何亞群， 劉懷宇， 謝衛(wèi)寧， 王 帥， 段晨龍， 王海鋒

(中國礦業(yè)大學(xué) a.現(xiàn)代分析與計(jì)算中心； b.化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才是高等教育改革的主題，也是建設(shè)創(chuàng)新型國家的基本要求[1-2]。習(xí)近平同志指出，一個(gè)國家長期落后歸根到底主要是科學(xué)技術(shù)落后，而不取決于經(jīng)濟(jì)規(guī)模大小。因此，提出了我國教育“三個(gè)面向”的思想，其核心是提高我國的科學(xué)技術(shù)水平和創(chuàng)新能力。2012年，瑞士洛桑發(fā)布的《世界競爭力報(bào)告》中，我國工程師的數(shù)量和質(zhì)量，在參評(píng)的55個(gè)國家中排名48位；2013年，在60個(gè)參評(píng)國家中排名40位。由此可見，我國工程教育質(zhì)量與世界強(qiáng)國存在不小差距[3]。當(dāng)前，重視學(xué)生科研實(shí)踐能力的培養(yǎng)已成為我國高等教育教學(xué)中的共識(shí)。對(duì)理工科大學(xué)生而言，在夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)參與科研訓(xùn)練可進(jìn)一步提高專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新素質(zhì)[4-7]。目前，此種創(chuàng)新培養(yǎng)模式探索研究已在較多的理工類高校開展。試驗(yàn)儀器和分析設(shè)備是理工科科研實(shí)踐環(huán)節(jié)中的重要硬件和必備條件。對(duì)于普通、常規(guī)設(shè)備，開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段在我國高校本科生、研究生實(shí)踐能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)已成為常規(guī)教學(xué)模式，在創(chuàng)新教育中起到很好的示范作用[8-10]。但因受常規(guī)設(shè)備技術(shù)水平的局限，學(xué)生創(chuàng)新在技術(shù)層面難以深入，提高學(xué)術(shù)創(chuàng)新層次遇到瓶頸。隨著國家對(duì)高校的投入逐年增加以及高?！半p一流”學(xué)科建設(shè)的需要，大型、貴重、精密儀器設(shè)備數(shù)量越來越多，設(shè)備檔次不斷提高[11]。然而這些優(yōu)良的設(shè)備、儀器、技術(shù)及人力資源主要服務(wù)于中、高端的研究項(xiàng)目上，其利用率往往不高，對(duì)高校學(xué)生全方位開放，尚存在障礙[12-16]。

近年來，從國家層面到高校內(nèi)外，對(duì)開放共享大型儀器設(shè)備的要求與日俱增，大型、貴重、精密儀器不是要不要開放，而是能不能、如何能在確保設(shè)備和人員安全的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)開放。在依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研訓(xùn)練以提高大學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)背景下，如何將大型分析儀器設(shè)備開放共享以更好地服務(wù)于大學(xué)生實(shí)驗(yàn)和科研是亟需探討的問題。開放共享大型設(shè)備儀器涉及到設(shè)備管理、操作技術(shù)、運(yùn)維資金和用戶培育等諸多方面。

1 多管齊下，實(shí)現(xiàn)大型儀器設(shè)備深度開放共享

1.1 大型儀器設(shè)備簡介

現(xiàn)代分析與計(jì)算中心是學(xué)校直屬管理的公共平臺(tái)，管理的設(shè)備均為大型、貴重、精密設(shè)備儀器。其中有：X射線衍射儀(XRD)；X射線熒光光譜儀(XRF)；顯微紅外光譜儀(FT-IR)；激光共焦拉曼光譜儀(Raman)；掃描電子顯微鏡(SEM)；場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)；原子力顯微鏡(AFM)；X射線光電子能譜儀(XPS)；高性能計(jì)算集群(HPC)；超導(dǎo)核磁共振譜儀(NMR)；電子探針顯微分析儀(EPMA)；激光剝蝕-等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)；高分辨三維X射線顯微成像系統(tǒng)(3D-XRM)。在這些設(shè)備中價(jià)值較高的設(shè)備，X射線光電子能譜(XPS)配備有俄歇(AES)微區(qū)分析系統(tǒng)、能量損失譜(REELS)、紫外光電子能譜(UPS)、離子散射譜(ISS)等分析測試單元，價(jià)值超過750萬元。其他設(shè)備均在100萬元以上。如何在創(chuàng)新教育中發(fā)揮這些高端精密儀器設(shè)備的作用，是一個(gè)亟需探索的新問題。

1.2 共享平臺(tái)架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)大型儀器設(shè)備的深層次、全方位開放使用，首先分析了大型儀器設(shè)備在使用過程中的共性特點(diǎn)，歸納總結(jié)優(yōu)化出一個(gè)可以適用大多數(shù)設(shè)備的儀器設(shè)備業(yè)務(wù)流程邏輯框圖。對(duì)于符合這個(gè)業(yè)務(wù)流程的大型儀器設(shè)備，無論其物理位置在校園的哪個(gè)樓宇，都可以納入開放共享平臺(tái)進(jìn)行分類集中管理。同時(shí)與之配套編制相應(yīng)的管理規(guī)章制度，如“平臺(tái)設(shè)備運(yùn)行管理辦法”“平臺(tái)設(shè)備使用管理?xiàng)l例”“平臺(tái)設(shè)備安全管理制度”“平臺(tái)設(shè)備化學(xué)藥品氣體鋼瓶管理辦法”等規(guī)章制度。

在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)代分析與計(jì)算中心的大型儀器設(shè)備開放共享平臺(tái)的軟硬件進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)，其構(gòu)成如圖1。所架構(gòu)的軟硬件平臺(tái)主要分為3個(gè)模塊，即自主開放預(yù)約模塊、軟硬件聯(lián)動(dòng)模塊、后臺(tái)數(shù)據(jù)管控模塊。

圖1 大型儀器設(shè)備開放共享預(yù)約平臺(tái)構(gòu)成

開放預(yù)約模塊是創(chuàng)新教育主體——本科生、研究生與大型儀器設(shè)備交互的門戶，學(xué)生在使用大型儀器共享平臺(tái)前，首先需使用校園卡和身份信息進(jìn)行網(wǎng)上注冊(cè)，成為平臺(tái)正式用戶。在此基礎(chǔ)上，用戶即可在共享平臺(tái)登錄，閱讀大型儀器設(shè)備共享使用的安全須知，了解儀器設(shè)備的使用操作說明，下載所需要的各類文件，以及學(xué)習(xí)并熟悉大型儀器共享平臺(tái)的使用方法。至此，學(xué)生可根據(jù)自身需求及創(chuàng)新實(shí)踐目標(biāo)在大型儀器共享平臺(tái)上自主預(yù)約分析測試項(xiàng)目。

軟硬件聯(lián)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)既保證了預(yù)約測試工作的順利進(jìn)行，更是共享平臺(tái)全方位，全天候開放與自主測試的必要保障。該模塊硬件組成如圖2所示。在此系統(tǒng)中，門禁單元集成了電子門牌、人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、密碼開鎖、校園卡解鎖等功能。當(dāng)測試用戶預(yù)約了合適的分析測試時(shí)間后，門禁系統(tǒng)通過校園卡開鎖，允許用戶進(jìn)入機(jī)房，實(shí)現(xiàn)24 h自助測試功能。軟硬件還包括兩套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，除了安保視頻監(jiān)控之外，針對(duì)每臺(tái)大型貴重精密儀器，專門設(shè)置一臺(tái)高清長變焦360°無死角攝像頭，主要服務(wù)于對(duì)用戶使用操作設(shè)備細(xì)節(jié)的監(jiān)視，另一方面，當(dāng)自主測試用戶在非工作時(shí)段使用設(shè)備遇到操作困難或問題時(shí)，設(shè)備管理員可通過監(jiān)控了解現(xiàn)場情況，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程指導(dǎo)。此外，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境出現(xiàn)供電、溫濕度、氣體各種指標(biāo)異常、超上下限時(shí)，將及時(shí)發(fā)送報(bào)警短信到中心管理層和指定相關(guān)設(shè)備人員手機(jī)上，保證了預(yù)警事項(xiàng)及時(shí)了解及時(shí)處置，確保實(shí)驗(yàn)室及設(shè)備的安全。

圖2 軟硬件聯(lián)動(dòng)模塊

開放共享平臺(tái)軟件配備有一個(gè)較為復(fù)雜的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，系統(tǒng)的超級(jí)管理員可以對(duì)開放平臺(tái)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)備的開放共享程度根據(jù)具體情況和管理要求，由開放共享平臺(tái)的儀器設(shè)備管理技術(shù)委員會(huì)確定，再由平臺(tái)軟件系統(tǒng)管理員逐一設(shè)置開放參數(shù)。如，開放時(shí)段時(shí)長、哪些設(shè)備僅限于工作時(shí)間預(yù)約、哪些設(shè)備可以非工作時(shí)間開放使用、不同設(shè)備可以對(duì)哪些用戶采取哪一種開放模式、自主操作或設(shè)備管理員指導(dǎo)下測試，或只限設(shè)備管理員操作等設(shè)置。

1.3 共享平臺(tái)的開放實(shí)施

目前，中心全部大型儀器設(shè)備均已開放網(wǎng)上預(yù)約測試服務(wù)。預(yù)約模式根據(jù)設(shè)備的不同分為按機(jī)時(shí)預(yù)約和樣品數(shù)目預(yù)約。以掃描電子顯微鏡為例，該設(shè)備采用按機(jī)時(shí)預(yù)約的方式，每天開放時(shí)間為8 h。用戶登錄預(yù)約系統(tǒng)并選擇該設(shè)備后，即進(jìn)入如圖3所示的預(yù)約臺(tái)歷。該臺(tái)歷清晰地顯示當(dāng)前月內(nèi)工作日設(shè)備的預(yù)約情況。用戶可選擇當(dāng)前日48 h之后的工作日進(jìn)行預(yù)約測試。完成測試日期選擇后，即可進(jìn)入預(yù)約界面。在填寫預(yù)約任務(wù)前，用戶需仔細(xì)閱讀設(shè)備信息中關(guān)于設(shè)備用途、性能指標(biāo)和送樣要求等內(nèi)容。此處以掃描電子顯微鏡的機(jī)時(shí)預(yù)約模式為例(見圖4)，用戶需詳細(xì)填寫“樣品性質(zhì)與狀態(tài)”和“測樣要求”欄目下的內(nèi)容，選擇所需的測試模式，并根據(jù)樣品數(shù)量選擇測試時(shí)長時(shí)段，之后界面會(huì)出現(xiàn)測試所需的預(yù)計(jì)費(fèi)用。在提交預(yù)約申請(qǐng)后，系統(tǒng)會(huì)向用戶所在課題組的預(yù)留郵箱發(fā)送郵件，導(dǎo)師在審批該測試任務(wù)后，中心工作人員將根據(jù)預(yù)約內(nèi)容做審批或駁回的決定。預(yù)約申請(qǐng)通過審批后，用戶需根據(jù)審批通知的要求在預(yù)約時(shí)間進(jìn)行送樣檢測。測試完成后，中心工作人員會(huì)將測試結(jié)果以報(bào)告形式上傳至系統(tǒng)，用戶在繳納測試費(fèi)用后即可下載測試報(bào)告以便查閱，并可對(duì)測試過程進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。

圖3 預(yù)約后平臺(tái)網(wǎng)站出現(xiàn)臺(tái)歷

圖4 閱讀并提出測試要求，郵件通知、導(dǎo)師審批、費(fèi)用預(yù)算、中心審核

2 運(yùn)用先進(jìn)手段提升學(xué)術(shù)創(chuàng)新能力

2.1 多種形式夯實(shí)創(chuàng)新素質(zhì)

通過課堂陣地在全校化學(xué)、化工、材料學(xué)、地質(zhì)工程、資源、物理、礦物加工等本科專業(yè)開設(shè)“現(xiàn)代分析測試技術(shù)”選修課程，同時(shí)開放化工、化工、材料、礦物加工等學(xué)科研究生的45學(xué)時(shí)“現(xiàn)代分析方法Ⅲ”必修課程，大力普及相關(guān)大型儀器基本知識(shí)，拓寬學(xué)生專業(yè)視野、鼓勵(lì)學(xué)生深入高精尖前沿科技領(lǐng)域，為大學(xué)生提升創(chuàng)新的技術(shù)手段提供更多的機(jī)會(huì)。此外，還針對(duì)中心已有的大型分析儀器設(shè)備自行編寫了“現(xiàn)代分析儀器應(yīng)用技術(shù)實(shí)訓(xùn)教材”講義，并在化學(xué)、礦物加工工程專業(yè)開設(shè)32學(xué)時(shí)獨(dú)立設(shè)課的“現(xiàn)代分析測試技術(shù)實(shí)踐”實(shí)驗(yàn)課程。在此實(shí)驗(yàn)課程中，將學(xué)生分成若干小組，每組5人，課程劃分為上下兩個(gè)部分各16學(xué)時(shí)，每個(gè)學(xué)生根據(jù)自身興趣及創(chuàng)新實(shí)踐的需要自選2臺(tái)大型儀器設(shè)備，課程結(jié)束時(shí)要求每位學(xué)生掌握的2臺(tái)大型儀器設(shè)備的基本操作。在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)代分析與計(jì)算中心還不定時(shí)開設(shè)講座，或聘請(qǐng)儀器設(shè)備公司的應(yīng)用開發(fā)工程師在全校范圍介紹儀器設(shè)備的性能與前沿應(yīng)用實(shí)例，拓寬學(xué)生的創(chuàng)新視野，提高學(xué)生自主創(chuàng)新能力，培養(yǎng)大型儀器設(shè)備的潛在用戶，使學(xué)生的基礎(chǔ)科學(xué)研究綜合素質(zhì)有較大的提升。

2.2 學(xué)用結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

為了最大程度地發(fā)揮先進(jìn)分析測試手段的優(yōu)勢(shì)，中心每年在全校本科生、研究生實(shí)施大型儀器設(shè)備使用資格認(rèn)證制度。通過不定期在中心網(wǎng)站、手機(jī)APP，及其他多種媒體發(fā)布通知消息，具有科研需求及學(xué)術(shù)興趣的學(xué)生都可以申請(qǐng)參加儀器設(shè)備專項(xiàng)準(zhǔn)入實(shí)訓(xùn)。在一對(duì)一操作指導(dǎo)培訓(xùn)后，中心技術(shù)委員會(huì)組織操作考試和綜合考核，按學(xué)生對(duì)設(shè)備使用的實(shí)際水平頒發(fā)A類和B類“大型儀器設(shè)備共享使用資格證書”，證書上規(guī)定持證者可操作的儀器和項(xiàng)目。如掃描電鏡B級(jí)證書，注明持證人“可在管理人員陪同下操作儀器，更換樣品，僅限于高真空二次電子像模式操作”等內(nèi)容。此舉措既規(guī)范了學(xué)生操作大型儀器設(shè)備的流程，又為全天候開放使用大型儀器設(shè)備打下了基礎(chǔ)，儲(chǔ)備了潛在技術(shù)力量。

此外，中心還通過吸收本科生、研究生作為儀器設(shè)備操作助理，使他們參與到中心儀器設(shè)備操作和維護(hù)管理。學(xué)生助理一般先進(jìn)行制樣環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，逐步進(jìn)入機(jī)組進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)，通過1～2年的實(shí)踐與培訓(xùn)，這些助理在知識(shí)體系，實(shí)際操作，科研創(chuàng)新方面都有了質(zhì)的提高，為進(jìn)入高年級(jí)參加科研訓(xùn)練項(xiàng)目，或進(jìn)入研究生論文的實(shí)驗(yàn)研究階段打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，成為同學(xué)們學(xué)術(shù)創(chuàng)新層次提升的重要環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提高有著很強(qiáng)的推動(dòng)作用。

2.3 組織參與科研獲取創(chuàng)新成果

中心充分發(fā)揮在大型儀器設(shè)備運(yùn)行和開發(fā)應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)，著重推進(jìn)大型儀器在基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域研究的應(yīng)用，深化理工科大學(xué)生對(duì)大型儀器在構(gòu)建專業(yè)知識(shí)體系中作用的理解，開展多層次的創(chuàng)新研究活動(dòng)。中心的設(shè)備按照功能可分為表面分析組、結(jié)構(gòu)分析組、無機(jī)分析組、有機(jī)分析組和超算組。為提高理工科的創(chuàng)新能力，中心組織由設(shè)備機(jī)組管理員牽頭，吸納學(xué)生組建課外興趣小組。各專業(yè)學(xué)生可根據(jù)個(gè)人興趣，結(jié)合專業(yè)知識(shí)，在中心工作人員的指導(dǎo)下開展深層次、高水平的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究，并已取得顯著效果。

中心還對(duì)國家級(jí)、省級(jí)以及校級(jí)的大學(xué)生科研創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目給予支持，鼓勵(lì)大學(xué)生借助大型儀器拓寬對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，提升科學(xué)研究的素養(yǎng)。國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃“磨礦浮選回收廢棄鋰離子電池電極材料的干法改性機(jī)理研究”成員在中心表面分析組、結(jié)構(gòu)分析組和無機(jī)分析組老師指導(dǎo)下，完成了經(jīng)干法改性后電極材料表面形貌、元素分布、表面有機(jī)官能團(tuán)等變化的分析，進(jìn)而揭示通過干法改性提高電極材料可浮性差異的機(jī)理。該項(xiàng)目組成員在指導(dǎo)教師和中心工作人員配合支持下，已完成項(xiàng)目既定任務(wù)，并已發(fā)表相關(guān)的SCI和中文核心學(xué)術(shù)論文。能源、材料與物理學(xué)部本科生胡海華同學(xué)依托所承擔(dān)的國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，在指導(dǎo)教師和中心技術(shù)團(tuán)隊(duì)的支持下，利用X射線衍射、掃描電子顯微鏡和場發(fā)射透射電子顯微鏡等大型儀器設(shè)備表征合成新材料的物相組成和表面性質(zhì)，相關(guān)研究成果先后發(fā)表在Journal of Materials Science-Materials in Electronics，Micro & Nano Letters等4篇SCI期刊上。本科學(xué)生通過參與大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃、國家級(jí)科研訓(xùn)練項(xiàng)目及課外興趣小組等科研活動(dòng)，使用現(xiàn)代分析測試手段探索物質(zhì)的基本屬性，使本科生的科研創(chuàng)新能力有了很大提高。

此外，中心以各種形式鼓勵(lì)理工科大學(xué)生以中心為平臺(tái)參與省級(jí)與國家級(jí)的各類競賽。每年都有本科生在國家及省級(jí)的“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐競賽、“全國大學(xué)生節(jié)能減排大賽”等競賽中獲獎(jiǎng)。以高性能并行計(jì)算系統(tǒng)為依托的校超算創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)連續(xù)3年組織學(xué)生100余人在高性能計(jì)算集群實(shí)訓(xùn)，選拔后連續(xù)3年參加“世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競賽”均取得優(yōu)勝獎(jiǎng)。中心超算組技術(shù)團(tuán)隊(duì)參與指導(dǎo)的計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生在2016年ASC世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競賽中獲得Prize of Excellence獎(jiǎng)項(xiàng)。

3 結(jié) 語

本文以大型儀器設(shè)備開放共享平臺(tái)的構(gòu)建為基礎(chǔ)，大型儀器設(shè)備開放共享預(yù)約平臺(tái)軟件為核心，軟件驅(qū)動(dòng)硬件，實(shí)現(xiàn)安全規(guī)范基礎(chǔ)上的大型貴重精密儀器設(shè)備深度開放共享，進(jìn)而采取多項(xiàng)舉措使大型貴重精密儀器設(shè)備在拓寬學(xué)生創(chuàng)新視野、培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代科技創(chuàng)新技能方面充分發(fā)揮其獨(dú)到作用。為提升學(xué)生創(chuàng)新學(xué)術(shù)層次、突破學(xué)生創(chuàng)新技術(shù)瓶頸，為提高大型貴重儀器設(shè)備使用率，探索出一條新路。