基于測試大數據建立電子顯微鏡管理體系的探索與實踐

沈素丹，徐 麗，浦 群，張 斌，鄭 娜

（浙江大學化學工程與生物工程學院化學工程聯合國家重點實驗室，杭州 310027）

0 引言

大數據時代的到來，推動了高校儀器設備信息化管理技術［1-2］?；瘜W工程聯合國家重點實驗室（浙江大學）測試平臺（以下簡稱平臺）自2012 年起開通網上預約模塊［3］，校內外人員均可通過sklpre.zju.edu.

cn網站進行測試預約。據網站數據統計，電子顯微鏡（以下簡稱電鏡）測試的人員及樣品數量極大，完全超出了電鏡硬件資源配置。電鏡資源數量和應用需求配比嚴重失衡的現象是各個科研院校普遍存在的情況［4］。為改變這一現狀，平臺根據對近幾年測試大數據庫的分析和評估，科學地進行了電鏡管理新模式的探索和實踐。

1 大數據分析電鏡運行現狀

通過建立完善的信息化開放共享管理系統，平臺大型儀器設備實行網絡預約制使用，專職管理教師可及時掌握大型儀器設備的預約情況來合理安排測試。運用科學的數據分析和統計方法，將儀器測試信息實現狀態數據的可視化，能夠為宏觀管理和科學改革實踐提供支撐［5］。將近幾年電鏡預約數據進行全面匯總分析，客觀地統計電鏡設備的使用情況，為優化管理模式并提高電鏡的使用效率和擴大開放共享提供了支撐及依據。

1.1 電鏡測試使用情況統計

調取2018 年平臺SU8010 掃描電鏡測試信息數據，統計得到的結果。以日常工作8 h 計算，年度工作日計為250 天，2018 年度有效機時數達到2 115 h，測試樣品數量10 566 個；雖然該設備已經實現了正常工作日的滿負荷運行，但其有效機時存在進一步的拓展空間。

進一步將該數據根據使用人員的頻率數據進行統計歸納，得到了使用情況的分析結果。電鏡的測試預約次數、使用人員多，但其測試頻率并不高：85%的學生年測試頻率少于等于5 次，且58%的學生年測試頻率只有1～2 次；8%左右的學生年測試頻率為6～10次，年均約一個月使用1 次電鏡測試；僅有7%的學生年均測試頻率超過10 次，使用的電鏡次數較多。

1.2 電鏡管理體系分析

平臺采用的是當前各院校電鏡中心推行的“持證上崗”［6-8］的運行管理體系，如圖1所示。該模式是預先參加理論和上機培訓，然后考核取得“上崗操作證”后，方能進行測試預約。此培訓有助于學生對電鏡原理的理解和操作應用的掌握，以保證學生能夠獨立操作電鏡儀器。

圖1 電鏡操作培訓流程圖［8］

在實際管理過程中，“持證上崗”的管理體系暴露出了一些弊端：①該模式培訓流程較為冗長，而電鏡使用人員較多，占用了較多的儀器機時，不利于儀器最大程度的開發和使用；②大量培訓同時占用了管理教師大部分的時間和精力，一定程度上限制了其主觀能動性和專業的積累發展；③學生無法及時進行樣品測試，為等待培訓考核通過而出現較長的科研數據空白期，不利于課題的正常推進；④實際操作過程中，80%以上通過獨立操作考核的學生由于測試頻率低，出現了較多的誤操作情況，且無法處理和解決儀器出現的問題，影響了儀器的正常運行。

2 依托大數據建立電鏡管理新體系

通過平臺電鏡測試大數據的挖掘并結合實際管理情況，總結電鏡測試的規律性：電鏡測試需求大，使用人員范圍廣，使用頻率總體較低。因科研實驗工作存在一定的周期性等特點，學生在科研測試過程中存在不同程度上的測試空窗期。由此出現了大部分的學生電鏡操作生疏感強，誤操作率高的情況。為解決電鏡測試使用過程中出現的問題，改善電鏡管理模式，建立新型、實用、高效的電鏡管理體系尤為重要。

2.1 建立多元化的操作培訓模式

根據電鏡測試大數據的分析，建立合理的電鏡培訓模式使測試更簡易便捷，有利于電鏡設備的高效利用。改變“持證上崗”的培訓體系，根據實際測試使用情況改進為簡易培訓和專業培訓兩種兼容模式，使電鏡培訓具有更廣泛的適用性。

（1）建立日常簡易操作培訓模式。平臺是對校內外全面開放的測試平臺，建立一套實時可用、實時上崗的培訓操作，能夠解決絕大部分的測試需求。日常預約電鏡測試的學生可根據預約日期隨時進行電鏡測試，不需要提前進行一系列冗長的電鏡培訓，使電鏡測試成為常態化測試。

歸納總結電鏡的測試規律并結合設備特點，編纂一套簡明扼要具有普適性的電鏡操作指導，并根據不同型號電鏡再制定出相應的上機操作培訓，方便學生記憶和掌握操作。簡單將電鏡的操作歸納為“四步法”：位置-倍數-亮度-聚焦，操作指導，如圖2 所示。根據不同電鏡儀器的特性做相應的細節調整，操作得到所需的數據圖片。

圖2 “四步法”簡易操作指導

簡易操作培訓模式優點在于：①對比于“持證上崗”模式3～7 天的培訓時間［9-11］，“四步法”培訓上機操作僅需10～20 min；②降低了測試人員上機操作的門檻，使操作方法便于記憶和吸收，新用戶能夠及時快速上機操作；③空窗期較長的學生也能夠迅速回憶起操作流程。

（2）安排定期的專業電鏡培訓。安排定期的專業培訓旨在滿足學生對電鏡深入學習的需求與操作能力的提升。培訓采用網絡公告、自主報名形式，參與培訓的學生大部分是在科研過程中會需要使用電鏡的學生。培訓周期為1 個月1 次，合理地利用儀器機時，防止延誤常規科研測試。報名人員可根據個人實際情況和時間安排，參加平臺每個月定期開展的培訓。

培訓內容包含了電鏡理論培訓和實踐操作培訓，把理論教學與實踐操作教學結合起來，使學生有一個全面的認識，為實際操作應用打下堅實的基礎。培訓不設置考核，以激發學生學習電鏡的興趣為目的，充分調動學生參與的積極性。在培訓過程中，學生不僅能夠學到電鏡的操作技能，也充分地了解電鏡測試為其科研提供的實際用途。

2.2 培養高使用率的學生助管

測試大數據統計數據中有一部分學生的電鏡測試頻率較高，而這些學生以電鏡為主要科研分析手段，對電鏡的認知度高且操作熟練。在這一類學生中發展對電鏡管理有興趣的學生助管，對其進行全面的理論、操作、維護管理培訓。學生助管的培養不僅有利于其自身電鏡技術能力的提高，同時有助于電鏡設備的全面開放［10，12］，滿足了校內外科研測試需求。與此同時，學生助管的參與，保證了學生在非工作時段測試過程數據的準確性，能夠專業地解決測試過程中的問題，降低了儀器故障率。

至今，平臺培養了掃描電鏡助管15 名、透射電鏡助管8 名，成為學生在?？蒲袑嵺`的育人平臺。

3 電鏡管理新體系的實踐

新體系的全面實施實踐，解決了電鏡損壞率高、利用率低、共享程度低等問題［13-15］，保障了設備的安全運行，有效提高了電鏡的使用率，加強了電鏡儀器設備的開放共享，科研服務的測試數量和測試質量得到了有效提升。

3.1 建立全時段開放體系，擴大開放對象

管理教師與學生助管的共同管理，使電鏡測試在工作日時段和非工作時段均能夠全面開放。全時段開放，有效解決了電鏡測試排隊長，測試等待周期長的問題，發揮了電鏡這類高需求大型儀器的開放使用，實現電鏡資源的優化配置。

多元化培訓體系的建立，使測試者能根據實際需求選擇自己合適的培訓模式，擴大了電鏡設備的開放對象。電鏡培訓不再成為電鏡測試的門檻，轉變為學生提高個人能力的手段。

3.2 注重提高測試質量，隨時解決測試問題

電鏡測試樣品種類繁多，不同樣品的制備方法和測試參數并不一致，學生測試過程中會出現各種各樣的問題。管理教師和學生助管分時段參與電鏡設備運行中的管理，在學生測試過程中出現的制樣、操作等問題時，可以及時在現場解決疑問，保障測試的順利進行和測試結果的準確性。

3.3 及時有效處理故障，保障儀器安全運行

上機測試人數眾多，電鏡設備出現故障在所難免。學生無法處理專業的儀器故障，而專業的電鏡管理人員能夠及時有效地解決電鏡的大部分問題。管理教師和學生助管在電鏡使用過程中為設備保駕護航，保障了儀器的安全運行。同時，由于故障率的降低，切實提高了儀器使用率。

4 實施電鏡管理新體系的成效

電鏡管理新體系從2019 年起實施至今，測試高效、圖像數據清晰準確、培訓機時短、受眾群體更廣、上機操作更便捷，使電鏡設備更加安全、合理地使用，更便捷地為更多科研工作者提供服務。

對比2018 年與2019 年的場發射掃描電鏡測試大數據。2019 年度的測試樣品數量由10 566 個上升到13 613 個，增加了3 047 個，同比增長28.8%；儀器總機時從2 115 h增加到3 210 h，延長了1 095 h，同比增長51.8%；服務的測試人員數由260 人增長到411 人，增加了151 名，同比增長58.1%。

5 結語

在信息化高速發展的時代，將大數據統計分析精準地應用于測試平臺管理，轉變傳統的管理模式，建立新型高效的管理體系，顯著提高電鏡的使用效率。挖掘測試大數據信息，為操作培訓、儀器共享與運行、學生助管引入與培養等方面進行合理的實踐和改進提供了有效依據，不僅充分保證電鏡類大型儀器的全面開放共享和高效運作，同時也為其他大型儀器的管理提供參考和借鑒。