以培养本科生自主学习能力为目的的大型仪器开放实验教学

王晓岗， 许新华， 郝志显， 樊雅娟

(同济大学 化学科学与工程学院， 上海 200092)

0 引 言

从自身属性来说，高校的大型仪器具有两大功能，一是研究，二是教学[1]。研究功能的意义在于，大型仪器是用来探索物质微观结构、表征物质性能和特征的现代化研究工具，是高校教师开展课题研究，博士、硕士进行毕业论文工作的得力助手。那么，什么是教学功能呢？教学功能指将大型仪器用于教学，尤其是本科生教学，在对仪器原理和操作的学习过程中培养学生的动手能力、思维能力和创新实践能力。由于高水准的学术成果及学科前沿领域的突破性进展和大型仪器密切相关。因此，对工科院校本科学生而言，能否使用大型仪器是体现其科研素质及创新能力的一个重要标志[2]。

1 大型仪器用于本科生教学实验困难与对策

为充分发挥大型仪器的使用效率，近年来国内高校，尤其是“985”“211”高校先后创建了大型仪器共享机制[3-5]，将大型仪器进行联网，在此基础上建立校级(院级)网络化共享平台，并将仪器向全校(院)师生开放[6-7]。这一举措极大地提高了大型仪器的利用率。但也注意到，目前这种开放式平台主要是用于拓展仪器的研究功能，是为科研服务的，受益对象主要是教师、研究生及部分参与课题组的高年级学生[8]。而真正用于教学，向本科生大面积开放且取得成功的案例极其少见[9]。究其原因，该项工作的开展主要有以下两大难点：

(1) 缺乏保障体系。大型仪器用于科研开放，对象主要是老师和研究生，这些人通常具有一定的科研基础及仪器操作经验，管理者只须对仪器的使用进行协调，实施过程监督及规范化管理，即可达到开放目的。而本科生则不同，他们人数众多、规模大，所获得的大型仪器方面的知识主要来自于课堂，普遍缺乏实际操作经验。由于大型仪器价格昂贵，开机运行、维护成本高。相对而言，本科生使用仪器存在较大的风险，一旦操作失误，就可能损坏仪器，造成财产损失。因此管理者有所顾忌，不敢放手让本科生独立上机操作[10]。

(2) 教学内容匮乏。从仪器使用目标来看，大型仪器服务于科研，使用者对实验目的、研究目标非常明确，可以说是直奔主题。而对本科生开放，则目标模糊且方式单一。例如目前普遍缺乏能反映大型仪器特点的、适合本科生开放实验教学的实验素材。如果上机的目的仅仅局限在让学生学会仪器的关、开及参数选择，没有实际应用和拓展，那么这种开放就因缺少内涵，流于形式，很快对学生失去吸引力。因此，只有加强教学内容建设，围绕大型仪器开发一批可用于本科生开放实验教学的实验项目，才能保持开放的长期性、稳定性和持续性。

以上分析表明，大型仪器对本科生的开放其难度要远大于科研开放，它不仅涉及到仪器的管理和协调，还涉及到如何让学生学会使用仪器以及如何利用仪器进行拓展性学习。换句话说，必须把仪器的管理和教学结合起来，双管齐下，才能抽薪止沸，从根本上解决本科生开放的问题。

依据这一思路，同济大学化学实验教学中心持续多年对大型仪器的开放进行探索，其内容包含两方面，① 从管理体系着手，通过建立大型仪器网络管理系统及预实习培训机制，为大型仪器的开放创建保障条件；② 开展教学体系研究，开发出一系列能体现大型仪器特色的实验项目，结合这些项目对本科生进行开放实验教学(见图1)。经数年的教学实践，取得了良好的教学效果，在大型仪器对本科生开放方面探索出一条新的途径。

图1 本科生大型仪器开放路线示意图

2 大型仪器用于本科生开放的条件建立

2.1 开发大型仪器网络化管理系统，提高仪器使用效率

大型仪器在高校中属稀缺资源，通常承担着比较繁重的科研任务，尤其是一些热门仪器，如扫描电镜、透射电镜、比表面测定仪等，每天的安排都是以分钟来计算的。在这种情况下，要开展开放实验教学，就必须对仪器作更为合理的安排，进一步提高其使用效率。为此，我校化学实验教学示范中心(以下简称中心)将所有大中型仪器进行联网，自行开发了网络化管理系统，在以下几个方面实现了大型仪器的智能化管理。

(1) 仪器的预约和安排。系统采用实名制注册，老师或学生注册登录后，可以在系统查阅每台仪器的相关资料及近期使用情况，如果需要使用仪器，就在“仪器预约”栏目里提出申请，中心管理人员对所有申请者都进行审核，然后视具体情况作协调安排，并把结果公布在网络上，申请者在给定时间上机操作。

(2) 智能化收费管理。中心在每台仪器前面接上一个电源控制器，控制器中存有老师和学生的信息，需使用某仪器时，使用者只需刷一刷校园卡，就可打开电源，启动仪器。这时电脑会记录下仪器的使用情况，包括开机、关机时间、使用者信息等，实现了仪器的自动计时收费和智能化管理。

(3) 实时监控。系统会对仪器的使用过程进行实时监控，同步显示仪器的测试条件和工作参数，一旦出现异常情况，管理人员会及时发现，并追根溯源，查明原因，进而达到对仪器使用全程监控目的。

(4) 实验数据上传。为保证仪器操作系统的安全，所有原始实验数据均保存在中心数据库里，管理员将当天的实验结果通过服务器及时上传，老师和同学可以采用远程登录的方法从网上下载，以避免使用优盘带来的病毒交叉感染。如果使用者需要查阅过往的实验数据，也可以向中心提出申请，由管理员进行网上传递。

大型仪器网络化管理系统的建立，增加了管理的透明度，协调了仪器的使用状况，极大地提高了仪器的使用效率。使得大型仪器在服务于科研的同时，为本科生的开放提供了实际操作的空间。

2.2 建立预实习培训制度，为本科生开放提供保障条件

大型仪器价格昂贵，操作不当不仅会造成仪器故障，影响正常的科研和教学秩序，还有可能带来巨大的财产损失，这是诸多院校限制本科学生接触大型仪器的重要原因，也是开放的最大障碍之一。针对这一问题，中心采取的策略是建立预实习制度，即本科生上机前必须进行一定时间的实习培训，以熟悉仪器的性能和操作方法。经考核合格后，才允许独立上机操作。预实习培训主要含有3个方面的内容：

(1) 大型仪器类讲座。对初学者来说，培训的第一步就是参加讲座学习。讲座由公司专业技术人员或资深教师授课，内容包括仪器的历史、基本结构、工作原理、应用领域、样品要求、仪器的主要性能指标等。通过讲座学习，让学生明白不同大型仪器各可以用来测量或表征什么样品，在科研上有哪些用途，进而对仪器本身有一个大概认识。

(2) 虚拟实验训练。为配合大型仪器讲座学习，中心还自行开发了系列虚拟实验项目用于学生培训，实验采用动画视频形式，每个实验10～30 min时间不等，含3部分内容：① 工作原理展示，包括仪器的构造、组成、各部分的功能，以及仪器设计中所蕴含的科学思想；② 操作演示，包括仪器的开启、关闭、样品制备、放样取样、参数设置、测量、结果储存和数据传送等；③ 模拟操作。模拟实际工作情景，学生用鼠标选择实验的步骤和程序，电脑对每一步操作给出“正确”或“错误”的提示，学生可利用虚拟动画反复演练，直至熟悉并能正确完成所有操作为止。

(3) 观摩和实习。根据不同仪器的运行情况，中心每学期专门为初学者集中提供几个开放时段，用于各类仪器的观摩和实习。以扫描电镜为例，每学期安排3个星期二下午，由已取得上岗证的高年级的学生或研究生担任指导，学生分批现场观摩，然后依次进行上机操作练习。中心还为本科生建立了仪器使用档案，当参加完全部实习，并达到规定的上机时数，学生可以参加后续的大型仪器开放实验学习，取得足够经验后，学生就可以申请参与大型仪器使用考核，考核合格者，则获得某种仪器的上岗证，可以独立上机操作。

通过上述3个阶段的预实习培训，绝大多数本科生从原来的“门外汉”，逐步熟悉和了解了大型仪器的基本性能、操作要点及注意事项，进而为大型仪器对本科生的开放建立了保障条件。

3 大型仪器的开放实验教学

大型仪器向本科生开放，其目的是让本科生通过对这类现代化研究工具的学习和使用，开阔科学视野，了解学科前沿发展动态，培养动手能力、创新思维能力和科学研究能力。因此，开放的重点不仅仅是教会学生怎样操作仪器，更重要的是让学生学会如何利用这些仪器，进行有目的的自主性学习和研究。为此，同济大学化学实验教学中心围绕各类大型仪器开发了一系列有特色的实验项目，并结合这些项目开展开放实验教学。依据教学内容不同，开放实验分为2个层次，一是常态化开放，二是自主性开放。

3.1 常态化开放实验

常态化开放主要做指定实验项目，实验项目由中心的教师自行开发。其中，色谱类的实验有手动顶空-GC-MS检测方便面包装袋中的有机挥发物、顶空进样GC-FID/MS检测花瓣中的香气成分、HPLC测定多种可乐中的咖啡因含量等；光谱类实验有积分球漫反射光谱仪检测A4纸张、不同pH条件下苯乙酰胺的紫外光谱分析、验证大米中是否含有荧光物质、红外光谱法测定银镀膜及气凝胶成分、拉曼光谱测无机盐浓度等；电镜类有SEM观察Al腐蚀孔表面、SnO2纳米粒子的合成及形貌表征等；热分析有“差热分析法测定CuSO4·5H2O脱水反应活化能等。这些实验有一共同的特点，就是素材贴近生活实际，集知识性和趣味性为一体，可以让同学在轻松快乐中学习仪器的操作。

开放实验学习采取自主自愿原则，所有项目以菜单形式挂在网站上，学生以小组为单位，从菜单中选择项目进行预约。开放实验时间的长短视具体内容而定，短则一节课，长则一整天。短时间开放通常安排在工作日，而长时间开放则安排在双休日进行。与常规教学不同的是，开放实验中学生有较大的自由度。比如说，老师仅给出实验提纲，不设立具体的条条杠杠，学生可以按提纲要求，自行设计方案并予以实施。其间遇到困难，老师给予指导和帮助。需要特别说明的是，大型仪器的开放不仅仅局限在本学院本专业，菜单中部分实验项目也对其他院系同学开放。如电镜类、光谱类开放实验就吸引了材料、环境、医学专业不少同学的参与。这种注重个性化发展的教学方式颇受欢迎，学生的参与热情非常高。

为配合大型仪器的开放实验教学，中心还专门建立了一个网络交流论坛，用来交流实验的经验和体会。开放实验内容不拘一格，形式新颖，结果具有诸多不确定性，这就给同学提供了很多讨论的空间。往往是一个学生提出问题，多个学生进行回答和讨论。成功的经验大家共享，即使是失败的案例，经老师提示引导，从仪器的操作、方案的设计等诸多方面寻找原因，不但操作者本人，其他学生也都留下深刻印象，感到受益匪浅。其教学效果是单纯讲解和训练大型仪器操作技术所无法比拟的。

3.2 自主性开放实验

完成常态化开放实验学习后，学生可以参与更高层次的开放活动——自主性开放实验的学习。所谓“自主性学习”，就是老师在教学中加以引导，让学生有意识、主动地使用大型仪器做一些提高性、探索性实验项目，以此来激发学生的科研兴趣，吸引其逐步参与科研并在此过程中获得自主学习能力和科学研究能力。自主性开放的形式多种多样，不拘一格。比如，学生可以做自己感兴趣的小课题，或对课内所学实验内容进行拓展性研究，或者申报市级、校级各类创新活动项目等。

为提高学生的参与度，实验中心制定了两项激励措施，一是本科生用于开放实验使用大型仪器不收取仪器使用费；二是组织优秀“开放实验”项目评选。每年12月份，中心举办开放实验公开答辩活动，由学生汇报“自主实验”研究成果，从中评选出一、二、三等奖。

经数年的教学实践，积累了一批优秀的学生作品，其中不少实验成为本科教学的“精品”。例如：“铅锡二元合金相图的测定”是一个经典的物理化学实验，其相图特征为二组份固体部分互溶，液体完全互溶。传统教学中采用步冷曲线法测定，该方法对铅锡固态相变过程不敏感，在固体部分互溶区域得不到相应的温度变化信号，以致于同学做完实验后认为铅锡形成的是固体完全不溶、液体完全互溶的相图，对该相图的认识产生了偏差，这也成为物化实验课程中公认的一个教学难题。如何能够在课堂上把铅锡合金完整的相图做出来？这一课题引起了同学的极大兴趣，他们最初认为原因在于热电偶的灵敏度不够，于是想到使用大型仪器，利用差热分析仪来重复此实验，但经多次试验，也不能得到固相线的温度信号。实验中学生发现，如果将凝固的混合物再加热熔化，在加热过程的热分析曲线上有吸热峰产生，这一现象引起学生的注意，经反复验证，学生们认定该吸热峰对应于固相的熔化，峰顶的温度则对应于相变温度，据此，建立了用差热分析仪测定铅锡二元合金完整相图的方法。但同学的研究并没有就此止步，考虑到大型仪器难以用于大规模的课堂教学，学生又在老师的帮助下，根据差热分析仪的原理，采用程序升温仪、热电偶、加热炉等基本元件，设计并制备了一种低成本、可拆装的简易型差热分析装置，依此来取代大型仪器用于课堂教学，最终在课堂实验中成功实现了铅锡二元合金完整相图的测定，突破了物化实验的一个教学难点。

类似的例子还很多，对这些案例进行了总结，部分研究工作分别发表在“Journal of Chemical Education”“实验技术与管理”“实验室科学”等国内外刊物上[11-15]。

4 结 语

总结数年的实践经验，大型仪器开放在如下几个方面取得明显成效：① 拓展了大型仪器的教学功能，提高了仪器的使用效率，大批本科同学有机会学习和使用这类现代化研究工具；② 建立了大型仪器开放平台，利用这一平台引导学生开展自主性、研究性学习，学生的自主意识、创新思维、创新能力及科研素质得到锻炼和提高；③ 通过大型仪器开放实验教学，开发了一大批原创性的实验项目，丰富了实验教学的手段和内容，提高了基础实验教学的层次。

当然，作为一种新的教学形态的尝试，大型仪器开放的模式尚不成熟，有不少地方有待完善，比如目前开放的类型较为单一，范围也相对较窄。如何规范开放的形式，对大型仪器的开放效果进行指标化评价，进一步拓展和扩大开放的范围，这些问题都是在后续工作中需要研究和改进的。