化學實驗中心大型儀器開放共享模式研究與探索

王獻玲, 靳 明, 曹麗麗, 閏明濤, 徐建中

(河北大學 化學與環(huán)境科學學院 化學國家級實驗教學示范中心, 河北 保定 071002)

高等學校大型儀器共享平臺在學?？萍及l(fā)展和人才培養(yǎng)工作中具有重要地位,大型儀器作為一種優(yōu)質(zhì)的科研、教學資源,幫助學生掌握先進的技術(shù)手段,培養(yǎng)學生的研究與創(chuàng)新能力,是進行高水平實驗教學與科學研究的重要支撐,也是高校辦學實力與科研水平的重要標志[1]。

河北大學國家級化學實驗教學示范中心(以下簡稱實驗中心)共開設48門實驗課程,495個實驗項目,主要承擔化學與環(huán)境科學學院、藥學院、生命科學學院等12個本科專業(yè)的實驗教學工作、研究與創(chuàng)新實驗、化學競賽、科研和社會服務的開放任務。目前實驗中心用于儀器建設的投入已經(jīng)超過4 500千多萬元。實驗中心除了完成本科實驗教學任務外,還積極探索大型儀器如何更好地為本科生、研究生的科研服務,更好地實現(xiàn)全面開放共享這一目標。

大型儀器使用運行效率是反映儀器設備工作狀態(tài)及生產(chǎn)效率的技術(shù)經(jīng)濟指標,用于衡量儀器設備是否達到充分利用[2-3]。實驗中心通過開展新型教學模式,降低大型儀器使用門檻；構(gòu)建信息化的大型儀器共享平臺,實行儀器信息透明化；制定完善的大型儀器管理條例；加強儀器管理隊伍的建設等一系列措施來促成實驗中心大型儀器的開放共享。

1 實施“三步走”教學模式,使大型儀器“平民化”

大型儀器尤其精密儀器大多數(shù)量有限,價格昂貴,結(jié)構(gòu)原理復雜,對操作者的技能要求高,一直以來使用門檻比較高,限制了學生接觸操作大型儀器的次數(shù)。另外,由于大型儀器理論知識學習與實踐操作上存在“時差”,造成了很多學生對大型儀器知識的遺忘或者掌握程度不夠,在實際用到大型儀器時手足無措。針對這一現(xiàn)象,我們開發(fā)并實施了大型儀器 “三步走”的教學模式,通過階梯式教學，有針對性地強化學生對大型儀器的掌握與熟練程度。

第一步,在大型儀器理論知識學習階段,增設儀器現(xiàn)場教學課時。面向?qū)W生開設儀器分析課程,學習大型儀器的設計思路、工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、測試方法以及結(jié)果分析等基礎知識,幫助學生建立大型儀器的初步概念。同時增設儀器現(xiàn)場教學課時,教師帶領學生到大型儀器實驗室進行現(xiàn)場教學。在實物對照下加深學生對儀器部件組成、測試路徑的認識。觀摩大型儀器的實際操作,學習測試樣品的預處理方法以及對測試結(jié)果或譜圖的解析等。理論與現(xiàn)場實際相貫穿教學,增加了學習的生動性與趣味性。

第二步,在本科化學實驗課程中穿插大型儀器教學,實驗內(nèi)容設計匹配大型儀器操作，加深學生對大型儀器設備的技能儲備?；瘜W是一門實驗性學科,實驗的過程就是鍛煉學生實驗技能,夯實理論基礎和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的過程。大型儀器作為現(xiàn)代化的表征手段和檢驗工具,幫助學生了解最前沿的科學技術(shù)和檢測手段,在本科實驗教學中起到重要作用。實驗中心非常重視大型儀器在本科實驗中的應用,將實驗課時設置為普通實驗操作和大型儀器應用兩部分。學生由于實驗項目需求而對學習大型儀器充滿期待,教師會在實驗過程中切入大型儀器的知識講解與系統(tǒng)性培訓,示范并指導學生獨立完成大型儀器的調(diào)試、測試條件設置、實驗制備樣品的預處理及樣品檢測(表征)等一系列操作。結(jié)合實驗教學,將“求”與“學”理念融入其中,增加了大型儀器在本科實驗中的教學成效,豐富了實驗內(nèi)容的同時,加深了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

第三步,定期開展多種形式的大型儀器培訓活動。主要對學生的本科畢業(yè)設計、研究創(chuàng)新型項目、實驗室開放項目、研究生課題研究等提供服務,根據(jù)學生對儀器的使用情況與知識的掌握程度展開培訓。培訓形式靈活多變,可以通過現(xiàn)場培訓、錄制微視頻、儀器講座以及通過論壇或交流群等現(xiàn)代化通訊手段實現(xiàn)大型儀器的學習與溝通。學生可根據(jù)自身學習需要報名參加儀器培訓,由大型儀器技術(shù)人員現(xiàn)場講解儀器的基本知識、操作要求、操作流程、注意事項等內(nèi)容,期間學生可就自己課題與技術(shù)人員展開細節(jié)討論。培訓后對學生進行單獨上機操作考核,學生考核合格后取得大型儀器使用資格。同時,新增了大型儀器微視頻教學,這種直觀的教學模式具有便捷、有針對性、富于感染力的優(yōu)勢,且拷貝容易,方便隨時學習和廣泛傳播。此外還通過論壇或交流群進行答疑與溝通,方便查漏補缺,隨時跟蹤收集大型儀器使用后的反饋問題。

大型儀器“三步走”教學以學生學習的發(fā)展階段為依據(jù)進行階梯式教學,不斷強化學生對大型儀器的理解與操作能力。消除了大型儀器門檻高,操作難等短板,真正實現(xiàn)大型儀器“平民化”。大型儀器全方位、覆蓋式教學自實施以來效果顯著,在實驗中心大型儀器的助力下,我院學生代表于河北省2017年第二屆大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育年會中斬獲“特等獎”1項,二等獎1項；2017年河北省 “挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽中取得特等獎2項、一等獎1項、二等獎2項的優(yōu)異成績。

2 構(gòu)建信息化共享平臺,實現(xiàn)大型儀器“服務化”

近年來,在“中西部高校提升綜合實力工程”、河北省“雙一流”高校建設的推動下,實驗中心大型儀器的數(shù)量、種類、質(zhì)量均得到了顯著提升,為培養(yǎng)學生的實驗創(chuàng)新技能提供了強有力的支撐。但是也面臨著大型儀器在教學之余長時間的閑置,機器的年運轉(zhuǎn)時數(shù)低；而科研平臺的大型儀器由于承擔著繁重的測試任務,常處于超負荷運轉(zhuǎn)的局面。儀器資源的不合理配置,歸根結(jié)底是大型儀器信息開放程度不夠,難以實現(xiàn)儀器資源的全面共享。

“互聯(lián)網(wǎng)+”概念推動了信息化手段的發(fā)展,利用信息化和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)大型儀器網(wǎng)絡化管理,加速了大型儀器共享平臺的融合與創(chuàng)新[4-6]。我院于2013年開始建設“大型儀器共享平臺”,用于提升我院的綜合科研能力。自建立起,一直利用現(xiàn)代信息技術(shù)對大型儀器進行統(tǒng)一管理,有機調(diào)配,實現(xiàn)了儀器資源的優(yōu)化配置。該平臺多年的運行經(jīng)驗為實驗中心大型儀器開放共享提供了良好的借鑒。利用現(xiàn)代化的信息工具,將實驗中心大型儀器統(tǒng)一納入“大型儀器信息管理系統(tǒng)”,實行儀器信息公開化,儀器使用透明化管理,充分展現(xiàn)大型儀器的共享特性。一方面可以避免儀器設備的重復購置而造成浪費,實現(xiàn)資源的合理化配置。另一方面,通過分流可改善科研上長期“擁堵高峰”,而教學上“門可羅雀”的兩種懸殊局面。學生登入大型儀器共享管理系統(tǒng)可進行信息檢索、查詢所有儀器的使用參數(shù)、管理人員聯(lián)系方式、存放位置等相關信息；還能夠監(jiān)測當下儀器的工作狀態(tài)、使用者姓名、使用時長等信息,可結(jié)合自身需求與儀器使用情況進行網(wǎng)上預約；學生可在管理平臺下載儀器使用說明、注意事項等文件或視頻進行自學,也可報名參加定期舉辦的現(xiàn)場培訓。智能化、信息化的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺為學生提供大型儀器查詢、學習、預約、反饋的一站式服務,充分發(fā)掘了實驗中心優(yōu)質(zhì)大型儀器在教學與科研創(chuàng)新中的服務特性。

3 制定完善的管理制度,使用大型儀器“規(guī)范化”

大型儀器開放應規(guī)范化、科學化、程序化,必須制定完善的大型儀器管理制度與運行機制[7]。為建立完善的大型儀器管理體系，我校先后制定了“河北大學貴重儀器設備管理辦法 ”“河北大學大型儀器設備面向本科生開放管理辦法”等文件,規(guī)范了大型儀器 “統(tǒng)一領導、歸口管理、分級負責、責任到人”的管理原則,做到合理配置、有效整合、開放共享、科學使用,提高大型儀器設備的使用效益。要求大型儀器設備面向所有本科生開放,并定期開展大型儀器設備使用培訓、知識講座；大型儀器設備支持創(chuàng)新訓練和科研實踐等學生自主利用儀器設備進行的實踐活動,為大型儀器充分服務于全校師生提供了有力保障。

實驗中心大型儀器作為實驗室優(yōu)質(zhì)資源在確保圓滿完成本科生教學的任務后,應充分發(fā)揮服務全校師生的價值。為了保證大型儀器的正常運轉(zhuǎn),實現(xiàn)大型儀器的全面共享開放式服務,實驗中心制定了相應的大型儀器開放管理制度,以“制度”促發(fā)展,建立了一種大型儀器可持續(xù)性發(fā)展模式。

3.1 執(zhí)行預約制,填寫實驗中心儀器借用申請

實驗中心大型儀器承擔本科生實驗教學任務,同時兼顧學生的創(chuàng)新實踐與科學研究,大型儀器使用預約制可以做到對教學科研的合理統(tǒng)籌。儀器管理人員可根據(jù)本學期大型儀器的教學使用情況提前做出計劃,并將教學安排發(fā)布在大型儀器信息管理系統(tǒng)上,學生可根據(jù)系統(tǒng)信息進行儀器預約。此外,為了大型儀器的使用更加規(guī)范化,確保學生在操作儀器時保持端正謹慎的態(tài)度,實驗中心要求使用人必須辦理借用手續(xù),填寫“河北大學化學與環(huán)境科學學院實驗中心儀器借用憑證”。使用人要做到認真閱讀注意事項,遵守實驗室行為守則、正確操作大型儀器、維護實驗室的環(huán)境衛(wèi)生、確保實驗室安全等,如出現(xiàn)惡意損壞、丟失儀器或配件等行為將被納入大型儀器“黑名單”并接受相應的處罰。預約制與借用制規(guī)范了實驗中心大型儀器的共享模式,維持了大型儀器健康良好的使用秩序。這樣既保證了實驗教學質(zhì)量,又實現(xiàn)了實驗中心大型儀器的高效運轉(zhuǎn)。

3.2 實行大型儀器“專人專管”制

學校設立專門的大型儀器管理技術(shù)崗位,實行大型儀器“專人專管”,并執(zhí)行專門的考核和績效獎勵制度。大型儀器具有精密度高,結(jié)構(gòu)復雜,操作技能性強等特點,因此要完成大型儀器的分析測試、功能技術(shù)開發(fā)、儀器設備優(yōu)化與維護、日常培訓等工作,對儀器管理人員的知識水平與專業(yè)素質(zhì)都有較高的要求。目前,美國、日本等一些發(fā)達國家的高校已經(jīng)實現(xiàn)了大型儀器專人管理制,高薪聘請學歷層次高,專業(yè)技術(shù)精湛的人才負責大型儀器的日常運行與維護、師生技術(shù)培訓和開放式服務等,大幅提升了大型儀器于教學科研的服務質(zhì)量[8]。實驗中心要求大型儀器技術(shù)人員全程參與大型儀器的安裝、調(diào)試、檢測及工程師培訓等一系列工作。負責儀器專用資料和配件的保管、耗材的購置；熟練掌握儀器的使用、性能維護并承擔大型儀器的培訓任務；統(tǒng)計并處理儀器使用問題反饋；負責大型儀器日常開放工作等,切實做到大型儀器“好時常運轉(zhuǎn),用時有指導,壞了及時修”。“專人專管”還方便技術(shù)人員與工程師溝通,有利于遠程指導簡單維修、操作系統(tǒng)更新、儀器新功能拓展等工作的展開,大大降低了大型儀器的損壞率,延長了使用壽命,提高了服務質(zhì)量。

3.3 建立大型儀器績效考核與獎勵機制

完善的大型儀器績效考核與獎勵機制對提高大型儀器使用率、提高本科實驗教學水平和深化實驗室機制改革都有重要的意義[9]。為加強大型儀器管理,提高大型儀器設備的使用效益,根據(jù)“河北大學貴重儀器設備年度使用效益考核辦法”對大型儀器設備進行年度使用效益考核。考核對象為單價或成套價20萬元以上,建賬超過一年的大型儀器。考核分為三步：(1)儀器管理人員自查。技術(shù)人員對儀器進行年度工作運行總結(jié),如服務實驗教學人數(shù)、科研項目的科研成果、測試樣品數(shù)目以及服務科研成果等；填寫“河北大學教學類貴重儀器設備年度使用效益考核表”。(2)學院考核。學院依據(jù)儀器的管理情況、運行時數(shù)、樣品測試數(shù)目、服務項目人才培養(yǎng)、功能開發(fā)及設備完好率等核算大型儀器效益考核分數(shù)。(3)學校考核。由學校聘請相關專家組成核查組,對學院考核情況進行檢查核實,對各院大型儀器年度使用效益情況給予評價并于網(wǎng)上進行公布。對于使用效益突出的機組給予適當?shù)莫剟?突出大型儀器管理正向激勵作用,實現(xiàn)大型儀器績效考核獎勵與大型儀器日常開放運行的良性循環(huán)。

3.4 落實有償使用,實現(xiàn)大型儀器可持續(xù)性發(fā)展

合理、科學制訂大型儀器共享設備計劃會帶來投資后的經(jīng)濟效益,合理使用創(chuàng)收效益不僅能延長共享大型儀器設備使用壽命,還對全局共享計劃的制訂有著深遠的意義[10-11]。實驗中心大型儀器采用有償服務的模式,以儀器的價值、操作難易程度、測試時間、耗材及維護經(jīng)費等為依據(jù)合理制定大型儀器收費標準。對實驗中心本科生實驗提供無償服務,并確保實驗教學高質(zhì)量完成,而對其他形式的師生開放則按照收費標準收取適當?shù)馁M用。落實大型儀器無償與有償相結(jié)合使用制度,體現(xiàn)了資源共享的公平與透明,約束廣大師生規(guī)范使用大型儀器,避免了對大型儀器資源的私自占有和無限制使用。所收取費用成立大型儀器專項基金,用作購買儀器配件耗材和儀器維修,或作為優(yōu)秀實驗人員的獎勵績效經(jīng)費,可提高中心儀器的工作效能,實現(xiàn)大型儀器可持續(xù)性發(fā)展。

4 重視管理人才培養(yǎng),使大型儀器管理“專業(yè)化”

高校購置高端精密的大型儀器,對管理人員的素質(zhì)、技能及服務水平提出了更高的要求。只有構(gòu)建一支素質(zhì)高、技術(shù)精湛、結(jié)構(gòu)合理又有服務意識和奉獻精神的實驗技術(shù)隊伍,才能使大型儀器設備的使用水平得到提高,功能得以開發(fā)和拓展,維護維修工作得到保證,教學、科研的水平才能隨之得到提高[12-13]。近年來,實驗中心非常重視實驗技術(shù)隊伍的建設,特別是將大型儀器管理團隊作為大型儀器共享平臺建設的重要部分，專門成立了分析儀器設備管理團隊,負責原子吸收光譜、高效液相、紅外紫外、熒光、氣質(zhì)聯(lián)用、TOC、BET等大型儀器設備的運行管理,實行實驗中心大型儀器綜合化、專業(yè)化管理模式。在人才隊伍培養(yǎng)中堅持做到如下工作：

(1) 堅持“引進來,走出去”原則 ,提高管理人員的專業(yè)素質(zhì)。設立專門的大型儀器技術(shù)崗位,提高技術(shù)人員準入標準,對于管理人員的學歷、技能等提出更高的要求。嚴格設置招聘流程,對儀器的日常管理與實踐技能著重考查,經(jīng)過“筆試、面試+復試”層層篩選確定最終人選。新入職的青年教師要由老教師帶領,實行為期一年的1+1幫帶實習,幫助新人熟悉業(yè)務,盡快適應并投入到工作崗位中。除了將優(yōu)秀人才“引進來”,學院還鼓勵青年教師“走出去”,到更廣闊的環(huán)境學習深造,提高水平。學院設立了大型儀器專用基金支持中心技術(shù)人員外出參加大型儀器交流培訓,開拓視野,學習更先進、更便捷、更專業(yè)的檢測手段,了解儀器最新的發(fā)展狀況,積極探索大型儀器功能拓展以及性能優(yōu)化,不斷提升大型儀器的管理理念與水平,進一步推動了實驗中心大型儀器開放共享工作進展。

(2) “以需促建”鼓勵大型儀器功能研發(fā)與自制儀器項目。充分發(fā)揮儀器技術(shù)人員的自身優(yōu)勢,激勵大型儀器功能拓展與自制新型儀器項目。2017年,實驗中心獲得河北大學立項的自制儀器研發(fā)項目共7項,其中由實驗中心技術(shù)員主持研發(fā)了“紅外光譜實驗室安全智能系統(tǒng)”，用于實現(xiàn)大型儀器的自動控制、遠程控制和實驗室安全預警,系統(tǒng)模塊可感應室內(nèi)濕度、溫度與煙信號并控制除濕機開關,一旦出現(xiàn)異常即會馬上發(fā)出報警,確保了儀器工作環(huán)境的穩(wěn)定與安全。另外,自制的“紅外樣品穿梭器”可以同時放入背景和樣品,通過控制背景和樣品架在測試倉中的位置,在不打開樣品倉的條件下進行測試,從而有效排除空氣中水汽和二氧化碳對樣品光譜的干擾,提高了紅外測試結(jié)果的精準度。中心以需求促發(fā)展,實現(xiàn)產(chǎn)學研相結(jié)合,推動了大型儀器的研發(fā)工作；也提高了技術(shù)人員內(nèi)涵修養(yǎng),促成了技術(shù)人員由“熟練工”向“骨干精英”的質(zhì)變。

5 結(jié)語

實現(xiàn)化學實驗中心大型儀器的開放共享對于人才培養(yǎng)、科研創(chuàng)新以及綜合辦學水平的提升有著非常重要的意義,是機遇同時也面臨著各種挑戰(zhàn)。河北大學化學實驗中心在實現(xiàn)大型儀器設備開放共享的道路上前進了一步，還需要不斷地完善與創(chuàng)新,積極探索出更適應現(xiàn)代高校發(fā)展實情的開放模式。