拓展大型仪器教学功用的成效

作者：王晓岗 郝志显 樊雅娟 单位：同济大学

目前国内高校对本科生开设的课程主要是“仪器分析实验”［5］，在实际教学过程中常以演示实验为主，同学往往只是走马观花式地参观一下，有时甚至和仪器还“隔窗相望”，对绝大多数同学而言，独立上机操作是可望不可及的。造成这种局面的主要原因有:(1)大型仪器在高校中属稀缺资源，数量有限，其中不少热门仪器承担繁重的科研任务，如果科研－教学并举，安排起来有较大难度;(2)大型仪器价格昂贵，运行、维修成本高，管理者有所顾忌，不敢放手让本科生独立操作［6］;(3)对大型仪器的教学功能缺乏研究，教学内容形式单一，缺少具有吸引力、适应本科学生进行自主性学习的仪器类实验项目。针对以上问题，国内一些院校尝试了多种形式的教学改革来增加学生的动手机会［7－8］，同济大学化学实验中心在这方面也进行了积极探索，通过开发大型仪器的管理系统及开展开放性实验教学来拓展大型仪器的教学功能。经数年实践，取得了一定的教学成果。

大型仪器的开放性

教学大型仪器用于本科生开放实验教学涉及到方方面面的问题，其中，最突出的问题有四个:大型仪器的管理、维护、开放性教学的内容及方式。

1大型仪器的管理同济大学化学实验中心(以下简称中心)拥有20万元以上的大型仪器20余台，包括TEM、SEM、AFM、XRD、GC－MS、TOC、核磁等，这些仪器日常承担着比较繁重的科研任务，要开展开放实验教学，必须对仪器进行合理安排，提高其使用效率，对一些热门仪器甚至要做到见缝插针的地步。为此，中心将几十台大中型仪器都进行了联网，开发了仪器网络化管理平台及开放实验预约系统，教师或学生采用实名注册登录后，可以在系统查阅每台仪器的相关资料及近期使用情况，需要进行开放实验教学就在“仪器预定”栏目里提出申请，中心管理人员对所有申请者都进行审核，然后视具体情况做协调安排。对于使用频率高的热门仪器实行限量开放，对冷门仪器则适当增加其开放次数，安排结果将在当天公布在系统网页上。获得批准的同学在规定时间领取门卡(实验中心仪器室采用红外门禁装置)，进入仪器室进行实验操作。网络化管理增加了管理的透明度，有效地提高了大型仪器的使用效率。

2实施大型仪器持证上岗诸多院校限制本科学生接触大型仪器的重要原因之一是其价格昂贵，操作不当可能会损坏仪器造成巨大损失。为解决这一问题，中心采取了两项措施:一是建立“上岗证”制度，只有具有上岗资格的同学才可以独立操作大型仪器。中心定期举行各类仪器的操作培训，由厂家技术人员或资深教师授课，参加者包括研究生和本科生，培训结束后进行考核，考核合格者由中心发放该类仪器的上岗证。无证的同学如果要进行样品测试必须要有持证者在场协助把关。二是采用仪器远程监控系统。中心将几十台大型仪器联网并实施连续监控，一旦仪器发生异常情况就追根溯源，查明原因。为保证操作系统的安全，中心还开发了数据传送系统，所有实验数据均通过网络传送，教师和同学可以通过远程登录的方法进行下载，这样可避免使用U盘带来的病毒交叉感染。此外，中心还为高年级同学建立了仪器使用个人档案，按平时信誉表现及仪器操作能力进行了等级划分。对于信誉良好的同学可以直接领取条形码门卡，进入实验室自行完成操作，如果操作者在仪器使用中有违规行为，中心则中止传送其实验数据或暂停其仪器使用资格。

3开放实验内容围绕各类大型仪器的开放实验教学，中心开发了系列实验项目。实验内容一部分由教师编写，另一部分则是由同学原创、经数年教学实践传承下来的。比如色谱类实验有“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”、“各种餐巾纸的紫外漫反射比较”、“验证大米中是否含有荧光物质”、“不同pH条件下苯乙酰胺的紫外光谱分析”、“红外光谱法测定银镀膜及气凝胶成分”等;表征类有“神奇的碳纳米管”、“SnO2纳米粒子的合成及形貌表征”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。所有开放实验内容以菜单形式挂在中心网站上，同学可选择自己感兴趣的项目在网上预约，得到确认后以小组的形式进行实验，实验过程中研究生助教或高年级本科生(具有上岗证)担任指导，有时教师也客串一下。开放时间的长短视实验内容而定，短则一节课，长则一整天，长时间的开放实验通常安排在双休日进行。需要说明的是，大型仪器的开放不仅仅局限在化学专业内部，菜单中部分实验项目也对其他院系同学开放。如“神奇的碳纳米管”、“拉曼光谱鉴定宝石矿物”等实验就吸引了材料、环境、医学专业100多人的参与。为支持本科教学，使用大型仪器进行开放实验教学不收任何费用。

4教学方式教学采用上机操作和交流探讨相结合的方式。实验过程中同学轮流上机操作，每个人均获得实际动手机会。为使同学对仪器的性能有较为全面的了解，中心在网络上还专门建立了一个开放式的交流论坛。它有两个主要功能:一是同学递交实验报告，记录实验情况;二是交流仪器使用的经验和体会。该论坛最大的特点是不受时间、地点的限制，参与者众多，覆盖面广。除了教师、博士、硕士、本科生外，还有部分校外友人、甚至仪器厂家的技术人员也参与其中。论坛由教师或研究生助教充当版主，当一轮实验做完后，就实验过程当中出现的问题进行探讨。起初同学对大型仪器有一种新鲜感，提出的问题也比较简单，较多的是关于仪器构造、品牌、价格、使用领域等方面的问题。随着实验的不断深入，探讨的层次越来越高，涉及到仪器内涵的东西也愈来愈多。比如由仪器的基本操作逐渐过渡到诸如色谱柱如何装填，极性分子采用什么类型的柱子，非极性分子又采用何柱子，哪类物质不能用此方法测定，噪音是如何产生的，基线不稳如何校正，采用什么合适的软件等。同学对仪器熟悉到一定程度，就自然会想到如何拓展该仪器的实验内容，进而进行一些探索性的尝试。比如由顶空气相色谱检测挥发性成分的原理启发，同学们尝试了化妆品、黄酒、木材、大米、水果、茶叶等“有香味”物质的检测［9］，采用拉曼光谱仪研究了蛋类、橙桔类样品的谱线特征，这些项目后来都成了同学的SITP课题。通过大型仪器的开放式教学，同学不但熟悉并掌握了仪器的操作，而且在潜移默化中萌发了对科学研究的兴趣，这种收获才是真正体现大型仪器教学功能的价值所在。