探索地方高校一流化学专业实验室的建设与管理
时间：2023-06-14 16:10:11 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
郑 琤，郭 钰，柯子厚，林佳丽，魏巧华，汤 儆
（福州大学 化学学院 化学化工国家级实验教学示范中心，福建 福州 350116）
随着中国高等教育与世界高教水平逐步接轨，国家提出了加快世界一流大学和一流学科建设的总体要求，以实现高等教育的内涵式发展[1-3]。我校作为一所省属地方性高校，以服务区域经济社会发展为目标，着力为地方培养高素质人才。我校的化学学科已成功入选“双一流”建设学科名单，这对我校的化学教学改革、人才培养、教师队伍以及教学资源提出了更高的要求。在此背景下，我校化学化工国家级实验教学示范中心（以下简称“实验中心”）围绕一流化学本科建设目标，对化学类实验教学模式和实验教学体系进行改革，同时以无机化学专业实验室为试点推进本科教学实验室的建设，力争打造集实验教学、实验竞赛、化学科普为一体的化学创新教育教学实验平台。
无机化学实验室每年面向化学学院、石油化工学院、材料学院等7 个学院约1100 名本科生开设“无机化学实验”“普通化学实验”等基础实验课程以及“综合化学实验（1）”等综合实验课程。实验室使用人员多，实验内容涉及基础、高阶、综合等多个层次。因此无机化学实验室有必要在保留基础实验教学功能的同时，增设交叉型和创新型综合化学实验的功能，建成跨学科、多功能的现代化教学实验室，满足化学实验教学和社会服务的需求。
近年来，实验中心以举办第11 届全国大学生化学实验邀请赛为契机，在学校和学院专项经费的大力支持下，对无机化学实验室所属的教学实验室进行重新设计和硬件升级改造。从一流化学本科实验课程体系建设的需要出发，着眼于当前及未来实验室的发展规划，实验中心提出了以学生为本，提高实验室综合效益，加强实验室高效管理的实验室建设新思路。实验室建设的重点在于优化实验室的布局、分区和功能，综合考虑合规性、安全性、科学性以及可持续性，使实验室能够运用多样化教学手段进行多层次实验教学[4-5]。实验室管理的核心在于运用科学、规范、高效的管理方法，为实验教学提供优质、高水平的服务，使得学生养成良好的实验习惯，并培养学生的综合能力及创新思维能力[6-7]。以学生为本，一方面突显学生在教学中的主体地位，使学生将宝贵的时间和精力投入实验与实践学习中；
另一方面增强实验中心的示范辐射力，开展面向中小学生的化学科普活动，为服务社会基础教育做贡献[8-10]。下面从实验室建设和实验室管理两方面，结合具体事例介绍实验中心在践行“以学生为本，提高实验室综合效益，加强实验室高效管理”理念所实施的建设方案和管理措施。
一流实验室建设需要一流的实验条件，良好的实验室环境建设是一流实验室建设的基础。实验室是师生开展实验教学的主要场所，其设施和环境应满足和保障实验教学顺利进行。实验室的水、电和消防通道应依据国家法律标准和相关规定建造[5,11]，为教师、学生以及实验技术人员等实验室使用者的人身安全提供基本保障。实验室的通风和台柜则根据无机化学实验室的实验课程特点和管理需求实施设计和改造，同时安装现代化教学设施和实验设备，为实现多层次实验教学奠定物质基础。
图1 通风系统的设计
1.1 通风设计
化学实验室必须具有良好的通风系统，这是由于化学实验过程会产生有毒有害气体，不及时排放会污染实验环境，影响实验设备的正常运行，对实验室使用者的人身安全造成伤害。一流的实验平台需要科学设置实验室的结构体系，打破实验室的壁垒和条框，优化实验室的资源配置。目前的无机化学实验室采用开放式和协作式运行模式，可供无机化学基础实验课程和综合化学实验课程使用。其中“综合化学实验（1）”强调实验的综合性和创新性，至少横跨两个基础学科，因此所开设的实验项目会涉及有机化学操作和有机化学试剂的使用，这对无机化学实验室的通风水平提出更高的要求。此外个别无机化学实验项目也存在有毒有害气体大量排放的情况。例如，无机化学合成实验“硫酸亚铁铵的制备”，原料铁屑因含有硫、磷等杂质与硫酸反应产生H2S、PH3等有毒气体。因此在实验中央台额外装配通风设施，建立顶吸排放和桌面排放兼并的双排风方式是十分必要的。如图1(a)所示的一种与试剂架合二为一的钢材质桌面排风系统，每个实验操作位配备一个通风口，满足有毒有害气体和气雾的排放，也有效避免因实验装置搬至公用通风橱而引发的安全问题和造成的通风橱内空间拥挤。此外通风口的百叶窗设计成可翻转可拆卸，便于清理积灰，通风效果得到保障。
无机化学实验室存在挥发性酸碱试剂、腐蚀性试剂、有毒试剂的普遍使用；
固体试剂取用时易造成粉末吸入；
一些如水浴锅、电热板、旋转蒸发仪等公用仪器，在使用时也可能产生大量气雾和有毒有害气体。例如，无机化学元素性质实验“阳离子的分离与鉴定”，金属离子与(NH4)2S 反应生成硫化物沉淀后，需要通过水浴加热除去过量的(NH4)2S，因而导致大量H2S 气体的产生；
综合化学实验“具有异构发光变色的多核铜（I）配合物的制备及铜含量的测定”利用旋转蒸发仪蒸发部分乙腈溶剂，不可避免地造成乙腈在空气中扩散。此外实验产生的化学废弃物如废酸、废碱、重金属废液以及四氯化碳等具有较浓的刺激性气味，如在敞开的空间存放易对人体造成威胁。基于以上事实，有毒有害的化学试剂、非计量使用的固体试剂、使用时可能产生有毒有害气体的实验仪器以及废液收集桶理应放置于通风橱内。然而传统无机化学实验室只配备两个通风橱的设计难以满足以上需求。因此在本次升级改造中，实验室内设计和建造了由多个通风橱联排组装的串联通风设施（见图1(b)），作为有毒有害物质以及相关化学反应的公用操作场所，以减小对师生健康的伤害，降低对实验环境的污染。
1.2 台柜布局
实践证明以安全性、功能性、空间利用率作为标准对实验室进行合理细致的功能分区对建立多功能实验环境，延长实验室安全寿命具有重要意义[12]。无机化学实验室的区域被规划成独立操作区域和公用操作区域：独立操作区域即实验中央台；
公用操作区域则包括水槽台、边台以及联排通风橱。独立操作区域和公用操作区域彼此之间完全独立、不重叠，这样在实验过程中学生之间、仪器之间不容易扎堆，不相互干扰，有利于实验效率的提高和安全风险的降低。比如，电子台秤作为公用仪器放置于边台而不是中央台，可避免中央台上的实验操作引发桌面振动，对示数的准确性产生不良影响。
图2 实验台柜的布局
相比于基础实验，综合性实验使用的公用仪器往往种类和数量更多，因此边台作为公用仪器的主要布置场所应设计空间充足的摆放平台，以实现公用仪器整齐有间隔地科学摆放，学生在使用这些仪器时不会产生拥挤，仪器之间相互没有影响。而循环水泵这种无机化学实验室常用的公共仪器显然不适合摆放在边台，为此专门改造了水槽台，即将水槽设计在水槽台的一侧，剩余的台面空间放置循环水泵（见图2(a)）。这样的设计既便于循环水泵的接放水和清理，也避免了使用过程中台面可能出现的水渍对其他仪器的影响，提高了减压过滤的操作效率。公用操作区域以下的储存空间根据公用器具使用情况设计成造型、尺寸不同的抽屉和柜子，可分类存放铁圈、石棉网、铁架台等实验公用器材，有利于培养学生及时归位、及时整理的实验习惯以及严谨求实的实验作风。
实验中央台是学生进行无机化学实验使用时间最长的区域。本区域的设计强调多功能性，即通过合理分区将实验试剂、器具和仪器集中于此，让学生在实验操作时减少“走动”和“寻找”，为学生合理减负，体现“以学生为本”。图2(b)是一个学生独立操作区域，实验台上的试剂架用于摆放化学试剂。实验台下设计了三列抽屉，其中左列抽屉为仪器区，分别存放磁力搅拌器、电热套和集热式恒温磁力搅拌器三种无机化学实验中需要人手一套的实验仪器。右边和中间两列为专用器具区，用于存放实验常用的玻璃仪器和非玻璃器具。抽屉在通透性方面优于柜子，不易发霉，使用寿命长，此外在取用器具时抽屉能够被拉离柜体，对底部空间的使用者更加方便和友好。专用器具区的抽屉容量可根据实验课程的实际需要设计成不同规格，以便实验器具合理存放和快速取用。这样一个独立操作区域通常可供六个学生在不同教学时间段进行实验操作，所需的试剂、实验器具以及加热装置取用方便，为实验操作带来极大的便利，体现实验室的人文关怀。
1.3 现代化设施装备
在一流实验室的建设过程中，我校使用双一流的配套经费加大实验仪器设备的投入，持续改善实验室的硬件条件，推进实验教学手段的升级换代。实验室通风系统的科学改造有效提升了实验环境的空气质量，使得投影仪、显示一体机等多媒体教学设施的安装和使用成为现实，实验课堂教学可结合PPT、图像、视频等多种教学手段，有利于实验知识和技能化难为易，激发学习兴趣，提高教学水平[13]。例如“综合化学实验（1）”推行“主动思考、主动实验、主动总结”的教学模式，学生借助多媒体设备能更好地阐述实验方案、交流实验问题、与教师互动，将沉默单向的实验课堂转变为讨论和启迪新思维的互动场所，进一步培养高年级学生解决复杂问题的综合能力和创新科学思维能力。
鉴于跨学科交叉性综合实验的开设，无机化学实验室对纯水的质量要求和用量需求大幅提升，为此实验室进行了纯水管道和纯水终端的安装。改造后的纯水系统可以提供电阻率大于1M 的纯水，并且每个教学实验室都有配备专门的纯水管道和取水口，纯水的取用直接在实验室内部进行，节约了实验所需时间，也降低了远距离取水带来的安全隐患。更重要的是，无机化学实验室具备了开设分析化学相关的综合性实验的条件，有利推动了“综合化学实验（1）”的课程改革。
实验室建设是一项复杂的系统性工程，除了实验硬件条件外，科学、有效、与时俱进的管理理念和方法是必不可少的。一流实验室应具有高效的管理模式。随着实验课程体系改革的推进，无论是基础实验课程，还是综合实验课程都要求学生在有限的学时内完成更丰富的实验内容，尽可能多地进行课堂讨论和实验尝试。如何在保障实验安全的前提下，实现实验室高效运行，确保师生完成教学任务成为当下实验教学课程改革普遍关注的问题。在本次升级改造中，我们从实验室安全着手，构建标识清晰完整的实验环境，有利于实验室安全规范管理；
从基础实验和综合实验的课程特点出发，注重实验细节的改造，更好地服务实验教学，将提高实验教学效率落实。
2.1 标识的使用
良好的实验环境首先是一个安全有序的实验空间。无机化学实验室的授课对象有低年级学生也有高年级学生。低年级学生往往安全意识淡薄，化学知识和实验操作技能有限，而高年级学生面临未来走进科研实验室或化学相关工作岗位，安全意识需要强化。因此无机化学实验室中的安全教育和习惯养成教育尤为重要。为配合教育和管理，无机化学实验室引入标识的使用和管理。
实验室的消防设施（如灭火器、灭火毯、灭火沙）、急救防护设施（如护目镜、洗眼器、紧急喷淋器）、电源总闸以及水总闸等都定制了印有名称的标识牌，并装订在各自摆放的位置（见图3(a)），让学生能够直观地了解实验室拥有的安全设施的种类以及具体方位。标识也对学生良好实验习惯的培养起促进作用：比如实验室张贴“实验垃圾”和“碎玻璃”的标识牌，引导学生养成垃圾分类的好习惯；
张贴“废液回收”的标识牌，引导学生进行废弃物收集，增强环保意识；
实验室公用器材的存放柜也张贴相应器材名称的标识牌，方便学生取用和用完归位。对于体积较大且拥有多个存放地的器材，可以在名称标识牌上额外注明数量或其他可供区别的信息，以便器材定点定位地收纳。以铁架台为例，为防止铁架台存放混乱，铁架台用不同颜色的扎带捆绑以指示存放区域，并在存放柜上的标识牌注明所存放铁架台的扎带颜色。除了名称，标识牌的内容也可以是提示语，比如：实验室大门张贴“进入实验室请穿实验服戴护目镜”“离开时，请关好水电、门窗”以及“实验室内严禁饮食”的标识牌；
放置浓酸浓碱试剂的通风橱张贴“取用浓酸浓碱请佩戴防酸碱手套”，起到安全警示作用（见图3(b)）。
实验室安全教育不是靠一门课或一次培训就能达成的，而是贯穿在每一次实验教学过程中[14]。用醒目且随处可见的标识牌布置实验室，引导学生自主学习相关安全知识，同时处于“耳提面命”和“耳濡目染”的环境，帮助学生树立安全环保意识，养成自觉规范使用实验用品的良好实验习惯，为实验教学的高效开展提供安全基石。
图3 实验室标识
2.2 试剂信息“字模”对试剂的管理
依托我校化学学院一流学科建设和国家实验教学示范中心建设的优势，对化学实验教学体系进行的改革，在不同阶段侧重点有所不同。基础实验课程改革中教师应注重培养学生的基础化学实验知识、基础实验操作技能及基本实验方法的掌握，引导学生养成主动学习的习惯[15]。我们在无机元素性质实验课程中引入离子分离和鉴别相关的小型设计性实验，能有效激发学生的实验能动性。然而离子的分离和鉴别往往存在多种路径和方法，因此此类设计性实验需要提供给学生的化学试剂种类较多，浓度规格不一。常规的试剂使用策略是试剂在试剂架上按照一定规律（如无机盐、酸、碱、指示剂等）分类有序摆放，取用完及时归位[16]，然而现实中，在试剂数量如此庞大的情况下试剂的正确归位较难做到，这是由于试剂的取用时间、归位时间、使用频繁程度各不相同。而一个试剂瓶的错误归位可能引发混乱摆放的连锁反应，结果是学生依然需要花费很多时间“寻找”所需试剂。试剂瓶做不到真正意义上的定点定位，无法在试剂使用时保持应有的顺序是导致实验教学质量和效率难以提升的原因之一。
借鉴厦门大学基础化学实验室物品定位管理理念[17]，我们精心设计了一款试剂信息“字模”以实现试剂瓶在试剂架上的定位。“字模”是活字印刷术的术语，代表可重复使用、自由组合的文字信息模具，如图4(a)所示，试剂信息“字模”是一种四角嵌有磁石的亚克力板，表面张贴记录试剂化学式和浓度的卡片，在试剂架面向中央台的挡板上装有磁力条形贴，利用磁石吸力可将试剂信息“字模”固定于试剂架挡板上，标记对应试剂瓶的摆放位置。通过使用试剂信息“字模”，学生明确了每一种试剂所在的位置，能够快速找到试剂，用完也能准确无误的归位。为了提高试剂信息“字模”的使用效率，“字模”的试剂信息卡片用不同颜色进行分类，如图4(b)所示，黄色代表钠、钾、铵盐，紫色代表金属无机盐，红色代表酸，绿色代表碱，蓝色代表指示剂、有机物等其他试剂。学生可以先根据卡片颜色判断出所需试剂的大致位置，缩小查找范围，再根据试剂具体信息查找，大大缩短了锁定试剂的时间，从繁琐无味的寻找工作中解脱出来，将更多的精力和时间投入到实验过程的探索和规范操作的训练中，提高了实验效率，有助于教学质量的提升。
图4 实验试剂信息“字模”
2.3 实验细节的改造
在实验准备工作中，对实验项目的细节进行仔细推敲，能够发现很多可供改造的灵感，使实验教学获得事半功倍的效果[18]。例如，在水浴锅中放置铝制试管架可用于多根试管的水浴加热，无需每位学生自行加热一烧杯容量的热水进行水浴反应（见图5(a)）；
电解实验需要使用滤纸片、鳄鱼夹、镍铬丝、干电池等诸多小部件，将其全部归整在分格零件收纳筐内，方便取用和管理，不易遗失（见图5(b)）；
元素性质实验中金属固体和液体试剂的反应，产生的废弃物可倒入由布氏漏斗和试剂瓶组成的装置，实现“固液分离”，便于废弃物的分类收集（见图5(c)）；
由于不同实验课程所属的学生专用柜包含的器具种类和数量各不相同，将仪器清点单制作成二维码，方便学生随时扫码，随时核对柜内器具，做到及时补缺补漏，培养基本科学素养；
将实验仪器的操作指南转化为二维码粘贴在仪器上，引导学生自主学习仪器的使用，符合高阶能力的培养要求（图5(d)）。
图5 实验细节的改造案例
实验室的建设状况和管理水平直接影响实验教学效果以及课程体系改革质量。通过探索科学合理的实验室建设方案和管理措施，在实验室设计和改造的各个环节细致入微地贯彻以学生为本，提高实验室综合效益，贯彻实验室高效管理理念，使得实验室建设更上一层楼。实验室建设作为一项长期复杂的工程，仍然需要在信息化建设和实验技术队伍建设等方面持续探索和推进。由于地方高校在实验室的硬件建设经费上较为有限，在建设中更应该做到提前规划，减少重复建设，加强开放和共享。
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