王曉崗， 許新華， 郝志顯， 樊雅娟

(同濟大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200092)

0 引 言

從自身屬性來說，高校的大型儀器具有兩大功能，一是研究，二是教學(xué)[1]。研究功能的意義在于，大型儀器是用來探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、表征物質(zhì)性能和特征的現(xiàn)代化研究工具，是高校教師開展課題研究，博士、碩士進行畢業(yè)論文工作的得力助手。那么，什么是教學(xué)功能呢？教學(xué)功能指將大型儀器用于教學(xué)，尤其是本科生教學(xué)，在對儀器原理和操作的學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、思維能力和創(chuàng)新實踐能力。由于高水準(zhǔn)的學(xué)術(shù)成果及學(xué)科前沿領(lǐng)域的突破性進展和大型儀器密切相關(guān)。因此，對工科院校本科學(xué)生而言，能否使用大型儀器是體現(xiàn)其科研素質(zhì)及創(chuàng)新能力的一個重要標(biāo)志[2]。

1 大型儀器用于本科生教學(xué)實驗困難與對策

為充分發(fā)揮大型儀器的使用效率，近年來國內(nèi)高校，尤其是“985”“211”高校先后創(chuàng)建了大型儀器共享機制[3-5]，將大型儀器進行聯(lián)網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上建立校級(院級)網(wǎng)絡(luò)化共享平臺，并將儀器向全校(院)師生開放[6-7]。這一舉措極大地提高了大型儀器的利用率。但也注意到，目前這種開放式平臺主要是用于拓展儀器的研究功能，是為科研服務(wù)的，受益對象主要是教師、研究生及部分參與課題組的高年級學(xué)生[8]。而真正用于教學(xué)，向本科生大面積開放且取得成功的案例極其少見[9]。究其原因，該項工作的開展主要有以下兩大難點：

(1) 缺乏保障體系。大型儀器用于科研開放，對象主要是老師和研究生，這些人通常具有一定的科研基礎(chǔ)及儀器操作經(jīng)驗，管理者只須對儀器的使用進行協(xié)調(diào)，實施過程監(jiān)督及規(guī)范化管理，即可達到開放目的。而本科生則不同，他們?nèi)藬?shù)眾多、規(guī)模大，所獲得的大型儀器方面的知識主要來自于課堂，普遍缺乏實際操作經(jīng)驗。由于大型儀器價格昂貴，開機運行、維護成本高。相對而言，本科生使用儀器存在較大的風(fēng)險，一旦操作失誤，就可能損壞儀器，造成財產(chǎn)損失。因此管理者有所顧忌，不敢放手讓本科生獨立上機操作[10]。

(2) 教學(xué)內(nèi)容匱乏。從儀器使用目標(biāo)來看，大型儀器服務(wù)于科研，使用者對實驗?zāi)康?、研究目?biāo)非常明確，可以說是直奔主題。而對本科生開放，則目標(biāo)模糊且方式單一。例如目前普遍缺乏能反映大型儀器特點的、適合本科生開放實驗教學(xué)的實驗素材。如果上機的目的僅僅局限在讓學(xué)生學(xué)會儀器的關(guān)、開及參數(shù)選擇，沒有實際應(yīng)用和拓展，那么這種開放就因缺少內(nèi)涵，流于形式，很快對學(xué)生失去吸引力。因此，只有加強教學(xué)內(nèi)容建設(shè)，圍繞大型儀器開發(fā)一批可用于本科生開放實驗教學(xué)的實驗項目，才能保持開放的長期性、穩(wěn)定性和持續(xù)性。

以上分析表明，大型儀器對本科生的開放其難度要遠大于科研開放，它不僅涉及到儀器的管理和協(xié)調(diào)，還涉及到如何讓學(xué)生學(xué)會使用儀器以及如何利用儀器進行拓展性學(xué)習(xí)。換句話說，必須把儀器的管理和教學(xué)結(jié)合起來，雙管齊下，才能抽薪止沸，從根本上解決本科生開放的問題。

依據(jù)這一思路，同濟大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心持續(xù)多年對大型儀器的開放進行探索，其內(nèi)容包含兩方面，① 從管理體系著手，通過建立大型儀器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)及預(yù)實習(xí)培訓(xùn)機制，為大型儀器的開放創(chuàng)建保障條件；② 開展教學(xué)體系研究，開發(fā)出一系列能體現(xiàn)大型儀器特色的實驗項目，結(jié)合這些項目對本科生進行開放實驗教學(xué)(見圖1)。經(jīng)數(shù)年的教學(xué)實踐，取得了良好的教學(xué)效果，在大型儀器對本科生開放方面探索出一條新的途徑。

圖1 本科生大型儀器開放路線示意圖

2 大型儀器用于本科生開放的條件建立

2.1 開發(fā)大型儀器網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)，提高儀器使用效率

大型儀器在高校中屬稀缺資源，通常承擔(dān)著比較繁重的科研任務(wù)，尤其是一些熱門儀器，如掃描電鏡、透射電鏡、比表面測定儀等，每天的安排都是以分鐘來計算的。在這種情況下，要開展開放實驗教學(xué)，就必須對儀器作更為合理的安排，進一步提高其使用效率。為此，我?；瘜W(xué)實驗教學(xué)示范中心(以下簡稱中心)將所有大中型儀器進行聯(lián)網(wǎng)，自行開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)，在以下幾個方面實現(xiàn)了大型儀器的智能化管理。

(1) 儀器的預(yù)約和安排。系統(tǒng)采用實名制注冊，老師或?qū)W生注冊登錄后，可以在系統(tǒng)查閱每臺儀器的相關(guān)資料及近期使用情況，如果需要使用儀器，就在“儀器預(yù)約”欄目里提出申請，中心管理人員對所有申請者都進行審核，然后視具體情況作協(xié)調(diào)安排，并把結(jié)果公布在網(wǎng)絡(luò)上，申請者在給定時間上機操作。

(2) 智能化收費管理。中心在每臺儀器前面接上一個電源控制器，控制器中存有老師和學(xué)生的信息，需使用某儀器時，使用者只需刷一刷校園卡，就可打開電源，啟動儀器。這時電腦會記錄下儀器的使用情況，包括開機、關(guān)機時間、使用者信息等，實現(xiàn)了儀器的自動計時收費和智能化管理。

(3) 實時監(jiān)控。系統(tǒng)會對儀器的使用過程進行實時監(jiān)控，同步顯示儀器的測試條件和工作參數(shù)，一旦出現(xiàn)異常情況，管理人員會及時發(fā)現(xiàn)，并追根溯源，查明原因，進而達到對儀器使用全程監(jiān)控目的。

(4) 實驗數(shù)據(jù)上傳。為保證儀器操作系統(tǒng)的安全，所有原始實驗數(shù)據(jù)均保存在中心數(shù)據(jù)庫里，管理員將當(dāng)天的實驗結(jié)果通過服務(wù)器及時上傳，老師和同學(xué)可以采用遠程登錄的方法從網(wǎng)上下載，以避免使用優(yōu)盤帶來的病毒交叉感染。如果使用者需要查閱過往的實驗數(shù)據(jù)，也可以向中心提出申請，由管理員進行網(wǎng)上傳遞。

大型儀器網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)的建立，增加了管理的透明度，協(xié)調(diào)了儀器的使用狀況，極大地提高了儀器的使用效率。使得大型儀器在服務(wù)于科研的同時，為本科生的開放提供了實際操作的空間。

2.2 建立預(yù)實習(xí)培訓(xùn)制度，為本科生開放提供保障條件

大型儀器價格昂貴，操作不當(dāng)不僅會造成儀器故障，影響正常的科研和教學(xué)秩序，還有可能帶來巨大的財產(chǎn)損失，這是諸多院校限制本科學(xué)生接觸大型儀器的重要原因，也是開放的最大障礙之一。針對這一問題，中心采取的策略是建立預(yù)實習(xí)制度，即本科生上機前必須進行一定時間的實習(xí)培訓(xùn)，以熟悉儀器的性能和操作方法。經(jīng)考核合格后，才允許獨立上機操作。預(yù)實習(xí)培訓(xùn)主要含有3個方面的內(nèi)容：

(1) 大型儀器類講座。對初學(xué)者來說，培訓(xùn)的第一步就是參加講座學(xué)習(xí)。講座由公司專業(yè)技術(shù)人員或資深教師授課，內(nèi)容包括儀器的歷史、基本結(jié)構(gòu)、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域、樣品要求、儀器的主要性能指標(biāo)等。通過講座學(xué)習(xí)，讓學(xué)生明白不同大型儀器各可以用來測量或表征什么樣品，在科研上有哪些用途，進而對儀器本身有一個大概認(rèn)識。

(2) 虛擬實驗訓(xùn)練。為配合大型儀器講座學(xué)習(xí)，中心還自行開發(fā)了系列虛擬實驗項目用于學(xué)生培訓(xùn)，實驗采用動畫視頻形式，每個實驗10～30 min時間不等，含3部分內(nèi)容：① 工作原理展示，包括儀器的構(gòu)造、組成、各部分的功能，以及儀器設(shè)計中所蘊含的科學(xué)思想；② 操作演示，包括儀器的開啟、關(guān)閉、樣品制備、放樣取樣、參數(shù)設(shè)置、測量、結(jié)果儲存和數(shù)據(jù)傳送等；③ 模擬操作。模擬實際工作情景，學(xué)生用鼠標(biāo)選擇實驗的步驟和程序，電腦對每一步操作給出“正確”或“錯誤”的提示，學(xué)生可利用虛擬動畫反復(fù)演練，直至熟悉并能正確完成所有操作為止。

(3) 觀摩和實習(xí)。根據(jù)不同儀器的運行情況，中心每學(xué)期專門為初學(xué)者集中提供幾個開放時段，用于各類儀器的觀摩和實習(xí)。以掃描電鏡為例，每學(xué)期安排3個星期二下午，由已取得上崗證的高年級的學(xué)生或研究生擔(dān)任指導(dǎo)，學(xué)生分批現(xiàn)場觀摩，然后依次進行上機操作練習(xí)。中心還為本科生建立了儀器使用檔案，當(dāng)參加完全部實習(xí)，并達到規(guī)定的上機時數(shù)，學(xué)生可以參加后續(xù)的大型儀器開放實驗學(xué)習(xí)，取得足夠經(jīng)驗后，學(xué)生就可以申請參與大型儀器使用考核，考核合格者，則獲得某種儀器的上崗證，可以獨立上機操作。

通過上述3個階段的預(yù)實習(xí)培訓(xùn)，絕大多數(shù)本科生從原來的“門外漢”，逐步熟悉和了解了大型儀器的基本性能、操作要點及注意事項，進而為大型儀器對本科生的開放建立了保障條件。

3 大型儀器的開放實驗教學(xué)

大型儀器向本科生開放，其目的是讓本科生通過對這類現(xiàn)代化研究工具的學(xué)習(xí)和使用，開闊科學(xué)視野，了解學(xué)科前沿發(fā)展動態(tài)，培養(yǎng)動手能力、創(chuàng)新思維能力和科學(xué)研究能力。因此，開放的重點不僅僅是教會學(xué)生怎樣操作儀器，更重要的是讓學(xué)生學(xué)會如何利用這些儀器，進行有目的的自主性學(xué)習(xí)和研究。為此，同濟大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心圍繞各類大型儀器開發(fā)了一系列有特色的實驗項目，并結(jié)合這些項目開展開放實驗教學(xué)。依據(jù)教學(xué)內(nèi)容不同，開放實驗分為2個層次，一是常態(tài)化開放，二是自主性開放。

3.1 常態(tài)化開放實驗

常態(tài)化開放主要做指定實驗項目，實驗項目由中心的教師自行開發(fā)。其中，色譜類的實驗有手動頂空-GC-MS檢測方便面包裝袋中的有機揮發(fā)物、頂空進樣GC-FID/MS檢測花瓣中的香氣成分、HPLC測定多種可樂中的咖啡因含量等；光譜類實驗有積分球漫反射光譜儀檢測A4紙張、不同pH條件下苯乙酰胺的紫外光譜分析、驗證大米中是否含有熒光物質(zhì)、紅外光譜法測定銀鍍膜及氣凝膠成分、拉曼光譜測無機鹽濃度等；電鏡類有SEM觀察Al腐蝕孔表面、SnO2納米粒子的合成及形貌表征等；熱分析有“差熱分析法測定CuSO4·5H2O脫水反應(yīng)活化能等。這些實驗有一共同的特點，就是素材貼近生活實際，集知識性和趣味性為一體，可以讓同學(xué)在輕松快樂中學(xué)習(xí)儀器的操作。

開放實驗學(xué)習(xí)采取自主自愿原則，所有項目以菜單形式掛在網(wǎng)站上，學(xué)生以小組為單位，從菜單中選擇項目進行預(yù)約。開放實驗時間的長短視具體內(nèi)容而定，短則一節(jié)課，長則一整天。短時間開放通常安排在工作日，而長時間開放則安排在雙休日進行。與常規(guī)教學(xué)不同的是，開放實驗中學(xué)生有較大的自由度。比如說，老師僅給出實驗提綱，不設(shè)立具體的條條杠杠，學(xué)生可以按提綱要求，自行設(shè)計方案并予以實施。其間遇到困難，老師給予指導(dǎo)和幫助。需要特別說明的是，大型儀器的開放不僅僅局限在本學(xué)院本專業(yè)，菜單中部分實驗項目也對其他院系同學(xué)開放。如電鏡類、光譜類開放實驗就吸引了材料、環(huán)境、醫(yī)學(xué)專業(yè)不少同學(xué)的參與。這種注重個性化發(fā)展的教學(xué)方式頗受歡迎，學(xué)生的參與熱情非常高。

為配合大型儀器的開放實驗教學(xué)，中心還專門建立了一個網(wǎng)絡(luò)交流論壇，用來交流實驗的經(jīng)驗和體會。開放實驗內(nèi)容不拘一格，形式新穎，結(jié)果具有諸多不確定性，這就給同學(xué)提供了很多討論的空間。往往是一個學(xué)生提出問題，多個學(xué)生進行回答和討論。成功的經(jīng)驗大家共享，即使是失敗的案例，經(jīng)老師提示引導(dǎo)，從儀器的操作、方案的設(shè)計等諸多方面尋找原因，不但操作者本人，其他學(xué)生也都留下深刻印象，感到受益匪淺。其教學(xué)效果是單純講解和訓(xùn)練大型儀器操作技術(shù)所無法比擬的。

3.2 自主性開放實驗

完成常態(tài)化開放實驗學(xué)習(xí)后，學(xué)生可以參與更高層次的開放活動——自主性開放實驗的學(xué)習(xí)。所謂“自主性學(xué)習(xí)”，就是老師在教學(xué)中加以引導(dǎo)，讓學(xué)生有意識、主動地使用大型儀器做一些提高性、探索性實驗項目，以此來激發(fā)學(xué)生的科研興趣，吸引其逐步參與科研并在此過程中獲得自主學(xué)習(xí)能力和科學(xué)研究能力。自主性開放的形式多種多樣，不拘一格。比如，學(xué)生可以做自己感興趣的小課題，或?qū)φn內(nèi)所學(xué)實驗內(nèi)容進行拓展性研究，或者申報市級、校級各類創(chuàng)新活動項目等。

為提高學(xué)生的參與度，實驗中心制定了兩項激勵措施，一是本科生用于開放實驗使用大型儀器不收取儀器使用費；二是組織優(yōu)秀“開放實驗”項目評選。每年12月份，中心舉辦開放實驗公開答辯活動，由學(xué)生匯報“自主實驗”研究成果，從中評選出一、二、三等獎。

經(jīng)數(shù)年的教學(xué)實踐，積累了一批優(yōu)秀的學(xué)生作品，其中不少實驗成為本科教學(xué)的“精品”。例如：“鉛錫二元合金相圖的測定”是一個經(jīng)典的物理化學(xué)實驗，其相圖特征為二組份固體部分互溶，液體完全互溶。傳統(tǒng)教學(xué)中采用步冷曲線法測定，該方法對鉛錫固態(tài)相變過程不敏感，在固體部分互溶區(qū)域得不到相應(yīng)的溫度變化信號，以致于同學(xué)做完實驗后認(rèn)為鉛錫形成的是固體完全不溶、液體完全互溶的相圖，對該相圖的認(rèn)識產(chǎn)生了偏差，這也成為物化實驗課程中公認(rèn)的一個教學(xué)難題。如何能夠在課堂上把鉛錫合金完整的相圖做出來？這一課題引起了同學(xué)的極大興趣，他們最初認(rèn)為原因在于熱電偶的靈敏度不夠，于是想到使用大型儀器，利用差熱分析儀來重復(fù)此實驗，但經(jīng)多次試驗，也不能得到固相線的溫度信號。實驗中學(xué)生發(fā)現(xiàn)，如果將凝固的混合物再加熱熔化，在加熱過程的熱分析曲線上有吸熱峰產(chǎn)生，這一現(xiàn)象引起學(xué)生的注意，經(jīng)反復(fù)驗證，學(xué)生們認(rèn)定該吸熱峰對應(yīng)于固相的熔化，峰頂?shù)臏囟葎t對應(yīng)于相變溫度，據(jù)此，建立了用差熱分析儀測定鉛錫二元合金完整相圖的方法。但同學(xué)的研究并沒有就此止步，考慮到大型儀器難以用于大規(guī)模的課堂教學(xué)，學(xué)生又在老師的幫助下，根據(jù)差熱分析儀的原理，采用程序升溫儀、熱電偶、加熱爐等基本元件，設(shè)計并制備了一種低成本、可拆裝的簡易型差熱分析裝置，依此來取代大型儀器用于課堂教學(xué)，最終在課堂實驗中成功實現(xiàn)了鉛錫二元合金完整相圖的測定，突破了物化實驗的一個教學(xué)難點。

類似的例子還很多，對這些案例進行了總結(jié)，部分研究工作分別發(fā)表在“Journal of Chemical Education”“實驗技術(shù)與管理”“實驗室科學(xué)”等國內(nèi)外刊物上[11-15]。

4 結(jié) 語

總結(jié)數(shù)年的實踐經(jīng)驗，大型儀器開放在如下幾個方面取得明顯成效：① 拓展了大型儀器的教學(xué)功能，提高了儀器的使用效率，大批本科同學(xué)有機會學(xué)習(xí)和使用這類現(xiàn)代化研究工具；② 建立了大型儀器開放平臺，利用這一平臺引導(dǎo)學(xué)生開展自主性、研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生的自主意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力及科研素質(zhì)得到鍛煉和提高；③ 通過大型儀器開放實驗教學(xué)，開發(fā)了一大批原創(chuàng)性的實驗項目，豐富了實驗教學(xué)的手段和內(nèi)容，提高了基礎(chǔ)實驗教學(xué)的層次。

當(dāng)然，作為一種新的教學(xué)形態(tài)的嘗試，大型儀器開放的模式尚不成熟，有不少地方有待完善，比如目前開放的類型較為單一，范圍也相對較窄。如何規(guī)范開放的形式，對大型儀器的開放效果進行指標(biāo)化評價，進一步拓展和擴大開放的范圍，這些問題都是在后續(xù)工作中需要研究和改進的。