以培養本科生自主學習能力為目的的大型儀器開放實驗教學

王曉崗， 許新華， 郝志顯， 樊雅娟

(同濟大學 化學科學與工程學院， 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[1]。研究功能的意義在于，大型儀器是用來探索物質微觀結構、表征物質性能和特征的現代化研究工具，是高校教師開展課題研究，博士、碩士進行畢業論文工作的得力助手。那么，什么是教學功能呢？教學功能指將大型儀器用于教學，尤其是本科生教學，在對儀器原理和操作的學習過程中培養學生的動手能力、思維能力和創新實踐能力。由于高水準的學術成果及學科前沿領域的突破性進展和大型儀器密切相關。因此，對工科院校本科學生而言，能否使用大型儀器是體現其科研素質及創新能力的一個重要標志[2]。

1 大型儀器用于本科生教學實驗困難與對策

為充分發揮大型儀器的使用效率，近年來國內高校，尤其是“985”“211”高校先后創建了大型儀器共享機制[3-5]，將大型儀器進行聯網，在此基礎上建立校級(院級)網絡化共享平臺，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生[8]。而真正用于教學，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及儀器操作經驗，管理者只須對儀器的使用進行協調，實施過程監督及規范化管理，即可達到開放目的。而本科生則不同，他們人數眾多、規模大，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險，一旦操作失誤，就可能損壞儀器，造成財產損失。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) 教學內容匱乏。從儀器使用目標來看，大型儀器服務于科研，使用者對實驗目的、研究目標非常明確，可以說是直奔主題。而對本科生開放，則目標模糊且方式單一。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的實驗素材。如果上機的目的僅僅局限在讓學生學會儀器的關、開及參數選擇，沒有實際應用和拓展，那么這種開放就因缺少內涵，流于形式，很快對學生失去吸引力。因此，只有加強教學內容建設，圍繞大型儀器開發一批可用于本科生開放實驗教學的實驗項目，才能保持開放的長期性、穩定性和持續性。

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調，還涉及到如何讓學生學會使用儀器以及如何利用儀器進行拓展性學習。換句話說，必須把儀器的管理和教學結合起來，雙管齊下，才能抽薪止沸，從根本上解決本科生開放的問題。

依據這一思路，同濟大學化學實驗教學中心持續多年對大型儀器的開放進行探索，其內容包含兩方面，① 從管理體系著手，通過建立大型儀器網絡管理系統及預實習培訓機制，為大型儀器的開放創建保障條件；② 開展教學體系研究，開發出一系列能體現大型儀器特色的實驗項目，結合這些項目對本科生進行開放實驗教學(見圖1)。經數年的教學實踐，取得了良好的教學效果，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 開發大型儀器網絡化管理系統，提高儀器使用效率

大型儀器在高校中屬稀缺資源，通常承擔著比較繁重的科研任務，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，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，我校化學實驗教學示范中心(以下簡稱中心)將所有大中型儀器進行聯網，自行開發了網絡化管理系統，在以下幾個方面實現了大型儀器的智能化管理。

(1) 儀器的預約和安排。系統采用實名制注冊，老師或學生注冊登錄后，可以在系統查閱每臺儀器的相關資料及近期使用情況，如果需要使用儀器，就在“儀器預約”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調安排，并把結果公布在網絡上，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、關機時間、使用者信息等，實現了儀器的自動計時收費和智能化管理。

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

(4) 實驗數據上傳。為保證儀器操作系統的安全，所有原始實驗數據均保存在中心數據庫里，管理員將當天的實驗結果通過服務器及時上傳，老師和同學可以采用遠程登錄的方法從網上下載，以避免使用優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據，也可以向中心提出申請，由管理員進行網上傳遞。

大型儀器網絡化管理系統的建立，增加了管理的透明度，協調了儀器的使用狀況，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 建立預實習培訓制度，為本科生開放提供保障條件

大型儀器價格昂貴，操作不當不僅會造成儀器故障，影響正常的科研和教學秩序，還有可能帶來巨大的財產損失，這是諸多院校限制本科學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實習制度，即本科生上機前必須進行一定時間的實習培訓，以熟悉儀器的性能和操作方法。經考核合格后，才允許獨立上機操作。預實習培訓主要含有3個方面的內容：

(1) 大型儀器類講座。對初學者來說，培訓的第一步就是參加講座學習。講座由公司專業技術人員或資深教師授課，內容包括儀器的歷史、基本結構、工作原理、應用領域、樣品要求、儀器的主要性能指標等。通過講座學習，讓學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識。

(2) 虛擬實驗訓練。為配合大型儀器講座學習，中心還自行開發了系列虛擬實驗項目用于學生培訓，實驗采用動畫視頻形式，每個實驗10～30 min時間不等，含3部分內容：① 工作原理展示，包括儀器的構造、組成、各部分的功能，以及儀器設計中所蘊含的科學思想；② 操作演示，包括儀器的開啟、關閉、樣品制備、放樣取樣、參數設置、測量、結果儲存和數據傳送等；③ 模擬操作。模擬實際工作情景，學生用鼠標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，學生可利用虛擬動畫反復演練，直至熟悉并能正確完成所有操作為止。

(3) 觀摩和實習。根據不同儀器的運行情況，中心每學期專門為初學者集中提供幾個開放時段，用于各類儀器的觀摩和實習。以掃描電鏡為例，每學期安排3個星期二下午，由已取得上崗證的高年級的學生或研究生擔任指導，學生分批現場觀摩，然后依次進行上機操作練習。中心還為本科生建立了儀器使用檔案，當參加完全部實習，并達到規定的上機時數，學生可以參加后續的大型儀器開放實驗學習，取得足夠經驗后，學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個階段的預實習培訓，絕大多數本科生從原來的“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

大型儀器向本科生開放，其目的是讓本科生通過對這類現代化研究工具的學習和使用，開闊科學視野，了解學科前沿發展動態，培養動手能力、創新思維能力和科學研究能力。因此，開放的重點不僅僅是教會學生怎樣操作儀器，更重要的是讓學生學會如何利用這些儀器，進行有目的的自主性學習和研究。為此，同濟大學化學實驗教學中心圍繞各類大型儀器開發了一系列有特色的實驗項目，并結合這些項目開展開放實驗教學。依據教學內容不同，開放實驗分為2個層次，一是常態化開放，二是自主性開放。

3.1 常態化開放實驗

常態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。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、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，可以讓同學在輕松快樂中學習儀器的操作。

開放實驗學習采取自主自愿原則，所有項目以菜單形式掛在網站上，學生以小組為單位，從菜單中選擇項目進行預約。開放實驗時間的長短視具體內容而定，短則一節課，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。與常規教學不同的是，開放實驗中學生有較大的自由度。比如說，老師僅給出實驗提綱，不設立具體的條條杠杠，學生可以按提綱要求，自行設計方案并予以實施。其間遇到困難，老師給予指導和幫助。需要特別說明的是，大型儀器的開放不僅僅局限在本學院本專業，菜單中部分實驗項目也對其他院系同學開放。如電鏡類、光譜類開放實驗就吸引了材料、環境、醫學專業不少同學的參與。這種注重個性化發展的教學方式頗受歡迎，學生的參與熱情非常高。

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

3.2 自主性開放實驗

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

為提高學生的參與度，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，由學生匯報“自主實驗”研究成果，從中評選出一、二、三等獎。

經數年的教學實踐，積累了一批優秀的學生作品，其中不少實驗成為本科教學的“精品”。例如：“鉛錫二元合金相圖的測定”是一個經典的物理化學實驗，其相圖特征為二組份固體部分互溶，液體完全互溶。傳統教學中采用步冷曲線法測定，該方法對鉛錫固態相變過程不敏感，在固體部分互溶區域得不到相應的溫度變化信號，以致于同學做完實驗后認為鉛錫形成的是固體完全不溶、液體完全互溶的相圖，對該相圖的認識產生了偏差，這也成為物化實驗課程中公認的一個教學難題。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的極大興趣，他們最初認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此實驗，但經多次試驗，也不能得到固相線的溫度信號。實驗中學生發現，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生，這一現象引起學生的注意，經反復驗證，學生們認定該吸熱峰對應于固相的熔化，峰頂的溫度則對應于相變溫度，據此，建立了用差熱分析儀測定鉛錫二元合金完整相圖的方法。但同學的研究并沒有就此止步，考慮到大型儀器難以用于大規模的課堂教學，學生又在老師的幫助下，根據差熱分析儀的原理，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，最終在課堂實驗中成功實現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難點。

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

4 結 語

總結數年的實踐經驗，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功能，提高了儀器的使用效率，大批本科同學有機會學習和使用這類現代化研究工具；② 建立了大型儀器開放平臺，利用這一平臺引導學生開展自主性、研究性學習，學生的自主意識、創新思維、創新能力及科研素質得到鍛煉和提高；③ 通過大型儀器開放實驗教學，開發了一大批原創性的實驗項目，豐富了實驗教學的手段和內容，提高了基礎實驗教學的層次。

當然，作為一種新的教學形態的嘗試，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。如何規范開放的形式，對大型儀器的開放效果進行指標化評價，進一步拓展和擴大開放的范圍，這些問題都是在后續工作中需要研究和改進的。