探索地方高校一流化學專業實驗室的建設與管理

鄭 琤，郭 鈺，柯子厚，林佳麗，魏巧華，湯 儆

（福州大學 化學學院 化學化工國家級實驗教學示范中心，福建 福州 350116）

隨著中國高等教育與世界高教水平逐步接軌，國家提出了加快世界一流大學和一流學科建設的總體要求，以實現高等教育的內涵式發展[1-3]。我校作為一所省屬地方性高校，以服務區域經濟社會發展為目標，著力為地方培養高素質人才。我校的化學學科已成功入選“雙一流”建設學科名單，這對我校的化學教學改革、人才培養、教師隊伍以及教學資源提出了更高的要求。在此背景下，我?；瘜W化工國家級實驗教學示范中心（以下簡稱“實驗中心”）圍繞一流化學本科建設目標，對化學類實驗教學模式和實驗教學體系進行改革，同時以無機化學專業實驗室為試點推進本科教學實驗室的建設，力爭打造集實驗教學、實驗競賽、化學科普為一體的化學創新教育教學實驗平臺。

無機化學實驗室每年面向化學學院、石油化工學院、材料學院等7 個學院約1100 名本科生開設“無機化學實驗”“普通化學實驗”等基礎實驗課程以及“綜合化學實驗（1）”等綜合實驗課程。實驗室使用人員多，實驗內容涉及基礎、高階、綜合等多個層次。因此無機化學實驗室有必要在保留基礎實驗教學功能的同時，增設交叉型和創新型綜合化學實驗的功能，建成跨學科、多功能的現代化教學實驗室，滿足化學實驗教學和社會服務的需求。

近年來，實驗中心以舉辦第11 屆全國大學生化學實驗邀請賽為契機，在學校和學院專項經費的大力支持下，對無機化學實驗室所屬的教學實驗室進行重新設計和硬件升級改造。從一流化學本科實驗課程體系建設的需要出發，著眼于當前及未來實驗室的發展規劃，實驗中心提出了以學生為本，提高實驗室綜合效益，加強實驗室高效管理的實驗室建設新思路。實驗室建設的重點在于優化實驗室的布局、分區和功能，綜合考慮合規性、安全性、科學性以及可持續性，使實驗室能夠運用多樣化教學手段進行多層次實驗教學[4-5]。實驗室管理的核心在于運用科學、規范、高效的管理方法，為實驗教學提供優質、高水平的服務，使得學生養成良好的實驗習慣，并培養學生的綜合能力及創新思維能力[6-7]。以學生為本，一方面突顯學生在教學中的主體地位，使學生將寶貴的時間和精力投入實驗與實踐學習中；另一方面增強實驗中心的示范輻射力，開展面向中小學生的化學科普活動，為服務社會基礎教育做貢獻[8-10]。下面從實驗室建設和實驗室管理兩方面，結合具體事例介紹實驗中心在踐行“以學生為本，提高實驗室綜合效益，加強實驗室高效管理”理念所實施的建設方案和管理措施。

1 以提高實驗室綜合效益為目標的實驗室建設

一流實驗室建設需要一流的實驗條件，良好的實驗室環境建設是一流實驗室建設的基礎。實驗室是師生開展實驗教學的主要場所，其設施和環境應滿足和保障實驗教學順利進行。實驗室的水、電和消防通道應依據國家法律標準和相關規定建造[5,11]，為教師、學生以及實驗技術人員等實驗室使用者的人身安全提供基本保障。實驗室的通風和臺柜則根據無機化學實驗室的實驗課程特點和管理需求實施設計和改造，同時安裝現代化教學設施和實驗設備，為實現多層次實驗教學奠定物質基礎。

圖1 通風系統的設計

1.1 通風設計

化學實驗室必須具有良好的通風系統，這是由于化學實驗過程會產生有毒有害氣體，不及時排放會污染實驗環境，影響實驗設備的正常運行，對實驗室使用者的人身安全造成傷害。一流的實驗平臺需要科學設置實驗室的結構體系，打破實驗室的壁壘和條框，優化實驗室的資源配置。目前的無機化學實驗室采用開放式和協作式運行模式，可供無機化學基礎實驗課程和綜合化學實驗課程使用。其中“綜合化學實驗（1）”強調實驗的綜合性和創新性，至少橫跨兩個基礎學科，因此所開設的實驗項目會涉及有機化學操作和有機化學試劑的使用，這對無機化學實驗室的通風水平提出更高的要求。此外個別無機化學實驗項目也存在有毒有害氣體大量排放的情況。例如，無機化學合成實驗“硫酸亞鐵銨的制備”，原料鐵屑因含有硫、磷等雜質與硫酸反應產生H2S、PH3等有毒氣體。因此在實驗中央臺額外裝配通風設施，建立頂吸排放和桌面排放兼并的雙排風方式是十分必要的。如圖1(a)所示的一種與試劑架合二為一的鋼材質桌面排風系統，每個實驗操作位配備一個通風口，滿足有毒有害氣體和氣霧的排放，也有效避免因實驗裝置搬至公用通風櫥而引發的安全問題和造成的通風櫥內空間擁擠。此外通風口的百葉窗設計成可翻轉可拆卸，便于清理積灰，通風效果得到保障。

無機化學實驗室存在揮發性酸堿試劑、腐蝕性試劑、有毒試劑的普遍使用；固體試劑取用時易造成粉末吸入；一些如水浴鍋、電熱板、旋轉蒸發儀等公用儀器，在使用時也可能產生大量氣霧和有毒有害氣體。例如，無機化學元素性質實驗“陽離子的分離與鑒定”，金屬離子與(NH4)2S 反應生成硫化物沉淀后，需要通過水浴加熱除去過量的(NH4)2S，因而導致大量H2S 氣體的產生；綜合化學實驗“具有異構發光變色的多核銅（I）配合物的制備及銅含量的測定”利用旋轉蒸發儀蒸發部分乙腈溶劑，不可避免地造成乙腈在空氣中擴散。此外實驗產生的化學廢棄物如廢酸、廢堿、重金屬廢液以及四氯化碳等具有較濃的刺激性氣味，如在敞開的空間存放易對人體造成威脅?；谝陨鲜聦?，有毒有害的化學試劑、非計量使用的固體試劑、使用時可能產生有毒有害氣體的實驗儀器以及廢液收集桶理應放置于通風櫥內。然而傳統無機化學實驗室只配備兩個通風櫥的設計難以滿足以上需求。因此在本次升級改造中，實驗室內設計和建造了由多個通風櫥聯排組裝的串聯通風設施（見圖1(b)），作為有毒有害物質以及相關化學反應的公用操作場所，以減小對師生健康的傷害，降低對實驗環境的污染。

1.2 臺柜布局

實踐證明以安全性、功能性、空間利用率作為標準對實驗室進行合理細致的功能分區對建立多功能實驗環境，延長實驗室安全壽命具有重要意義[12]。無機化學實驗室的區域被規劃成獨立操作區域和公用操作區域：獨立操作區域即實驗中央臺；公用操作區域則包括水槽臺、邊臺以及聯排通風櫥。獨立操作區域和公用操作區域彼此之間完全獨立、不重疊，這樣在實驗過程中學生之間、儀器之間不容易扎堆，不相互干擾，有利于實驗效率的提高和安全風險的降低。比如，電子臺秤作為公用儀器放置于邊臺而不是中央臺，可避免中央臺上的實驗操作引發桌面振動，對示數的準確性產生不良影響。

圖2 實驗臺柜的布局

相比于基礎實驗，綜合性實驗使用的公用儀器往往種類和數量更多，因此邊臺作為公用儀器的主要布置場所應設計空間充足的擺放平臺，以實現公用儀器整齊有間隔地科學擺放，學生在使用這些儀器時不會產生擁擠，儀器之間相互沒有影響。而循環水泵這種無機化學實驗室常用的公共儀器顯然不適合擺放在邊臺，為此專門改造了水槽臺，即將水槽設計在水槽臺的一側，剩余的臺面空間放置循環水泵（見圖2(a)）。這樣的設計既便于循環水泵的接放水和清理，也避免了使用過程中臺面可能出現的水漬對其他儀器的影響，提高了減壓過濾的操作效率。公用操作區域以下的儲存空間根據公用器具使用情況設計成造型、尺寸不同的抽屜和柜子，可分類存放鐵圈、石棉網、鐵架臺等實驗公用器材，有利于培養學生及時歸位、及時整理的實驗習慣以及嚴謹求實的實驗作風。

實驗中央臺是學生進行無機化學實驗使用時間最長的區域。本區域的設計強調多功能性，即通過合理分區將實驗試劑、器具和儀器集中于此，讓學生在實驗操作時減少“走動”和“尋找”，為學生合理減負，體現“以學生為本”。圖2(b)是一個學生獨立操作區域，實驗臺上的試劑架用于擺放化學試劑。實驗臺下設計了三列抽屜，其中左列抽屜為儀器區，分別存放磁力攪拌器、電熱套和集熱式恒溫磁力攪拌器三種無機化學實驗中需要人手一套的實驗儀器。右邊和中間兩列為專用器具區，用于存放實驗常用的玻璃儀器和非玻璃器具。抽屜在通透性方面優于柜子，不易發霉，使用壽命長，此外在取用器具時抽屜能夠被拉離柜體，對底部空間的使用者更加方便和友好。專用器具區的抽屜容量可根據實驗課程的實際需要設計成不同規格，以便實驗器具合理存放和快速取用。這樣一個獨立操作區域通?？晒┝鶄€學生在不同教學時間段進行實驗操作，所需的試劑、實驗器具以及加熱裝置取用方便，為實驗操作帶來極大的便利，體現實驗室的人文關懷。

1.3 現代化設施裝備

在一流實驗室的建設過程中，我校使用雙一流的配套經費加大實驗儀器設備的投入，持續改善實驗室的硬件條件，推進實驗教學手段的升級換代。實驗室通風系統的科學改造有效提升了實驗環境的空氣質量，使得投影儀、顯示一體機等多媒體教學設施的安裝和使用成為現實，實驗課堂教學可結合PPT、圖像、視頻等多種教學手段，有利于實驗知識和技能化難為易，激發學習興趣，提高教學水平[13]。例如“綜合化學實驗（1）”推行“主動思考、主動實驗、主動總結”的教學模式，學生借助多媒體設備能更好地闡述實驗方案、交流實驗問題、與教師互動，將沉默單向的實驗課堂轉變為討論和啟迪新思維的互動場所，進一步培養高年級學生解決復雜問題的綜合能力和創新科學思維能力。

鑒于跨學科交叉性綜合實驗的開設，無機化學實驗室對純水的質量要求和用量需求大幅提升，為此實驗室進行了純水管道和純水終端的安裝。改造后的純水系統可以提供電阻率大于1M 的純水，并且每個教學實驗室都有配備專門的純水管道和取水口，純水的取用直接在實驗室內部進行，節約了實驗所需時間，也降低了遠距離取水帶來的安全隱患。更重要的是，無機化學實驗室具備了開設分析化學相關的綜合性實驗的條件，有利推動了“綜合化學實驗（1）”的課程改革。

2 以加強實驗室高效管理為標準的實驗室管理

實驗室建設是一項復雜的系統性工程，除了實驗硬件條件外，科學、有效、與時俱進的管理理念和方法是必不可少的。一流實驗室應具有高效的管理模式。隨著實驗課程體系改革的推進，無論是基礎實驗課程，還是綜合實驗課程都要求學生在有限的學時內完成更豐富的實驗內容，盡可能多地進行課堂討論和實驗嘗試。如何在保障實驗安全的前提下，實現實驗室高效運行，確保師生完成教學任務成為當下實驗教學課程改革普遍關注的問題。在本次升級改造中，我們從實驗室安全著手，構建標識清晰完整的實驗環境，有利于實驗室安全規范管理；從基礎實驗和綜合實驗的課程特點出發，注重實驗細節的改造，更好地服務實驗教學，將提高實驗教學效率落實。

2.1 標識的使用

良好的實驗環境首先是一個安全有序的實驗空間。無機化學實驗室的授課對象有低年級學生也有高年級學生。低年級學生往往安全意識淡薄，化學知識和實驗操作技能有限，而高年級學生面臨未來走進科研實驗室或化學相關工作崗位，安全意識需要強化。因此無機化學實驗室中的安全教育和習慣養成教育尤為重要。為配合教育和管理，無機化學實驗室引入標識的使用和管理。

實驗室的消防設施（如滅火器、滅火毯、滅火沙）、急救防護設施（如護目鏡、洗眼器、緊急噴淋器）、電源總閘以及水總閘等都定制了印有名稱的標識牌，并裝訂在各自擺放的位置（見圖3(a)），讓學生能夠直觀地了解實驗室擁有的安全設施的種類以及具體方位。標識也對學生良好實驗習慣的培養起促進作用：比如實驗室張貼“實驗垃圾”和“碎玻璃”的標識牌，引導學生養成垃圾分類的好習慣；張貼“廢液回收”的標識牌，引導學生進行廢棄物收集，增強環保意識；實驗室公用器材的存放柜也張貼相應器材名稱的標識牌，方便學生取用和用完歸位。對于體積較大且擁有多個存放地的器材，可以在名稱標識牌上額外注明數量或其他可供區別的信息，以便器材定點定位地收納。以鐵架臺為例，為防止鐵架臺存放混亂，鐵架臺用不同顏色的扎帶捆綁以指示存放區域，并在存放柜上的標識牌注明所存放鐵架臺的扎帶顏色。除了名稱，標識牌的內容也可以是提示語，比如：實驗室大門張貼“進入實驗室請穿實驗服戴護目鏡”“離開時，請關好水電、門窗”以及“實驗室內嚴禁飲食”的標識牌；放置濃酸濃堿試劑的通風櫥張貼“取用濃酸濃堿請佩戴防酸堿手套”，起到安全警示作用（見圖3(b)）。

實驗室安全教育不是靠一門課或一次培訓就能達成的，而是貫穿在每一次實驗教學過程中[14]。用醒目且隨處可見的標識牌布置實驗室，引導學生自主學習相關安全知識，同時處于“耳提面命”和“耳濡目染”的環境，幫助學生樹立安全環保意識，養成自覺規范使用實驗用品的良好實驗習慣，為實驗教學的高效開展提供安全基石。

圖3 實驗室標識

2.2 試劑信息“字?！睂υ噭┑墓芾?/h3>

依托我?；瘜W學院一流學科建設和國家實驗教學示范中心建設的優勢，對化學實驗教學體系進行的改革，在不同階段側重點有所不同?；A實驗課程改革中教師應注重培養學生的基礎化學實驗知識、基礎實驗操作技能及基本實驗方法的掌握，引導學生養成主動學習的習慣[15]。我們在無機元素性質實驗課程中引入離子分離和鑒別相關的小型設計性實驗，能有效激發學生的實驗能動性。然而離子的分離和鑒別往往存在多種路徑和方法，因此此類設計性實驗需要提供給學生的化學試劑種類較多，濃度規格不一。常規的試劑使用策略是試劑在試劑架上按照一定規律（如無機鹽、酸、堿、指示劑等）分類有序擺放，取用完及時歸位[16]，然而現實中，在試劑數量如此龐大的情況下試劑的正確歸位較難做到，這是由于試劑的取用時間、歸位時間、使用頻繁程度各不相同。而一個試劑瓶的錯誤歸位可能引發混亂擺放的連鎖反應，結果是學生依然需要花費很多時間“尋找”所需試劑。試劑瓶做不到真正意義上的定點定位，無法在試劑使用時保持應有的順序是導致實驗教學質量和效率難以提升的原因之一。

借鑒廈門大學基礎化學實驗室物品定位管理理念[17]，我們精心設計了一款試劑信息“字?！币詫崿F試劑瓶在試劑架上的定位?！白帜！笔腔钭钟∷⑿g的術語，代表可重復使用、自由組合的文字信息模具，如圖4(a)所示，試劑信息“字?！笔且环N四角嵌有磁石的亞克力板，表面張貼記錄試劑化學式和濃度的卡片，在試劑架面向中央臺的擋板上裝有磁力條形貼，利用磁石吸力可將試劑信息“字?！惫潭ㄓ谠噭┘軗醢迳?，標記對應試劑瓶的擺放位置。通過使用試劑信息“字?！?，學生明確了每一種試劑所在的位置，能夠快速找到試劑，用完也能準確無誤的歸位。為了提高試劑信息“字?！钡氖褂眯?，“字?！钡脑噭┬畔⒖ㄆ貌煌伾M行分類，如圖4(b)所示，黃色代表鈉、鉀、銨鹽，紫色代表金屬無機鹽，紅色代表酸，綠色代表堿，藍色代表指示劑、有機物等其他試劑。學生可以先根據卡片顏色判斷出所需試劑的大致位置，縮小查找范圍，再根據試劑具體信息查找，大大縮短了鎖定試劑的時間，從繁瑣無味的尋找工作中解脫出來，將更多的精力和時間投入到實驗過程的探索和規范操作的訓練中，提高了實驗效率，有助于教學質量的提升。

圖4 實驗試劑信息“字?！?/p>

2.3 實驗細節的改造

在實驗準備工作中，對實驗項目的細節進行仔細推敲，能夠發現很多可供改造的靈感，使實驗教學獲得事半功倍的效果[18]。例如，在水浴鍋中放置鋁制試管架可用于多根試管的水浴加熱，無需每位學生自行加熱一燒杯容量的熱水進行水浴反應（見圖5(a)）；電解實驗需要使用濾紙片、鱷魚夾、鎳鉻絲、干電池等諸多小部件，將其全部歸整在分格零件收納筐內，方便取用和管理，不易遺失（見圖5(b)）；元素性質實驗中金屬固體和液體試劑的反應，產生的廢棄物可倒入由布氏漏斗和試劑瓶組成的裝置，實現“固液分離”，便于廢棄物的分類收集（見圖5(c)）；由于不同實驗課程所屬的學生專用柜包含的器具種類和數量各不相同，將儀器清點單制作成二維碼，方便學生隨時掃碼，隨時核對柜內器具，做到及時補缺補漏，培養基本科學素養；將實驗儀器的操作指南轉化為二維碼粘貼在儀器上，引導學生自主學習儀器的使用，符合高階能力的培養要求（圖5(d)）。

圖5 實驗細節的改造案例

3 結語

實驗室的建設狀況和管理水平直接影響實驗教學效果以及課程體系改革質量。通過探索科學合理的實驗室建設方案和管理措施，在實驗室設計和改造的各個環節細致入微地貫徹以學生為本，提高實驗室綜合效益，貫徹實驗室高效管理理念，使得實驗室建設更上一層樓。實驗室建設作為一項長期復雜的工程，仍然需要在信息化建設和實驗技術隊伍建設等方面持續探索和推進。由于地方高校在實驗室的硬件建設經費上較為有限，在建設中更應該做到提前規劃，減少重復建設，加強開放和共享。