大型仪器设备在培养实践创新型人才中的自主上机模式探索

　　在我国“双一流”建设背景下，大型仪器设备的使用在本科教学、科学研究、学科建设等方面发挥了重要的作用。然而，大型仪器设备的使用和管理中存在一些问题。高校大型仪器设备的共享程度越来越高，但在岗教师身兼数职，分身乏术，单靠自身无法让几台大型仪器设备同时开放运行，从而导致仪器设备的使用率低，共享效果差^[1]。在人才培养方面，大型仪器设备如果只用作分析和提供实验数据，就不能充分发挥作用。为了充分利用大型仪器设备，发挥其在人才培养方面的作用，笔者探索了自主上机模式。通过多种方法培养学生自主操作的能力和解决科研问题的思路，同时借助学生力量实现多台大型仪器设备的开放共享，进一步提高我校各大型仪器设备的共享率。

　　随着国家对高校的投入越来越多，各高校纷纷建立了分析测试中心，同时购置了大量大型仪器设备以促进教学和科研发展。然而，许多大型仪器设备未能充分发挥它应有的价值^[2-3]。随着仪器设备数量增多，分析测试中心实行专人专管的制度，因而出现一位教师负责管理几台大型仪器设备的现状^[4]。尤其是扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪等需求量大的仪器设备，经常出现供不应求的现象。一方面，如果单靠管理教师开展仪器设备的测试工作显然是不行的，难以保证每台仪器设备良好运行，也无法达到教育部及科技部要求的共享使用机时^[5-6]。另一方面，作为分析测试中心，如果仅为学生提供某个测试数据，就只起到第三方检测机构的作用。授人以鱼不如授人以渔。为了在满足师生测试需求的同时培养学生自主创新实践能力，笔者提出了自主上机模式。通过形式各样的培训，引导学生自主上机。在管理教师的带领下，学生可以利用大型仪器设备为自己、为课题组测试数据，从而培养解决科研问题的思路与创新实践的精神，丰富在校期间的实践经历，提高实践动手能力；同时也可以提高大型仪器设备的测试效率，增加其共享使用机时。

2.1　面向本科生开设通识教育课程

　　对于理工专业的本科生而言，大部分时间仍然是课堂学习，没有进入实验室开始科研工作。为了提高学生对大型仪器设备的实践兴趣，笔者开设了大型仪器设备相关的通识教育课程，介绍一些通用设备如扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪、红外光谱仪、紫外吸收分光光度计、原子吸收分光光度计、X射线光电子能谱仪等的使用原理、结构、表征、用途等。为了避免内容枯燥，笔者增加一些与生活相关的实例分析与视频动画，以激发学生的兴趣，使其能直观了解大型仪器设备^[7]。在此基础上，对于想进一步了解仪器设备的学生，可以自愿报名到实验室参观实物以及测试过程，参加自主上机培训。总的来说，该课程的开设对理工专业的本科生具有重要意义，既能增长见识，又提供拓展实践的机会，为其就业或升学打下了坚实的基础。

2.2　面向研究生定期举办大型仪器设备应用讲座

　　研究生经过本科阶段的学习后，进入实验室参与科研项目，对大型仪器设备有所了解，阅读文献时也会关注某个材料的合成或是性能分析需要用哪种大型仪器设备。因此，面向研究生，将不再是兴趣引导，而是针对某个特定仪器，从原理到应用进行逐步深入的讲解。分析测试中心将定期邀请仪器厂商工程师做应用方面的知识讲座，深入挖掘每台大型仪器设备对科研工作所提供的保障与服务。学生从中学到更多的仪器设备相关知识与功能，而不是简单地获取某个数据，特别是在测试结果不理想的情况下，能够换个思路得到不同的数据，助力其科研发展之路。想要达到这个效果，学生需要参加自主上机培训，只有亲自实践才能获得更多的创新思路。

2.3　自主上机培训模式探索

　　学生自主上机必须要经过严格培训且通过考核，才能加入大型仪器设备机组进行自主测试。一方面，为了保障学生和仪器设备的安全，特别是一些高温高压的仪器设备，绝不允许随意操作；另一方面，只有通过考核后自主上机，才能发挥仪器设备的最大作用，学生可以通过不同思路的探讨与实践获得满意的数据。因此，自主上机的学生必须经过一定的培训。下面以分析测试中心使用率最高的扫描电镜为例，探讨自主上机模式的实施。

　　2.3.1 理论培训与考试

　　邀请仪器厂商工程师或者有经验的教师进行扫描电镜的理论知识讲座，面向全校师生，建立对扫描电镜初步的认识，了解其成像原理、仪器构造以及制样要求。讲座结束后安排互动环节，鼓励学生积极与工程师或者教师交流，并从中选取对扫描电镜感兴趣的学生有意向地进行培养。相关培训通知挂到网站主页，如图1所示。分析测试中心发布上机操作培训的通知，组织报名的学生参加闭卷理论测试，根据每个学生的考试成绩和面试成绩综合确定上机操作的名额。同时，为了更全面地覆盖学校不同课题组且保证培训质量，规定每个课题组不超过两个名额，并明确告知培训完成取得自主上机资格的学生要为课题组的师生提供测试服务。培训的学生必须先完成分析测试中心实验室安全准入考试，应对实验室一些基本安全知识有一定了解，才能进入实验室操作大型仪器设备。

图1　发布理论培训通知

　　2.3.2 上机操作培训

　　将最终参与上机操作培训的学生分组，每组大概6人。负责扫描电镜的管理教师带领学生培训上机操作，培训内容包括进出实验室安全注意事项、样品制备、扫描电镜的组成结构与工作形式、拍摄样品图像的流程等，重点强调一些危险操作。教师实际演示后，指导学生一一上手操作，要求学生在每一步操作前先说明怎么做、为什么这么做，经过教师确认后方可继续操作，以确保仪器设备的使用安全。以场发射扫描电镜为例，首先让学生清楚整个测试的过程，熟悉安全操作流程，怎样拍摄清晰的图片、找到感兴趣区域的形貌等技术性操作将在后续实践中慢慢摸索。同时，提醒学生注意一些测试中常见的问题，如样品台底部粘了导电胶导致样品杆无法顺利取出，只有打开仓门才能取出，严重影响测试效率。

　　2.3.3 上机操作考核与自主测试

　　初次上机操作培训完成后，学生参观实物并进行实践，对整个过程有了一定的了解。然后，学生定期到仪器室继续熟练操作，不断积累经验。当学生既能独立安全地操作，又能拍摄出清晰的扫描电镜图片后，教师安排学生逐个进行上机操作考核，考核流程及标准如下。首先要求学生提交一份详细的操作流程说明，管理教师检查确认无误后给学生一份样品进行拍照测试，然后参照行业标准《扫描电子显微镜分析方法通则》(JY/T 0584—2020)，全程检查操作步骤是否规范正确。

　　将通过考核的学生纳入扫描电镜自主上机机组，发放自主上机操作证书与工作牌，可以承担课题组的相关样品测试。分析测试中心的信息化网络预约系统中授权相应的门禁与自主上机资格，如图2所示。只有通过培训获得证书才能使用仪器设备，而未获得授权的学生则无法预约自主上机时间，这样就把委托送样测试和自主上机很好地区分开来。同时，有意愿且优秀的学生通过分析测试中心考核后，可以申请成为扫描电镜机组的助管，协助教师完成来自全校不同课题组的样品测试。最后，分析测试中心将根据各位学生的表现和实际上机时间颁发自主上机操作证书和实践证明，对其所做的工作予以肯定。由于助管对仪器设备的共享开放贡献很大，承担了学校多个课题组若干样品的测试任务，择优颁发优秀助管证书。

图2　自主上机强制培训开启界面

　　2.3.4 测试数据统计

　　场发射扫描电镜作为基本的材料表征大型仪器设备，需求量非常大。如图3所示，笔者统计了2023年1—6月的测试数据，其中场发射扫描电镜的机时、样品数及人次数都是最多的。笔者所管理的4台大型仪器设备在这半年内的使用机时共有2700多小时，其中场发射扫描电镜占用1000多小时，可以看出自主上机模式运行带来的成果，如图4和图5所示。然后分别统计了场发射扫描电镜自主上机和送样测试的数据，进一步证明自主上机在大型仪器设备共享使用机时中占了很大比重。

图3　2023年1—6月各仪器测试数据统计

图4　2023年1—6月场发射扫描电镜自主上机测试数据

图5　2023年1—6月场发射扫描电镜送样测试测试数据

　　在整个自主上机培训的过程中，学生的实践能力得到了锻炼；学生为课题组进行样品测试的同时也提高了自主创新能力。据不完全统计，今年毕业的学生中，这批自主上机的学生就业情况都很不错，进入如华为、台积电、宁德时代、成飞集团等知名企业以及湖南大学、中南大学等一流高校，这是对实践创新型人才培养最好的诠释。自主上机模式已经成功运用于扫描电镜机组，并推广到分析测试中心X射线衍射仪等其他有需求的大型仪器设备，使分析测试中心的仪器设备共享率大大提升。这种模式不仅满足了学校更多课题组的测试需求，而且培养出一批实践创新型人才，为其以后升学深造或就业工作奠定坚实的基础。