分析化学实验室开放共享新模式探索

　　１分析化学实验室的现状

　　分析化学实验是分析化学教学的重要组成部分，是学生学习分析化学的重要实践环节，与分析化学理论课程密切相关，是化学、化工、生命科学、环境、材料、药学、食品等专业必修的一门基础课程。分析化学实验包括化学分析实验和仪器分析实验２部分，其中化学分析实验是以４大滴定反应为基础的滴定实验，着重强调“量”的概念，仪器分析实验则以现代分析仪器为基础，着重掌握仪器的工作原理和应用，仪器的数量与种类对教学效果有极大影响。化学化工国家级实验教学示范中心（天津大学）设有本科生分析教学实验室１０个，实验室面积２　０１３ｍ２，拥有电化学、光学、色谱等各类仪器设备，其中包括高效液相色谱仪（ＨＰＬＣ）、气相色谱仪（ＧＣ）、原子吸收光谱仪（ＡＡＳ）、紫外可见分光光度计（ＵＶ－Ｖｉｓ）、荧光分光光度计等多种大型仪器。随着新工科建设的不断推进，中央专项经费投入的不断加大，用于实验中心基础教学的仪器设备还在不断地增加。尽管分析教学实验室的教学仪器设备种类越来越齐全，数量越来越多，但采用传统模式的仪器分析实验教学体系和管理体系对于培养实践能力强、创新能力强的高素质复合型新工科人才的要求还有一定的差距［５－７］。（１）提升学生实践能力的实验课时有限，大部分实验课时都用来做已经设计好的验证性实验。课程时间的限制导致学生没有充足时间对仪器设备进行实践操作，对实验原理也并不能做到透彻的理解，在以后的探索实验和综合实验中对仪器设备的其他使用方法也不能熟练掌握。（２）为优化资源配置，大多数高校不会购置过多的同类仪器设备用于教学实验，特别是２０万以上的大型仪器设备。为保障实验教学，课堂往往采取分组实验的教学形式，班数多，分组少；学生多，仪器少，导致课上学生的参与度不高，与仪器的互动性不强，学生几乎没有独立操作仪器的机会。例如在“原子吸收法测定废水中铜的含量”的实验中，学生根据原子吸收光谱仪的套数进行分组，每组３～４人，共同配制溶液，共同操作仪器，共享实验结果，因此在实验过程中，每个学生实际操作的机会非常有限。（３）出于教学目的购买的仪器设备资源主要用于本科生基础实验教学，在完成传统教学任务后，仪器设备资源基本会处于闲置状态，使用率不高。（４）由于空间、经费、维护成本等各类原因的限制，大部分科研实验室并不会购置太多仪器设备，而校内科研人员的很多研究工作对实验中心的仪器设备是有使用需求的，尤其是测试设备，更是科研工作的必要需求。基于以上４点考虑，笔者提出了“动静结合”“虚实结合”的仪器设备开放共享新模式，依托我校化学化工国家级虚拟仿真实验教学中心，采取多种开放形式，提高仪器分析教学实验室资源的开放共享程度，使仪器设备资源得到有效利用，充分发挥现有资源的效益，最大限度的为我校师生服务。

　　２探索开放共享的新模式

　　２．１开放共享新模式的特点。２．１．１“动静结合”。使用现有的教学仪器资源，完成计划内的实验教学任务，仪器设备便是静态资源；使用现有的教学仪器资源，根据教学科研需求，合理安排，全部或部分面向学生、教师、技术人员等有需求人员进行开放共享，为其提供资源支持和测试服务，仪器设备便是动态资源。在现有情况下，笔者可以采取“动静结合”的开放共享模式，探索对仪器设备的充分利用，同时，通过这种开放共享模式，增加学生自主学习的时间和空间，激发学生学习兴趣，鼓励学生进行创新性实验。在这种“动静结合”的开放共享模式下，更有助于培养实践能力强、创新能力强的高素质复合型新工科人才。２．１．２“虚实结合”。目前，虚拟仿真技术发展迅速，天津大学是较早进行模拟仿真教学的高校之一，特别是化学化工实验教学中心的虚拟仿真教学已经走在我国高校的前列［８］。“虚实结合”是将虚拟仿真技术引入教学体系和管理体系中，学生可以运用虚拟仿真技术真切地了解仪器的构造，掌握仪器的原理，并可以不受时间和地点的限制进行模拟实验。作为实体教学资源的有效补充，虚拟仿真技术的引入，为学生拓展了学习空间，提供了一个更加自由开放的实验环境。２．２开放共享新模式的意义。２．２．１合理开放，促进综合实验顺利开展。仪器分析化学是使用精密仪器对物质结构、化学组成、化学特性进行定性或者定量分析的方法，融合了化学、数学、物理、机械工程、计算机等多个学科的技术。在综合实验中，通常含有大型分析仪器的使用操作和常见的材料表征方法，目的是训练学生的实验操作技能，提升学生专业素养的同时提高学生的综合能力，扩大知识面，为做好毕业论文打下良好的基础，同时也为未来可能进行的科研工作铺平道路。仪器分析实验室作为实验中心的一部分，应面向综合实验合理开放，为学生提供更多操作仪器的机会。２．２．２立足实践，培养学生综合能力。为达到更好的学以致用效果，实验学时之外，学生可以根据自己的兴趣组建兴趣小组，挑选感兴趣的课题，查阅文献资料，设计完整的实验，使用分析化学实验室的仪器做自己感兴趣的课题。比如测定自来水中的氟含量、化妆品样品中重金属含量或某段河水中微量元素的含量等。尤其是当今社会，人们对食品安全尤为关注，在对食品样品进行化学成分检测的过程中，更需要借助分析仪器的测定。食品检测工作中常用的检查规格单位有ｐｇ级、ｎｇ级、μｇ级别，这些都是非常微小的重量单位，分析化学实验室中的气相色谱仪、原子吸收分光光度计等仪器可以提供更为准确的测量精度，为学生的探索实践提供有力保障。学生通过实践获取的实验经验，会进一步加深学生对各类仪器操作的理解，拓展学生在今后工作中进行分析检验和质量监控的方法和手段，培养学生的综合实践能力。２．２．３鼓励创新，积极参与竞赛活动。科技竞赛是大学生开展课外科技活动、培养创新精神和实践能力的有效形式。很多科技竞赛的项目都与实际问题相结合，需要较强的综合解决问题的能力，如“卓越杯”创新实验竞赛，“化联杯”实验技能大赛等。在这些科技竞赛活动中，都需要分析化学实验室提供实验资源和技术支持，分析化学实验室开放共享显得尤为必要。可以为参加科技竞赛的学生团队开放绿色通道，尝试探索实验资源与科技竞赛结合的开放模式，鼓励学生实践创新，解决实际问题。通过分析实验室的开放共享，培养学生的创新实践能力和团队合作精神。２．２．４充分利用，保障科研探索创新基础实验操作技能是科研创新的必要保障，科研创新也需要基础实验室仪器设备的支持。分析化学实验室中原子吸收光谱仪可以测量微量金属元素的含量；紫外分光光度计可用来对试样进行分子级别的测定；高效液相色谱仪和气相色谱仪利用物质间的作用力促进物质分离，能够高效地测定不同物质的重量及含量。这些仪器可以根据师生需求，合理安排，充分共享，既实现了资源的合理配置，又可以提高设备的使用效益［９－１０］。２．３开放共享新模式的内容。２．３．１仪器设备共享。在保障本科生教学任务的前提下，仪器分析实验室的各类仪器最大程度开放共享，包括高效液相色谱仪、气相色谱仪以及原子吸收光谱仪等大型仪器，也包括离子计、可见分光光度计、双联电解分析仪等各类小型仪器，最大程度满足师生需求。除此之外，仪器测试常用药品和必备消耗品等也在符合规定的前提下纳入共享计划范围之内。２．３．２实验内容共享。实验教学的课程内容同样开放共享，对于分析化学实验和综合实验课上没有掌握的学生可以强化基础实验知识，学生能有更多机会锻炼综合实践能力。分析化学实验室也会将兴趣实验内容开放共享，以解决实际问题为导向，拓展学生思维，给予学生充分自主权，引导学生独立设计并完成实验，以此来提高学生的实践创新能力。２．３．３实验指导共享。除了仪器和课程的共享外，教辅人员的服务同样开放共享。以往的开放共享更多考虑的是仪器设备的共享，往往忽略教辅人员的作用，实际工作中实验员操作仪器的水平和配制化学药品的经验同样影响着实验效果。分析化学实验室针对师生们的需求，有序安排实验人员介入实验和测试，对实验设计方案进行指导，对仪器操作和参数设定进行指导，对样品前处理和药品配制进行指导。依托实验员的专业技术和实验经验，针对实验和测试中出现的各类情况进分析，帮助师生解决问题，少走弯路，使实验资源共享更加快捷高效。２．３．４面向人员。仪器分析实验室面向低年级本科生开放，以利于其巩固基础知识；面向高年级本科生开放，为其毕业设计提供便利；面向教师和硕士研究生、博士研究生开放，为其科研测试提供支持。

　　３开放共享新模式的实施方法

　　３．１安全保障。开放共享，安全先行，开放共享的前提是做好实验室安全教育与培训［１１－１２］。凡是需要进入实验室的人员，都要参加学校资产处网络平台的实验室安全培训并通过安全考试，方可取得进入实验室的资格。实验室管理人员定期安排所有实验人员进行安全知识教育培训，如观看安全事故案例的纪录片、消防安全演习、安全知识讲座、安全知识考试、安全知识竞赛等；实验室需配备必要的消防设施，保障实验场地逃生安全通道通畅，并根据实验人员情况配备防护眼镜、手套和工作服等个人防护用品；对于可能受到化学品伤害的实验区域，必须配置实验通风橱、应急喷淋装置、洗眼装置和急救包；实验管理人员需定期维护实验室内消防安全设备及用品，并做好检查记录，降低实验室的安全隐患，确保实验人员的安全和公共安全；实验室管理人员根据分析实验室实际情况制定对应的安全应急预案，提高突发紧急事故的处理能力。为保障仪器设备操作安全，分析化学实验室内仪器的开放共享采取持证上岗模式，测试者需经过分析实验室仪器使用培训，通过考试获得培训合格证后，方可使用仪器进行实验。每学期，分析实验室会根据课程安排和仪器设备预约情况，有针对性地开展集中培训，测试者可根据个人实验需求参加培训。培训主要针对仪器构造、实验原理、实验常用方法、实验常见问题、仪器常用操作和注意事项等，培训结束后，通过培训考试的学生会获得合格证，持该证可预约测试。３．２试剂与耗材管理。依托校资产处化学品管理平台和材料平台，建立试剂和耗材共享管理制度，在加强管理的同时提高共享效率。分析化学实验室在符合规定的前提下为测试人员提供必备的常用药品和消耗品，为仪器的使用提供更多的便利。比如在高效液相色谱仪的使用过程中，分析实验室会提供必需的甲醇、乙腈和超纯水；针对原子吸收光谱仪的使用者，分析实验室为其提供配制溶液所需的容量瓶、移液管、刻度管、胶头滴管等；在紫外可见吸收测试中，分析实验室为其提供石英比色皿、擦镜纸等；在气相色谱测试中，分析实验室为其提供样品瓶、高纯氮气等。分析实验室提供的这些必备的化学品和消耗品，减少了测试者前期准备的精力投入，省去了测试者购买消耗品和携带溶剂的繁琐步骤，避免了试剂的浪费和溶剂纯度对测试结果的影响，提高了仪器开放共享的使用效率。３．３仪器操作说明。分析化学实验室仪器种类繁多，为帮助测试人员在短时间内掌握仪器设备的使用方法，尽快开展实验，实验员针对不同仪器设备做好使用说明［１３］。对于相对简单的分光光度计、离子计、双联电解分析仪等小型仪器，每台仪器的实验台上贴有标准操作步骤和注意事项，测试者按照操作规程进行操作即可；对于相对复杂的高效液相色谱仪、气相色谱仪、原子吸收光谱仪等大型仪器，实验员提前将仪器原理、构造说明及标准使用流程拍摄成形象直观的微视频，并将微视频上传到网络，将其转换成简洁的二维码后贴在对应的仪器设备上，测试者扫码即可观看学习视频。同时分析实验室每个教室的墙上都贴有对应仪器的简介说明，包括设备型号、技术指标、主要用途、测试的准备工作和样品前处理知识等，全方位帮助测试者掌握仪器设备的使用方法，早日开展测试工作。３．４虚拟仿真技术的应用。为保障测试工作的顺利开展，使用分析化学实验室仪器的测试者需对仪器操作流程和实验过程有充分的了解［１４］。天津大学化学化工虚拟仿真实验教学中心的虚拟仿真系统为测试者提供了便利渠道。测试者可以登录虚拟仿真实验中心平台，在系统中选择需要使用的设备，通过虚拟仿真技术进行仪器操作，了解其操作流程和测试功能，可视化的仪器内部结构会加深测试者对仪器结构的理解，生动的实验测试效果则加深了测试者对实验原理的理解。测试者可以根据实验方案模拟测试，提前熟悉实验流程，对虚拟仿真系统模拟的测试过程中报错的部分做好优化，更加有效地完善实验方案。３．５预约平台。利用学校的网络资源建立更加高效便捷的网上预约平台。分析化学实验室的首要任务是保障本科生的实验课程，所以开放时间是根据每学期本科生课表制定。预约平台根据课程安排和测试者的预约情况实时更新，方便测试者选择合适的时间段预约测试，避免预约人员过多导致的拥堵等待情况，提高仪器设备使用率的同时保障测试人员的时间利用率。在仪器设备开放共享的同时，预约平台也要做好信息登记，以作备案。３．６仪器设备维护。在分析仪器设备的开放共享的过程中，由于使用者仪器操作不熟练、操作流程不规范、测试样品有杂质，仪器使用频繁过早老化等各种问题，都会不可避免地给仪器的维护带来困难。面对可能出现的问题，本着“操作懂原理，使用需维护”的原则，实验员不但要做好管理工作，同时也对测试者提出更高要求。如进行高效液相测试的样品进样前需经过超声、过滤处理，以免造成堵塞，测试结束后充分冲洗柱子，避免影响下一个测试的进行；原子吸收仪测金属含量时应确定样品的酸碱性，控制好空气、乙炔气的压力，掌握吸光度偏低时的调试方法。实验员遇到测试人员不能解决的问题要及时进行指导，针对危险源如气体钢瓶、酸碱试剂、高温设备要做好监督检查工作，及时制止危险操作，保障测试实验的安全进行。３．７测试废液处置。针对测试产生的废液采取分类处理方式，根据废液类型倒入对应的废液专用回收桶，对于易挥发的废液进行密封保存，废针头和碎玻璃放入指定泡沫箱，实验员定期将集中起来的废液交给专业的废旧试剂处理公司回收。在开放共享的同时也要做好宣传管理工作，严禁测试者将废液直接倒入下水道或丢弃到垃圾桶，防止因此造成环境污染和安全隐患。３．８实验员队伍的建设。随着实验室开放力度的不断加大，实验教辅人员也将面临工作量不断加大的实际问题。为了调动实验员队伍的积极性，根据工作特点建立合理的考核制度显得十分必要。在实际工作当中，通过以下几种方式计算实验员的工作量并与考核挂钩：以实验员所管理仪器的测试时长为依据计算工作量；实验员开展的仪器培训工作，以及在兴趣实验、自主创新实验中进行的实验指导也计算为工作量；随着实验室的开放，仪器设备利用率越来越高，出现问题需要维修维护的几率也越来越大，所以仪器设备的维修维护工作也记入工作量；在仪器运行过程中，实验员根据实践经验提出的实验教学改革和实验技术的改进也记入工作量，并根据贡献程度在各类考核中予以优先推荐。在做好工作量计算的同时，鼓励和引导实验员放宽视野，提高站位，适应时代变化，提升自身业务水平，在做好本职工作的同时，通过参加讲座、参观学习、交流研讨、阅读文献等方式提高个人知识储备，以迎接新的挑战和新的机遇［１５］。３．９经费保障。实验室的开放程度增高，除了实验员的附加工作量以外，仪器设备的损坏率会相应增加，实验药品的消耗也会增加，相应的各项经费需求也在增大，所以实验室长期稳定的开放需要一定的经费保障。化学化工国家级实验教学示范中心定期有专用经费用于保障设备的维护维修；学校资产处的实验室建设改革项目也为开放共享提供了资金支持；面向教师、博士生、研究生的有偿测试所收取的费用也会补偿动态运行时的消耗。４结语在新工科背景下，人才的培养更注重实践性、创新性，设备仪器的开放共享，更多也是为人才服务，“传之授之者易，立之达之者难”，教师队伍作为实践教学的重要一环，更要依靠个人强大的知识储备、熟练的业务能力和丰富的操作经验，引导学生不拘泥于书本、不停滞于眼前、不局限于现状，大胆创新，敢于实践，挑战自我，以达到开放共享促进人才培养的最终目的。

　　作者:商闯 常静 单位:1.天津大学理学院 2.天津大学化学化工国家级虚拟仿真实验教学中心 3.天津大学化学化工国家级实验教学示范中心