彭淑女，陈招斌，李华敏，方雪明，杨利民，王翊如，任艳平

厦门大学化学化工学院，化学国家级实验教学示范中心(厦门大学)，福建 厦门 361005

科学仪器设备的开发和应用是科学技术进步的基础。设计、生产、维护及使用相关仪器设备的能力和水平，代表着一个国家的科技实力和创新能力，是建设创新型国家必须着力解决的重大基础性、战略性问题[1]。

在多年的实验教学和科研实践中，我们也切身体会到重大科学问题的一次次突破，离不开这些高精尖仪器。让学生深刻认识到高水平的科研装备和技术服务对开展高水平前沿研究的重要性不言而喻。分析测试仪器随着科技的进步而飞速发展，从专业的角度来说，分析测试仪器的自动化、智能化程度都大大提高，如今像质谱仪、核磁共振波谱仪等商品化仪器基本都是“一键到底”的黑箱操作模式。在教学过程中，学生可动手操作仪器的环节很少，大多时候只能在电脑屏幕上设置仪器参数等，也看不见仪器内部器件组成，对其工作原理就了解甚少。在仪器分析实验教学中一般采用仪器图片、视频等方式讲解仪器的结构，无法将仪器剖开使学生探察其内部构造，因此关于仪器结构的认识仅停留在理论上，实践效果有限。因此，如何有效提高该部分的教学效果，一直是仪器分析实验教学中令人困扰的问题。

为了解决这一问题，早在2011年，厦门大学化学化工学院(简称厦大化院)时任领导就组织厦门大学化学国家级实验教学示范中心(简称“实验中心”)有关人员一起酝酿厦大化院“仪器示教中心”的建设事宜，意将一些典型的实验教学中使用频率高且已报废留用的仪器经过清洁、整修，拆开外壳后进行集中展示，让学生能更好、更有效地了解仪器的内部构造及其工作原理，启发学生萌生开启旧仪器设计改造或新仪器设备研发制造的想法，有效培养分析测试仪器专业人才。这就是厦大化院“仪器示教中心”建设的初衷。

“实验中心”经过多年的断续筹备，厦大化院“仪器示教中心”终于2019年底建设初具雏形。

1 “仪器示教中心”的基本概貌

位于厦大化学楼的“仪器示教中心”的概貌如图1所示，在约60 m2的房间里展示了部分曾用于教学和科研、已报废而留用的商品化仪器实物，如原子吸收分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪、紫外-可见分光光度计等近40台；展示了厦大化院自主研发的一些仪器实物5台以及还在实验室“服役”的仪器实物照片20多幅，如由蔡启瑞院士于20世纪70-80年代亲自设计组装的氮气净化实验装置模型实物；20世纪70年代中期，由田昭武院士自主设计研制并投入生产的我国第一台自主设计的“DHZ-1型电化学综合测试仪”实物，郑兰荪院士设计、研制的“囚禁团簇离子电子衍射质谱仪”实物以及近几年由田中群院士团队研制的曾应用于2017年9月厦门“金砖会晤”的食品安全检测的“PERS”系列拉曼光谱仪器实物照片等；也集中展示了厦大化院自主研发仪器的渊源和历史。

图1 厦大化院“仪器示教中心”基本概貌

如何发挥好“仪器示教中心”的两大功能，即专业教育功能和“思政”育人功能，我们进行了初步尝试。

2 “仪器示教中心”的专业教育功能

“仪器示教中心”的专业教育功能体现在实验教学效果以及仪器专业人才培养两个方面。

2.1 发挥好“仪器示教中心”的专业教育功能，有效提高实验教学效果

早期的分析测试仪器与现代自动化、智能化程度高的仪器具有最基本、相通的工作原理。在仪器分析实验教学过程中，面对自动化、智能化程度高的仪器，如常用的原子吸收分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪、紫外-可见分光光度计等，要让学生有效了解其基本构造和基本工作原理、学习和了解是改变或增加了哪些部件和软件使仪器实现智能化和自动化程度提高等，特意将一些报废而留用的旧仪器剖开以展示其内部构件及其组成(如图2和图3所示)。指导教师在讲解仪器结构及其工作原理时，领着学生到“仪器示教中心”，对着实物手把手地讲解每个关键部件的作用等，使抽象的概念、原理具体化，使学生安全、有效用好仪器而得到科学、准确的实验数据和结果。这样可以较好地达到仪器分析实验教学的最基本目的。这种仪器分析实验教学模式，也启发了学生萌生开启旧仪器设计改造或新仪器设备研发制造的想法，在仪器专业人才培养中发挥重要作用。

图2 原子吸收分光光度计及其内部构件实物照片

图3 傅里叶变换红外光谱仪及其内部构件实物照片

2.2 发挥好仪器示教中心的专业功能，有效培养仪器专业人才

科学仪器的发展和创新是催生科技创新的重要要素，一流的科学仪器才能支撑一流的科学研究[2]。当前，我国对化学组成和结构分析的大型仪器设备的研发能力、生产能力和维护使用水平，相对于发达国家还存在较大差距，大型仪器设备还主要依赖进口[1]。这使得我国依赖高端仪器设备的研究受制于人，成了一件“卡脖子”的事。所以，加强科学仪器的自主研发和产业化能力及其专业技术人才培养是一直以来需要努力解决的问题。高校一直为科学仪器自主研发创新寻找“破局之策”，其中，如何有效培养仪器专业人才一直是高校努力解决的问题。所以，仪器分析实验教学不仅要求学生安全、有效用好仪器而得到科学、准确的实验数据和结果，培养学生设计、组装仪器的意识和能力是仪器分析实验教学更高层次的要求。

在科研实践和实验教学改革过程中，面对个性化科研和实验教学需求，有时需要对现有仪器加一些小配件，做一些小改进，或将买回来的实验装置进行再次优化改进后才能达标使用或满足个性化科研和实验教学需要，而市面上的供应商很难提供符合专业需求或难于满足个性化实验教学、科研实际需要的产品。不论是从国家对仪器专业人才的需求还是实际科研和实验教学的个性化需求方面来说，加强培养学生的动手能力和设计、组装仪器的意识和能力都很重要。

在老一辈科学家的言传身教影响下，在一代又一代厦大化院人的共同努力下，2020年厦大化院凭借良好的传承和坚实的基础，承办了教育部高校化学类专业教学指导委员会主办的“化学测量学与技术”专业，已于2021年开始招生。未来培养的“化学测量学与技术”专业学生不仅要深度掌握仪器分析的原理，而且要能够对现有仪器进行改造和改进以及能够自己设计仪器。

“仪器示教中心”建设也恰逢其时，将为“化学测量学与技术”专业的学生或对仪器设计研究感兴趣的同学提供一个课外自由拆装仪器的实践场所，教师手把手地教学生对一些仪器进行拆卸、组装，学生在不断反复地拆装仪器的过程中得到启迪，不断地突破自己的思维定式，才可能迸发改进或设计仪器的灵感。

3 “仪器示教中心”的“思政”育人功能

不仅要发挥好“仪器示教中心”服务于实验教学的专业功能，还要发挥好其蕴涵的“思政”育人的功能，这也是厦大化院“仪器示教中心”建设的特色所在。

厦大化院自主研发仪器的历史源远流长，自1921年厦大化学系建立时，第一任系主任刘树杞教授就强调理论与实践并重。从1923年化学系开设的吹制玻璃实验装置课程开始，到自主研发教学用的真空计等，在一代又一代的院士团队的带领下，教师们都很注重仪器的自主研发。

“仪器示教中心”蕴涵着“天然”丰富的“思政”元素。推开“仪器示教中心”的大门，浓浓的“思政”味道就扑鼻而来。在“仪器示教中心”展示的厦大化院自主研发的这些仪器实物，不论其外表还是内部组件都是锈迹斑斑的，但无不闪耀着一辈又一辈科学家的智慧光芒，承载着前辈白手起家、艰苦奋斗的优良传统，凝聚着一辈又一辈科学家的创新和求真精神动力以及浓浓的爱国、爱校、爱专业的情怀，强烈地展现了厦大化院“敢为先、重细节、合为贵”的学科文化传承。每一台仪器都述说着一个催人奋进的故事。

3.1 白手起家打破国外垄断，废寝忘食研制国产仪器

在“仪器示教中心”展示的最有历史厚重感的仪器就是“DHZ-1型电化学综合测试仪”(图4)，这是在20世纪70年代中期，由我国现代电化学创始人之一田昭武院士作为仪器的总设计师，带领他的科研团队及福建三明无线电厂的技术人员一起研制成功的。“DHZ-1型电化学综合测试仪”也是我国第一台自主设计的集成电路化的电化学综合性测试仪器。

图4 我国第一台自主设计的集成电路化的“DHZ-1型电化学综合测试仪”实物照片

在研制电化学综合测试仪的过程中，田昭武院士作为仪器的总设计师，他废寝忘食，争分夺秒，从早到晚几乎都泡在实验室里，实验室离他家较近，每次都要等到孩子去叫他，才肯放下手中的工作回家吃饭[3]。榜样的力量是无穷的，在他的影响下，这个研发小组全体成员全都毫无怨言地投入研发的攻坚克难的拼搏里，问题一个个解决，难点一个个突破[3]。

20世纪70年代，田昭武到上海一家企业参观，看见一台从日本进口的测试仪，但日方却没有给线路图，使用说明书也非常简单，所以使用和维修起来都非常困难，当时田绍武感到很大震动：“我们这么大一个国家为什么就不能研制出自己的仪器产品呢？”

其实，早在20世纪50年代初期，在自催化课题的研究过程中，田昭武院士就意识到要出成果而不受制于经费的短缺，必须有一套自己设计的电化学仪器，特别是自己首创的一些新的研究方法，更是要设计新的仪器来加以实现[3]。他身行力践，付诸于行动，不断诠释着厦大化院“敢为先”的学科精神。

时至今日，已经95岁的田昭武院士仍致力于低碳交通领域的研究和建言献策。

3.2 率先垂范破解实验教学困惑

在“仪器示教中心”，另一台有故事的仪器就是郑兰荪院士设计、研制的“囚禁团簇离子电子衍射质谱仪”，如图5所示。20世纪80年代中期，郑兰荪教授团队在国内率先开展原子团簇研究，自己研制实验室所需的仪器装置，围绕碳簇的形成，先后研制了多台激光产生原子团簇合成装置，自从1988年他研制了我国第一台“激光等离子体源飞行时间质谱计”，从此便与质谱仪结下深厚情谊，又相继研制了激光离子源射频离子阱质谱计等以激光产生和研究原子团簇的大型仪器，成为国内外有重要影响的原子团簇科学研究基地，取得了一系列开拓性的研究成果。卢嘉锡先生曾称赞郑兰荪的研究工作是国内青年一代化学工作者的代表[4-6]。

图5 “囚禁团簇离子电子衍射质谱仪”实物照片

郑兰荪院士率先在厦大开展原子团簇的激光产生和研究的同时，他还毫无保留地向国内同行传授有关的技术和方法，并指导和协助他们研制类似的仪器，带动了国内原子团簇科学研究的开展，不断诠释了厦大化院“合为贵”的学科文化。

郑兰荪院士在科研上力求创新研制实验室所需的仪器装置，在教学上也如此。他不仅多年坚持为本科生上无机化学课，也非常重视实验教学，他指出“实验实践动手能力培养是人才培养的重要方面，实验教学是人才培养的重要保障”。他把科研中研制和应用质谱仪的心得应用于教学质谱仪的设计，躬身笃行破解实验教学困惑。

在实际样品分析和科研活动中，质谱仪的应用非常普遍，加强质谱分析实验教学内容，并让学生亲手操作仪器非常必要。但进口质谱仪技术复杂、多为黑盒子且价格昂贵，使质谱实验教学不能普及；整机贵重不能拆装，也不利于学生直观了解其内部结构和原理并操作等。

郑兰荪院士立足实验教学一线，坚持以实验教学实际需求为发展导向，不断开拓创新教学质谱仪。在2021年7月国家级实验教学示范中心主任联席会化学化工学科组会议上，郑兰荪院士主动请缨，就自制教学质谱仪器在本科教学中的应用实践，介绍和推广了其在第一代教学质谱仪教学应用实践的基础上主持设计和研制的第二代教学质谱仪——小型直线飞行时间质谱仪，具有价格便宜(～12万)，工作原理更简单；模块化设计，可供学生自主装配调试；全手动设计，学生可自主调节各参数并考察对离子的影响；开放透明化设计，直观显示仪器结构设计，方便质谱原理教学等优点；对启迪学生的创新意识、激发学生探寻“未知”的欲望都具有重要影响。郑兰荪院士用实际行动很好地诠释了科研和教学的辩证统一、相辅相成的关系。

3.3 躬身力行破解食品等公共安全问题

“仪器示教中心”的墙上展示了田中群院士所带领的团队近几年研发的“PERS”(plasmonenhanced Raman spectroscopy，等离激元增强拉曼光谱技术)系列拉曼光谱仪实物照片(如图6所示)，将实验室的基础科研成果变成对国家和人民真正有用的技术和产品，曾应用于2017年9月厦门“金砖会晤”的食品安全检测，为各国首脑“舌尖上的安全”保驾护航。

图6 “PERS”系列拉曼光谱仪器实物照片

面对环境保护、食品安全、公共安全等领域的实际应用问题，早在2011年，田中群院士牵头组织25家单位承担首批国家重大科学仪器设备开发专项“等离激元增强拉曼光谱仪器研发与应用”项目[7]。通过系统集成创新，研制和开发了包括台式、便携和微型三类“PERS”仪器系统。目前该产品已广泛推广并应用于国内外快速检测领域。田中群院士曾在报告[8]中阐释拉曼技术的小型化、便携化的研究目的和意义时提到，“科学问题驱动造就科研仪器去探索科学前沿，科研仪器在技术问题的驱动下发展为科学仪器解决产业问题，科学仪器在民生需求驱动下发展各类小型微型仪器解决自我检测分析。最终是要满足国防安全、制造业等国家需求和食品饮料、家庭安全等百姓需求。”

“上书架”或“上货架”是研究工作的最高境界。田中群院士团队面向国家重大需求，坚持问题导向和需求导向相结合的理念，充分发挥“新型举国体制”优势，集合精锐力量协同攻坚，将科研成果真正转化为“货架”上的产品，对国计民生发挥了重要作用。

3.4 以身作则聚焦解决能源材料化学领域前沿科学问题

“仪器示教中心”的展示墙上也展示了由孙世刚院士担任项目总负责人，厦门大学、中国科学技术大学、复旦大学和中国科学院大连化学物理研究所共同承担，于2014年启动的国家重大科研仪器设备研制专项“基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置(Tunable Infrared Laser for Fundamentals of Energy Chemistry)”的情况。该装置是国内首台红外自由电子激光用户装置，也是国际上首台面向能源化学领域研究的红外自由电子激光装置[9]，聚焦能源材料化学领域若干前沿科学问题开展深入研究，展示大型仪器装置研制的重要意义和解决科学问题的独到优势。该大型实验装置作为一个重要的能源化学研究平台，面向全球开放运行。也向全世界展示了中国自主研制科学仪器的能力和实力[10]。

在整个项目实施过程中，作为项目总负责人的孙世刚院士以身作则地加强协调、沟通，强调注重每个细节，身体力行地践行着科学精神和工匠精神[11]。

实际上，早在20世纪90年代初期，孙世刚院士团队就建立了国内第一套电化学原位红外发射光谱系统，随后又创建了电化学原位显微红外反射光谱、步进扫描时间分辨红外反射光谱等一系列领先国际水平的原位红外反射光谱技术。这是“敢为先、重细节、合为贵”厦大化院文化传承的又一典范。

厦大化院研制仪器的优良传统代代相传。老一辈科学家致力于仪器研发的精神深深影响着一代又一代的年轻学者，如今，也有年轻的实验技术人员钻研旧仪器的改造以及自主设计小型仪器，如用于实验教学的“自动电位滴定仪的搭建”以及用于科研的“分子电导测量仪的搭建”等，并以竞赛项目的形式手把手地指导学生亲自动手从仪器元件组装仪器以及仪器的调试和应用等，对年轻技术人员的成长以及有效培养学生专业兴趣和好奇心都有重要作用。

近几年，厦大化院已申请光谱、质谱、色谱、电化学检测和生物芯片等方面仪器类发明专利100余项，这些仪器很多都已实现商品化并应用于实际样品的分析检测，对科研和实验教学都有重大意义，对激发和启迪年轻一代科学原创的好奇心，引导和启发学生自主创新、创业具有重要意义。

4 结语

在“仪器示教中心”，尽管看到的是一台台仪器，但对学生影响更深远的是仪器本身的自主设计、制造背后所凝聚的一辈又一辈科学家的开拓创新精神、追求科学的求真精神，见证了厦大化院薪火相传的奉献精神。借助所展示的仪器，将学科发展历史中的科学精神和化院发展历程中的科教报国案例有机地融入实验教学和科普教育过程中，达到润物无声的育人效果。

万物之初，其形必丑。目前，“仪器示教中心”还只是一个雏形，收展的仪器数量还很少，需要加强“仪器示教中心”的内涵建设。“仪器示教中心”是动态建设的过程，要不断挖掘和搜索有历史意义、有重大科学价值或富有教学意义的仪器实物或照片，以及厦大年青一代科学家和校友与时俱进的仪器实物、模型或照片等。不仅要发挥好“仪器示教中心”服务于实验教学的专业功能，还要发挥好其“思政”育人的功能，因此，厦大化院“仪器示教中心”也是对研究生、大、中学生进行仪器科普教育的重要阵地之一。

“仪器是认识世界的工具”，科学仪器的发展和创新是催生科技创新的重要要素，要做出更多原创的、世界领先的成果，没有高精尖仪器是万万做不到的。要教育青年学生认识到科学仪器的自主研发创新对提高我国自主创新能力、建设创新型国家的重要意义，学习老一辈科学家始终秉承着“国家需要什么，我就做什么”的家国大义精神；鼓励青年学生以前辈为榜样，继续从大局着眼、从细节入手，脚踏实地将厦大化院“敢为先、重细节、合为贵”的学科文化内涵发扬光大[12]。