彭淑女，陳招斌，李華敏，方雪明，楊利民，王翊如，任艷平

廈門大學化學化工學院，化學國家級實驗教學示范中心(廈門大學)，福建 廈門 361005

科學儀器設備的開發(fā)和應用是科學技術進步的基礎。設計、生產、維護及使用相關儀器設備的能力和水平，代表著一個國家的科技實力和創(chuàng)新能力，是建設創(chuàng)新型國家必須著力解決的重大基礎性、戰(zhàn)略性問題[1]。

在多年的實驗教學和科研實踐中，我們也切身體會到重大科學問題的一次次突破，離不開這些高精尖儀器。讓學生深刻認識到高水平的科研裝備和技術服務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。在教學過程中，學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置儀器參數等，也看不見儀器內部器件組成，對其工作原理就了解甚少。在儀器分析實驗教學中一般采用儀器圖片、視頻等方式講解儀器的結構，無法將儀器剖開使學生探察其內部構造，因此關于儀器結構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效果，一直是儀器分析實驗教學中令人困擾的問題。

為了解決這一問題，早在2011年，廈門大學化學化工學院(簡稱廈大化院)時任領導就組織廈門大學化學國家級實驗教學示范中心(簡稱“實驗中心”)有關人員一起醞釀廈大化院“儀器示教中心”的建設事宜，意將一些典型的實驗教學中使用頻率高且已報廢留用的儀器經過清潔、整修，拆開外殼后進行集中展示，讓學生能更好、更有效地了解儀器的內部構造及其工作原理，啟發(fā)學生萌生開啟舊儀器設計改造或新儀器設備研發(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”建設的初衷。

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

1 “儀器示教中心”的基本概貌

位于廈大化學樓的“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計研制并投入生產的我國第一臺自主設計的“DHZ-1型電化學綜合測試儀”實物，鄭蘭蓀院士設計、研制的“囚禁團簇離子電子衍射質譜儀”實物以及近幾年由田中群院士團隊研制的曾應用于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)教育功能體現在實驗教學效果以及儀器專業(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，有效提高實驗教學效果

早期的分析測試儀器與現代自動化、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，要讓學生有效了解其基本構造和基本工作原理、學習和了解是改變或增加了哪些部件和軟件使儀器實現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部構件及其組成(如圖2和圖3所示)。指導教師在講解儀器結構及其工作原理時，領著學生到“儀器示教中心”，對著實物手把手地講解每個關鍵部件的作用等，使抽象的概念、原理具體化，使學生安全、有效用好儀器而得到科學、準確的實驗數據和結果。這樣可以較好地達到儀器分析實驗教學的最基本目的。這種儀器分析實驗教學模式，也啟發(fā)了學生萌生開啟舊儀器設計改造或新儀器設備研發(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部構件實物照片

圖3 傅里葉變換紅外光譜儀及其內部構件實物照片

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，一流的科學儀器才能支撐一流的科學研究[2]。當前，我國對化學組成和結構分析的大型儀器設備的研發(fā)能力、生產能力和維護使用水平，相對于發(fā)達國家還存在較大差距，大型儀器設備還主要依賴進口[1]。這使得我國依賴高端儀器設備的研究受制于人，成了一件“卡脖子”的事。所以，加強科學儀器的自主研發(fā)和產業(yè)化能力及其專業(yè)技術人才培養(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，儀器分析實驗教學不僅要求學生安全、有效用好儀器而得到科學、準確的實驗數據和結果，培養(yǎng)學生設計、組裝儀器的意識和能力是儀器分析實驗教學更高層次的要求。

在科研實踐和實驗教學改革過程中，面對個性化科研和實驗教學需求，有時需要對現有儀器加一些小配件，做一些小改進，或將買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需要，而市面上的供應商很難提供符合專業(yè)需求或難于滿足個性化實驗教學、科研實際需要的產品。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的個性化需求方面來說，加強培養(yǎng)學生的動手能力和設計、組裝儀器的意識和能力都很重要。

在老一輩科學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，承辦了教育部高校化學類專業(yè)教學指導委員會主辦的“化學測量學與技術”專業(yè)，已于2021年開始招生。未來培養(yǎng)的“化學測量學與技術”專業(yè)學生不僅要深度掌握儀器分析的原理，而且要能夠對現有儀器進行改造和改進以及能夠自己設計儀器。

“儀器示教中心”建設也恰逢其時，將為“化學測量學與技術”專業(yè)的學生或對儀器設計研究感興趣的同學提供一個課外自由拆裝儀器的實踐場所，教師手把手地教學生對一些儀器進行拆卸、組裝，學生在不斷反復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”服務于實驗教學的專業(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年廈大化學系建立時，第一任系主任劉樹杞教授就強調理論與實踐并重。從1923年化學系開設的吹制玻璃實驗裝置課程開始，到自主研發(fā)教學用的真空計等，在一代又一代的院士團隊的帶領下，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，不論其外表還是內部組件都是銹跡斑斑的，但無不閃耀著一輩又一輩科學家的智慧光芒，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，強烈地展現了廈大化院“敢為先、重細節(jié)、合為貴”的學科文化傳承。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型電化學綜合測試儀”(圖4)，這是在20世紀70年代中期，由我國現代電化學創(chuàng)始人之一田昭武院士作為儀器的總設計師，帶領他的科研團隊及福建三明無線電廠的技術人員一起研制成功的?！癉HZ-1型電化學綜合測試儀”也是我國第一臺自主設計的集成電路化的電化學綜合性測試儀器。

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

在研制電化學綜合測試儀的過程中，田昭武院士作為儀器的總設計師，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費的短缺，必須有一套自己設計的電化學儀器，特別是自己首創(chuàng)的一些新的研究方法，更是要設計新的儀器來加以實現[3]。他身行力踐，付諸于行動，不斷詮釋著廈大化院“敢為先”的學科精神。

時至今日，已經95歲的田昭武院士仍致力于低碳交通領域的研究和建言獻策。

3.2 率先垂范破解實驗教學困惑

在“儀器示教中心”，另一臺有故事的儀器就是鄭蘭蓀院士設計、研制的“囚禁團簇離子電子衍射質譜儀”，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譜計”，從此便與質譜儀結下深厚情誼，又相繼研制了激光離子源射頻離子阱質譜計等以激光產生和研究原子團簇的大型儀器，成為國內外有重要影響的原子團簇科學研究基地，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青年一代化學工作者的代表[4-6]。

圖5 “囚禁團簇離子電子衍射質譜儀”實物照片

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

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，在教學上也如此。他不僅多年堅持為本科生上無機化學課，也非常重視實驗教學，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，實驗教學是人才培養(yǎng)的重要保障”。他把科研中研制和應用質譜儀的心得應用于教學質譜儀的設計，躬身篤行破解實驗教學困惑。

在實際樣品分析和科研活動中，質譜儀的應用非常普遍，加強質譜分析實驗教學內容，并讓學生親手操作儀器非常必要。但進口質譜儀技術復雜、多為黑盒子且價格昂貴，使質譜實驗教學不能普及；整機貴重不能拆裝，也不利于學生直觀了解其內部結構和原理并操作等。

鄭蘭蓀院士立足實驗教學一線，堅持以實驗教學實際需求為發(fā)展導向，不斷開拓創(chuàng)新教學質譜儀。在2021年7月國家級實驗教學示范中心主任聯(lián)席會化學化工學科組會議上，鄭蘭蓀院士主動請纓，就自制教學質譜儀器在本科教學中的應用實踐，介紹和推廣了其在第一代教學質譜儀教學應用實踐的基礎上主持設計和研制的第二代教學質譜儀——小型直線飛行時間質譜儀，具有價格便宜(～12萬)，工作原理更簡單；模塊化設計，可供學生自主裝配調試；全手動設計，學生可自主調節(jié)各參數并考察對離子的影響；開放透明化設計，直觀顯示儀器結構設計，方便質譜原理教學等優(yōu)點；對啟迪學生的創(chuàng)新意識、激發(fā)學生探尋“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的辯證統(tǒng)一、相輔相成的關系。

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)系列拉曼光譜儀實物照片(如圖6所示)，將實驗室的基礎科研成果變成對國家和人民真正有用的技術和產品，曾應用于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、公共安全等領域的實際應用問題，早在2011年，田中群院士牽頭組織25家單位承擔首批國家重大科學儀器設備開發(fā)專項“等離激元增強拉曼光譜儀器研發(fā)與應用”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)。目前該產品已廣泛推廣并應用于國內外快速檢測領域。田中群院士曾在報告[8]中闡釋拉曼技術的小型化、便攜化的研究目的和意義時提到，“科學問題驅動造就科研儀器去探索科學前沿，科研儀器在技術問題的驅動下發(fā)展為科學儀器解決產業(yè)問題，科學儀器在民生需求驅動下發(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，堅持問題導向和需求導向相結合的理念，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，將科研成果真正轉化為“貨架”上的產品，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領域前沿科學問題

“儀器示教中心”的展示墻上也展示了由孫世剛院士擔任項目總負責人，廈門大學、中國科學技術大學、復旦大學和中國科學院大連化學物理研究所共同承擔，于2014年啟動的國家重大科研儀器設備研制專項“基于可調諧紅外激光的能源化學研究大型實驗裝置(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領域研究的紅外自由電子激光裝置[9]，聚焦能源材料化學領域若干前沿科學問題開展深入研究，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，作為項目總負責人的孫世剛院士以身作則地加強協(xié)調、溝通，強調注重每個細節(jié)，身體力行地踐行著科學精神和工匠精神[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第一套電化學原位紅外發(fā)射光譜系統(tǒng)，隨后又創(chuàng)建了電化學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先國際水平的原位紅外反射光譜技術。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者，如今，也有年輕的實驗技術人員鉆研舊儀器的改造以及自主設計小型儀器，如用于實驗教學的“自動電位滴定儀的搭建”以及用于科研的“分子電導測量儀的搭建”等，并以競賽項目的形式手把手地指導學生親自動手從儀器元件組裝儀器以及儀器的調試和應用等，對年輕技術人員的成長以及有效培養(yǎng)學生專業(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、質譜、色譜、電化學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商品化并應用于實際樣品的分析檢測，對科研和實驗教學都有重大意義，對激發(fā)和啟迪年輕一代科學原創(chuàng)的好奇心，引導和啟發(fā)學生自主創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)具有重要意義。

4 結語

在“儀器示教中心”，盡管看到的是一臺臺儀器，但對學生影響更深遠的是儀器本身的自主設計、制造背后所凝聚的一輩又一輩科學家的開拓創(chuàng)新精神、追求科學的求真精神，見證了廈大化院薪火相傳的奉獻精神。借助所展示的儀器，將學科發(fā)展歷史中的科學精神和化院發(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，收展的儀器數量還很少，需要加強“儀器示教中心”的內涵建設?！皟x器示教中心”是動態(tài)建設的過程，要不斷挖掘和搜索有歷史意義、有重大科學價值或富有教學意義的儀器實物或照片，以及廈大年青一代科學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”服務于實驗教學的專業(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、世界領先的成果，沒有高精尖儀器是萬萬做不到的。要教育青年學生認識到科學儀器的自主研發(fā)創(chuàng)新對提高我國自主創(chuàng)新能力、建設創(chuàng)新型國家的重要意義，學習老一輩科學家始終秉承著“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”的學科文化內涵發(fā)揚光大[12]。