以網絡信息化技術為載體 建立雙創分析儀器培訓體系

吳潘 田文

摘 要：隨著創新創業國家戰略的深入推進，加強培養學生實踐和實驗能力已經成為全社會以及教育行政部門和教師的普遍共識，隨之而來的國家戰略層面上高校實驗室繼續擴大開放、實驗設備不斷購買新建、實驗項目不斷擴充完善，涉及到的相關各類分析儀器培訓工作的強度和難度亦大大增加。面對這種新形勢，四川大學化工學院工程實驗教學中心在信息化管理上加大力度，結合現代計算機與網絡軟硬件技術在儀器使用培訓活動、管理和使用上進行現代信息技術軟硬件建設，對儀器運行及實驗室準入進行硬件化的強制性干預。在此信息化系統構建的一系列軟硬件平臺之下，實現了教學科研活動通知、總結、運行以及后期相關過程數據的集成、分析和回饋，建立起了較為完善的雙創分析儀器培訓與使用體系。

關鍵詞：分析儀器；培訓體系；網絡信息化；雙創

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）14-0029-04

Abstract： With the promotion of national innovative and Entrepreneurship strategy， it has been commonly recognized by education administration departments and teachers that the practical and experimental ability must be strengthened. With the continuous opening up of university laboratories， the eatablishment of experiment equipment and improvement of experiment project， we are facing a more complicated and difficult situation in training the proper use of analytical instrument. Under the new situation， the Experimental Teaching Center in School of Chemical Engineering of Sichuan University has strengthened informatization management， improved modern information technology construction， made compulsory intervention on the equipment operation and laboratory access. Based on a series information system of this platform， sound improvements have been made in the related education process， including informing， summarizing， operation and integration， collection and feedback. Training and utilizing system has been established for the innovative and Entrepreneurship equipment.

Keywords： analyzing equipment； training system； network informationization； innovative and entrepreneurship

一、前言及改革背景

實踐動手能力是運用現有知識、技能解決實際問題的能力，也是創新創業過程中不可或缺的基本能力。如比爾蓋茨、喬布斯、馬斯克都是動手能力很強的人，比爾蓋茨和喬布斯在車庫里動手做出了最初的PC雛形，馬斯克則在很小的時候開始拆卸研究汽車引擎。我國目前大學本科畢業生的動手能力與社會要求尚有較大差距。據麥可思研究院發布的報告：約42%的本科畢業生認為母校專業教學最應加強實踐能力培養[1]。而用人單位對大學本科畢業生的實踐動手能力不滿意率則高達70%[2]。筆者在教學和科研活動時也常遇到類似情況：如博士研究生不會動手接氣瓶，不會給設備連接冷卻水管等。大學生依專業不同，具體實踐動手能力的表達多種多樣。化學化工類學生實踐動手能力的重要表達之一是利用成套儀器進行分析測試的能力。儀器分析技術自上世紀90年代以來引領了化工技術的發展，同時滲透入物理學、醫學、材料、電子、機械等多個專業[3]。在工科化工化學類本科教育階段，需要建立和社會相適應的分析儀器培訓及實驗室體系，提高學生儀器操作能力，擴大視野，夯實專業基礎。高等院校在最近幾年內投入大量資金，建設了一批高水平的分析儀器[4]，以四川大學化工學院為例，自2013年以來，我們陸續購買了如掃描電子顯微鏡、激光拉曼光譜、原位紅外、微波誘導等離子原子發射光譜儀等一系列高檔分析儀器。添置此類儀器設備的目的，一方面是提升我們的科研實力，另外一個重要原因，則是期望通過這些儀器設備的開放化使用，切切實實的提高我們學生的實踐操作和動手能力，提升學生科研創新能力[5]。在國家大力提倡大眾創業、萬眾創新的今天，通過接觸到最先進的儀器分析技術，掌握儀器分析辦法，能開拓視野，提升學生的實際創新創業能力和水平。高等學校的實驗室應為創業創新提供更多支撐，為高校眾多的本科學生提供創新創業的試驗田和演練場。而隨著儀器使用的廣度和深度的進一步加大，摒棄依靠傳統填鴨式教育和單純增加教師工作時間的老辦法已成為共識[6]；而建立相應的實驗設備儀器培訓及使用體系，則成為雙創實驗平臺正常工作的首要保障。

二、目前本科教育階段大型分析儀器教學及使用現狀

以四川大學化工學院本科6個專業方向（化學工程與工藝專業、制藥工程、安全工程、過程裝備與控制工程、生物工程、冶金工程）必修課課程為例，涉及儀器分析課程包括《近代化學基礎》《工科化學實驗》《化工過程分析與合成》，其課程教學以課堂講授為主，講授內容均側重于儀器原理。例如在原子發射光譜元素分析儀器的教學過程中，《近代化學基礎》《化工過程分析與合成》均有講述。但課本內容著重于原子發射光譜儀的基本結構及原理，具體如目前廣泛使用的電感耦合、微波等離子光譜儀及儀器操作方法尚沒有專門講授。課本及授課內容均存在老舊及實踐操作性不強的問題。

在實踐訓練環節上，化學化工類專業均以《近代化學基礎》為主干課程，開設有《儀器分析實驗》課程，各專業按教學計劃分為必修和選修，課時數差別較大。如化學工程與工藝專業實踐學時為20學時，而安全工程專業實踐必修學時設置為選修課程。在實踐儀器配置上，按教育部本科教學指導委員會對《儀器分析實驗》儀器的配置的基本要求[7]。開課的工科基礎化學實驗室配置了如下分析儀器：氣相色譜儀、高效液相色譜儀、可見分光光度計、紫外-可見分光光度計、紅外光譜儀、原子發射光譜儀、原子吸收分光光度計、電化學工作站、氣相色譜-質譜聯用儀、核磁共振波譜儀、電感耦合等離子體發射光譜儀等。

在化學分析儀器的實踐教學過程中，由于客觀條件的限制，存在如下問題：

1. 大型分析儀器單臺價值高，不可能大量配備。本科階段的實踐教學多采用演示教學手段。對于大部分專業來說，受課時數限制以及學生人數較多，且擺放大型精密儀器的實驗室面積小， 難以確保受訓學生在實驗老師演示操作階段都能清楚的看到儀器操作的過程，自己動手操作機會更少。

2. 現有教學大綱未更新修訂，普遍以專業大班排課，實踐課程需要以小班化教學方式進行。同時不少大型分析儀器難調試、易損壞。因而教師不愿開設大型儀器實踐課程。儀器對本科學生的開放程度低。通常都是參與教師科研的本科學生才有機會接觸到儀器。

3. 大型分析儀器的應用與實踐內容脫節：目前大型儀器實踐教學培訓內容大多局限于該學科的實驗操作，均為驗證性實驗，內容老化且簡單，受課時限制及設備安全問題，沒有時間讓學生在大型設備上進行創新性、探索性的實驗研究。

4. 大型分析儀器結構精密，涉及知識面廣，如質譜或者紅外分析儀器，需要使用者具有較為深厚的有機化學知識、光學知識、一定的機械設備知識。而學生動手能力差、知識儲備少，知識面窄，這些都成為高水平使用儀器的制約。

如何提高本科學生大型分析儀器操作能力，讓學生學會使用，并且能夠使用分析實驗室，為創新創業提供堅強支撐值得每位高校教育工作者深思。尋找一套行之有效的實踐教學與實驗室及分析儀器使用模式和機制，操作上要契合各方訴求才能長效實施。

三、雙創分析儀器使用及培訓體系建設方法與內容

目前，隨著計算機虛擬仿真及網絡技術的發展，使得大規模的虛擬實踐學習成為可能。網絡學習能滿足學習者的多元化學習需求。學習者可以根據自己時間、知識儲備、接受能力、興趣愛好等進行多種選擇。網絡化的教學還可以通過大數據分析，了解學習者學習行為、過程、結果，進行針對性的教學，提高學習者學習質量和效率[8]。近五年來四川大學化學工程學院工程實驗教學中心自主開發了一系列網絡數據庫和仿真技術，對大型分析儀器的實踐培訓及使用進行了一系列流程上的改革，建設了一整套大型分析儀器及實驗室實踐培訓與使用體系。為開拓學生視野、扎實專業基礎、培養動手能力、提升創新創業實質內容幫助提供了堅強支撐。該項目實施的具體內容包括了：硬件上的實驗室的門禁準入系統；儀器操作的視頻技術采集及編制；儀器設備學習資料庫建設；局域網以及互聯網遠程WEB訪問的網絡儀器預習系統；實驗數據的網絡存儲及登錄調取系統；實驗設備的使用情況數據采集及數據統計的自動匯總系統；這一整套的規范化運作體系，保證了儀器和開放實驗室的高效運行。整個系統包括了如下幾個有機相連的部分。

（一）建立集中化的院級分析測試平臺

在院級公用分析儀器平臺建設之前，各種類型的公用分析類儀器均集中于各教研室。存在重復建設、資源浪費，缺乏長遠規劃等弊端。學院將各系教研室的設備收歸到工程實驗教學中心公用儀器平臺統一管理。同時，對重要儀器設備均實現了專人管理。通過設備的集中公開管理，理順了設備公開使用開放度不夠的問題，解決了大型設備全面開放的第一個障礙。雖然該部分占文章篇幅最小，但這一步是破除籬壘的第一步。只有這一步完成了，才能從根本上避免儀器設備成為某個課題組或者教授的專有設備。

（二）全面完善儀器學習資料，注重建設實踐操作影音資料及儀器使用習題庫

目前化工學院公用分析測試儀器平臺擁有多臺大中型設備，如PIV粒子成像測速系統、掃描電遷移率粒徑譜儀、掃描電子顯微鏡、拉曼光譜儀、高溫熱重差熱分析儀、原子吸收光譜、納米激光粒度儀。伴隨著設備的不斷更新換代和技術的進展，需要對原有使用手冊和背景資料進行進一步完備補充。中心將大型儀器說明書及操作手冊及注意事項合編成冊。同時，每臺大型儀器的操作流程均被錄制成視頻，并附上詳細的使用注意事項解讀，所有視頻均放置于網上，供學生隨時查閱。影音資料的培訓教材具有直觀、快捷的功效。能使得使用者在較短時間內直觀了解儀器，快速掌握儀器的基本操作。儀器操作視頻的錄制，還可將儀器管理人員從無限次的重復勞動中解脫出來。而視頻放置于網上，則有利于學生隨時隨地的方便學習。

儀器設備的資料完善的另外一個重要部分還包括了針對儀器初次使用者的電子習題及評分評估系統，試題庫系統均放置于網絡上，初次使用者在完成了理論學習和視頻觀看之后，必須進行網絡試題測試，達到一定分數之后才具備使用該儀器設備的必要條件。在題目的設置中，一方面偏重于儀器的安全使用與維護；另外一方面，特別設置某些題目，該類題目只有在完整觀看視頻的情況下才能正確作答。使得學生必須仔細完成各個儀器設備的理論和實踐教學環節。較為全面的考察了學生的理論基礎和實踐操作能力。

（三）網絡數據庫信息系統建設

化工學院工程實驗教學中心于2012年開始建設實驗室網絡管理系統，目前已經建立了功能較為完備的四川大學化學工程學院網絡數據庫管理系統。該管理系統包括依托于互聯網的數據庫管理系統以及該數據庫管轄下的各實驗室門禁準入系統，以及與各測試設備相連的電腦登錄系統。該數據庫綜合考慮了實驗室及師生的各項管理功能，并在此基礎上兼容了學生信息管理、教師實驗授課管理工作、公用分析儀器管理、實驗排課等多方面內容。在該系統中，重點設置了儀器及教室使用專欄，儀器及實驗室使用者如想使用設備或教室，必須經歷以下標準流程：

使用者登錄？隰系統甄別使用者身份？隰了解學習儀器使用方法？隰通過儀器使用考試？隰申請儀器使用時間？隰得到儀器使用批準？隰使用儀器？隰使用完后的記錄檢查

實際執行中，儀器設備的使用同時與實驗室的電子門禁系統相關聯。學生或老師通過安全培訓后獲得最基本的資格認定，在此之后，該生必須先參加模擬使用儀器的現場培訓，現場培訓定期舉行，培訓記錄通過門禁刷卡系統記錄在案。當學生準備使用該儀器設備前，還需在網上進行該設備的網絡考試，考試合格之后達到認定使用資格，可以進行該儀器設備的使用申請。儀器設備管理者在網上確認可使用后，實驗室電子門禁系統會在規定時間到達時對使用者開放，該申請獲準信息也會通過郵件系統推送至申請者；申請時間到期后，使用者的門禁系統準入權限及聯網的儀器使用權限則自動失效。儀器管理者接受到系統推送的設備使用完成信息后，即按規定對儀器設備進行檢查驗收，如操作過程符合規范，儀器設備保持正常完好，則通過此流程的驗收階段，整個設備使用的申請及使用流程運行完畢。同時，該設備使用權立即向其他申請人開放，保證了儀器使用權的正常流轉。主管教師如在隨后的儀器檢查中如發現儀器由于主觀因素導致損壞，將對使用者封停所有設備的申請權限并等待主管領導的進一步處理。該流程的合理設計使得貴重儀器做到了責權利的明確劃分，并保證了設備和教室的資源最大化。系統的公開運行基本杜絕了設備的人情共享、關系共享。

（四）全流程分析儀器培訓與規范化流程體系建設實踐

上述系統是整個實驗室管理及儀器設備的面上系統。在整個實驗室及儀器設備的管理體系的后臺建設中，還配套了大量的內容和體系，包括有如下內容：安全培訓體系、儀器使用培訓體系、安全信息支持、安全防護用具支持、安全硬件建設支持、文獻支持體系、儀器設備維修及耗材配套資金使用體系、儀器使用效益評價體系、學生助教體系，這些體系的建立，其最終目的都是為了鼓勵老師和學生多使用儀器設備。為提高儀器的使用效能，立足本專業，激發學生的創新創業興趣，我們還采取了多項輔助措施，具體內容列舉如下：

1. 制定培訓計劃，定期培訓。注重對儀器實驗技術人員的業務再培訓，掌握相關儀器的最新技術動態，研討改進測試條件，不斷更新和拓展實驗人員的專業知識和技能，以提高他們的工作能力。

2. 邀請專家講學。中心不定期邀請相關相關廠家專家及學者進行先進儀器設備的測試、使用和維護技術等方面的報告和講座，不斷提高大型儀器設備管理技術人員的專業水平。

3. 鼓勵合作交流。鼓勵測試人員加強與企業和其他學校的合作與交流。通過分享測試技術，加強同行溝通，取長補短。一方面有利于建立最新的暢通的咨詢交流平臺，同時也能通過交流共同提高業務水平，還可以建立良好的業務合作關系。拓展儀器使用的平臺。

4. 為推進平臺的有序運行，學校特設立大型儀器開放基金以保證平臺持續發展。開放基金包括維護基金和測試基金。維護基金主要用于大型儀器的維修維護，維護基金由學校劃撥的大型儀器維持費與中心測試收入的30%組成。學校從2015年起設置測試基金，一方面可以支持部分青年教師的科研工作，提高儀器利用率；另一方面可以補貼中心，保證儀器設備的正常運行。通過測試基金的資助，提高了儀器設備的使用效益和完好率，促進了儀器設備的專管共用。

5. 大型儀器培訓工作常態化。為最大限度地提高大型儀器設備的使用率與效益，培養學生的創新能力和科研能力，中心定期面向全校師生組織儀器操作培訓。首先中心向全校發布具體儀器的培訓信息，愿意參加的學生和老師向中心提出申請，經批準后由該領域之內的學者專家以及負責該儀器的教師來進行具體的理論和實踐操作培訓，考試考核合格者可頒發合格證書，并開放部分不易損壞的儀器給獲得證書的優秀學員，獲得證書的學員可獨立操作該儀器，并可利用節假日及休息時間測試樣品。同時，鼓勵優秀學生在非上課時間有條件操作較為大型的儀器設備，開放使用的資金一類是利用學校的資金支持，鼓勵大學本科生開展科技創新項目。學生會以團隊的形式，完成科研小課題，從項目申報、具體實驗到項目結題，學生得到了全面科研訓練，能夠對儀器有的放矢地使用。另外一個辦法是設立學科競賽，以學科競賽來推動學生的興趣和實踐操作動手能力，有條件的實際操作大型分析儀器。通過實踐為專業范疇內的創新創業打下堅實基礎。

四、結束語

四川大學化學工程學院工程實驗中心以2016年全年教學運行周為周期，圍繞著網絡數據庫系統，實驗中心進行了一系列培訓與教學實踐活動：總培訓與研討時間達到了160小時；公用儀器開放使用共計654次，8477小時；專業實驗室開放使用共計239次，3815天。中心通過平臺的建設，不斷提高學院實驗室及儀器設備管理與使用水平，使得整個實驗室管理水平已躋身國內一流行列。下一步，實驗中心將進一步完善網絡數據庫系統，并通過持續不斷的進行教學研討活動來整理和吸收先進經驗，真正做到用信息化、現代化、自動化的技術手段為師生提供更加高效、便捷的實驗室服務，全面提高學院實驗室安全運行水平和學生使用現代分析測試儀器的能力，全面提高儀器設備的操作水平和教師科研能力，讓實驗室成真正成為雙創平臺的試驗田。

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