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。
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。
“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。
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
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。
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。
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。
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。
“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。
“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。
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]。