目前，国内外高等学校大力发展交叉学科，通过不同学科之间的交叉融合，提高学科发展水平，服务国家重大战略需求^{[1, 2]}。化学作为一门以实验为基础的学科，是其他自然学科和人文学科的基础。在传统的基础化学实验教学中，学生通过不同物质的制备合成及分析检测来学习化学基本操作或仪器设备的使用方法，形式单一。尤其是在仪器分析实验设计中，通常是学生分析表征已经处理好的样品，样品处理和结果分析单调。为了激发学生学习化学实验的积极性和主动性，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，提高创新意识、创新能力和创新精神，山东大学化学实验教学中心结合本校考古专业科研热点，设计了针对大三本科生的“考古”实践活动。本实践活动以考古学为背景，通过化学方法解决考古中的实际问题，让学生深入学习样品的分离、制备及结果处理等有机化学和仪器分析相关知识，加强化学知识的应用训练，提高学生学习的积极性和主动性。

考古学是通过分析古代人类各种活动遗留下来的物质材料，进而研究并分析人类古代社会的一门学科。自18世纪末以来，化学为考古学家提供了一系列化学分析方法，以回答与材料有关的构造、年代和真实性等问题^{[3, 4]}，如有助于文物保护，防止文物的继续破坏而确定采取何种保护措施，解决疑问，回答关于过去的考古问题^[5-11]等。随着科技进步，考古化学的研究领域逐步扩大，并且成为容易引起人们关注和兴趣的、具有巨大潜在研究价值的领域。考古化学利用了不同的原理和方法，体现了自然科学和社会科学交叉的科研思想^[12]。在这种学科交叉点上，两个不同领域的学者会采用不同的研究思路和研究方法去关注同一个问题，经常会产生不同寻常的研究发现。将这种学科交叉的形式作为综合实践活动，除了可以加深学生理解和掌握化学技术和仪器的研究应用，亦可增加学生的学习兴趣，并促进化学专业以外学生的参与。

2017年山东大学考古队发掘的山东章丘焦家遗址入选了“2017年度中国十大考古新发现”，在焦家遗址现场发现大量的史前陶器碎片(图1)，以此为背景我们设计了本次综合实践活动。陶器在古人生活中有着非常重要的作用，它是一种常见的硅酸盐质多孔材料，其孔隙为有机分子吸附提供了极好的储存空间，利于食物残留沉积。在陶瓷碎片长期埋藏过程中，吸收的食物有机残留会受到化学和微生物降解和浸出的影响会消失殆尽，而只有部分有机分子包括脂类，甾醇和萜类化合物得以在陶器多空介质中保留下来。科学家们曾经通过对从公元前八千年的挖掘陶器进行脂质分析，估计陶器曾经储存的食物类型，帮助考古学家重建古代区域生存模式、技术、经济和文化活动。焦家遗址发现的大量陶器残片，为本科生实践活动提供了研究古代陶器使用功能的研究素材和研究思路。

在本实践活动中，学生首先实地参观山东章丘焦家遗址的发掘活动(图2)，认识鲁中北地区大汶口文化中晚期阶段古人的居住形态，了解黄河下游地区古代社会的发展演变进程。结合现场发掘的大量陶器碎片(图1)，教师引导提出“陶器在古代的用途”这一考古问题，并将其转化为化学问题——“如何用化学方法分析和鉴定古代陶片的用途”。在现场学习的基础上，学生通过查阅文献，了解考古中古代器物中残留油脂的常用分析检测方法，并通过实际的模拟实验检测，对此方法的可行性进行探究。在具体的实践过程中，学生将扮演一名考古化学家，通过残留油脂的提取、脂基交换反应、各种脂肪酸甲酯的色谱分析^[13-15]等化学知识分析未知用途的陶片，以获取陶片中残留油脂的类型。

通过此项化学和考古交叉学科的实践活动，让学生充分了解中国古文化的源远流长，并以“考古化学家”的角色应用化学方法分析、解决考古问题，加深学生对化学方法在实际考古应用中的理解，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，激发学生学习化学实验的积极性和主动性，同时提高学生的创新意识、创新能力和创新精神。本课题具体的专业知识目标主要有三点：

1)学生掌握样品分离和制备、衍生化、气相色谱和多组分样品分析等基本实验技能；

2)让学生通过实验设计及实施、数据处理及分析、探究讨论等环节，经历探究过程，培养学生参与实验探究的兴趣；

3)将化学专业知识与考古实践紧密结合，将知识运用于实践，培养学生运用化学知识分析问题和解决问题的能力。

本实践活动首先实地参观山东章丘焦家遗址的发掘现场，并由现场发现的大量陶器碎片引申出具体的考古学问题——“陶器在古代的用途”，最后将考古问题转化为化学问题——“如何用化学方法分析和鉴定古代陶片的用途”。在教师的指导下，学生采用个人独立研究与小组合作探究相结合的组织方式完成本次活动，活动实施过程中注重培养学生独立思考和团队协作的能力。

本实践活动具体步骤分为：活动准备阶段(实践课题的提出、实验方案的选择、仪器与药品准备)、活动开展阶段(实验条件探究、实验数据收集)、分析讨论阶段(结果分析与讨论、交流与评价)。

1)实践课题的提出。

在本实践活动中，学生通过实地参观山东章丘焦家遗址的发掘活动(图2)，深入了解和学习考古的现场发掘知识，并通过现场发现的大量陶器碎片引出本次实践活动要解决的主要问题：如何利用化学方法分析、鉴定古代陶器的用途。然后，教师引导学生制定初步的实验活动计划，分配学习任务，让各个学生分头查阅相关文献，明确实验目标、实验原理，并初步设计可行的实验方案。

2)实验方案的选择。

在分头学习的基础上，指导教师和学生共同讨论实验内容，设计合理的实验步骤，最终确定实验方案。

陶器是一种常见的硅酸盐质多孔材料，其孔隙可供吸附水或有机小分子，其吸水率一般大于5%，高者可达20%。因此，经过长期使用，陶器内部将留存与其长期接触的分子，通过对这些分子的检测可以获知陶器的可能用途。

植物油脂的主要成分是甘油三酯。甘油三酯酯交换之后可以得到甘油和不同的脂肪酸甲酯(图3)。

脂肪酸组成是植物油脂的重要理化指标。通过检测各类脂肪酸的相对含量，参考标准样相应脂肪酸组成后(表1)，可以得到该油脂的可能来源。

脂肪酸的相对含量可通过气相色谱(GC)检测获知。由于脂肪酸构成脂肪时其组合情况较为复杂，且脂肪与脂肪酸较难获得良好分离。故为获得较好分离效果，须将其与低级醇发生酯基交换反应以降低其极性，在本实践活动中将通过碱催化酯交换反应将脂肪酸转变为脂肪酸甲酯。将在特定色谱条件下采集的试样数据，与标准样数据对比，确定各类脂肪酸甲酯的相对含量，经过换算，即可得到样品中脂肪酸的相对含量。

3)仪器与药品准备。

根据实践活动方案，准备实验所需仪器与药品，做好实验前期的各项准备工作。同时，为了模拟真实的考古情境，本活动将现代陶器碎片提前在不同的植物油中浸泡24小时(图4)，并将陶片表面油脂去除、烘干后用于实践活动。

1)实验条件探究。

经过反复讨论，本实践问题的解决方案确认为三个实验步骤：油脂的提取、酯交换反应和气相色谱分析。

油脂的提取：

烘干后样品用干净铁锤锤碎，后用研钵研成粉末。称取3.0 g样品转入20 mL闪烁计数管中，加入5 mL二氯甲烷(DCM)和甲醇(MeOH)的混合溶液(V(DCM) : V(MeOH) = 2 : 1)，密封，超声10 min。取上清液转入10 mL玻璃离心管，在3500 r·min^-1转速下离心5 min。将上清液转入25 mL圆底烧瓶中，50 ℃水浴蒸馏，浓缩液体至0.5 mL。

酯基交换反应：

移取浓缩液200 μL至2 mL塑料离心管中，加入40 μL甲醇，并加入4.3 μL 5 mol·L^-1 KOH的甲醇溶液，超声30 min。加入200 μL 0.1 mol·L^-1乙酸溶液和KOH，振摇。后加入400 μL庚烷，振摇，静置分层。取上层清液转入气相色谱样品瓶中，密封储存待检测。

气相色谱分析：

初步确定气相色谱分析条件：毛细色谱柱：安捷伦19091J-413LTM色谱柱(30 m × 0.320 mm × 0.25 μm)；检测器：FID检测器；进样口温度：250 ℃；检测室温度：280 ℃；进药量：0.3 μL·min^-1；分流比：100 : 1；载气流量：1 mL·min^-1；程序升温条件：150 ℃ (保留1 min)，以5 ℃·min^-1速率程序升温至200 ℃，再以10 ℃·min^-1速率程序升温至300 ℃。

2)实验数据收集。

在气相色谱分析时，先对标准品进行分析，通过摸索条件，确定基本的GC分析参数。本实验分别对棕榈酸甲酯(对应的脂肪酸为16 : 0)、硬脂酸甲酯(对应的脂肪酸为18 : 0)、油酸甲酯(对应的脂肪酸为18 :1)、亚油酸甲酯(对应的脂肪酸为18 : 2)和亚麻酸甲酯(对应的脂肪酸为18 : 3)进行标定，确定气相色谱分析条件下的保留时间，以便对下一步样品中不同的脂肪酸甲酯峰进行分析。

分别对完成酯基交换反应的三个样品进行气相色谱分析，分析结果见图5。从气相色谱图中可以发现：棕榈酸甲酯(对应的脂肪酸为16 : 0)、硬脂酸甲酯(对应的脂肪酸为18 : 0)和亚油酸甲酯(对应的脂肪酸为18 : 2)能实现很好的分离，油酸甲酯(对应的脂肪酸为18 : 1)和亚麻酸甲酯(对应的脂肪酸为18 : 3)因保留时间过于接近，形成一个混合峰(不影响对油脂种类的鉴别)。通过气相色谱中各脂肪酸甲酯的含量分析，我们可以得到三个陶器样品所浸润的油脂中各脂肪酸的组成(表2)。

通过参考对各种植物油中脂肪酸含量定量分析的相应文献^[16]，我们可以很容易地得出样品1、样品2和样品3所浸润的植物油分别为大豆油、橄榄油和芝麻油。

1)结果分析与讨论。

实验过程中，学生首先需要利用脂肪酸甲酯标准品确定不同脂肪酸甲酯标准峰的保留时间，进而确定不同陶片残留油脂中GC峰所对应的脂肪酸甲酯的类型及相对含量。从气相色谱图(图4)中，我们可以清楚地确定三种陶片样品所残留的油脂都含有四种主要组分，进一步对照标准脂肪酸甲酯GC峰的保留时间，最终确定GC图谱中四个主要峰所对应的脂肪酸甲酯分别是棕榈酸甲酯(对应的脂肪酸为16 : 0)，亚油酸甲酯(对应的脂肪酸为18 : 2)，油酸甲酯(对应的脂肪酸为18 : 1)和亚麻酸甲酯(对应的脂肪酸为18 : 3)的混合峰，硬脂酸甲酯(对应的脂肪酸为18 : 0)。利用相对峰面积百分比，我们可以获得残留油脂中各脂肪酸的相对含量。样品1中残留油脂的脂肪酸含量由高到低分别为亚油酸(18 : 2)52.21%，油酸(18 : 1)和亚麻酸(18 : 3)混合组分30.15%，棕榈酸(16 : 0) 11.47%，硬脂酸(18 : 0) 5.15%。参考文献中不同植物油脂各脂肪酸的相对含量数据，我们首先根据亚油酸的含量，确定样品1中的残留油脂可能为玉米油、大豆油、葵花油、葡萄籽油中的一种，再根据油酸的含量和硬脂酸的含量，基本可以确定样品1中残留的油脂最有可能是大豆油。

利用相同的分析方法，样品2残留油脂中各脂肪酸含量为油酸(18 : 1)和亚麻酸(18 : 3)混合组分63.36%，棕榈酸(16 : 0) 15.52%，亚油酸(18 : 2) 12.90%，硬脂酸(18 : 0) 3.16%。样品2残留油脂中，油酸(18 : 1)和亚麻酸(18 : 3)的含量超过60%，棕榈酸和亚油酸含量差别不大且棕榈酸含量稍高，因此确定样品2中残留油脂可能为橄榄油。

样品3残留油脂中各脂肪酸含量为亚油酸(18 : 2) 40.50%，油酸(18 : 1)和亚麻酸(18 : 3)混合组分43.11%，棕榈酸(16 : 0) 12.59%，硬脂酸(18 : 0) 3.80%。其中亚油酸和油酸/亚麻酸混合酸是主要组分，且含量基本相同，都在40%左右，因此最终确定样品3中的残留油脂为芝麻油。另外，学生在分析讨论陶片残留油脂组成的过程中，可以将陶片的考古背景融入分析中，特别是不同年代不同作物的种植分布，必须充分结合考古知识和GC结果才能得到更合理的分析结果。

2)交流与评价。

学生评价：

回望月余的准备工作，我们整个团队经历了从实验设计的一次次尝试，到比赛材料的精心规划制作，再到讲解、展示不断完善的完整科研过程。面对各个环节的不同挑战，唯有细心观察、勤加思考才能将其一一破解。在这样不断探索的过程中，我们不仅运用课堂中学到的理论知识分析实际情况、找出关键因素，还针对技术细节检索相关文献、不断对实验条件进行调整，最终解决了各种问题，在体验了宝贵的科研思维的同时更收获了同学、师生间团结协作的快乐。

同时，这一难得的完整科研过程也使一些我们日常学习与实验中的不足暴露出来。如对有机溶剂的性质不够了解，以致在实验条件的选取中走了很多弯路；没有探究更大试样用量时相应试剂的最佳剂量，而这在真实的科研工作中是需要被关注的。在未来的学习中，我们应当结合实验过程中遇到的问题，更加关注知识与实验的结合，获得对书本知识更深入的理解。同时，也希望我们精心设计的实验能够给对化学考古方向感兴趣的学生带来更多的灵感。

教师评价：

本实践活动的教师和学生都能以浓厚的兴趣和科学的态度参与本课题的探究活动。活动实施过程中，学生分工明确，同时注意团队协作，最大限度地调动了学生的参与积极度，使学生发自内心的学习，获得了理想的活动效果。在实践活动进行过程中，教师还应努力发现学生的闪光点，重视学生在学习过程中表现出来的态度和参与积极性，对于学生在活动过程中表现出的积极态度、独立看法以及付出的辛苦毫不吝啬地给予鼓励和认可。

该教学实验需提前准备好实验所用的浸油陶片，实验过程中要求学生独立完成油脂提取、酯交换反应、气相色谱分析等实验操作，旨在让学生完整模拟实际考古中陶片残留油脂分析检测的全过程。为了保证实验课的趣味性及多样性，实验过程中给每个实验班提供三种被未知油脂浸泡过的陶片样品，让学生通过严谨的化学实验，最终确定陶片中残留油脂的类型。该实验还可根据学生实际情况，将单组分油脂浸泡改为两种或多种混合油脂浸泡陶瓷片样品，从而增加学生计算分析多种混合油脂的过程，使此实践活动更加贴合实际的考古分析过程。

在具体实施过程中，教师要合理发挥自身的指导作用，不能采取讲解和告知为主要形式的教学模式，不可过度指导。同时，教师也要善于引导学生进行体验、探究，充分发挥学生的主体中心作用，将实践活动的主动权交给学生，保护好学生的探究精神和创新精神，激发学生学习的主动性和积极性。

该实践活动以考古为背景，探索学科交叉教学模式，将考古中常用的样品处理和分析检测融入基础化学实验教学中，学生通过模拟考古中陶片残留油脂的分析检测过程，获得样品准备、处理和气相色谱分析表征方法。通过本实验的学习，学生能了解化学分析测试手段在考古中的应用，并掌握仪器分析表征样品前的样品分离制备、衍生化方法，在学习气相色谱使用方法的基础上，进一步加强用化学检测手段来解释分析实际问题的能力，加强科研素养的培养。