探索大型仪器开放共享对提高理工科大学生创新能力的新途径

何亚群， 刘怀宇， 谢卫宁， 王 帅， 段晨龙， 王海锋

(中国矿业大学 a.现代分析与计算中心； b.化工学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

培养具有创新意识和创新能力的高素质人才是高等教育改革的主题，也是建设创新型国家的基本要求[1-2]。习近平同志指出，一个国家长期落后归根到底主要是科学技术落后，而不取决于经济规模大小。因此，提出了我国教育“三个面向”的思想，其核心是提高我国的科学技术水平和创新能力。2012年，瑞士洛桑发布的《世界竞争力报告》中，我国工程师的数量和质量，在参评的55个国家中排名48位；2013年，在60个参评国家中排名40位。由此可见，我国工程教育质量与世界强国存在不小差距[3]。当前，重视学生科研实践能力的培养已成为我国高等教育教学中的共识。对理工科大学生而言，在夯实专业基础知识学习的同时参与科研训练可进一步提高专业素养和创新素质[4-7]。目前，此种创新培养模式探索研究已在较多的理工类高校开展。试验仪器和分析设备是理工科科研实践环节中的重要硬件和必备条件。对于普通、常规设备，开放式实验教学手段在我国高校本科生、研究生实践能力培养环节已成为常规教学模式，在创新教育中起到很好的示范作用[8-10]。但因受常规设备技术水平的局限，学生创新在技术层面难以深入，提高学术创新层次遇到瓶颈。随着国家对高校的投入逐年增加以及高校“双一流”学科建设的需要，大型、贵重、精密仪器设备数量越来越多，设备档次不断提高[11]。然而这些优良的设备、仪器、技术及人力资源主要服务于中、高端的研究项目上，其利用率往往不高，对高校学生全方位开放，尚存在障碍[12-16]。

近年来，从国家层面到高校内外，对开放共享大型仪器设备的要求与日俱增，大型、贵重、精密仪器不是要不要开放，而是能不能、如何能在确保设备和人员安全的基础上实现开放。在依托实验教学和科研训练以提高大学生创新素养背景下，如何将大型分析仪器设备开放共享以更好地服务于大学生实验和科研是亟需探讨的问题。开放共享大型设备仪器涉及到设备管理、操作技术、运维资金和用户培育等诸多方面。

1 多管齐下，实现大型仪器设备深度开放共享

1.1 大型仪器设备简介

现代分析与计算中心是学校直属管理的公共平台，管理的设备均为大型、贵重、精密设备仪器。其中有：X射线衍射仪(XRD)；X射线荧光光谱仪(XRF)；显微红外光谱仪(FT-IR)；激光共焦拉曼光谱仪(Raman)；扫描电子显微镜(SEM)；场发射透射电子显微镜(TEM)；原子力显微镜(AFM)；X射线光电子能谱仪(XPS)；高性能计算集群(HPC)；超导核磁共振谱仪(NMR)；电子探针显微分析仪(EPMA)；激光剥蚀-等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)；高分辨三维X射线显微成像系统(3D-XRM)。在这些设备中价值较高的设备，X射线光电子能谱(XPS)配备有俄歇(AES)微区分析系统、能量损失谱(REELS)、紫外光电子能谱(UPS)、离子散射谱(ISS)等分析测试单元，价值超过750万元。其他设备均在100万元以上。如何在创新教育中发挥这些高端精密仪器设备的作用，是一个亟需探索的新问题。

1.2 共享平台架构

为了实现大型仪器设备的深层次、全方位开放使用，首先分析了大型仪器设备在使用过程中的共性特点，归纳总结优化出一个可以适用大多数设备的仪器设备业务流程逻辑框图。对于符合这个业务流程的大型仪器设备，无论其物理位置在校园的哪个楼宇，都可以纳入开放共享平台进行分类集中管理。同时与之配套编制相应的管理规章制度，如“平台设备运行管理办法”“平台设备使用管理条例”“平台设备安全管理制度”“平台设备化学药品气体钢瓶管理办法”等规章制度。

在此基础上，现代分析与计算中心的大型仪器设备开放共享平台的软硬件进行系统架构，其构成如图1。所架构的软硬件平台主要分为3个模块，即自主开放预约模块、软硬件联动模块、后台数据管控模块。

图1 大型仪器设备开放共享预约平台构成

开放预约模块是创新教育主体——本科生、研究生与大型仪器设备交互的门户，学生在使用大型仪器共享平台前，首先需使用校园卡和身份信息进行网上注册，成为平台正式用户。在此基础上，用户即可在共享平台登录，阅读大型仪器设备共享使用的安全须知，了解仪器设备的使用操作说明，下载所需要的各类文件，以及学习并熟悉大型仪器共享平台的使用方法。至此，学生可根据自身需求及创新实践目标在大型仪器共享平台上自主预约分析测试项目。

软硬件联动模块的设计既保证了预约测试工作的顺利进行，更是共享平台全方位，全天候开放与自主测试的必要保障。该模块硬件组成如图2所示。在此系统中，门禁单元集成了电子门牌、人脸识别、指纹识别、密码开锁、校园卡解锁等功能。当测试用户预约了合适的分析测试时间后，门禁系统通过校园卡开锁，允许用户进入机房，实现24 h自助测试功能。软硬件还包括两套视频监控系统，除了安保视频监控之外，针对每台大型贵重精密仪器，专门设置一台高清长变焦360°无死角摄像头，主要服务于对用户使用操作设备细节的监视，另一方面，当自主测试用户在非工作时段使用设备遇到操作困难或问题时，设备管理员可通过监控了解现场情况，实现网络远程指导。此外，在实验室环境出现供电、温湿度、气体各种指标异常、超上下限时，将及时发送报警短信到中心管理层和指定相关设备人员手机上，保证了预警事项及时了解及时处置，确保实验室及设备的安全。

图2 软硬件联动模块

开放共享平台软件配备有一个较为复杂的后台数据库系统，系统的超级管理员可以对开放平台的参数进行设置。设备的开放共享程度根据具体情况和管理要求，由开放共享平台的仪器设备管理技术委员会确定，再由平台软件系统管理员逐一设置开放参数。如，开放时段时长、哪些设备仅限于工作时间预约、哪些设备可以非工作时间开放使用、不同设备可以对哪些用户采取哪一种开放模式、自主操作或设备管理员指导下测试，或只限设备管理员操作等设置。

1.3 共享平台的开放实施

目前，中心全部大型仪器设备均已开放网上预约测试服务。预约模式根据设备的不同分为按机时预约和样品数目预约。以扫描电子显微镜为例，该设备采用按机时预约的方式，每天开放时间为8 h。用户登录预约系统并选择该设备后，即进入如图3所示的预约台历。该台历清晰地显示当前月内工作日设备的预约情况。用户可选择当前日48 h之后的工作日进行预约测试。完成测试日期选择后，即可进入预约界面。在填写预约任务前，用户需仔细阅读设备信息中关于设备用途、性能指标和送样要求等内容。此处以扫描电子显微镜的机时预约模式为例(见图4)，用户需详细填写“样品性质与状态”和“测样要求”栏目下的内容，选择所需的测试模式，并根据样品数量选择测试时长时段，之后界面会出现测试所需的预计费用。在提交预约申请后，系统会向用户所在课题组的预留邮箱发送邮件，导师在审批该测试任务后，中心工作人员将根据预约内容做审批或驳回的决定。预约申请通过审批后，用户需根据审批通知的要求在预约时间进行送样检测。测试完成后，中心工作人员会将测试结果以报告形式上传至系统，用户在缴纳测试费用后即可下载测试报告以便查阅，并可对测试过程进行客观评价。

图3 预约后平台网站出现台历

图4 阅读并提出测试要求，邮件通知、导师审批、费用预算、中心审核

2 运用先进手段提升学术创新能力

2.1 多种形式夯实创新素质

通过课堂阵地在全校化学、化工、材料学、地质工程、资源、物理、矿物加工等本科专业开设“现代分析测试技术”选修课程，同时开放化工、化工、材料、矿物加工等学科研究生的45学时“现代分析方法Ⅲ”必修课程，大力普及相关大型仪器基本知识，拓宽学生专业视野、鼓励学生深入高精尖前沿科技领域，为大学生提升创新的技术手段提供更多的机会。此外，还针对中心已有的大型分析仪器设备自行编写了“现代分析仪器应用技术实训教材”讲义，并在化学、矿物加工工程专业开设32学时独立设课的“现代分析测试技术实践”实验课程。在此实验课程中，将学生分成若干小组，每组5人，课程划分为上下两个部分各16学时，每个学生根据自身兴趣及创新实践的需要自选2台大型仪器设备，课程结束时要求每位学生掌握的2台大型仪器设备的基本操作。在此基础上，现代分析与计算中心还不定时开设讲座，或聘请仪器设备公司的应用开发工程师在全校范围介绍仪器设备的性能与前沿应用实例，拓宽学生的创新视野，提高学生自主创新能力，培养大型仪器设备的潜在用户，使学生的基础科学研究综合素质有较大的提升。

2.2 学用结合培养学生创新能力

为了最大程度地发挥先进分析测试手段的优势，中心每年在全校本科生、研究生实施大型仪器设备使用资格认证制度。通过不定期在中心网站、手机APP，及其他多种媒体发布通知消息，具有科研需求及学术兴趣的学生都可以申请参加仪器设备专项准入实训。在一对一操作指导培训后，中心技术委员会组织操作考试和综合考核，按学生对设备使用的实际水平颁发A类和B类“大型仪器设备共享使用资格证书”，证书上规定持证者可操作的仪器和项目。如扫描电镜B级证书，注明持证人“可在管理人员陪同下操作仪器，更换样品，仅限于高真空二次电子像模式操作”等内容。此举措既规范了学生操作大型仪器设备的流程，又为全天候开放使用大型仪器设备打下了基础，储备了潜在技术力量。

此外，中心还通过吸收本科生、研究生作为仪器设备操作助理，使他们参与到中心仪器设备操作和维护管理。学生助理一般先进行制样环节的训练，逐步进入机组进行学习和实训，通过1～2年的实践与培训，这些助理在知识体系，实际操作，科研创新方面都有了质的提高，为进入高年级参加科研训练项目，或进入研究生论文的实验研究阶段打下了坚实的基础，成为同学们学术创新层次提升的重要环节，对学生创新素质培养和创新能力的提高有着很强的推动作用。

2.3 组织参与科研获取创新成果

中心充分发挥在大型仪器设备运行和开发应用方面的优势，着重推进大型仪器在基础学科领域研究的应用，深化理工科大学生对大型仪器在构建专业知识体系中作用的理解，开展多层次的创新研究活动。中心的设备按照功能可分为表面分析组、结构分析组、无机分析组、有机分析组和超算组。为提高理工科的创新能力，中心组织由设备机组管理员牵头，吸纳学生组建课外兴趣小组。各专业学生可根据个人兴趣，结合专业知识，在中心工作人员的指导下开展深层次、高水平的创新实验研究，并已取得显著效果。

中心还对国家级、省级以及校级的大学生科研创新训练项目给予支持，鼓励大学生借助大型仪器拓宽对专业知识的理解，提升科学研究的素养。国家级大学生创新训练计划“磨矿浮选回收废弃锂离子电池电极材料的干法改性机理研究”成员在中心表面分析组、结构分析组和无机分析组老师指导下，完成了经干法改性后电极材料表面形貌、元素分布、表面有机官能团等变化的分析，进而揭示通过干法改性提高电极材料可浮性差异的机理。该项目组成员在指导教师和中心工作人员配合支持下，已完成项目既定任务，并已发表相关的SCI和中文核心学术论文。能源、材料与物理学部本科生胡海华同学依托所承担的国家级大学生创新项目，在指导教师和中心技术团队的支持下，利用X射线衍射、扫描电子显微镜和场发射透射电子显微镜等大型仪器设备表征合成新材料的物相组成和表面性质，相关研究成果先后发表在Journal of Materials Science-Materials in Electronics，Micro & Nano Letters等4篇SCI期刊上。本科学生通过参与大学生创新训练计划、国家级科研训练项目及课外兴趣小组等科研活动，使用现代分析测试手段探索物质的基本属性，使本科生的科研创新能力有了很大提高。

此外，中心以各种形式鼓励理工科大学生以中心为平台参与省级与国家级的各类竞赛。每年都有本科生在国家及省级的“挑战杯”大学生创新实践竞赛、“全国大学生节能减排大赛”等竞赛中获奖。以高性能并行计算系统为依托的校超算创新团队连续3年组织学生100余人在高性能计算集群实训，选拔后连续3年参加“世界大学生超级计算机竞赛”均取得优胜奖。中心超算组技术团队参与指导的计算机专业本科生在2016年ASC世界大学生超级计算机竞赛中获得Prize of Excellence奖项。

3 结 语

本文以大型仪器设备开放共享平台的构建为基础，大型仪器设备开放共享预约平台软件为核心，软件驱动硬件，实现安全规范基础上的大型贵重精密仪器设备深度开放共享，进而采取多项举措使大型贵重精密仪器设备在拓宽学生创新视野、培养学生现代科技创新技能方面充分发挥其独到作用。为提升学生创新学术层次、突破学生创新技术瓶颈，为提高大型贵重仪器设备使用率，探索出一条新路。