高校實驗室大型儀器設備培訓方法探索

施燕琴，楊晉濤，陳 思，馬 猛，王 旭

（浙江工業大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州 310014）

科研項目的開展需要相關實驗平臺的支撐，因而，實驗平臺的水平是高校實力的一個重要標志。左鐵鏞院士提出高校實驗室作為培養創新人才的搖籃、科技創新的基地、社會服務的窗口，其地位是無法替代的[1-2]。

實驗平臺中的大型儀器設備是實驗平臺的核心所在[3-4]。大型儀器設備既可以服務于人才培養的教學工作，又可以服務于教師的科研工作。在教學過程中，通過講解、展示大型儀器設備，讓學生了解本專業最新的研究方法和研究手段，提高其專業認知和科研水平，提高學生培養質量。在科研過程中，學生和教師利用大型儀器設備完成科學研究工作，不僅進一步培養學生的動手能力和實踐操作能力，而且創造了更多的科研成果。

近幾年，國家和地方政府紛紛加大對高校的資金投入，國內高校也利用這個契機，購買大型儀器設備，建設實驗平臺[5]。因此，各高校大型儀器設備數量逐年增加，已超過了高校實驗室專職人員的管理能力[6]。

基于上述現狀，解決的主要方法是實驗室的開放式管理[7-9]，即實驗平臺儀器設備對學生開放使用，減輕實驗專職人員的工作壓力，提高儀器設備的利用率。一般的儀器設備使用流程是，首先通過儀器設備培訓，使學生掌握儀器設備操作方法[10]，并獲得預約權限后，再利用網絡平臺預約、使用儀器設備。浙江工業大學材料科學與工程學院在實驗室開放式管理和實驗室網絡建設方面走在了學校其他學院及測試平臺的前列，并發表了相關研究成果[11]。

這其中儀器設備培訓是實現實驗室開放式管理的核心環節。如果儀器設備培訓不到位，輕者會造成儀器設備使用壽命縮短，增加儀器維修率及維修成本，降低儀器設備精度等，嚴重的將造成儀器設備損壞甚至人員損傷。因此，良好的儀器設備培訓是支撐整個儀器設備平臺開放管理的基礎。

雖然目前對于儀器設備培訓的報道較多[12-15]，但如何提高培訓的效率和質量，仍是目前各高校實驗室積極探索的一個重要課題。本文總結了儀器設備培訓過程中容易產生的問題，并根據上述問題，結合我校材料科學與工程學院實驗中心具體情況，進一步完善培訓流程，并針對各培訓流程提出幾點注意事項，以提高各培訓環節質量，保證儀器設備的正常使用及其使用壽命，降低儀器設備和人員安全風險。

1 儀器設備培訓中存在的主要問題

作者根據多年在儀器設備培訓和管理方面的工作經驗及學生的反饋情況，對儀器培訓過程中容易出現的問題進行了總結，主要問題如下：

（1）儀器設備原理了解不透徹。學生只了解儀器設備的大概原理，而不能準確詳細地講述具體內容，即對原理的細節部分了解不夠深入。例如，學生了解全自動光學接觸角測量儀測量靜態接觸角的原理是將一定量的水滴，滴到樣品表面，通過拍攝照片后測量液滴與樣品的靜態接觸角，但為什么會有粗細不同的針，使用粗細不同的針需要重新標定放大倍數，這些細節完全不了解。導致學生隨便選擇一個針，且不進行標定，嚴重影響實驗數據的可靠性。

（2）儀器設備的構造不清楚。學生對儀器設備構造了解不清楚，極大地影響學生對實驗操作細節的把控，導致實驗數據存在一定的偏差，造成結果分析的困擾。例如，紫外-可見-近紅外分光光度計存在樣品和參比兩個光路。由于學生對樣品和參比兩個光路的具體位置不清楚，學生在測試薄膜或片狀樣品時，容易擋住參比光路，導致樣品測試透光率出現大于100%的異常現象。

（3）對危險性操作警惕性不高。學生對儀器設備操作步驟注意事項的警惕性不夠，存在明知不可為而為之的現象。例如，在使用雙螺桿擠出時，雖在培訓過程中多次強調，需要采用較長塑料棒去撥料斗中的殘留料，不可用螺絲刀等金屬工具，避免損傷螺桿或夾手，但還是有學生在考試時明知如何操作，卻依然在實驗過程中存在僥幸心理，使用螺絲刀去撥物料的現象。

（4）儀器設備測試數據處理能力欠缺。多數學生只看表面現象，不會對數據進一步處理，以獲取更多的樣品信息。例如，學生對測試的傅里葉紅外光譜曲線，掌握了簡單的單組分譜庫檢索功能，但對于多組分的樣品，則不知如何分析，只能說這個樣品中包含了哪些基團，但不能得出可能有哪幾種物質組成。

（5）學生對培訓的目的認知存在誤區。對大部分學生來說，參加儀器培訓的動機主要是獲得儀器的預約使用權限，僅此而已，而沒有從主觀上出發，想要了解這臺儀器設備的原理、構造、使用方法和應用，為后續自己的科研提供幫助和指導。因此，學生處于走過場的狀態，求知積極性不高，普遍認為只要會開關機、操作設備即學會了。這個問題是前4個問題發生的根源。

2 完善培訓模塊

針對上述問題，根據已有的培訓流程（理論培訓—操作培訓—上機考試），進一步細化培訓流程，完善各培訓模塊內容，減少上述問題的發生。設計并完善后的培訓流程如下：

2.1 培訓前思想工作會議

此環節是對儀器培訓流程、考核制度、培訓目的、懲罰制度等進行全面介紹，目的在于端正學生對儀器設備培訓的認知和態度，使學生意識到培訓不僅僅是走個過場，培訓好壞對其今后科研工作具有重要的影響。 此環節在新生入校后可統一進行，在儀器設備培訓前開展。在具體某個儀器設備理論培訓時，可針對設備再簡單強調一下。

2.2 儀器設備基本原理和應用理論培訓

在本科或研究生階段，大部分的學生已學習過測試設備的相關理論知識，但這些理論知識由于沒有得到實際的應用而部分遺忘，因此需要就具體某個儀器設備的基本原理進行詳細介紹，為后續實踐操作奠定理論基礎。而儀器設備在科研方面的應用狀況，是目前有科研任務的學生最感興趣的內容，也是與其今后的科研工作密切相關的，因此，對此部分內容的介紹有助于學生了解儀器設備的不同功能，在今后科研工作中加以利用，進而開發儀器設備的功能，并提高儀器設備利用率及產出。

2.3 儀器設備構造、測試過程現場講解

在理論培訓后，在相關大型儀器設備使用前現場講解該儀器的構造及每部分的功能，并結合理論原理講解儀器設備操作過程，將理論與實踐相結合，使學生更好地理解和掌握儀器設備的操作過程，且不易忘記。同時，針對操作上具有特殊性的樣品進行單獨講解并說明緣由。

2.4 儀器設備原理、操作理論考試

為了檢查學生對理論知識的掌握情況，對儀器設備的原理、操作進行理論考試，在理論考試合格的前提下，才能進入下一個環節的現場操作考試，以減少由于強化操作及操作考試過程中因不當操作造成儀器設備的損壞情況。

2.5 強化儀器設備操作方法

單純依靠在有限時間內的上機操作培訓和理論考試，無法讓學生較為熟練地掌握儀器設備的操作方法，因此，需要額外開放機時，在儀器管理員監督下，學生操作儀器設備。同時相互溝通交流，進一步解決學生使用設備過程中存在的困惑，幫助學生進一步鞏固知識點和操作方法。

2.6 現場操作考試

在通過了上述儀器設備原理、操作理論知識和實踐操作技能考試的前提下，采用問題式考試方式，即要測試某個樣品的某個性能，應如何選擇實驗方法和實驗參數，并操作完成。以達到測試學生是否掌握了所學知識，是否可以舉一反三。

3 培訓注意事項

根據上述培訓模塊的設定及作者在培訓過程中的經驗，在大型儀器設備培訓過程中特別需要注意如下事項：

3.1 “案例式”教育

要實現從思想上端正學生對培訓的認知和態度，僅靠反復強調培訓的重要性，對學生作用不大。因此，需要從實際案例出發，強調具體知識點掌握不到位對后續實驗可能產生的后果。讓學生從實際案例中體會培訓的重要性及對今后科研工作的助益，進而認真對待整個培訓，完成從“被動”到“主動”的思想轉變。

3.2 應用和原理相互穿插的理論培訓

在理論培訓過程中抓住學生的興趣點，即該儀器設備的應用。理論培訓過程中，首先介紹儀器設備原理，然后對該儀器設備的應用進行詳細介紹，在應用介紹過程中穿插原理介紹，進一步強化學生對原理的理解，實現原理和應用的相互促進，使學生在理論層面充分掌握儀器設備的原理和應用。

此外，對儀器設備在不同應用領域的測試結果需要著重介紹，而不是簡單地介紹說可以應用在某個方面。根據前期調研結果，列舉各課題組不同樣品在該設備上的測試結果，并告知如何分析該結果，可以得到哪些信息，實現理論和實際應用的結合，讓整個理論培訓更為充實。

3.3 一般和特殊相結合的上機操作培訓

傳統的上機操作培訓主要是介紹儀器設備的部件及一般的操作方法。但由于樣品不同，產生的測試結果也會不一致，需要根據實際樣品對測試方法進行略微調整，得到更加準確的測試結果。因此，基于前期調研結果，根據不同課題組的樣品特性，在一般測試方法的基礎上，讓學生從理論和操作上掌握如何調整不同樣品的測試方法，實現一般和特殊相結合的上機操作培訓。

3.4 自主強化操作

任何知識的學習只有不斷地實踐才能更好地內化，因此，在理論和上機操作培訓后，應給予學生充分的機會進行上機操作，在熟悉操作步驟的同時，更好地理解設備原理及不同樣品測試方法的調整手段。為了實現上述目標，管理員開放一定的機時，在管理員的監督下，學生根據自己的掌握情況，自主選擇是否需要上機強化操作。在此過程中與儀器設備管理員進一步溝通，在實踐過程中實現理論與實踐相結合，深入了解儀器設備基本原理及測試方法。

3.5 “實戰式”現場考試

在現場操作考試中，避免采用傳統的“一套卷”考試模式，即所有考生的考試試題是一樣的。在現場考試過程中，采用“多套卷”的“實戰式”考試模式，即告訴考生我有一個某某樣品，現在想要測試它的某某性能，如何實現。并根據儀器設備功能，設計多道試題，在考試過程中隨機抽取。通過上述模式的考試過程，可以充分考查考生對儀器設備原理和操作的掌握情況，避免了死記硬背的答題模式，有利于促進學生對儀器設備功能的全方位掌握。

4 成效

基于儀器設備培訓中存在的問題，采用完善后的培訓流程及培訓注意事項，在我校材料科學與工程學院實施所述大型儀器設備培訓方法，取得了良好的成果。

4.1 培訓合格率

采用該培訓方法，利用現有的網絡技術平臺，2018年已培訓學生146人次，考試合格學生為131人次，考核合格率為89.7%，充分體現了該培訓方法的優勢。

4.2 培訓機時和培訓人數

基于學生對儀器設備原理、操作等的深入理解和良好掌握，平臺各大型儀器設備利用率較高，2017年部分儀器服務人數和服務機時如表1所示。

4.3 對科研和學生培養的支撐

材料科學與工程學院教師利用學院實驗中心平臺，2017年獲立項國家優秀青年科學基金1項、面上項目2項、青年科學基金4項；浙江省自然科學基金一般項目4項。新立項橫向項目55項，發表高水平SCI學術論文119篇。2018屆畢業碩士研究生60名，博士研究生4名。上述成績，充分體現了學院實驗中心平臺在學院發展中起到的重要支撐作用。而所述大型儀器設備培訓方法在這個過程中起到了重要作用。

表12017年部分儀器設備服務人數和服務機時

5 結語

作者基于多年在大型儀器培訓方面的工作經驗，對目前一般大型儀器培訓流程中存在的問題進行了總結。根據問題進一步完善培訓流程，并提出了幾點注意事項。采用所述培訓方法，在我校材料科學與工程學院實驗中心實施。實施結果表明所述培訓方法具有較高的培訓合格率，進一步提高了大型儀器設備的利用率，同時對教師科研、學生培養起到了重要的支撐作用。因此，所述大型儀器設備培訓方法具有良好的實際應用及參考價值。