彭淑女，陳招斌，李華敏，方雪明，楊利民，王翊如，任艷平

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心(廈門大學(xué))，福建 廈門 361005

科學(xué)儀器設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用是科學(xué)技術(shù)進步的基礎(chǔ)。設(shè)計、生產(chǎn)、維護及使用相關(guān)儀器設(shè)備的能力和水平，代表著一個國家的科技實力和創(chuàng)新能力，是建設(shè)創(chuàng)新型國家必須著力解決的重大基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性問題[1]。

在多年的實驗教學(xué)和科研實踐中，我們也切身體會到重大科學(xué)問題的一次次突破，離不開這些高精尖儀器。讓學(xué)生深刻認識到高水平的科研裝備和技術(shù)服務(wù)對開展高水平前沿研究的重要性不言而喻。分析測試儀器隨著科技的進步而飛速發(fā)展，從專業(yè)的角度來說，分析測試儀器的自動化、智能化程度都大大提高，如今像質(zhì)譜儀、核磁共振波譜儀等商品化儀器基本都是“一鍵到底”的黑箱操作模式。在教學(xué)過程中，學(xué)生可動手操作儀器的環(huán)節(jié)很少，大多時候只能在電腦屏幕上設(shè)置儀器參數(shù)等，也看不見儀器內(nèi)部器件組成，對其工作原理就了解甚少。在儀器分析實驗教學(xué)中一般采用儀器圖片、視頻等方式講解儀器的結(jié)構(gòu)，無法將儀器剖開使學(xué)生探察其內(nèi)部構(gòu)造，因此關(guān)于儀器結(jié)構(gòu)的認識僅停留在理論上，實踐效果有限。因此，如何有效提高該部分的教學(xué)效果，一直是儀器分析實驗教學(xué)中令人困擾的問題。

為了解決這一問題，早在2011年，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(簡稱廈大化院)時任領(lǐng)導(dǎo)就組織廈門大學(xué)化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心(簡稱“實驗中心”)有關(guān)人員一起醞釀廈大化院“儀器示教中心”的建設(shè)事宜，意將一些典型的實驗教學(xué)中使用頻率高且已報廢留用的儀器經(jīng)過清潔、整修，拆開外殼后進行集中展示，讓學(xué)生能更好、更有效地了解儀器的內(nèi)部構(gòu)造及其工作原理，啟發(fā)學(xué)生萌生開啟舊儀器設(shè)計改造或新儀器設(shè)備研發(fā)制造的想法，有效培養(yǎng)分析測試儀器專業(yè)人才。這就是廈大化院“儀器示教中心”建設(shè)的初衷。

“實驗中心”經(jīng)過多年的斷續(xù)籌備，廈大化院“儀器示教中心”終于2019年底建設(shè)初具雛形。

1 “儀器示教中心”的基本概貌

位于廈大化學(xué)樓的“儀器示教中心”的概貌如圖1所示，在約60 m2的房間里展示了部分曾用于教學(xué)和科研、已報廢而留用的商品化儀器實物，如原子吸收分光光度計、傅里葉變換紅外光譜儀、紫外-可見分光光度計等近40臺；展示了廈大化院自主研發(fā)的一些儀器實物5臺以及還在實驗室“服役”的儀器實物照片20多幅，如由蔡啟瑞院士于20世紀70-80年代親自設(shè)計組裝的氮氣凈化實驗裝置模型實物；20世紀70年代中期，由田昭武院士自主設(shè)計研制并投入生產(chǎn)的我國第一臺自主設(shè)計的“DHZ-1型電化學(xué)綜合測試儀”實物，鄭蘭蓀院士設(shè)計、研制的“囚禁團簇離子電子衍射質(zhì)譜儀”實物以及近幾年由田中群院士團隊研制的曾應(yīng)用于2017年9月廈門“金磚會晤”的食品安全檢測的“PERS”系列拉曼光譜儀器實物照片等；也集中展示了廈大化院自主研發(fā)儀器的淵源和歷史。

圖1 廈大化院“儀器示教中心”基本概貌

如何發(fā)揮好“儀器示教中心”的兩大功能，即專業(yè)教育功能和“思政”育人功能，我們進行了初步嘗試。

2 “儀器示教中心”的專業(yè)教育功能

“儀器示教中心”的專業(yè)教育功能體現(xiàn)在實驗教學(xué)效果以及儀器專業(yè)人才培養(yǎng)兩個方面。

2.1 發(fā)揮好“儀器示教中心”的專業(yè)教育功能，有效提高實驗教學(xué)效果

早期的分析測試儀器與現(xiàn)代自動化、智能化程度高的儀器具有最基本、相通的工作原理。在儀器分析實驗教學(xué)過程中，面對自動化、智能化程度高的儀器，如常用的原子吸收分光光度計、傅里葉變換紅外光譜儀、紫外-可見分光光度計等，要讓學(xué)生有效了解其基本構(gòu)造和基本工作原理、學(xué)習(xí)和了解是改變或增加了哪些部件和軟件使儀器實現(xiàn)智能化和自動化程度提高等，特意將一些報廢而留用的舊儀器剖開以展示其內(nèi)部構(gòu)件及其組成(如圖2和圖3所示)。指導(dǎo)教師在講解儀器結(jié)構(gòu)及其工作原理時，領(lǐng)著學(xué)生到“儀器示教中心”，對著實物手把手地講解每個關(guān)鍵部件的作用等，使抽象的概念、原理具體化，使學(xué)生安全、有效用好儀器而得到科學(xué)、準確的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果。這樣可以較好地達到儀器分析實驗教學(xué)的最基本目的。這種儀器分析實驗教學(xué)模式，也啟發(fā)了學(xué)生萌生開啟舊儀器設(shè)計改造或新儀器設(shè)備研發(fā)制造的想法，在儀器專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮重要作用。

圖2 原子吸收分光光度計及其內(nèi)部構(gòu)件實物照片

圖3 傅里葉變換紅外光譜儀及其內(nèi)部構(gòu)件實物照片

2.2 發(fā)揮好儀器示教中心的專業(yè)功能，有效培養(yǎng)儀器專業(yè)人才

科學(xué)儀器的發(fā)展和創(chuàng)新是催生科技創(chuàng)新的重要要素，一流的科學(xué)儀器才能支撐一流的科學(xué)研究[2]。當前，我國對化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)分析的大型儀器設(shè)備的研發(fā)能力、生產(chǎn)能力和維護使用水平，相對于發(fā)達國家還存在較大差距，大型儀器設(shè)備還主要依賴進口[1]。這使得我國依賴高端儀器設(shè)備的研究受制于人，成了一件“卡脖子”的事。所以，加強科學(xué)儀器的自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力及其專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)是一直以來需要努力解決的問題。高校一直為科學(xué)儀器自主研發(fā)創(chuàng)新尋找“破局之策”，其中，如何有效培養(yǎng)儀器專業(yè)人才一直是高校努力解決的問題。所以，儀器分析實驗教學(xué)不僅要求學(xué)生安全、有效用好儀器而得到科學(xué)、準確的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計、組裝儀器的意識和能力是儀器分析實驗教學(xué)更高層次的要求。

在科研實踐和實驗教學(xué)改革過程中，面對個性化科研和實驗教學(xué)需求，有時需要對現(xiàn)有儀器加一些小配件，做一些小改進，或?qū)①I回來的實驗裝置進行再次優(yōu)化改進后才能達標使用或滿足個性化科研和實驗教學(xué)需要，而市面上的供應(yīng)商很難提供符合專業(yè)需求或難于滿足個性化實驗教學(xué)、科研實際需要的產(chǎn)品。不論是從國家對儀器專業(yè)人才的需求還是實際科研和實驗教學(xué)的個性化需求方面來說，加強培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和設(shè)計、組裝儀器的意識和能力都很重要。

在老一輩科學(xué)家的言傳身教影響下，在一代又一代廈大化院人的共同努力下，2020年廈大化院憑借良好的傳承和堅實的基礎(chǔ)，承辦了教育部高校化學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會主辦的“化學(xué)測量學(xué)與技術(shù)”專業(yè)，已于2021年開始招生。未來培養(yǎng)的“化學(xué)測量學(xué)與技術(shù)”專業(yè)學(xué)生不僅要深度掌握儀器分析的原理，而且要能夠?qū)ΜF(xiàn)有儀器進行改造和改進以及能夠自己設(shè)計儀器。

“儀器示教中心”建設(shè)也恰逢其時，將為“化學(xué)測量學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的學(xué)生或?qū)x器設(shè)計研究感興趣的同學(xué)提供一個課外自由拆裝儀器的實踐場所，教師手把手地教學(xué)生對一些儀器進行拆卸、組裝，學(xué)生在不斷反復(fù)地拆裝儀器的過程中得到啟迪，不斷地突破自己的思維定式，才可能迸發(fā)改進或設(shè)計儀器的靈感。

3 “儀器示教中心”的“思政”育人功能

不僅要發(fā)揮好“儀器示教中心”服務(wù)于實驗教學(xué)的專業(yè)功能，還要發(fā)揮好其蘊涵的“思政”育人的功能，這也是廈大化院“儀器示教中心”建設(shè)的特色所在。

廈大化院自主研發(fā)儀器的歷史源遠流長，自1921年廈大化學(xué)系建立時，第一任系主任劉樹杞教授就強調(diào)理論與實踐并重。從1923年化學(xué)系開設(shè)的吹制玻璃實驗裝置課程開始，到自主研發(fā)教學(xué)用的真空計等，在一代又一代的院士團隊的帶領(lǐng)下，教師們都很注重儀器的自主研發(fā)。

“儀器示教中心”蘊涵著“天然”豐富的“思政”元素。推開“儀器示教中心”的大門，濃濃的“思政”味道就撲鼻而來。在“儀器示教中心”展示的廈大化院自主研發(fā)的這些儀器實物，不論其外表還是內(nèi)部組件都是銹跡斑斑的，但無不閃耀著一輩又一輩科學(xué)家的智慧光芒，承載著前輩白手起家、艱苦奮斗的優(yōu)良傳統(tǒng)，凝聚著一輩又一輩科學(xué)家的創(chuàng)新和求真精神動力以及濃濃的愛國、愛校、愛專業(yè)的情懷，強烈地展現(xiàn)了廈大化院“敢為先、重細節(jié)、合為貴”的學(xué)科文化傳承。每一臺儀器都述說著一個催人奮進的故事。

3.1 白手起家打破國外壟斷，廢寢忘食研制國產(chǎn)儀器

在“儀器示教中心”展示的最有歷史厚重感的儀器就是“DHZ-1型電化學(xué)綜合測試儀”(圖4)，這是在20世紀70年代中期，由我國現(xiàn)代電化學(xué)創(chuàng)始人之一田昭武院士作為儀器的總設(shè)計師，帶領(lǐng)他的科研團隊及福建三明無線電廠的技術(shù)人員一起研制成功的?！癉HZ-1型電化學(xué)綜合測試儀”也是我國第一臺自主設(shè)計的集成電路化的電化學(xué)綜合性測試儀器。

圖4 我國第一臺自主設(shè)計的集成電路化的“DHZ-1型電化學(xué)綜合測試儀”實物照片

在研制電化學(xué)綜合測試儀的過程中，田昭武院士作為儀器的總設(shè)計師，他廢寢忘食，爭分奪秒，從早到晚幾乎都泡在實驗室里，實驗室離他家較近，每次都要等到孩子去叫他，才肯放下手中的工作回家吃飯[3]。榜樣的力量是無窮的，在他的影響下，這個研發(fā)小組全體成員全都毫無怨言地投入研發(fā)的攻堅克難的拼搏里，問題一個個解決，難點一個個突破[3]。

20世紀70年代，田昭武到上海一家企業(yè)參觀，看見一臺從日本進口的測試儀，但日方卻沒有給線路圖，使用說明書也非常簡單，所以使用和維修起來都非常困難，當時田紹武感到很大震動：“我們這么大一個國家為什么就不能研制出自己的儀器產(chǎn)品呢？”

其實，早在20世紀50年代初期，在自催化課題的研究過程中，田昭武院士就意識到要出成果而不受制于經(jīng)費的短缺，必須有一套自己設(shè)計的電化學(xué)儀器，特別是自己首創(chuàng)的一些新的研究方法，更是要設(shè)計新的儀器來加以實現(xiàn)[3]。他身行力踐，付諸于行動，不斷詮釋著廈大化院“敢為先”的學(xué)科精神。

時至今日，已經(jīng)95歲的田昭武院士仍致力于低碳交通領(lǐng)域的研究和建言獻策。

3.2 率先垂范破解實驗教學(xué)困惑

在“儀器示教中心”，另一臺有故事的儀器就是鄭蘭蓀院士設(shè)計、研制的“囚禁團簇離子電子衍射質(zhì)譜儀”，如圖5所示。20世紀80年代中期，鄭蘭蓀教授團隊在國內(nèi)率先開展原子團簇研究，自己研制實驗室所需的儀器裝置，圍繞碳簇的形成，先后研制了多臺激光產(chǎn)生原子團簇合成裝置，自從1988年他研制了我國第一臺“激光等離子體源飛行時間質(zhì)譜計”，從此便與質(zhì)譜儀結(jié)下深厚情誼，又相繼研制了激光離子源射頻離子阱質(zhì)譜計等以激光產(chǎn)生和研究原子團簇的大型儀器，成為國內(nèi)外有重要影響的原子團簇科學(xué)研究基地，取得了一系列開拓性的研究成果。盧嘉錫先生曾稱贊鄭蘭蓀的研究工作是國內(nèi)青年一代化學(xué)工作者的代表[4-6]。

圖5 “囚禁團簇離子電子衍射質(zhì)譜儀”實物照片

鄭蘭蓀院士率先在廈大開展原子團簇的激光產(chǎn)生和研究的同時，他還毫無保留地向國內(nèi)同行傳授有關(guān)的技術(shù)和方法，并指導(dǎo)和協(xié)助他們研制類似的儀器，帶動了國內(nèi)原子團簇科學(xué)研究的開展，不斷詮釋了廈大化院“合為貴”的學(xué)科文化。

鄭蘭蓀院士在科研上力求創(chuàng)新研制實驗室所需的儀器裝置，在教學(xué)上也如此。他不僅多年堅持為本科生上無機化學(xué)課，也非常重視實驗教學(xué)，他指出“實驗實踐動手能力培養(yǎng)是人才培養(yǎng)的重要方面，實驗教學(xué)是人才培養(yǎng)的重要保障”。他把科研中研制和應(yīng)用質(zhì)譜儀的心得應(yīng)用于教學(xué)質(zhì)譜儀的設(shè)計，躬身篤行破解實驗教學(xué)困惑。

在實際樣品分析和科研活動中，質(zhì)譜儀的應(yīng)用非常普遍，加強質(zhì)譜分析實驗教學(xué)內(nèi)容，并讓學(xué)生親手操作儀器非常必要。但進口質(zhì)譜儀技術(shù)復(fù)雜、多為黑盒子且價格昂貴，使質(zhì)譜實驗教學(xué)不能普及；整機貴重不能拆裝，也不利于學(xué)生直觀了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理并操作等。

鄭蘭蓀院士立足實驗教學(xué)一線，堅持以實驗教學(xué)實際需求為發(fā)展導(dǎo)向，不斷開拓創(chuàng)新教學(xué)質(zhì)譜儀。在2021年7月國家級實驗教學(xué)示范中心主任聯(lián)席會化學(xué)化工學(xué)科組會議上，鄭蘭蓀院士主動請纓，就自制教學(xué)質(zhì)譜儀器在本科教學(xué)中的應(yīng)用實踐，介紹和推廣了其在第一代教學(xué)質(zhì)譜儀教學(xué)應(yīng)用實踐的基礎(chǔ)上主持設(shè)計和研制的第二代教學(xué)質(zhì)譜儀——小型直線飛行時間質(zhì)譜儀，具有價格便宜(～12萬)，工作原理更簡單；模塊化設(shè)計，可供學(xué)生自主裝配調(diào)試；全手動設(shè)計，學(xué)生可自主調(diào)節(jié)各參數(shù)并考察對離子的影響；開放透明化設(shè)計，直觀顯示儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便質(zhì)譜原理教學(xué)等優(yōu)點；對啟迪學(xué)生的創(chuàng)新意識、激發(fā)學(xué)生探尋“未知”的欲望都具有重要影響。鄭蘭蓀院士用實際行動很好地詮釋了科研和教學(xué)的辯證統(tǒng)一、相輔相成的關(guān)系。

3.3 躬身力行破解食品等公共安全問題

“儀器示教中心”的墻上展示了田中群院士所帶領(lǐng)的團隊近幾年研發(fā)的“PERS”(plasmonenhanced Raman spectroscopy，等離激元增強拉曼光譜技術(shù))系列拉曼光譜儀實物照片(如圖6所示)，將實驗室的基礎(chǔ)科研成果變成對國家和人民真正有用的技術(shù)和產(chǎn)品，曾應(yīng)用于2017年9月廈門“金磚會晤”的食品安全檢測，為各國首腦“舌尖上的安全”保駕護航。

圖6 “PERS”系列拉曼光譜儀器實物照片

面對環(huán)境保護、食品安全、公共安全等領(lǐng)域的實際應(yīng)用問題，早在2011年，田中群院士牽頭組織25家單位承擔(dān)首批國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項“等離激元增強拉曼光譜儀器研發(fā)與應(yīng)用”項目[7]。通過系統(tǒng)集成創(chuàng)新，研制和開發(fā)了包括臺式、便攜和微型三類“PERS”儀器系統(tǒng)。目前該產(chǎn)品已廣泛推廣并應(yīng)用于國內(nèi)外快速檢測領(lǐng)域。田中群院士曾在報告[8]中闡釋拉曼技術(shù)的小型化、便攜化的研究目的和意義時提到，“科學(xué)問題驅(qū)動造就科研儀器去探索科學(xué)前沿，科研儀器在技術(shù)問題的驅(qū)動下發(fā)展為科學(xué)儀器解決產(chǎn)業(yè)問題，科學(xué)儀器在民生需求驅(qū)動下發(fā)展各類小型微型儀器解決自我檢測分析。最終是要滿足國防安全、制造業(yè)等國家需求和食品飲料、家庭安全等百姓需求?！?/p>

“上書架”或“上貨架”是研究工作的最高境界。田中群院士團隊面向國家重大需求，堅持問題導(dǎo)向和需求導(dǎo)向相結(jié)合的理念，充分發(fā)揮“新型舉國體制”優(yōu)勢，集合精銳力量協(xié)同攻堅，將科研成果真正轉(zhuǎn)化為“貨架”上的產(chǎn)品，對國計民生發(fā)揮了重要作用。

3.4 以身作則聚焦解決能源材料化學(xué)領(lǐng)域前沿科學(xué)問題

“儀器示教中心”的展示墻上也展示了由孫世剛院士擔(dān)任項目總負責(zé)人，廈門大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所共同承擔(dān)，于2014年啟動的國家重大科研儀器設(shè)備研制專項“基于可調(diào)諧紅外激光的能源化學(xué)研究大型實驗裝置(Tunable Infrared Laser for Fundamentals of Energy Chemistry)”的情況。該裝置是國內(nèi)首臺紅外自由電子激光用戶裝置，也是國際上首臺面向能源化學(xué)領(lǐng)域研究的紅外自由電子激光裝置[9]，聚焦能源材料化學(xué)領(lǐng)域若干前沿科學(xué)問題開展深入研究，展示大型儀器裝置研制的重要意義和解決科學(xué)問題的獨到優(yōu)勢。該大型實驗裝置作為一個重要的能源化學(xué)研究平臺，面向全球開放運行。也向全世界展示了中國自主研制科學(xué)儀器的能力和實力[10]。

在整個項目實施過程中，作為項目總負責(zé)人的孫世剛院士以身作則地加強協(xié)調(diào)、溝通，強調(diào)注重每個細節(jié)，身體力行地踐行著科學(xué)精神和工匠精神[11]。

實際上，早在20世紀90年代初期，孫世剛院士團隊就建立了國內(nèi)第一套電化學(xué)原位紅外發(fā)射光譜系統(tǒng)，隨后又創(chuàng)建了電化學(xué)原位顯微紅外反射光譜、步進掃描時間分辨紅外反射光譜等一系列領(lǐng)先國際水平的原位紅外反射光譜技術(shù)。這是“敢為先、重細節(jié)、合為貴”廈大化院文化傳承的又一典范。

廈大化院研制儀器的優(yōu)良傳統(tǒng)代代相傳。老一輩科學(xué)家致力于儀器研發(fā)的精神深深影響著一代又一代的年輕學(xué)者，如今，也有年輕的實驗技術(shù)人員鉆研舊儀器的改造以及自主設(shè)計小型儀器，如用于實驗教學(xué)的“自動電位滴定儀的搭建”以及用于科研的“分子電導(dǎo)測量儀的搭建”等，并以競賽項目的形式手把手地指導(dǎo)學(xué)生親自動手從儀器元件組裝儀器以及儀器的調(diào)試和應(yīng)用等，對年輕技術(shù)人員的成長以及有效培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)興趣和好奇心都有重要作用。

近幾年，廈大化院已申請光譜、質(zhì)譜、色譜、電化學(xué)檢測和生物芯片等方面儀器類發(fā)明專利100余項，這些儀器很多都已實現(xiàn)商品化并應(yīng)用于實際樣品的分析檢測，對科研和實驗教學(xué)都有重大意義，對激發(fā)和啟迪年輕一代科學(xué)原創(chuàng)的好奇心，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)具有重要意義。

4 結(jié)語

在“儀器示教中心”，盡管看到的是一臺臺儀器，但對學(xué)生影響更深遠的是儀器本身的自主設(shè)計、制造背后所凝聚的一輩又一輩科學(xué)家的開拓創(chuàng)新精神、追求科學(xué)的求真精神，見證了廈大化院薪火相傳的奉獻精神。借助所展示的儀器，將學(xué)科發(fā)展歷史中的科學(xué)精神和化院發(fā)展歷程中的科教報國案例有機地融入實驗教學(xué)和科普教育過程中，達到潤物無聲的育人效果。

萬物之初，其形必丑。目前，“儀器示教中心”還只是一個雛形，收展的儀器數(shù)量還很少，需要加強“儀器示教中心”的內(nèi)涵建設(shè)?！皟x器示教中心”是動態(tài)建設(shè)的過程，要不斷挖掘和搜索有歷史意義、有重大科學(xué)價值或富有教學(xué)意義的儀器實物或照片，以及廈大年青一代科學(xué)家和校友與時俱進的儀器實物、模型或照片等。不僅要發(fā)揮好“儀器示教中心”服務(wù)于實驗教學(xué)的專業(yè)功能，還要發(fā)揮好其“思政”育人的功能，因此，廈大化院“儀器示教中心”也是對研究生、大、中學(xué)生進行儀器科普教育的重要陣地之一。

“儀器是認識世界的工具”，科學(xué)儀器的發(fā)展和創(chuàng)新是催生科技創(chuàng)新的重要要素，要做出更多原創(chuàng)的、世界領(lǐng)先的成果，沒有高精尖儀器是萬萬做不到的。要教育青年學(xué)生認識到科學(xué)儀器的自主研發(fā)創(chuàng)新對提高我國自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要意義，學(xué)習(xí)老一輩科學(xué)家始終秉承著“國家需要什么，我就做什么”的家國大義精神；鼓勵青年學(xué)生以前輩為榜樣，繼續(xù)從大局著眼、從細節(jié)入手，腳踏實地將廈大化院“敢為先、重細節(jié)、合為貴”的學(xué)科文化內(nèi)涵發(fā)揚光大[12]。