球化學課程與礦床學、勘查地球化學、礦產勘查學等專業課關聯性強，地球化學基礎不牢導致學生對地質礦產勘查難以形成系統的地質思維。因此，本文以貴州大學資源勘查工程專業為例，分析目前地球化學課程主要存在的問題，探討解決方案，為工科類專業中地球化學課程教學提供參考。

1"傳統地球化學課程教學中的主要問題

1.1"理論教學與實踐應用脫節

地球化學是綜合基礎理論和技術方法的學科，與其他地球科學課程關聯度高。對工科專業而言，學生在學習地球化學基礎理論時，更需要掌握地球化學技術能力。目前，國內外高校在地球化學課程教學中普遍存在重理論輕實踐問題。授課內容以書本理論知識為主，地球化學技術的相關實踐教學偏少甚至缺失。如中國礦業大學、石油大學等高校在油氣地球化學課程中僅安排了約12.5%的實驗教學，且以參觀測試儀器為主，僅有少量課時的實驗操作和分析［4］。在筆者博士聯培的澳洲科廷大學，本科生油氣地球化學課程16學時均為理論教學。而筆者授課的貴州大學資源勘查工程專業，本科地球化學總課時為56學時，也均為理論課，未設計實驗教學環節。

近年來，隨著本科教學高質量發展工作的推進，國內高校也不斷嘗試通過實踐性環節提升地球化學課程教學質量。如中國地質大學（北京）在總課時64學時中組織了14學時的實踐課時［4］；南京大學則通過大三開設地球化學理論課程，大四設置了實驗地球化學課程，以通過實踐課程提升教學效果。

1.2"教學方法單一制約學習積極性

目前，貴州大學資源勘查工程專業所開設的地球化學課程授課方式以書本內容為基礎，利用板書及幻燈片展示知識重點和要點。如在穩定同位素章節中，同位素的計量方式均以板書或幻燈片展示，對為什么同位素值的測定、表示均需使用標樣，不同同位素會擁有不同的同位素標樣等內容，僅通過反復講授完成課時。但從教學效果看，由于缺乏直接的實驗操作和直觀的對比認識，多數學生只能做到“知其然，并不能知其所以然”，而且對知識點的掌握和延伸明顯欠缺。因此，單一的教學方法難以保證課程教學質量，同時制約學生學習的積極性。

1.3"大型實驗儀器的缺失

地球化學是以化學理論和分析技術為基礎的學科，而大型儀器對地球化學的科學研究與教學支撐具有重要意義。之前，貴州大學地球科學實驗室主要配備偏光顯微鏡、冷熱臺、碳硫分析儀、DELTA"V"Advantage穩定同位素質譜儀等，缺乏更多大型儀器設備對課程教學的支撐。隨著地球科學研究理論和技術方法的不斷發展，傳統的顯微觀測已無法滿足更深入的科研需求，因此大型儀器設備在地球科學研究和教學中發揮著越來越重要的作用。如通過電子探針分析技術可實現在顯微鏡觀測基礎上對礦物元素組成的進一步分析，以及對特殊礦物的確認等［5］。由于缺乏與課程相關的大型儀器設備，限制了地球化學等與實驗緊密相關課程的發展，影響了課程效果及學生學習積極性。

2"實驗教學的重要性與實驗條件的提升

2.1"實驗教學與理論課程互補

實驗教學是地球化學課程的重要組成部分，通過實驗教學可對提升課程質量達到事半功倍的效果。課程實驗可從兩個方面開展，一是依托儀器設備的課程教學，包括實驗原理、實驗基本操作、實驗數據處理等。如在元素的晶體化學性質與元素結合規律章節中，可增加電子探針、掃描電鏡的基礎教學內容，介紹實驗儀器的基本結構和測試原理、基礎操作流程、數據處理和解讀等，最后基于實驗數據讓學生更好地理解元素的賦存形式，掌握如何定量分析不同賦存形式元素的含量等。二是現場實驗操作，讓學生體驗身臨其境的實驗過程。如手標本觀測、樣品制備、上機測試、結果分析等，開展全流程的實驗過程教學，實現整個實驗教學與理論課程的互補，加深學生對地球化學相關知識的理解和印象。

2.2"實驗教學增強學生學習的積極性

實驗教學與理論教學存在差異，后者主要著重于書本知識的授課，而前者更注重學生在學習過程中的實際參與。實驗教學中，可以提供多種類型的實驗教學項目，如巖石元素含量分析測試、礦物微區元素組成、礦物形貌及元素組成、礦物傳統穩定同位素組成及有機質生物標志化合物組成等，通過讓學生多次接觸地球化學相關數據、處理相關數據、分析初步得出結論，并依據不同學生的興趣，分別開展實驗教學工作，激發學生的積極性，加深學生的理解。同時，學生通過實踐參與實驗工作、獲取實驗數據、繪制數據圖表、分析數據等，逐步提高學生對地球化學數據分析處理的能力和圖表表達能力。

2.3"實驗條件的提升情況

近年來，科技投入加大實現了貴州大學地球科學實驗條件的快速提升。至2023年10月，已完成了大量儀器設備的論證和采購工作，這些大型儀器設備為地球化學課程的深化建設打下了堅實基礎。如X射線熒光光譜儀將被用于巖石、礦石、土壤等樣品的主量元素和微量元素分析教學；場發射電子探針可用于樣品的微區原位地球化學分析教學；礦物自動分析系統將實現礦物組成自動分析、礦物識別和共生及其元素主要賦存形式的地球化學教學等。

3"地球化學實驗教學的改革思路

3.1"實驗教學的初步計劃及授課模式

目前，國內高校正積極開展教學計劃和課程設計改革提升地球化學課程教學效果。如中國地質大學（北京）在課程64總學時中安排14課時為實習環節；中國地質大學（武漢）通過新修教學計劃，在原48學時的理論課程基礎上增加了6學時的文獻閱讀及2學時的地球化學綜合實踐環節；中國礦業大學資源勘查工程專業2018版教學大綱將原來的32課時調整到48課時，并增加6課時的實驗實踐課程［4］。

貴州大學資源勘查工程專業地球化學課程合計56學時，計劃設置48學時理論和8學時實驗教學。基于上述討論及實驗室的實際條件，計劃設置4項實驗（下表）。其中，地球的化學組成章節中，利用X射線熒光光譜儀分析地球表面不同類巖石的主量元素組成；元素的晶體化學性質與元素結合規律章節中，利用場發射電子探針、礦物自動分析系統實現礦物中微量元素賦存形式的探索；穩定同位素地球化學章節中，利用同位素比值質譜儀實現礦物碳氧同位素、有機質碳同位素組成的探索；生物與有機地球化學章節中，利用氣相色譜儀實現有機質中生物標志化合物的初步分析探索。

地球化學實驗教學改革思路表

課程章節實驗教學項目實驗教學內容與目的教學方式科研創新探索潛在方向考核方式地球的化學組成X射線熒光光譜儀地球表面三大類巖石（火成巖、沉積巖、變質巖）的主量元素組成測試，通過與地殼、地幔、地核元素組成進行對比，初步分析其地質意義元素的晶體化學性質與元素結合規律場發射電子探針、礦物自動分析系統礦物中微量元素賦存形式分析，確定是礦物形式、類質同象、超顯微非結構混入等，探索其潛在的地質意義穩定同位素地球化學同位素比值質譜儀利用同位素比值質譜儀實現礦物碳氧同位素、有機質碳同位素組成，了解標樣在其中的作用、有機和無機碳同位素的測試方法差異，探索同位素在地質過程中的指示意義生物與有機地球化學氣相色譜儀利用氣相色譜儀實現有機質中生物標志化合物的初步分析，掌握如何讀取圖譜、如何分析數據，探索生物標志化合物在古環境演化、石油地質領域的初步應用1.課堂教學，教師完成理論內容授課、儀器相關知識內容授課2.課后學習，學生課后自主探索學習，完成資料收集、復習儀器基本原理、了解主要操作等3.課堂教學，通過分小班，指導、帶領學生完成實驗操作4.課堂教學+課后學習，教師課堂指導如何處理、分析數據等，學生課后完成實驗報告及初步探索1.利用火成巖探索地殼演變過程，并嘗試分析其對找礦的價值2.沉積巖沉積過程中的地質作用，分析其對找礦的指示意義1.發現新的礦物2.探索礦物形成過程3.探索礦床的形成過程，及其與找礦的關聯1.有機碳同位素在石油勘探中的應用2.無機碳氧同位素在碳酸鹽類儲層研究中的作用，對油氣勘探的意義1.生物標志化合物對生物有機成礦指示意義，對找礦勘查的作用2.生物標志化合物在油氣源對比中的應用1.依據實驗報告完成情況考核2.依據實驗課中實驗操作的情況考核3.期末考試中，增加實驗相關方面的知識內容的考核，或增加開放性論述題等

授課過程主要包括課堂理論教學、課后自主探索學習、實驗課程實際操作、課后數據分析及結果討論等。如地球的化學組成章節中，實驗課程操作課前學生可以先完成資料收集，如三大巖的元素組成特征，X射線熒光光譜儀基本原理、主要操作等。實驗課程操作完成后，總結實驗過程，分析對比數據，進而理解地球的現今元素組成特征等。

課程組織上，理論課程可通過大班教學完成，實驗課程通過分組或小班化完成。課程根據學生的專業基礎、學習能力和研究興趣，利用課余時間開展分組實驗和討論，通過適當增負提升學生的參與感和成就感，達到課程教學效果的高質量發展。

3.2"基于實驗教學的科研創新

地質類專業以實踐性強為突出特色，實踐教學在專業人才培養體系中扮演著至關重要的作用，因此實踐教學的改革和創新也是辦出特色專業的核心所在［6］。在地球科學學科中，素質高、基礎厚、知識廣、能力強的基礎研究人才一直是國家建設所急需的［7］。因而，在地球化學實驗教學過程中，要以學生的動手能力、分析能力、提取信息能力為基礎目標，同時兼顧培養學生的創新能力。課程力求在完成基礎的理論教學、基本的實驗操作、數據分析、結果總結后，深入探索挖掘學生的創新能力，在學生可接受能力范圍內，提供更多感興趣的內容、科研課題等，基于大型儀器平臺，開展更多的課外實驗分析、數據分析與計算、學術論文寫作等工作，系統地鍛煉學生獨立思考、綜合分析和解決復雜地質問題的能力，促使其形成地球化學思維。授課教師需指導學生獨立完成整個課題過程，相關成果鼓勵參與各類學科競賽活動。

3.3"實驗教學的考核

貴州大學傳統的地球化學課程考核由平時成績和期末考試組成，其中平時成績通常反映學生回答問題情況、日常作業情況、考勤情況等；期末考試則反映學生對試卷內容的掌握情況。但由于試卷考核主要以理論知識為主，無法有效兼顧學生實驗技術掌握能力。下一步，計劃改革考核模式，一是增加實驗教學的考核，通過實驗作業完成、實驗操作等完成實驗考核；二是增加期末考試中實驗相關方面的知識內容，如考核學生繪圖、讀圖方面的能力，考核學生實驗設計的能力等，更偏向于開放性的論述題，考核學生的綜合掌握情況等。通過多元化的課程考核模式，實現學習成果的綜合評定。

結語

增加實驗教學工作有利于學生掌握所學的基礎理論知識，有利于提高基本實驗操作能力，有利于提高學生的綜合能力［8］。目前，貴州大學資源勘查工程專業地球化學課程存在缺乏實驗教學內容、授課方式相對單一等問題，影響了教學效果，不利于學生的整體綜合發展。為此，本文從學院大型儀器平臺建設出發，探討了提升課程建設的思路。計劃主要從課程教學設計和組織、創新訓練、課程考核等方面，通過增設地球化學實踐課程，提升學生實踐能力和對基礎理論知識的掌握程度，同時利用地球化學創新科研訓練，適當給學生增負，提高學生學習的積極性和課程參與度，從而實現課程對提高學生綜合能力的支撐作用。

參考文獻：

［1］韓吟文，馬振東.地球化學［M］.北京：地質出版社，2003.

［2］陳駿，王鶴年.地球化學［M］.北京：科學出版社，2004.

［3］張宏飛，高山.地球化學［M］.北京：地質出版社，2012.

［4］王愛寬，王文峰，姜立君.加強地球化學課程實踐教學的改革探索［J］.創新創業理論研究與實踐，2021，4（21）：3537.

［5］王軍鵬，李福鵬.地質學教學中普及大型儀器相關知識的探索和思考——以電子探針顯微分析技術為例［J］.中國地質教育，2020，29（4）：107110.

［6］湖南省教委高教處.教改之路［M］.長沙：湖南大學出版社，1998.

［7］賴紹聰，何翔，華洪.地球科學高等教育改革與發展的若干建議［J］.中國地質教育，2009，18（4）：3540.

［8］李靜，陸麗娜，司志森，等.地球化學課程實驗教學體系的建設與實踐［J］.科教文匯，2015（6）：6162.

基金項目：貴州大學一流學科專業建設項目資助；貴州大學引進人才科研基金資助［編號：貴大人基合字（2021）20號］

作者簡介：施春華（1988—"），男，江蘇海門人，博士研究生，副教授，研究方向：有機地球化學和生物有機成礦。