探索大型儀器開放共享對提高理工科大學生創新能力的新途徑

何亞群， 劉懷宇， 謝衛寧， 王 帥， 段晨龍， 王海鋒

(中國礦業大學 a.現代分析與計算中心； b.化工學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

培養具有創新意識和創新能力的高素質人才是高等教育改革的主題，也是建設創新型國家的基本要求[1-2]。習近平同志指出，一個國家長期落后歸根到底主要是科學技術落后，而不取決于經濟規模大小。因此，提出了我國教育“三個面向”的思想，其核心是提高我國的科學技術水平和創新能力。2012年，瑞士洛桑發布的《世界競爭力報告》中，我國工程師的數量和質量，在參評的55個國家中排名48位；2013年，在60個參評國家中排名40位。由此可見，我國工程教育質量與世界強國存在不小差距[3]。當前，重視學生科研實踐能力的培養已成為我國高等教育教學中的共識。對理工科大學生而言，在夯實專業基礎知識學習的同時參與科研訓練可進一步提高專業素養和創新素質[4-7]。目前，此種創新培養模式探索研究已在較多的理工類高校開展。試驗儀器和分析設備是理工科科研實踐環節中的重要硬件和必備條件。對于普通、常規設備，開放式實驗教學手段在我國高校本科生、研究生實踐能力培養環節已成為常規教學模式，在創新教育中起到很好的示范作用[8-10]。但因受常規設備技術水平的局限，學生創新在技術層面難以深入，提高學術創新層次遇到瓶頸。隨著國家對高校的投入逐年增加以及高校“雙一流”學科建設的需要，大型、貴重、精密儀器設備數量越來越多，設備檔次不斷提高[11]。然而這些優良的設備、儀器、技術及人力資源主要服務于中、高端的研究項目上，其利用率往往不高，對高校學生全方位開放，尚存在障礙[12-16]。

近年來，從國家層面到高校內外，對開放共享大型儀器設備的要求與日俱增，大型、貴重、精密儀器不是要不要開放，而是能不能、如何能在確保設備和人員安全的基礎上實現開放。在依托實驗教學和科研訓練以提高大學生創新素養背景下，如何將大型分析儀器設備開放共享以更好地服務于大學生實驗和科研是亟需探討的問題。開放共享大型設備儀器涉及到設備管理、操作技術、運維資金和用戶培育等諸多方面。

1 多管齊下，實現大型儀器設備深度開放共享

1.1 大型儀器設備簡介

現代分析與計算中心是學校直屬管理的公共平臺，管理的設備均為大型、貴重、精密設備儀器。其中有：X射線衍射儀(XRD)；X射線熒光光譜儀(XRF)；顯微紅外光譜儀(FT-IR)；激光共焦拉曼光譜儀(Raman)；掃描電子顯微鏡(SEM)；場發射透射電子顯微鏡(TEM)；原子力顯微鏡(AFM)；X射線光電子能譜儀(XPS)；高性能計算集群(HPC)；超導核磁共振譜儀(NMR)；電子探針顯微分析儀(EPMA)；激光剝蝕-等離子體質譜儀(LA-ICP-MS)；高分辨三維X射線顯微成像系統(3D-XRM)。在這些設備中價值較高的設備，X射線光電子能譜(XPS)配備有俄歇(AES)微區分析系統、能量損失譜(REELS)、紫外光電子能譜(UPS)、離子散射譜(ISS)等分析測試單元，價值超過750萬元。其他設備均在100萬元以上。如何在創新教育中發揮這些高端精密儀器設備的作用，是一個亟需探索的新問題。

1.2 共享平臺架構

為了實現大型儀器設備的深層次、全方位開放使用，首先分析了大型儀器設備在使用過程中的共性特點，歸納總結優化出一個可以適用大多數設備的儀器設備業務流程邏輯框圖。對于符合這個業務流程的大型儀器設備，無論其物理位置在校園的哪個樓宇，都可以納入開放共享平臺進行分類集中管理。同時與之配套編制相應的管理規章制度，如“平臺設備運行管理辦法”“平臺設備使用管理條例”“平臺設備安全管理制度”“平臺設備化學藥品氣體鋼瓶管理辦法”等規章制度。

在此基礎上，現代分析與計算中心的大型儀器設備開放共享平臺的軟硬件進行系統架構，其構成如圖1。所架構的軟硬件平臺主要分為3個模塊，即自主開放預約模塊、軟硬件聯動模塊、后臺數據管控模塊。

圖1 大型儀器設備開放共享預約平臺構成

開放預約模塊是創新教育主體——本科生、研究生與大型儀器設備交互的門戶，學生在使用大型儀器共享平臺前，首先需使用校園卡和身份信息進行網上注冊，成為平臺正式用戶。在此基礎上，用戶即可在共享平臺登錄，閱讀大型儀器設備共享使用的安全須知，了解儀器設備的使用操作說明，下載所需要的各類文件，以及學習并熟悉大型儀器共享平臺的使用方法。至此，學生可根據自身需求及創新實踐目標在大型儀器共享平臺上自主預約分析測試項目。

軟硬件聯動模塊的設計既保證了預約測試工作的順利進行，更是共享平臺全方位，全天候開放與自主測試的必要保障。該模塊硬件組成如圖2所示。在此系統中，門禁單元集成了電子門牌、人臉識別、指紋識別、密碼開鎖、校園卡解鎖等功能。當測試用戶預約了合適的分析測試時間后，門禁系統通過校園卡開鎖，允許用戶進入機房，實現24 h自助測試功能。軟硬件還包括兩套視頻監控系統，除了安保視頻監控之外，針對每臺大型貴重精密儀器，專門設置一臺高清長變焦360°無死角攝像頭，主要服務于對用戶使用操作設備細節的監視，另一方面，當自主測試用戶在非工作時段使用設備遇到操作困難或問題時，設備管理員可通過監控了解現場情況，實現網絡遠程指導。此外，在實驗室環境出現供電、溫濕度、氣體各種指標異常、超上下限時，將及時發送報警短信到中心管理層和指定相關設備人員手機上，保證了預警事項及時了解及時處置，確保實驗室及設備的安全。

圖2 軟硬件聯動模塊

開放共享平臺軟件配備有一個較為復雜的后臺數據庫系統，系統的超級管理員可以對開放平臺的參數進行設置。設備的開放共享程度根據具體情況和管理要求，由開放共享平臺的儀器設備管理技術委員會確定，再由平臺軟件系統管理員逐一設置開放參數。如，開放時段時長、哪些設備僅限于工作時間預約、哪些設備可以非工作時間開放使用、不同設備可以對哪些用戶采取哪一種開放模式、自主操作或設備管理員指導下測試，或只限設備管理員操作等設置。

1.3 共享平臺的開放實施

目前，中心全部大型儀器設備均已開放網上預約測試服務。預約模式根據設備的不同分為按機時預約和樣品數目預約。以掃描電子顯微鏡為例，該設備采用按機時預約的方式，每天開放時間為8 h。用戶登錄預約系統并選擇該設備后，即進入如圖3所示的預約臺歷。該臺歷清晰地顯示當前月內工作日設備的預約情況。用戶可選擇當前日48 h之后的工作日進行預約測試。完成測試日期選擇后，即可進入預約界面。在填寫預約任務前，用戶需仔細閱讀設備信息中關于設備用途、性能指標和送樣要求等內容。此處以掃描電子顯微鏡的機時預約模式為例(見圖4)，用戶需詳細填寫“樣品性質與狀態”和“測樣要求”欄目下的內容，選擇所需的測試模式，并根據樣品數量選擇測試時長時段，之后界面會出現測試所需的預計費用。在提交預約申請后，系統會向用戶所在課題組的預留郵箱發送郵件，導師在審批該測試任務后，中心工作人員將根據預約內容做審批或駁回的決定。預約申請通過審批后，用戶需根據審批通知的要求在預約時間進行送樣檢測。測試完成后，中心工作人員會將測試結果以報告形式上傳至系統，用戶在繳納測試費用后即可下載測試報告以便查閱，并可對測試過程進行客觀評價。

圖3 預約后平臺網站出現臺歷

圖4 閱讀并提出測試要求，郵件通知、導師審批、費用預算、中心審核

2 運用先進手段提升學術創新能力

2.1 多種形式夯實創新素質

通過課堂陣地在全校化學、化工、材料學、地質工程、資源、物理、礦物加工等本科專業開設“現代分析測試技術”選修課程，同時開放化工、化工、材料、礦物加工等學科研究生的45學時“現代分析方法Ⅲ”必修課程，大力普及相關大型儀器基本知識，拓寬學生專業視野、鼓勵學生深入高精尖前沿科技領域，為大學生提升創新的技術手段提供更多的機會。此外，還針對中心已有的大型分析儀器設備自行編寫了“現代分析儀器應用技術實訓教材”講義，并在化學、礦物加工工程專業開設32學時獨立設課的“現代分析測試技術實踐”實驗課程。在此實驗課程中，將學生分成若干小組，每組5人，課程劃分為上下兩個部分各16學時，每個學生根據自身興趣及創新實踐的需要自選2臺大型儀器設備，課程結束時要求每位學生掌握的2臺大型儀器設備的基本操作。在此基礎上，現代分析與計算中心還不定時開設講座，或聘請儀器設備公司的應用開發工程師在全校范圍介紹儀器設備的性能與前沿應用實例，拓寬學生的創新視野，提高學生自主創新能力，培養大型儀器設備的潛在用戶，使學生的基礎科學研究綜合素質有較大的提升。

2.2 學用結合培養學生創新能力

為了最大程度地發揮先進分析測試手段的優勢，中心每年在全校本科生、研究生實施大型儀器設備使用資格認證制度。通過不定期在中心網站、手機APP，及其他多種媒體發布通知消息，具有科研需求及學術興趣的學生都可以申請參加儀器設備專項準入實訓。在一對一操作指導培訓后，中心技術委員會組織操作考試和綜合考核，按學生對設備使用的實際水平頒發A類和B類“大型儀器設備共享使用資格證書”，證書上規定持證者可操作的儀器和項目。如掃描電鏡B級證書，注明持證人“可在管理人員陪同下操作儀器，更換樣品，僅限于高真空二次電子像模式操作”等內容。此舉措既規范了學生操作大型儀器設備的流程，又為全天候開放使用大型儀器設備打下了基礎，儲備了潛在技術力量。

此外，中心還通過吸收本科生、研究生作為儀器設備操作助理，使他們參與到中心儀器設備操作和維護管理。學生助理一般先進行制樣環節的訓練，逐步進入機組進行學習和實訓，通過1～2年的實踐與培訓，這些助理在知識體系，實際操作，科研創新方面都有了質的提高，為進入高年級參加科研訓練項目，或進入研究生論文的實驗研究階段打下了堅實的基礎，成為同學們學術創新層次提升的重要環節，對學生創新素質培養和創新能力的提高有著很強的推動作用。

2.3 組織參與科研獲取創新成果

中心充分發揮在大型儀器設備運行和開發應用方面的優勢，著重推進大型儀器在基礎學科領域研究的應用，深化理工科大學生對大型儀器在構建專業知識體系中作用的理解，開展多層次的創新研究活動。中心的設備按照功能可分為表面分析組、結構分析組、無機分析組、有機分析組和超算組。為提高理工科的創新能力，中心組織由設備機組管理員牽頭，吸納學生組建課外興趣小組。各專業學生可根據個人興趣，結合專業知識，在中心工作人員的指導下開展深層次、高水平的創新實驗研究，并已取得顯著效果。

中心還對國家級、省級以及校級的大學生科研創新訓練項目給予支持，鼓勵大學生借助大型儀器拓寬對專業知識的理解，提升科學研究的素養。國家級大學生創新訓練計劃“磨礦浮選回收廢棄鋰離子電池電極材料的干法改性機理研究”成員在中心表面分析組、結構分析組和無機分析組老師指導下，完成了經干法改性后電極材料表面形貌、元素分布、表面有機官能團等變化的分析，進而揭示通過干法改性提高電極材料可浮性差異的機理。該項目組成員在指導教師和中心工作人員配合支持下，已完成項目既定任務，并已發表相關的SCI和中文核心學術論文。能源、材料與物理學部本科生胡海華同學依托所承擔的國家級大學生創新項目，在指導教師和中心技術團隊的支持下，利用X射線衍射、掃描電子顯微鏡和場發射透射電子顯微鏡等大型儀器設備表征合成新材料的物相組成和表面性質，相關研究成果先后發表在Journal of Materials Science-Materials in Electronics，Micro & Nano Letters等4篇SCI期刊上。本科學生通過參與大學生創新訓練計劃、國家級科研訓練項目及課外興趣小組等科研活動，使用現代分析測試手段探索物質的基本屬性，使本科生的科研創新能力有了很大提高。

此外，中心以各種形式鼓勵理工科大學生以中心為平臺參與省級與國家級的各類競賽。每年都有本科生在國家及省級的“挑戰杯”大學生創新實踐競賽、“全國大學生節能減排大賽”等競賽中獲獎。以高性能并行計算系統為依托的校超算創新團隊連續3年組織學生100余人在高性能計算集群實訓，選拔后連續3年參加“世界大學生超級計算機競賽”均取得優勝獎。中心超算組技術團隊參與指導的計算機專業本科生在2016年ASC世界大學生超級計算機競賽中獲得Prize of Excellence獎項。

3 結 語

本文以大型儀器設備開放共享平臺的構建為基礎，大型儀器設備開放共享預約平臺軟件為核心，軟件驅動硬件，實現安全規范基礎上的大型貴重精密儀器設備深度開放共享，進而采取多項舉措使大型貴重精密儀器設備在拓寬學生創新視野、培養學生現代科技創新技能方面充分發揮其獨到作用。為提升學生創新學術層次、突破學生創新技術瓶頸，為提高大型貴重儀器設備使用率，探索出一條新路。