雙一流背景下化學實驗中心的建設(shè)與實踐

熊 輝， 高曉莉， 郭雯霽， 秦超然， 付世濤， 龔躍法

（華中科技大學化學與化工學院化學實驗中心，武漢 430074）

0 引 言

教育興則國家興，教育強則國家強；建設(shè)教育強國，龍頭是高等教育［1］。公共實驗平臺是高校科研和教學的重要支撐；如何在＂雙一流＂建設(shè)的機遇下，以把握學科建設(shè)內(nèi)涵為導向，深化資源配置綜合改革，高效發(fā)揮平臺的服務保障作用，使之成為支撐學科發(fā)展、人才引進、科學研究、人才培養(yǎng)及社會服務窗口，是平臺建設(shè)面臨的普遍問題［2-5］。化學作為一門實驗性基礎(chǔ)科學，是一流學科建設(shè)的重要基礎(chǔ)和條件［6-8］。在“雙一流”建設(shè)背景下，學院所屬的實驗技術(shù)平臺建設(shè)和運行也進入了一個全新的發(fā)展階段。

1 發(fā)展歷程

秉承“明德厚學，求是創(chuàng)新”的校訓和“砥德礪行，格物致新”的院訓，“化學實驗中心”自2005 年10 月成立以來，心懷雙一流發(fā)展全局，牢記立德樹人初心，和衷共濟、行穩(wěn)致遠。入選強基計劃試點、基礎(chǔ)學科拔尖學生培養(yǎng)計劃2.0 基地和國家級一流本科專業(yè)（化學），推動化學實驗教學和大型儀器測試平臺內(nèi)涵式并行發(fā)展，為教學科研服務，為科普宣傳服務，為人才培養(yǎng)服務。化學實驗中心由化學實驗室、化工實驗室、同濟校區(qū)實驗室及分析測試共享平臺組成，2008 年評為湖北省化學實驗教學示范中心。中心以加強基礎(chǔ)、注重能力、引導創(chuàng)新為指導思想，確立了一體化、多層次、開放式的實驗課程體系，實施實驗教學和實驗室管理一體化、分級式的運行模式，遵循“制度化、規(guī)范化、專業(yè)化、科學化”的原則，為實驗教學開展和科研測試服務提供有力保障，強化學生知識、能力和素質(zhì)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展。在學校的支持下打造了一支政治堅定、作風頑強、業(yè)務精湛、結(jié)構(gòu)合理、充滿活力的高素質(zhì)實驗技術(shù)隊伍（在編人員22 人，其中高級工程師7 人，擁有博士學位5 人，博士后經(jīng)歷3 人，45 歲以內(nèi)占比50%其中30 歲以內(nèi)6 人）。依據(jù)專業(yè)特點對實驗教師結(jié)構(gòu)進行整合，設(shè)置5 個實驗教學課程組，每年面向化學、材料、醫(yī)學、生命、環(huán)境、航天等學科專業(yè)開設(shè)實驗項目232 個、2 300 學時，惠及學生人數(shù)達3 000 人，總數(shù)近24 萬人時／年。入選湖北省科技創(chuàng)新券服務機構(gòu)，依托大儀共享平臺的測試用戶涉及校外20 多個單位，涵蓋校內(nèi)30 多個院系，年測試收入200 萬元以上，2022年度測試服務機時達35 900 h。發(fā)揮了開放共享的社會服務功能，成為學校創(chuàng)新能力培養(yǎng)和開放共享服務的重要基地。

2 建設(shè)與實踐

2.1 推進基礎(chǔ)條件更新助力基礎(chǔ)學科快跑

俗話說巧婦難為無米之炊，在聚力實驗技術(shù)隊伍提升“軟實力”的同時，要做到統(tǒng)籌兼顧，持續(xù)更新改造實驗室，助推我校化學學科快跑。學校歷來十分重視化學實驗中心的基礎(chǔ)教學實驗室條件建設(shè)并給予大力支持，以“爭創(chuàng)世界一流大學，培養(yǎng)六卓越一拔尖人才”為總抓手，加強公共基礎(chǔ)實驗建設(shè)，以“從無到有，不破不立，從規(guī)范中抓提升、提升中抓創(chuàng)新”的工作思路，進一步提升化學基礎(chǔ)學科的競爭力，持續(xù)擴大化學學科在全國高校化學專業(yè)中的影響力和號召力。近5年每年投入200 萬元，用于設(shè)備更新和購置，投入100萬元用于安全及環(huán)境改造；建設(shè)了污水處理系統(tǒng)，改造了通風系統(tǒng)，增加了尾氣處理裝置，更新了廢棄物暫存柜，購置了PP藥品柜，部署了監(jiān)控門禁考勤和實驗室智能可視化管理系統(tǒng)。中心硬件條件不斷提升，安全環(huán)境極大改善，助力我校化學學科新一輪評估更上一層樓，ESI排名73／1734，進入前千分之0.421。

化學實驗中心主持編寫校級立項教材“化學實驗室安全與規(guī)范”［9］，制定實驗室“定制化”安全準入及“定量化”動態(tài)管理方案，定期對實驗室進行全面自查，做到防患于未然，檢查實驗設(shè)備安全，排查實驗室安全隱患，發(fā)現(xiàn)問題及時整改上報。危險源附近放置消防器材并粘貼安全警示標識，每個層樓走廊放置應急用品柜（內(nèi)置防毒面具、消防沙箱、滅火毯、安全頭盔、衛(wèi)生消毒用品、急救包），每個實驗室配備安全手冊和檢查記錄本以及防護服、防護眼鏡、防護手套和防護口罩等必要的防護用品等。本著服務學生的原則，在洗手池下安裝小廚寶提供熱水；在每個教學實驗室安裝觸控大屏一體機實現(xiàn)教學信息在不同實驗室之間同屏互傳；提供刷卡存包柜方便學生個人物品存取。不斷提升實驗室教學條件，強化實驗室安全措施（見圖1）。

2.2 深化實驗教學改革打造實驗高效課堂

中心以學校發(fā)展總體目標為指導，對標國內(nèi)一流化學實驗教學中心，明確實驗中心在化學教學和學科發(fā)展中的重要作用［10-11］，更新教學理念，以人才培養(yǎng)為核心，以學科發(fā)展為動力，深化實驗教學改革，建設(shè)具有華中大特色的化學實驗教學體系，打造實驗教學新生態(tài)。2016 ～2022 年中心教師完善實驗教學體系，申報省級以上教改項目12 個，校級教改項目12 個，深入探索并全面制定了化學專業(yè)及拔尖人才的教學大綱；結(jié)合教師科研方向新增一系列研究設(shè)計性實驗，實現(xiàn)了科研反哺教學，與當今科研前沿接軌；出版了一系列基礎(chǔ)化學實驗教材［12］，深入推動本科教學改革，相關(guān)成果獲省級教學成果一等獎。

2.2.1 實驗教學內(nèi)容改革

隨著實驗教學和科學技術(shù)的發(fā)展，實驗課程的教學任務已經(jīng)不僅僅是讓學生驗證基礎(chǔ)知識和理論，學習相應的實驗方法和技術(shù)，更重要的是讓學生通過實踐再現(xiàn)知識的創(chuàng)造過程，訓練其科學思維并培養(yǎng)相應的創(chuàng)新意識和能力［13-14］。物理化學實驗室近年開設(shè)了10 個創(chuàng)新性設(shè)計實驗，這些實驗在保證實驗安全的前提下從實驗步驟設(shè)計、準備、數(shù)據(jù)處理到PPT 答辯總結(jié)都由學生小組查閱文獻資料獨立完成，培養(yǎng)學生以科研的態(tài)度進行學習。每年服務于化學、材料、醫(yī)學、生命等專業(yè)近千人，總數(shù)為4 萬人時／年（見圖2）。

圖2 物理化學實驗教學

設(shè)計實驗的引入雖然能夠提高學生的科學思維和創(chuàng)新能力，但僅靠此還不夠，中心嘗試在驗證性實驗的基礎(chǔ)上根據(jù)不同專業(yè)的特點與學科前沿相結(jié)合加入與實際應用接軌的實驗［15］。例如針對化學專業(yè)的學生增加熱力學動力學方面的實驗，醫(yī)學專業(yè)增加滲透壓測定的實驗，材料專業(yè)側(cè)重熱重等性能測試實驗。同時滲透融合綠色環(huán)保理念對現(xiàn)有實驗教學內(nèi)容進行改進［16］，在實驗中采用低毒或無毒化學品替代高毒性試劑，優(yōu)化實驗溶劑體系，大幅減少了化學試劑用量。

2.2.2 實驗教學方法改革

實驗教學改革是一個系統(tǒng)工程，不僅要專注實驗教學內(nèi)容改革，也要注重實驗教學方法改革［17-18］。中心改進并豐富實驗教學方法與手段，引入?yún)f(xié)同性教學方法，讓學生采用合作式、探究式學習模式，注重培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和思維能力。通過實驗方法改革，增強了化學實驗課程的趣味性、針對性和實效性。如新開放的無機化學實驗“碳酸鋇晶體的制備與晶形觀察”，可將微觀下美麗的晶體通過顯微鏡直觀地展示在學生面前，展現(xiàn)了化學之美，得到了學生的一致好評，增強了學生對化學的興趣。

積極引入多媒體輔助教學模式，利用虛擬仿真技術(shù)等現(xiàn)代化實驗教學手段，將實驗課程內(nèi)容生動形象直觀地展示在學生面前，豐富實驗教學內(nèi)容、方式和途徑，激發(fā)學生對實驗課的興趣，提高實驗教學的效果。疫情特殊時期，中心特事特辦，快速調(diào)整教學模式，開設(shè)實驗視頻網(wǎng)課及虛擬仿真實驗。申報教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目2 個，結(jié)合智慧實驗室管理系統(tǒng)完成省級虛擬仿真項目建設(shè)［19］，實現(xiàn)以學生為中心的線上與線下實驗相結(jié)合的互動式混合教學，進一步深化了媒體技術(shù)與實驗教學相融合，推動了人才培養(yǎng)與實驗創(chuàng)新有機結(jié)合。

2.2.3 強化實驗技術(shù)隊伍建設(shè)

實驗教學改革能深入持久，實驗技術(shù)隊伍的管理與建設(shè)至關(guān)重要［20］。在本科生院、實驗室與設(shè)備處及學院領(lǐng)導的多方支持下，中心完善并實施“化學實驗中心考核管理辦法”，建立切實有效的獎勵和評價機制，激發(fā)實驗中心全體人員的工作積極性。推動實驗技術(shù)隊伍內(nèi)部崗位流動，實現(xiàn)一專多能、一崗多責，依靠激勵機制切實提高貢獻突出的實驗技術(shù)人員待遇；堅持“以賽促學，以賽促培”，鼓勵支持實驗技術(shù)人員參與實驗競賽培訓，拍攝教學實驗及科普視頻，融入社會服務及招生宣傳工作。加強自我培訓意識，提高工作能力和改善服務質(zhì)量，進一步為實驗教學改革和科研測試服務做出貢獻。2016 ～2022 年，實驗技術(shù)人員以第一作者或者通信作者在《實驗室研究與探索》等核心期刊發(fā)表了實驗教學研究論文20 余篇，主持完成實驗技術(shù)研究項目20 余項，獲得學校實驗技術(shù)成果獎二等獎及大型設(shè)備管理（效益）獎，實驗室考核管理先進單位等稱號。組織承辦化學實驗創(chuàng)新設(shè)計大賽華中賽區(qū)競賽，指導學生多次在全國大學生化學化工類實驗大賽中取得一等獎甚至第一名的優(yōu)異成績（見圖3）。承擔湖北省中學生化學奧賽和大學生夏令營及湖北省重點中學學生教師參觀交流培訓，促進化學實驗改革和科學儀器普及，打造科普宣傳招生新局面。

圖3 中心組織參加競賽及獲獎

中心全體不忘為國育人初心，牢記立德樹人使命，在教學改革和人才培養(yǎng)的道路上披荊斬棘，砥礪前行，營造專業(yè)、創(chuàng)新、開放、進取的文化氛圍，成為學校一支不可或缺的主力軍。經(jīng)過不懈的建設(shè)實踐，探索優(yōu)化實驗改革方案，為培養(yǎng)適合社會需要的拔尖創(chuàng)新人才再做貢獻。

2.3 資源共享為眾人，大儀管理下苦功

化學實驗中心于2016 和2018 年先后建成2 個“一體化、多層次、開放式”的共享實體子平臺；其中實驗教學子平臺建筑面積約3 600 m2，擁有儀器設(shè)備1 900多臺（套），原值超過2 000 萬元，面向本科生和研究生群體覆蓋全校12 個院系28 個專業(yè)，開設(shè)基礎(chǔ)化學、普通化學、工程化學、無機化學、分析化學、物理化學、有機化學、高分子化學、科學技能訓練、生產(chǎn)實習仿真等20 多個實驗課程，230 多個實驗項目；大儀測試服務子平臺依托“能量轉(zhuǎn)換與存儲材料化學”教育部重點實驗室，建筑面積1 000 m2，擁有大型儀器50多臺（套），原值達5 000 萬元，承擔校內(nèi)外科研測試服務及儀器分析／高分子物理／現(xiàn)代材料表征技術(shù)／綜合化學實驗教學工作。

2.3.1 健全儀器管理制度

中心本著“共享是理念、規(guī)范是前提、管理是手段、效率是目標”的原則，建立健全的儀器設(shè)備管理制度，嚴格落實儀器設(shè)備的規(guī)范使用，切實保證人與儀器的安全。制定了“平臺儀器設(shè)備管理細則”“儀器設(shè)備管理制度”以及每臺儀器的“操作規(guī)程”“送樣要求”“注意事項”等。采取因“儀”施測、一機一策，落實“一室一清單、一機一規(guī)程”，強化儀器規(guī)范測試，保證測試效率與質(zhì)量。根據(jù)儀器特點、樣品特性、用戶類型，采取自主與委托兩種測試模式。鼓勵校內(nèi)用戶培養(yǎng)合格后自主測試，前置儀器培訓與考核，理論培訓大班制，實操演練小班制，簽訂上機承諾書，確保儀器零事故和完整性，目前已培訓自主測試人員逾千人，測試合格率達到100%。針對校外用戶，采取委托送樣，測試前與用戶深度溝通，掌握樣品屬性、用戶需求，為用戶提供合適的測試方案，確保測試效果達到用戶預期。

全方位開展儀器維護，切實保證儀器零事故及完好率。①建立儀器檔案。建立儀器資料信息庫，包括購置前的論證報告、購買合同、儀器到校后的使用說明書、配件清單、安裝調(diào)試記錄、廠家培訓視頻、驗收報告、入庫單、固定資產(chǎn)卡片等基本資料。②加強儀器維護。定期檢查各儀器運行狀況與日常維護保養(yǎng)，詳細記錄儀器配件耗材的使用情況，及時更換配件保證儀器正常運行；定期向?qū)W生進行儀器培訓和考核，避免誤操作的發(fā)生；調(diào)研相關(guān)單位儀器管理經(jīng)驗，盡可能延長儀器壽命，充分發(fā)揮儀器設(shè)備價值。③儀器售后服務。對于使用頻率高、原值貴重的設(shè)備，如X 射線粉末衍射、掃描電子顯微鏡、核磁共振、質(zhì)譜、紅外光譜等，與廠家配件銷售和應用工程師協(xié)調(diào)，將配件采購與更換同時進行，縮短儀器停用時間；疫情期間采用線上遠程售后，提高效率，降低開支。④重視儀器管理。設(shè)立儀器管理AB 崗，每臺儀器由2 名以上技術(shù)人員熟練掌握，加大儀器管理的靈活性，盡可能保證儀器持續(xù)長周期運行；同時也通過相互學習，拓展儀器功能，在儀器共享開發(fā)上取長補短。

2.3.2 加強儀器宣傳力度

為更好服務教學與科研，提高儀器使用效率，充分發(fā)掘儀器功能價值，積極采取多樣化宣傳手段（建設(shè)中心網(wǎng)站、儀器交流群、分發(fā)宣傳手冊），提高儀器曝光度，擴大測試影響力（見圖4）。拓展大型科學儀器應用于本科生及研究生的化學實驗，每年教學服務2 500 機時，測試樣品2 450 個；一方面增加大儀的使用率，提高儀器的使用機時，開闊學生的視野；一方面延伸實驗教學的內(nèi)容，把過程與結(jié)果關(guān)聯(lián)，提升了學生對實驗的興趣。化學實驗中心2017 ～2022 年間連續(xù)5次入圍全校大儀管理（效益）年度“良好單位”，獲評“優(yōu)秀單位”1 次，優(yōu)秀機組獎項8 次。助力科研論文發(fā)表和重點實驗室評估，提供《科學》和《自然》各1篇、《自然·通訊》6 篇、《美國化學會志》2 篇、《德國應化》11 篇、《先進材料》3 篇在內(nèi)的國際權(quán)威期刊學術(shù)論文測試數(shù)據(jù)，支撐兩個省部級重點實驗室獲評優(yōu)秀。為校內(nèi)外廣大用戶提供優(yōu)質(zhì)的測試服務和技術(shù)支撐，打造一流的科研共享服務平臺。

圖4 大型儀器測試交流方式和宣傳資料

3 結(jié) 語

以教學理念、體系、制度、內(nèi)容、方法為基本路徑，激發(fā)學生崇尚科學、探索未知的興趣，培養(yǎng)其探索性、創(chuàng)新性思維品質(zhì)。歷經(jīng)十七載風雨，化學實驗中心與時俱進、改革創(chuàng)新，向社會、向?qū)W校、向師生交出了一份合格的答卷。在實驗室條件建設(shè)、實驗隊伍建設(shè)、數(shù)字化智能化建設(shè)、實驗技術(shù)研究與創(chuàng)新等方面保障了實驗教學安全，促進了實驗教學改革，培養(yǎng)了實踐創(chuàng)新人才，充分發(fā)揮實驗室作為實踐課堂的作用，著力提升學生實驗動手能力，提高化學實驗教學和公共服務水平，持續(xù)推進一流化學學科建設(shè)。隨著公共基礎(chǔ)實驗大樓的建設(shè)以及拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的推進，化學實驗中心不僅在硬件條件和管理水平達到全國同類實驗平臺的上游水平，還可為我校相關(guān)專業(yè)一流本科人才培養(yǎng)和學科發(fā)展做出支撐貢獻。立足全校公共基礎(chǔ)和專業(yè)基礎(chǔ)實驗，既有區(qū)分，又可共享，為各專業(yè)實驗課程群的內(nèi)涵式發(fā)展提供保障，實現(xiàn)教學資源信息化、實驗管理持續(xù)化的目標。

隨著雙一流建設(shè)的深入推進，實驗中心全體充滿激情，實干永無止境，創(chuàng)新永無止境，發(fā)展永無止境，將繼續(xù)譜寫化學實驗中心高質(zhì)量發(fā)展新篇章。