化学实验中心大型仪器开放共享模式研究与探索

王献玲, 靳 明, 曹丽丽, 闰明涛, 徐建中

(河北大学 化学与环境科学学院 化学国家级实验教学示范中心, 河北 保定 071002)

高等学校大型仪器共享平台在学校科技发展和人才培养工作中具有重要地位,大型仪器作为一种优质的科研、教学资源,帮助学生掌握先进的技术手段,培养学生的研究与创新能力,是进行高水平实验教学与科学研究的重要支撑,也是高校办学实力与科研水平的重要标志[1]。

河北大学国家级化学实验教学示范中心(以下简称实验中心)共开设48门实验课程,495个实验项目,主要承担化学与环境科学学院、药学院、生命科学学院等12个本科专业的实验教学工作、研究与创新实验、化学竞赛、科研和社会服务的开放任务。目前实验中心用于仪器建设的投入已经超过4 500千多万元。实验中心除了完成本科实验教学任务外,还积极探索大型仪器如何更好地为本科生、研究生的科研服务,更好地实现全面开放共享这一目标。

大型仪器使用运行效率是反映仪器设备工作状态及生产效率的技术经济指标,用于衡量仪器设备是否达到充分利用[2-3]。实验中心通过开展新型教学模式,降低大型仪器使用门槛；构建信息化的大型仪器共享平台,实行仪器信息透明化；制定完善的大型仪器管理条例；加强仪器管理队伍的建设等一系列措施来促成实验中心大型仪器的开放共享。

1 实施“三步走”教学模式,使大型仪器“平民化”

大型仪器尤其精密仪器大多数量有限,价格昂贵,结构原理复杂,对操作者的技能要求高,一直以来使用门槛比较高,限制了学生接触操作大型仪器的次数。另外,由于大型仪器理论知识学习与实践操作上存在“时差”,造成了很多学生对大型仪器知识的遗忘或者掌握程度不够,在实际用到大型仪器时手足无措。针对这一现象,我们开发并实施了大型仪器 “三步走”的教学模式,通过阶梯式教学，有针对性地强化学生对大型仪器的掌握与熟练程度。

第一步,在大型仪器理论知识学习阶段,增设仪器现场教学课时。面向学生开设仪器分析课程,学习大型仪器的设计思路、工作原理、内部结构、测试方法以及结果分析等基础知识,帮助学生建立大型仪器的初步概念。同时增设仪器现场教学课时,教师带领学生到大型仪器实验室进行现场教学。在实物对照下加深学生对仪器部件组成、测试路径的认识。观摩大型仪器的实际操作,学习测试样品的预处理方法以及对测试结果或谱图的解析等。理论与现场实际相贯穿教学,增加了学习的生动性与趣味性。

第二步,在本科化学实验课程中穿插大型仪器教学,实验内容设计匹配大型仪器操作，加深学生对大型仪器设备的技能储备。化学是一门实验性学科,实验的过程就是锻炼学生实验技能,夯实理论基础和培养创新能力的过程。大型仪器作为现代化的表征手段和检验工具,帮助学生了解最前沿的科学技术和检测手段,在本科实验教学中起到重要作用。实验中心非常重视大型仪器在本科实验中的应用,将实验课时设置为普通实验操作和大型仪器应用两部分。学生由于实验项目需求而对学习大型仪器充满期待,教师会在实验过程中切入大型仪器的知识讲解与系统性培训,示范并指导学生独立完成大型仪器的调试、测试条件设置、实验制备样品的预处理及样品检测(表征)等一系列操作。结合实验教学,将“求”与“学”理念融入其中,增加了大型仪器在本科实验中的教学成效,丰富了实验内容的同时,加深了学生创新能力的培养。

第三步,定期开展多种形式的大型仪器培训活动。主要对学生的本科毕业设计、研究创新型项目、实验室开放项目、研究生课题研究等提供服务,根据学生对仪器的使用情况与知识的掌握程度展开培训。培训形式灵活多变,可以通过现场培训、录制微视频、仪器讲座以及通过论坛或交流群等现代化通讯手段实现大型仪器的学习与沟通。学生可根据自身学习需要报名参加仪器培训,由大型仪器技术人员现场讲解仪器的基本知识、操作要求、操作流程、注意事项等内容,期间学生可就自己课题与技术人员展开细节讨论。培训后对学生进行单独上机操作考核,学生考核合格后取得大型仪器使用资格。同时,新增了大型仪器微视频教学,这种直观的教学模式具有便捷、有针对性、富于感染力的优势,且拷贝容易,方便随时学习和广泛传播。此外还通过论坛或交流群进行答疑与沟通,方便查漏补缺,随时跟踪收集大型仪器使用后的反馈问题。

大型仪器“三步走”教学以学生学习的发展阶段为依据进行阶梯式教学,不断强化学生对大型仪器的理解与操作能力。消除了大型仪器门槛高,操作难等短板,真正实现大型仪器“平民化”。大型仪器全方位、覆盖式教学自实施以来效果显著,在实验中心大型仪器的助力下,我院学生代表于河北省2017年第二届大学生创新创业教育年会中斩获“特等奖”1项,二等奖1项；2017年河北省 “挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中取得特等奖2项、一等奖1项、二等奖2项的优异成绩。

2 构建信息化共享平台,实现大型仪器“服务化”

近年来,在“中西部高校提升综合实力工程”、河北省“双一流”高校建设的推动下,实验中心大型仪器的数量、种类、质量均得到了显著提升,为培养学生的实验创新技能提供了强有力的支撑。但是也面临着大型仪器在教学之余长时间的闲置,机器的年运转时数低；而科研平台的大型仪器由于承担着繁重的测试任务,常处于超负荷运转的局面。仪器资源的不合理配置,归根结底是大型仪器信息开放程度不够,难以实现仪器资源的全面共享。

“互联网+”概念推动了信息化手段的发展,利用信息化和互联网技术实现大型仪器网络化管理,加速了大型仪器共享平台的融合与创新[4-6]。我院于2013年开始建设“大型仪器共享平台”,用于提升我院的综合科研能力。自建立起,一直利用现代信息技术对大型仪器进行统一管理,有机调配,实现了仪器资源的优化配置。该平台多年的运行经验为实验中心大型仪器开放共享提供了良好的借鉴。利用现代化的信息工具,将实验中心大型仪器统一纳入“大型仪器信息管理系统”,实行仪器信息公开化,仪器使用透明化管理,充分展现大型仪器的共享特性。一方面可以避免仪器设备的重复购置而造成浪费,实现资源的合理化配置。另一方面,通过分流可改善科研上长期“拥堵高峰”,而教学上“门可罗雀”的两种悬殊局面。学生登入大型仪器共享管理系统可进行信息检索、查询所有仪器的使用参数、管理人员联系方式、存放位置等相关信息；还能够监测当下仪器的工作状态、使用者姓名、使用时长等信息,可结合自身需求与仪器使用情况进行网上预约；学生可在管理平台下载仪器使用说明、注意事项等文件或视频进行自学,也可报名参加定期举办的现场培训。智能化、信息化的互联网技术平台为学生提供大型仪器查询、学习、预约、反馈的一站式服务,充分发掘了实验中心优质大型仪器在教学与科研创新中的服务特性。

3 制定完善的管理制度,使用大型仪器“规范化”

大型仪器开放应规范化、科学化、程序化,必须制定完善的大型仪器管理制度与运行机制[7]。为建立完善的大型仪器管理体系，我校先后制定了“河北大学贵重仪器设备管理办法 ”“河北大学大型仪器设备面向本科生开放管理办法”等文件,规范了大型仪器 “统一领导、归口管理、分级负责、责任到人”的管理原则,做到合理配置、有效整合、开放共享、科学使用,提高大型仪器设备的使用效益。要求大型仪器设备面向所有本科生开放,并定期开展大型仪器设备使用培训、知识讲座；大型仪器设备支持创新训练和科研实践等学生自主利用仪器设备进行的实践活动,为大型仪器充分服务于全校师生提供了有力保障。

实验中心大型仪器作为实验室优质资源在确保圆满完成本科生教学的任务后,应充分发挥服务全校师生的价值。为了保证大型仪器的正常运转,实现大型仪器的全面共享开放式服务,实验中心制定了相应的大型仪器开放管理制度,以“制度”促发展,建立了一种大型仪器可持续性发展模式。

3.1 执行预约制,填写实验中心仪器借用申请

实验中心大型仪器承担本科生实验教学任务,同时兼顾学生的创新实践与科学研究,大型仪器使用预约制可以做到对教学科研的合理统筹。仪器管理人员可根据本学期大型仪器的教学使用情况提前做出计划,并将教学安排发布在大型仪器信息管理系统上,学生可根据系统信息进行仪器预约。此外,为了大型仪器的使用更加规范化,确保学生在操作仪器时保持端正谨慎的态度,实验中心要求使用人必须办理借用手续,填写“河北大学化学与环境科学学院实验中心仪器借用凭证”。使用人要做到认真阅读注意事项,遵守实验室行为守则、正确操作大型仪器、维护实验室的环境卫生、确保实验室安全等,如出现恶意损坏、丢失仪器或配件等行为将被纳入大型仪器“黑名单”并接受相应的处罚。预约制与借用制规范了实验中心大型仪器的共享模式,维持了大型仪器健康良好的使用秩序。这样既保证了实验教学质量,又实现了实验中心大型仪器的高效运转。

3.2 实行大型仪器“专人专管”制

学校设立专门的大型仪器管理技术岗位,实行大型仪器“专人专管”,并执行专门的考核和绩效奖励制度。大型仪器具有精密度高,结构复杂,操作技能性强等特点,因此要完成大型仪器的分析测试、功能技术开发、仪器设备优化与维护、日常培训等工作,对仪器管理人员的知识水平与专业素质都有较高的要求。目前,美国、日本等一些发达国家的高校已经实现了大型仪器专人管理制,高薪聘请学历层次高,专业技术精湛的人才负责大型仪器的日常运行与维护、师生技术培训和开放式服务等,大幅提升了大型仪器于教学科研的服务质量[8]。实验中心要求大型仪器技术人员全程参与大型仪器的安装、调试、检测及工程师培训等一系列工作。负责仪器专用资料和配件的保管、耗材的购置；熟练掌握仪器的使用、性能维护并承担大型仪器的培训任务；统计并处理仪器使用问题反馈；负责大型仪器日常开放工作等,切实做到大型仪器“好时常运转,用时有指导,坏了及时修”。“专人专管”还方便技术人员与工程师沟通,有利于远程指导简单维修、操作系统更新、仪器新功能拓展等工作的展开,大大降低了大型仪器的损坏率,延长了使用寿命,提高了服务质量。

3.3 建立大型仪器绩效考核与奖励机制

完善的大型仪器绩效考核与奖励机制对提高大型仪器使用率、提高本科实验教学水平和深化实验室机制改革都有重要的意义[9]。为加强大型仪器管理,提高大型仪器设备的使用效益,根据“河北大学贵重仪器设备年度使用效益考核办法”对大型仪器设备进行年度使用效益考核。考核对象为单价或成套价20万元以上,建账超过一年的大型仪器。考核分为三步：(1)仪器管理人员自查。技术人员对仪器进行年度工作运行总结,如服务实验教学人数、科研项目的科研成果、测试样品数目以及服务科研成果等；填写“河北大学教学类贵重仪器设备年度使用效益考核表”。(2)学院考核。学院依据仪器的管理情况、运行时数、样品测试数目、服务项目人才培养、功能开发及设备完好率等核算大型仪器效益考核分数。(3)学校考核。由学校聘请相关专家组成核查组,对学院考核情况进行检查核实,对各院大型仪器年度使用效益情况给予评价并于网上进行公布。对于使用效益突出的机组给予适当的奖励,突出大型仪器管理正向激励作用,实现大型仪器绩效考核奖励与大型仪器日常开放运行的良性循环。

3.4 落实有偿使用,实现大型仪器可持续性发展

合理、科学制订大型仪器共享设备计划会带来投资后的经济效益,合理使用创收效益不仅能延长共享大型仪器设备使用寿命,还对全局共享计划的制订有着深远的意义[10-11]。实验中心大型仪器采用有偿服务的模式,以仪器的价值、操作难易程度、测试时间、耗材及维护经费等为依据合理制定大型仪器收费标准。对实验中心本科生实验提供无偿服务,并确保实验教学高质量完成,而对其他形式的师生开放则按照收费标准收取适当的费用。落实大型仪器无偿与有偿相结合使用制度,体现了资源共享的公平与透明,约束广大师生规范使用大型仪器,避免了对大型仪器资源的私自占有和无限制使用。所收取费用成立大型仪器专项基金,用作购买仪器配件耗材和仪器维修,或作为优秀实验人员的奖励绩效经费,可提高中心仪器的工作效能,实现大型仪器可持续性发展。

4 重视管理人才培养,使大型仪器管理“专业化”

高校购置高端精密的大型仪器,对管理人员的素质、技能及服务水平提出了更高的要求。只有构建一支素质高、技术精湛、结构合理又有服务意识和奉献精神的实验技术队伍,才能使大型仪器设备的使用水平得到提高,功能得以开发和拓展,维护维修工作得到保证,教学、科研的水平才能随之得到提高[12-13]。近年来,实验中心非常重视实验技术队伍的建设,特别是将大型仪器管理团队作为大型仪器共享平台建设的重要部分，专门成立了分析仪器设备管理团队,负责原子吸收光谱、高效液相、红外紫外、荧光、气质联用、TOC、BET等大型仪器设备的运行管理,实行实验中心大型仪器综合化、专业化管理模式。在人才队伍培养中坚持做到如下工作：

(1) 坚持“引进来,走出去”原则 ,提高管理人员的专业素质。设立专门的大型仪器技术岗位,提高技术人员准入标准,对于管理人员的学历、技能等提出更高的要求。严格设置招聘流程,对仪器的日常管理与实践技能着重考查,经过“笔试、面试+复试”层层筛选确定最终人选。新入职的青年教师要由老教师带领,实行为期一年的1+1帮带实习,帮助新人熟悉业务,尽快适应并投入到工作岗位中。除了将优秀人才“引进来”,学院还鼓励青年教师“走出去”,到更广阔的环境学习深造,提高水平。学院设立了大型仪器专用基金支持中心技术人员外出参加大型仪器交流培训,开拓视野,学习更先进、更便捷、更专业的检测手段,了解仪器最新的发展状况,积极探索大型仪器功能拓展以及性能优化,不断提升大型仪器的管理理念与水平,进一步推动了实验中心大型仪器开放共享工作进展。

(2) “以需促建”鼓励大型仪器功能研发与自制仪器项目。充分发挥仪器技术人员的自身优势,激励大型仪器功能拓展与自制新型仪器项目。2017年,实验中心获得河北大学立项的自制仪器研发项目共7项,其中由实验中心技术员主持研发了“红外光谱实验室安全智能系统”，用于实现大型仪器的自动控制、远程控制和实验室安全预警,系统模块可感应室内湿度、温度与烟信号并控制除湿机开关,一旦出现异常即会马上发出报警,确保了仪器工作环境的稳定与安全。另外,自制的“红外样品穿梭器”可以同时放入背景和样品,通过控制背景和样品架在测试仓中的位置,在不打开样品仓的条件下进行测试,从而有效排除空气中水汽和二氧化碳对样品光谱的干扰,提高了红外测试结果的精准度。中心以需求促发展,实现产学研相结合,推动了大型仪器的研发工作；也提高了技术人员内涵修养,促成了技术人员由“熟练工”向“骨干精英”的质变。

5 结语

实现化学实验中心大型仪器的开放共享对于人才培养、科研创新以及综合办学水平的提升有着非常重要的意义,是机遇同时也面临着各种挑战。河北大学化学实验中心在实现大型仪器设备开放共享的道路上前进了一步，还需要不断地完善与创新,积极探索出更适应现代高校发展实情的开放模式。