大型仪器开放共享平台培训体系的探索和实践

2023-10-19李梦雨李冰瑶严兴荣

生物学杂志 2023年5期

李梦雨,李冰瑶,樊涛,陈凯,严兴荣

(1.西北大学生命科学学院,西安 710069; 2.西北大学医学院,西安 710069)

大型仪器开放共享平台是高校实验室的重要组成部分,承担着科学研究、本科教学和对外服务工作。平台中的大型仪器设备是院校的重要基础设施,代表高校的办学实力[1-2]。设备的开放共享降低了各课题组的科研成本,促进了高校的科研成果产出。近年来,各大高校对大型仪器设备的投入加大,增加了实验技术人员的岗位人数,逐步建成信息化大型仪器开放共享平台[3-5]。

大型仪器设备价值高,在院校固定资产总值中占比大。从前期购置论证,到后期规范报废,全程科学化管理仪器,对提高院校投资效益有重要的现实意义[1,6]。其中购置后的操作培训是仪器使用和开放共享的必要环节。不经培训或培训不到位,通常影响实验效率,降低仪器寿命,甚至有可能损坏仪器,形成一定的维修成本,更严重者会出现安全事故[7]。

经过多年发展,西北大学生命科学学院建成了生命科学与生物技术大型仪器开放共享平台,拥有高效液相色谱仪、气相色谱仪、气相色谱质谱联用仪、电感耦合等离子质谱仪、激光共聚焦显微镜、等温滴定量热仪等多台大型精密仪器设备。平台建立初期因部分仪器使用维护培训不到位,面临着仪器使用率低和开放时间不足等问题。因此,关于如何高效地开展培训,平台进行深入的探索,提出系统性培训模式,为高校培训工作提供一定的借鉴。

1 大型仪器培训中的主要问题

近年来,各高校的大型仪器数量逐年增多,服务的课题组和用户数量急剧上升,但如何形成完善的体系化和制度化培训,依然是一个需要探索的重要课题。西北大学生命科学学院大型仪器开放共享平台自建成以来,培训模式存在以下问题。

1.1 学生对培训的认识不足

对部分学生而言,培训只是走过场的“填鸭式”学习。培训开始前,学生未认真学习仪器原理、构造和使用方法等相关内容,培训时的主动性不高。更有甚者,只是为了获得预约和操作仪器的权限。实际操作中,学生也只关心开关机和上样等,对更具体的样品处理和数据分析等环节重视度不够。

1.2 实验技术人员角色的缺失

作为大型仪器的管理者,实验技术人员直接对仪器和用户负责,应主动承担培训工作,但部分人员缺少培训学生的意识,认为仪器培训是厂家工程师的工作,和自身无关。长期以来,正式的培训工作只在仪器初次到货安装时开展,由厂家工程师直接面对学生,此后很少再提供培训服务。当有未培训过的学生有使用需求时,只能向有操作经验的学生学习。这种传统的“熟人教习”模式在同一课题组内尚且可行,但对学院内不同课题组和院外用户则造成一定障碍。特别是校外用户,很大程度上失去了使用仪器的意愿。即使在同一课题组内,受时间、人际关系和研究内容等因素制约,“熟人教习”有时也未能有效开展,教习内容也浅薄有限。

1.3 培训内容不完善

传统的培训内容仅包括开关机、上样和简单的参数设置,缺乏仪器原理和构造、样品前处理、数据处理等。常见问题解决和日常维护有时只会简单提及。学生按照培训内容按部就班执行,但当自己独立操作时,却又无法根据自己的实际情况主动调整相应设置,同时遇到问题经常无法解决,而是和实验技术人员反复排查问题或者多次联系工程师,科研进度缓慢,造成一定的时间和经济损失。另外,培训内容中日常维护环节的缺失也导致实验技术人员在仪器维护方面存在疏忽,影响仪器的正常运行。例如:TRACE1300气相色谱仪需要每半年清洗喷嘴,每500个样品更换玻璃衬管,每100针更换进样垫。若实验技术人员忽略,而学生仅以完成自己的单次实验为目标,无人定期清洗喷嘴和更换玻璃衬管及进样垫,以后很可能发生喷嘴堵塞的情况,导致点火不成功,仪器不出峰。

1.4 缺乏必要的实践和考核制度

工程师的培训通常以工程师讲解操作、学生观摩学习的方式进行。在有限时间内,学生缺乏实践机会,对仪器的了解往往是“纸上谈兵”,并未熟练掌握仪器的操作方法。此后,平台未开放额外机时供学生实践以强化其操作技能,也并未建立相应的考核制度测试其操作技能是否标准合规。学生根据自己初次学习到的内容直接上机操作,且多数情况下无人在旁监督和指导,因此常反复摸索,实验效果不佳,更有损坏仪器的可能性,造成平台的经济损失。

2 大型仪器培训体系的建立

针对上述问题,大型仪器开放共享平台从以下几个方面出发,建立系统性的培训体系,减少问题的发生,提高实验效率,避免仪器故障,保证实验安全。

2.1 制定平台管理制度

平台大型仪器数量多、价值高,其使用人员多来自不同的科研团队,实验时间长。为保证仪器安全、正常运行以及使用者人身安全,平台制定了一系列管理制度,包括《生命科学学院大型仪器开放共享平台管理办法》《生命科学学院平台仪器预约规范》和《生命科学学院平台仪器培训规范》以及各种大型仪器的使用说明等。管理制度中特别强调了对大型仪器新用户培训的重要性,对培训的具体流程以及后续的实践和考核制度做出了明确规定。规定指出:(1)管理大型仪器的实验技术人员必须承担培训用户的工作;(2)新用户必须经过正式的培训和实践且通过后续考核才能取得预约和操作大型仪器的权限;(3)对报名但不参加培训,或无故缺席实践和考核者采取明确的惩戒措施,如禁止该用户在3个月内参与培训等。

2.2 强化仪器培训意识

在新生入学时,学院集中召开实验室安全教育会议,提升师生实验室安全意识和技能。平台管理制度发布后,学院在安全教育会议中增加仪器培训会议环节,强调培训的重要性,组织大家学习相关制度文件,从思想上提高学生对仪器培训的重视,并对培训的流程和方案进行全面介绍,包括实践和考核制度,从根源上减少因仪器操作有误而引起的安全事故。

2.3 提高实验技术人员技能

与普通仪器相比,大型仪器原理和结构更为复杂,同时需要科学维护,这对实验技术人员的专业技能提出了更高的要求。平台建设初期,仪器培训主要面对学生,整个过程由厂家工程师完成,而作为仪器管理者的实验技术人员较少参与其中,因而不具备培训学生的能力,后续工作中未开展正式的培训,对仪器的管理和维护也往往不到位,降低了仪器的使用率。

针对此现象,管理制度中特别指出实验技术人员应负的责任和义务,在年度考核中将平台培训工作作为考核的一部分,加强实验技术人员对岗位职责的履行。目前,实验技术人员已积极参与到培训中。仪器初次安装培训时,实验技术人员认真向工程师学习,并在工程师的监督下进行实践,尽快掌握仪器的操作。此后,根据学生需求,实验技术人员代替工程师的角色对学生进行多次培训,这比传统的培训模式覆盖了更多的学生,培训内容也更完善,从而提高了平台仪器的使用率,也降低了故障率。与此同时,平台的实验技术人员特别注意学习仪器的定期维护,这大大延长了仪器的使用寿命。

2.4 构建信息交流平台

因实验技术人员的经验有限性和仪器操作过程中问题的不可预测性,与厂家及工程师之间的沟通必不可少。这有助于解决学生在实际操作仪器中遇到的具体问题,也能帮助提升实验技术人员的技能和素质。因此,根据学生需求,平台不定期邀请厂家资深专家来校举办讲座,解决学生的实际问题,并讲授该仪器发展的前沿及应用,拓宽学生及实验技术人员的视野。例如,等温滴定量热仪Nano-ITC在使用一个月后,学生普遍反馈存在以下问题:如何选择合适的空白,各计算模型背后的理论含义,如何选择合适的计算模型,如何调整模型计算后的参数,以及如何根据结果曲线调整样品浓度配比,以上都是工程师在初次培训时未曾涉及的。对此,平台联系TA公司,邀请具有丰富经验的工程师,以腾讯会议的形式组织其和师生进行线上交流。会后,实验技术人员和学生都表示收获良多,实验效率大大增加。

2.5 线上线下混合式培训体系

传统的大型仪器培训以面授形式进行,单次培训的人数有限。而由于大型仪器的操作复杂性和面授培训中实践环节的缺少,学生很难通过一次培训具备操作的能力。因此,基于近年来的“互联网+”模式[8-9],平台建立了线上线下混合式培训体系。

依托学院的大型仪器开放共享平台预约系统,平台联系经验丰富的实验技术人员或仪器厂家工程师开展系统的仪器培训,并由专业团队拍摄制作视频,和相关文字图像资料一起上传至仪器预约系统,供学生自主学习。传统的面授培训中偏重介绍仪器的操作过程,而拍摄视频时,平台要求分模块讲授,包括样品前处理、仪器构造、基本原理、操作过程、数据处理、常见问题排查和解决以及日常维护等7大模块,让学生更加熟悉而主动地使用仪器。平台要求学生必须认真学习线上资料,在线下培训时也会进行一定的提问和检查,以加强培训效果。

线下培训时,主要给学生提供实践机会,强化操作技能。在实践中,实验技术人员或工程师注意讲解仪器操作的关键点,帮助学生快速掌握仪器操作。例如,等温滴定量热仪操作过程中,上样针和滴定针吸取样品时气泡的排出以及把手的安装和取下都需要反复练习方能掌握。为保证培训效果,每台大型仪器在一学期开展多次线下培训,具体次数和时间根据学生使用需求确定,但单次培训人数均控制在5人以内,以保证培训效果。学生的需求采用互联网技术的辅助进行调研。在社交群或平台官网中,实验技术人员定期发放培训报名链接,内容包括课题组、研究方向和学生个人信息。收集信息后,实验技术人员安排分次培训时间和名单反馈给学生,并根据学生意见做出相应调整。培训完成后,学生需参加平台组织的考核,考核完成后才可拥有预约和操作仪器的权限。

目前,平台已初步完成部分仪器的培训视频制作。视频上线后观看效果良好,大大覆盖了培训人数,减少了线下培训的压力,为学生实践操作提供了更多的机会。

2.6 学生分级和个性化培训

大型仪器结构精细、操作复杂,而实验过程又充满不确定性,难以通过单次培训达到完全精通的效果。对此,实验技术人员将学生根据操作经验进行分级,开展个性化培训。在节约时间和人力成本的基础上,让学生根据自己的需求更好地掌握大型仪器的使用。经过探索,平台将学生分为新用户、初级用户和中级用户和高级用户(表1),针对每级用户制定个性化的培训方案,适应不同人群的需求。

表1 平台用户分类标准、培训方案和预约权限

个性化培训后,实验技术人员在预约仪器时对分级用户开放不同的预约时段和权限(表1)。中高级用户熟悉仪器操作,有一定的应用能力,并有仪器维护的意识,可考虑将其纳入仪器的技术支持团队。特别是高级用户,可全年每天24 h使用,这也促进了学生深入学习仪器操作和维护仪器的主动性。

2.7 建设管理团队

大型仪器设备价值高,结构功能复杂。除了对仪器的管理和对学生的培训,对大型仪器的功能进行开发和深度挖掘是对仪器管理人员更高层次的要求,从而可以最大限度地开发和利用大型仪器为科研更好地服务。建设一支结构合理的高水平实验技术队伍是提高平台服务和管理水平的关键。

建设初期,平台的实验技术人员数量少,年轻力量不足,且多参与科研,忽视平台工作的重要性。为满足平台发展需要,学院面向社会公开招聘高素质相关专业技术岗位人才。如今平台的专职实验技术人员共19人,初级、中级和高级职称者各6、6、7人,配比基本达到1∶1∶1,60后、70后、80后、90后各5、3、5、6人,年龄结构优化。其中,具有研究生学历的16人,90后研究生6人,队伍的整体素质提高。在本年度的招聘中,也有2名博士后拟出站人员应聘。

在每台仪器的人员配备方面,借鉴中国地质大学的做法[10],结合平台的管理要求和工作量考量,根据仪器的价值进行核算:50万元以上的仪器,平均每100万元配备1名实验技术人员;50万元以下的仪器,平均每200万元配备1名实验技术人员。考虑到仪器操作的复杂度不一,对操作相对简单的仪器,优先配备初、中级职称人员。而对操作相对复杂的仪器,至少配备1名高级职称人员和1名初级或中级职称人员,意在通过长期发展,后者能够逐渐接替前者进行工作,保证平台的持续发展。

根据实验技术队伍的职责要求和平台反馈,学院将实验技术人员的工作内容进行优化,减少行政事务和科研任务,逐步建立科学的量化考核体系。考核的重点是实验技术人员对平台实验室的建设与管理、仪器的操作培训和维护、大型精密仪器的功能开发和挖掘、技术改造等与平台工作相关的业绩。考核结果与绩效工资挂钩,对表现优秀的人员一定的绩效奖励。在职称晋升的成果核算中,减少“唯论文”的倾向,优先考虑完成仪器功能开发、挖掘、设计和改造工作的人员。

平台鼓励实验技术人员外出交流学习,参加技术讲座和会议等,增强自身技能。2020年11月,由实验技术人员和教学科研教师组成的12人队伍赴陕西师范大学生命科学学院参观,学习对方在仪器改造过程中的成果,填补了平台实验技术人员在该方面的认知空白。

完善的团队建设,弥补了实验技术人员在能力和精力上的不足,更大程度地提高仪器的利用率,以及对仪器的功能进行探索。例如,平台的GCMS-TQ8040气相色谱质谱联用仪长期以来仅用于分析测试样品的未知组分,经过实验技术人员的研究,目前已完成多次标准的定量分析流程。TRACE1300气相色谱仪自购入一直使用FID检测器,目前TCD检测器也投入使用。

3 培训体系的实践成效

3.1 提高了学生的技能

目前,平台仪器不仅对研究生开放,也应用于本科教学、本科生毕业设计、大学生创新项目,以及相关的课外科研训练等。通过系统化的培训,学生的实验技能大大提高,解决问题的能力也得到提升。近两年内,多名学生作为作者之一在NatureMethods[11]、JournalofExperimental&ClinicalCancerResearch[12]和Leukemia[13]等学术期刊上发表论文。

3.2 提高了大型仪器的使用效益

通过系统化的培训模式,学生逐渐全面掌握操作仪器的能力。而学生分级将学生的操作基础和可使用仪器的时间联系,从科学的角度保证实验安全和仪器正常运转,又大大增加了仪器的使用率,降低了故障率,真正发挥了仪器的经济效益。以Waters e2695_2998高效液相色谱仪为例,自2020年6月购入并对学生进行系统化培训以来,至今完全由学生自主操作并维护,使用时长多达12 700 h,且一直未发生故障,这归功于学生平时操作的标准性以及对仪器的积极维护。