基于測試大數(shù)據(jù)建立電子顯微鏡管理體系的探索與實(shí)踐

沈素丹，徐 麗，浦 群，張 斌，鄭 娜

（浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027）

0 引言

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，推動(dòng)了高校儀器設(shè)備信息化管理技術(shù)［1-2］?；瘜W(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（浙江大學(xué)）測試平臺(tái)（以下簡稱平臺(tái)）自2012 年起開通網(wǎng)上預(yù)約模塊［3］，校內(nèi)外人員均可通過sklpre.zju.edu.

cn網(wǎng)站進(jìn)行測試預(yù)約。據(jù)網(wǎng)站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子顯微鏡（以下簡稱電鏡）測試的人員及樣品數(shù)量極大，完全超出了電鏡硬件資源配置。電鏡資源數(shù)量和應(yīng)用需求配比嚴(yán)重失衡的現(xiàn)象是各個(gè)科研院校普遍存在的情況［4］。為改變這一現(xiàn)狀，平臺(tái)根據(jù)對(duì)近幾年測試大數(shù)據(jù)庫的分析和評(píng)估，科學(xué)地進(jìn)行了電鏡管理新模式的探索和實(shí)踐。

1 大數(shù)據(jù)分析電鏡運(yùn)行現(xiàn)狀

通過建立完善的信息化開放共享管理系統(tǒng)，平臺(tái)大型儀器設(shè)備實(shí)行網(wǎng)絡(luò)預(yù)約制使用，專職管理教師可及時(shí)掌握大型儀器設(shè)備的預(yù)約情況來合理安排測試。運(yùn)用科學(xué)的數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)方法，將儀器測試信息實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的可視化，能夠?yàn)楹暧^管理和科學(xué)改革實(shí)踐提供支撐［5］。將近幾年電鏡預(yù)約數(shù)據(jù)進(jìn)行全面匯總分析，客觀地統(tǒng)計(jì)電鏡設(shè)備的使用情況，為優(yōu)化管理模式并提高電鏡的使用效率和擴(kuò)大開放共享提供了支撐及依據(jù)。

1.1 電鏡測試使用情況統(tǒng)計(jì)

調(diào)取2018 年平臺(tái)SU8010 掃描電鏡測試信息數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到的結(jié)果。以日常工作8 h 計(jì)算，年度工作日計(jì)為250 天，2018 年度有效機(jī)時(shí)數(shù)達(dá)到2 115 h，測試樣品數(shù)量10 566 個(gè)；雖然該設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了正常工作日的滿負(fù)荷運(yùn)行，但其有效機(jī)時(shí)存在進(jìn)一步的拓展空間。

進(jìn)一步將該數(shù)據(jù)根據(jù)使用人員的頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，得到了使用情況的分析結(jié)果。電鏡的測試預(yù)約次數(shù)、使用人員多，但其測試頻率并不高：85%的學(xué)生年測試頻率少于等于5 次，且58%的學(xué)生年測試頻率只有1～2 次；8%左右的學(xué)生年測試頻率為6～10次，年均約一個(gè)月使用1 次電鏡測試；僅有7%的學(xué)生年均測試頻率超過10 次，使用的電鏡次數(shù)較多。

1.2 電鏡管理體系分析

平臺(tái)采用的是當(dāng)前各院校電鏡中心推行的“持證上崗”［6-8］的運(yùn)行管理體系，如圖1所示。該模式是預(yù)先參加理論和上機(jī)培訓(xùn)，然后考核取得“上崗操作證”后，方能進(jìn)行測試預(yù)約。此培訓(xùn)有助于學(xué)生對(duì)電鏡原理的理解和操作應(yīng)用的掌握，以保證學(xué)生能夠獨(dú)立操作電鏡儀器。

圖1 電鏡操作培訓(xùn)流程圖［8］

在實(shí)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(xùn)流程較為冗長，而電鏡使用人員較多，占用了較多的儀器機(jī)時(shí)，不利于儀器最大程度的開發(fā)和使用；②大量培訓(xùn)同時(shí)占用了管理教師大部分的時(shí)間和精力，一定程度上限制了其主觀能動(dòng)性和專業(yè)的積累發(fā)展；③學(xué)生無法及時(shí)進(jìn)行樣品測試，為等待培訓(xùn)考核通過而出現(xiàn)較長的科研數(shù)據(jù)空白期，不利于課題的正常推進(jìn)；④實(shí)際操作過程中，80%以上通過獨(dú)立操作考核的學(xué)生由于測試頻率低，出現(xiàn)了較多的誤操作情況，且無法處理和解決儀器出現(xiàn)的問題，影響了儀器的正常運(yùn)行。

2 依托大數(shù)據(jù)建立電鏡管理新體系

通過平臺(tái)電鏡測試大數(shù)據(jù)的挖掘并結(jié)合實(shí)際管理情況，總結(jié)電鏡測試的規(guī)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(shí)驗(yàn)工作存在一定的周期性等特點(diǎn)，學(xué)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(xiàn)了大部分的學(xué)生電鏡操作生疏感強(qiáng)，誤操作率高的情況。為解決電鏡測試使用過程中出現(xiàn)的問題，改善電鏡管理模式，建立新型、實(shí)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(xùn)模式

根據(jù)電鏡測試大數(shù)據(jù)的分析，建立合理的電鏡培訓(xùn)模式使測試更簡易便捷，有利于電鏡設(shè)備的高效利用。改變“持證上崗”的培訓(xùn)體系，根據(jù)實(shí)際測試使用情況改進(jìn)為簡易培訓(xùn)和專業(yè)培訓(xùn)兩種兼容模式，使電鏡培訓(xùn)具有更廣泛的適用性。

（1）建立日常簡易操作培訓(xùn)模式。平臺(tái)是對(duì)校內(nèi)外全面開放的測試平臺(tái)，建立一套實(shí)時(shí)可用、實(shí)時(shí)上崗的培訓(xùn)操作，能夠解決絕大部分的測試需求。日常預(yù)約電鏡測試的學(xué)生可根據(jù)預(yù)約日期隨時(shí)進(jìn)行電鏡測試，不需要提前進(jìn)行一系列冗長的電鏡培訓(xùn)，使電鏡測試成為常態(tài)化測試。

歸納總結(jié)電鏡的測試規(guī)律并結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)，編纂一套簡明扼要具有普適性的電鏡操作指導(dǎo)，并根據(jù)不同型號(hào)電鏡再制定出相應(yīng)的上機(jī)操作培訓(xùn)，方便學(xué)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(shù)-亮度-聚焦，操作指導(dǎo)，如圖2 所示。根據(jù)不同電鏡儀器的特性做相應(yīng)的細(xì)節(jié)調(diào)整，操作得到所需的數(shù)據(jù)圖片。

圖2 “四步法”簡易操作指導(dǎo)

簡易操作培訓(xùn)模式優(yōu)點(diǎn)在于：①對(duì)比于“持證上崗”模式3～7 天的培訓(xùn)時(shí)間［9-11］，“四步法”培訓(xùn)上機(jī)操作僅需10～20 min；②降低了測試人員上機(jī)操作的門檻，使操作方法便于記憶和吸收，新用戶能夠及時(shí)快速上機(jī)操作；③空窗期較長的學(xué)生也能夠迅速回憶起操作流程。

（2）安排定期的專業(yè)電鏡培訓(xùn)。安排定期的專業(yè)培訓(xùn)旨在滿足學(xué)生對(duì)電鏡深入學(xué)習(xí)的需求與操作能力的提升。培訓(xùn)采用網(wǎng)絡(luò)公告、自主報(bào)名形式，參與培訓(xùn)的學(xué)生大部分是在科研過程中會(huì)需要使用電鏡的學(xué)生。培訓(xùn)周期為1 個(gè)月1 次，合理地利用儀器機(jī)時(shí)，防止延誤常規(guī)科研測試。報(bào)名人員可根據(jù)個(gè)人實(shí)際情況和時(shí)間安排，參加平臺(tái)每個(gè)月定期開展的培訓(xùn)。

培訓(xùn)內(nèi)容包含了電鏡理論培訓(xùn)和實(shí)踐操作培訓(xùn)，把理論教學(xué)與實(shí)踐操作教學(xué)結(jié)合起來，使學(xué)生有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，為實(shí)際操作應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。培訓(xùn)不設(shè)置考核，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電鏡的興趣為目的，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的積極性。在培訓(xùn)過程中，學(xué)生不僅能夠?qū)W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(shí)際用途。

2.2 培養(yǎng)高使用率的學(xué)生助管

測試大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中有一部分學(xué)生的電鏡測試頻率較高，而這些學(xué)生以電鏡為主要科研分析手段，對(duì)電鏡的認(rèn)知度高且操作熟練。在這一類學(xué)生中發(fā)展對(duì)電鏡管理有興趣的學(xué)生助管，對(duì)其進(jìn)行全面的理論、操作、維護(hù)管理培訓(xùn)。學(xué)生助管的培養(yǎng)不僅有利于其自身電鏡技術(shù)能力的提高，同時(shí)有助于電鏡設(shè)備的全面開放［10，12］，滿足了校內(nèi)外科研測試需求。與此同時(shí)，學(xué)生助管的參與，保證了學(xué)生在非工作時(shí)段測試過程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，能夠?qū)I(yè)地解決測試過程中的問題，降低了儀器故障率。

至今，平臺(tái)培養(yǎng)了掃描電鏡助管15 名、透射電鏡助管8 名，成為學(xué)生在?？蒲袑?shí)踐的育人平臺(tái)。

3 電鏡管理新體系的實(shí)踐

新體系的全面實(shí)施實(shí)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(shè)備的安全運(yùn)行，有效提高了電鏡的使用率，加強(qiáng)了電鏡儀器設(shè)備的開放共享，科研服務(wù)的測試數(shù)量和測試質(zhì)量得到了有效提升。

3.1 建立全時(shí)段開放體系，擴(kuò)大開放對(duì)象

管理教師與學(xué)生助管的共同管理，使電鏡測試在工作日時(shí)段和非工作時(shí)段均能夠全面開放。全時(shí)段開放，有效解決了電鏡測試排隊(duì)長，測試等待周期長的問題，發(fā)揮了電鏡這類高需求大型儀器的開放使用，實(shí)現(xiàn)電鏡資源的優(yōu)化配置。

多元化培訓(xùn)體系的建立，使測試者能根據(jù)實(shí)際需求選擇自己合適的培訓(xùn)模式，擴(kuò)大了電鏡設(shè)備的開放對(duì)象。電鏡培訓(xùn)不再成為電鏡測試的門檻，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生提高個(gè)人能力的手段。

3.2 注重提高測試質(zhì)量，隨時(shí)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(shù)并不一致，學(xué)生測試過程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。管理教師和學(xué)生助管分時(shí)段參與電鏡設(shè)備運(yùn)行中的管理，在學(xué)生測試過程中出現(xiàn)的制樣、操作等問題時(shí)，可以及時(shí)在現(xiàn)場解決疑問，保障測試的順利進(jìn)行和測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 及時(shí)有效處理故障，保障儀器安全運(yùn)行

上機(jī)測試人數(shù)眾多，電鏡設(shè)備出現(xiàn)故障在所難免。學(xué)生無法處理專業(yè)的儀器故障，而專業(yè)的電鏡管理人員能夠及時(shí)有效地解決電鏡的大部分問題。管理教師和學(xué)生助管在電鏡使用過程中為設(shè)備保駕護(hù)航，保障了儀器的安全運(yùn)行。同時(shí)，由于故障率的降低，切實(shí)提高了儀器使用率。

4 實(shí)施電鏡管理新體系的成效

電鏡管理新體系從2019 年起實(shí)施至今，測試高效、圖像數(shù)據(jù)清晰準(zhǔn)確、培訓(xùn)機(jī)時(shí)短、受眾群體更廣、上機(jī)操作更便捷，使電鏡設(shè)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(wù)。

對(duì)比2018 年與2019 年的場發(fā)射掃描電鏡測試大數(shù)據(jù)。2019 年度的測試樣品數(shù)量由10 566 個(gè)上升到13 613 個(gè)，增加了3 047 個(gè)，同比增長28.8%；儀器總機(jī)時(shí)從2 115 h增加到3 210 h，延長了1 095 h，同比增長51.8%；服務(wù)的測試人員數(shù)由260 人增長到411 人，增加了151 名，同比增長58.1%。

5 結(jié)語

在信息化高速發(fā)展的時(shí)代，將大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析精準(zhǔn)地應(yīng)用于測試平臺(tái)管理，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)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(shù)據(jù)信息，為操作培訓(xùn)、儀器共享與運(yùn)行、學(xué)生助管引入與培養(yǎng)等方面進(jìn)行合理的實(shí)踐和改進(jìn)提供了有效依據(jù)，不僅充分保證電鏡類大型儀器的全面開放共享和高效運(yùn)作，同時(shí)也為其他大型儀器的管理提供參考和借鑒。