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1分析化學實驗室的現狀

分析化學實驗是分析化學教學的重要組成部分，是學生學習分析化學的重要實踐環節，與分析化學理論課程密切相關，是化學、化工、生命科學、環境、材料、藥學、食品等專業必修的一門基礎課程。分析化學實驗包括化學分析實驗和儀器分析實驗2部分，其中化學分析實驗是以4大滴定反應為基礎的滴定實驗，著重強調“量”的概念，儀器分析實驗則以現代分析儀器為基礎，著重掌握儀器的工作原理和應用，儀器的數量與種類對教學效果有極大影響。化學化工國家級實驗教學示范中心（天津大學）設有本科生分析教學實驗室10個，實驗室面積2　013m2，擁有電化學、光學、色譜等各類儀器設備，其中包括高效液相色譜儀（HPLC）、氣相色譜儀（GC）、原子吸收光譜儀（AAS）、紫外可見分光光度計（UV－Vis）、熒光分光光度計等多種大型儀器。隨著新工科建設的不斷推進，中央專項經費投入的不斷加大，用于實驗中心基礎教學的儀器設備還在不斷地增加。盡管分析教學實驗室的教學儀器設備種類越來越齊全，數量越來越多，但采用傳統模式的儀器分析實驗教學體系和管理體系對于培養實踐能力強、創新能力強的高素質復合型新工科人才的要求還有一定的差距［5－7］。（1）提升學生實踐能力的實驗課時有限，大部分實驗課時都用來做已經設計好的驗證性實驗。課程時間的限制導致學生沒有充足時間對儀器設備進行實踐操作，對實驗原理也并不能做到透徹的理解，在以后的探索實驗和綜合實驗中對儀器設備的其他使用方法也不能熟練掌握。（2）為優化資源配置，大多數高校不會購置過多的同類儀器設備用于教學實驗，特別是20萬以上的大型儀器設備。為保障實驗教學，課堂往往采取分組實驗的教學形式，班數多，分組少；學生多，儀器少，導致課上學生的參與度不高，與儀器的互動性不強，學生幾乎沒有獨立操作儀器的機會。例如在“原子吸收法測定廢水中銅的含量”的實驗中，學生根據原子吸收光譜儀的套數進行分組，每組3～4人，共同配制溶液，共同操作儀器，共享實驗結果，因此在實驗過程中，每個學生實際操作的機會非常有限。（3）出于教學目的購買的儀器設備資源主要用于本科生基礎實驗教學，在完成傳統教學任務后，儀器設備資源基本會處于閑置狀態，使用率不高。（4）由于空間、經費、維護成本等各類原因的限制，大部分科研實驗室并不會購置太多儀器設備，而校內科研人員的很多研究工作對實驗中心的儀器設備是有使用需求的，尤其是測試設備，更是科研工作的必要需求。基于以上4點考慮，筆者提出了“動靜結合”“虛實結合”的儀器設備開放共享新模式，依托我校化學化工國家級虛擬仿真實驗教學中心，采取多種開放形式，提高儀器分析教學實驗室資源的開放共享程度，使儀器設備資源得到有效利用，充分發揮現有資源的效益，最大限度的為我校師生服務。

2探索開放共享的新模式

2．1開放共享新模式的特點。2．1．1“動靜結合”。使用現有的教學儀器資源，完成計劃內的實驗教學任務，儀器設備便是靜態資源；使用現有的教學儀器資源，根據教學科研需求，合理安排，全部或部分面向學生、教師、技術人員等有需求人員進行開放共享，為其提供資源支持和測試服務，儀器設備便是動態資源。在現有情況下，筆者可以采取“動靜結合”的開放共享模式，探索對儀器設備的充分利用，同時，通過這種開放共享模式，增加學生自主學習的時間和空間，激發學生學習興趣，鼓勵學生進行創新性實驗。在這種“動靜結合”的開放共享模式下，更有助于培養實踐能力強、創新能力強的高素質復合型新工科人才。2．1．2“虛實結合”。目前，虛擬仿真技術發展迅速，天津大學是較早進行模擬仿真教學的高校之一，特別是化學化工實驗教學中心的虛擬仿真教學已經走在我國高校的前列［8］。“虛實結合”是將虛擬仿真技術引入教學體系和管理體系中，學生可以運用虛擬仿真技術真切地了解儀器的構造，掌握儀器的原理，并可以不受時間和地點的限制進行模擬實驗。作為實體教學資源的有效補充，虛擬仿真技術的引入，為學生拓展了學習空間，提供了一個更加自由開放的實驗環境。2．2開放共享新模式的意義。2．2．1合理開放，促進綜合實驗順利開展。儀器分析化學是使用精密儀器對物質結構、化學組成、化學特性進行定性或者定量分析的方法，融合了化學、數學、物理、機械工程、計算機等多個學科的技術。在綜合實驗中，通常含有大型分析儀器的使用操作和常見的材料表征方法，目的是訓練學生的實驗操作技能，提升學生專業素養的同時提高學生的綜合能力，擴大知識面，為做好畢業論文打下良好的基礎，同時也為未來可能進行的科研工作鋪平道路。儀器分析實驗室作為實驗中心的一部分，應面向綜合實驗合理開放，為學生提供更多操作儀器的機會。2．2．2立足實踐，培養學生綜合能力。為達到更好的學以致用效果，實驗學時之外，學生可以根據自己的興趣組建興趣小組，挑選感興趣的課題，查閱文獻資料，設計完整的實驗，使用分析化學實驗室的儀器做自己感興趣的課題。比如測定自來水中的氟含量、化妝品樣品中重金屬含量或某段河水中微量元素的含量等。尤其是當今社會，人們對食品安全尤為關注，在對食品樣品進行化學成分檢測的過程中，更需要借助分析儀器的測定。食品檢測工作中常用的檢查規格單位有pg級、ng級、μg級別，這些都是非常微小的重量單位，分析化學實驗室中的氣相色譜儀、原子吸收分光光度計等儀器可以提供更為準確的測量精度，為學生的探索實踐提供有力保障。學生通過實踐獲取的實驗經驗，會進一步加深學生對各類儀器操作的理解，拓展學生在今后工作中進行分析檢驗和質量監控的方法和手段，培養學生的綜合實踐能力。2．2．3鼓勵創新，積極參與競賽活動。科技競賽是大學生開展課外科技活動、培養創新精神和實踐能力的有效形式。很多科技競賽的項目都與實際問題相結合，需要較強的綜合解決問題的能力，如“卓越杯”創新實驗競賽，“化聯杯”實驗技能大賽等。在這些科技競賽活動中，都需要分析化學實驗室提供實驗資源和技術支持，分析化學實驗室開放共享顯得尤為必要。可以為參加科技競賽的學生團隊開放綠色通道，嘗試探索實驗資源與科技競賽結合的開放模式，鼓勵學生實踐創新，解決實際問題。通過分析實驗室的開放共享，培養學生的創新實踐能力和團隊合作精神。2．2．4充分利用，保障科研探索創新基礎實驗操作技能是科研創新的必要保障，科研創新也需要基礎實驗室儀器設備的支持。分析化學實驗室中原子吸收光譜儀可以測量微量金屬元素的含量；紫外分光光度計可用來對試樣進行分子級別的測定；高效液相色譜儀和氣相色譜儀利用物質間的作用力促進物質分離，能夠高效地測定不同物質的重量及含量。這些儀器可以根據師生需求，合理安排，充分共享，既實現了資源的合理配置，又可以提高設備的使用效益［9－10］。2．3開放共享新模式的內容。2．3．1儀器設備共享。在保障本科生教學任務的前提下，儀器分析實驗室的各類儀器最大程度開放共享，包括高效液相色譜儀、氣相色譜儀以及原子吸收光譜儀等大型儀器，也包括離子計、可見分光光度計、雙聯電解分析儀等各類小型儀器，最大程度滿足師生需求。除此之外，儀器測試常用藥品和必備消耗品等也在符合規定的前提下納入共享計劃范圍之內。2．3．2實驗內容共享。實驗教學的課程內容同樣開放共享，對于分析化學實驗和綜合實驗課上沒有掌握的學生可以強化基礎實驗知識，學生能有更多機會鍛煉綜合實踐能力。分析化學實驗室也會將興趣實驗內容開放共享，以解決實際問題為導向，拓展學生思維，給予學生充分自主權，引導學生獨立設計并完成實驗，以此來提高學生的實踐創新能力。2．3．3實驗指導共享。除了儀器和課程的共享外，教輔人員的服務同樣開放共享。以往的開放共享更多考慮的是儀器設備的共享，往往忽略教輔人員的作用，實際工作中實驗員操作儀器的水平和配制化學藥品的經驗同樣影響著實驗效果。分析化學實驗室針對師生們的需求，有序安排實驗人員介入實驗和測試，對實驗設計方案進行指導，對儀器操作和參數設定進行指導，對樣品前處理和藥品配制進行指導。依托實驗員的專業技術和實驗經驗，針對實驗和測試中出現的各類情況進分析，幫助師生解決問題，少走彎路，使實驗資源共享更加快捷高效。2．3．4面向人員。儀器分析實驗室面向低年級本科生開放，以利于其鞏固基礎知識；面向高年級本科生開放，為其畢業設計提供便利；面向教師和碩士研究生、博士研究生開放，為其科研測試提供支持。

3開放共享新模式的實施方法

3．1安全保障。開放共享，安全先行，開放共享的前提是做好實驗室安全教育與培訓［11－12］。凡是需要進入實驗室的人員，都要參加學校資產處網絡平臺的實驗室安全培訓并通過安全考試，方可取得進入實驗室的資格。實驗室管理人員定期安排所有實驗人員進行安全知識教育培訓，如觀看安全事故案例的紀錄片、消防安全演習、安全知識講座、安全知識考試、安全知識競賽等；實驗室需配備必要的消防設施，保障實驗場地逃生安全通道通暢，并根據實驗人員情況配備防護眼鏡、手套和工作服等個人防護用品；對于可能受到化學品傷害的實驗區域，必須配置實驗通風櫥、應急噴淋裝置、洗眼裝置和急救包；實驗管理人員需定期維護實驗室內消防安全設備及用品，并做好檢查記錄，降低實驗室的安全隱患，確保實驗人員的安全和公共安全；實驗室管理人員根據分析實驗室實際情況制定對應的安全應急預案，提高突發緊急事故的處理能力。為保障儀器設備操作安全，分析化學實驗室內儀器的開放共享采取持證上崗模式，測試者需經過分析實驗室儀器使用培訓，通過考試獲得培訓合格證后，方可使用儀器進行實驗。每學期，分析實驗室會根據課程安排和儀器設備預約情況，有針對性地開展集中培訓，測試者可根據個人實驗需求參加培訓。培訓主要針對儀器構造、實驗原理、實驗常用方法、實驗常見問題、儀器常用操作和注意事項等，培訓結束后，通過培訓考試的學生會獲得合格證，持該證可預約測試。3．2試劑與耗材管理。依托校資產處化學品管理平臺和材料平臺，建立試劑和耗材共享管理制度，在加強管理的同時提高共享效率。分析化學實驗室在符合規定的前提下為測試人員提供必備的常用藥品和消耗品，為儀器的使用提供更多的便利。比如在高效液相色譜儀的使用過程中，分析實驗室會提供必需的甲醇、乙腈和超純水；針對原子吸收光譜儀的使用者，分析實驗室為其提供配制溶液所需的容量瓶、移液管、刻度管、膠頭滴管等；在紫外可見吸收測試中，分析實驗室為其提供石英比色皿、擦鏡紙等；在氣相色譜測試中，分析實驗室為其提供樣品瓶、高純氮氣等。分析實驗室提供的這些必備的化學品和消耗品，減少了測試者前期準備的精力投入，省去了測試者購買消耗品和攜帶溶劑的繁瑣步驟，避免了試劑的浪費和溶劑純度對測試結果的影響，提高了儀器開放共享的使用效率。3．3儀器操作說明。分析化學實驗室儀器種類繁多，為幫助測試人員在短時間內掌握儀器設備的使用方法，盡快開展實驗，實驗員針對不同儀器設備做好使用說明［13］。對于相對簡單的分光光度計、離子計、雙聯電解分析儀等小型儀器，每臺儀器的實驗臺上貼有標準操作步驟和注意事項，測試者按照操作規程進行操作即可；對于相對復雜的高效液相色譜儀、氣相色譜儀、原子吸收光譜儀等大型儀器，實驗員提前將儀器原理、構造說明及標準使用流程拍攝成形象直觀的微視頻，并將微視頻上傳到網絡，將其轉換成簡潔的二維碼后貼在對應的儀器設備上，測試者掃碼即可觀看學習視頻。同時分析實驗室每個教室的墻上都貼有對應儀器的簡介說明，包括設備型號、技術指標、主要用途、測試的準備工作和樣品前處理知識等，全方位幫助測試者掌握儀器設備的使用方法，早日開展測試工作。3．4虛擬仿真技術的應用。為保障測試工作的順利開展，使用分析化學實驗室儀器的測試者需對儀器操作流程和實驗過程有充分的了解［14］。天津大學化學化工虛擬仿真實驗教學中心的虛擬仿真系統為測試者提供了便利渠道。測試者可以登錄虛擬仿真實驗中心平臺，在系統中選擇需要使用的設備，通過虛擬仿真技術進行儀器操作，了解其操作流程和測試功能，可視化的儀器內部結構會加深測試者對儀器結構的理解，生動的實驗測試效果則加深了測試者對實驗原理的理解。測試者可以根據實驗方案模擬測試，提前熟悉實驗流程，對虛擬仿真系統模擬的測試過程中報錯的部分做好優化，更加有效地完善實驗方案。3．5預約平臺。利用學校的網絡資源建立更加高效便捷的網上預約平臺。分析化學實驗室的首要任務是保障本科生的實驗課程，所以開放時間是根據每學期本科生課表制定。預約平臺根據課程安排和測試者的預約情況實時更新，方便測試者選擇合適的時間段預約測試，避免預約人員過多導致的擁堵等待情況，提高儀器設備使用率的同時保障測試人員的時間利用率。在儀器設備開放共享的同時，預約平臺也要做好信息登記，以作備案。3．6儀器設備維護。在分析儀器設備的開放共享的過程中，由于使用者儀器操作不熟練、操作流程不規范、測試樣品有雜質，儀器使用頻繁過早老化等各種問題，都會不可避免地給儀器的維護帶來困難。面對可能出現的問題，本著“操作懂原理，使用需維護”的原則，實驗員不但要做好管理工作，同時也對測試者提出更高要求。如進行高效液相測試的樣品進樣前需經過超聲、過濾處理，以免造成堵塞，測試結束后充分沖洗柱子，避免影響下一個測試的進行；原子吸收儀測金屬含量時應確定樣品的酸堿性，控制好空氣、乙炔氣的壓力，掌握吸光度偏低時的調試方法。實驗員遇到測試人員不能解決的問題要及時進行指導，針對危險源如氣體鋼瓶、酸堿試劑、高溫設備要做好監督檢查工作，及時制止危險操作，保障測試實驗的安全進行。3．7測試廢液處置。針對測試產生的廢液采取分類處理方式，根據廢液類型倒入對應的廢液專用回收桶，對于易揮發的廢液進行密封保存，廢針頭和碎玻璃放入指定泡沫箱，實驗員定期將集中起來的廢液交給專業的廢舊試劑處理公司回收。在開放共享的同時也要做好宣傳管理工作，嚴禁測試者將廢液直接倒入下水道或丟棄到垃圾桶，防止因此造成環境污染和安全隱患。3．8實驗員隊伍的建設。隨著實驗室開放力度的不斷加大，實驗教輔人員也將面臨工作量不斷加大的實際問題。為了調動實驗員隊伍的積極性，根據工作特點建立合理的考核制度顯得十分必要。在實際工作當中，通過以下幾種方式計算實驗員的工作量并與考核掛鉤：以實驗員所管理儀器的測試時長為依據計算工作量；實驗員開展的儀器培訓工作，以及在興趣實驗、自主創新實驗中進行的實驗指導也計算為工作量；隨著實驗室的開放，儀器設備利用率越來越高，出現問題需要維修維護的幾率也越來越大，所以儀器設備的維修維護工作也記入工作量；在儀器運行過程中，實驗員根據實踐經驗提出的實驗教學改革和實驗技術的改進也記入工作量，并根據貢獻程度在各類考核中予以優先推薦。在做好工作量計算的同時，鼓勵和引導實驗員放寬視野，提高站位，適應時代變化，提升自身業務水平，在做好本職工作的同時，通過參加講座、參觀學習、交流研討、閱讀文獻等方式提高個人知識儲備，以迎接新的挑戰和新的機遇［15］。3．9經費保障。實驗室的開放程度增高，除了實驗員的附加工作量以外，儀器設備的損壞率會相應增加，實驗藥品的消耗也會增加，相應的各項經費需求也在增大，所以實驗室長期穩定的開放需要一定的經費保障。化學化工國家級實驗教學示范中心定期有專用經費用于保障設備的維護維修；學校資產處的實驗室建設改革項目也為開放共享提供了資金支持；面向教師、博士生、研究生的有償測試所收取的費用也會補償動態運行時的消耗。4結語在新工科背景下，人才的培養更注重實踐性、創新性，設備儀器的開放共享，更多也是為人才服務，“傳之授之者易，立之達之者難”，教師隊伍作為實踐教學的重要一環，更要依靠個人強大的知識儲備、熟練的業務能力和豐富的操作經驗，引導學生不拘泥于書本、不停滯于眼前、不局限于現狀，大膽創新，敢于實踐，挑戰自我，以達到開放共享促進人才培養的最終目的。

作者:商闖 常靜 單位:1.天津大學理學院 2.天津大學化學化工國家級虛擬仿真實驗教學中心 3.天津大學化學化工國家級實驗教學示范中心