基于测试大数据建立电子显微镜管理体系的探索与实践

沈素丹，徐 丽，浦 群，张 斌，郑 娜

（浙江大学化学工程与生物工程学院化学工程联合国家重点实验室，杭州 310027）

0 引言

大数据时代的到来，推动了高校仪器设备信息化管理技术［1-2］。化学工程联合国家重点实验室（浙江大学）测试平台（以下简称平台）自2012 年起开通网上预约模块［3］，校内外人员均可通过sklpre.zju.edu.

cn网站进行测试预约。据网站数据统计，电子显微镜（以下简称电镜）测试的人员及样品数量极大，完全超出了电镜硬件资源配置。电镜资源数量和应用需求配比严重失衡的现象是各个科研院校普遍存在的情况［4］。为改变这一现状，平台根据对近几年测试大数据库的分析和评估，科学地进行了电镜管理新模式的探索和实践。

1 大数据分析电镜运行现状

通过建立完善的信息化开放共享管理系统，平台大型仪器设备实行网络预约制使用，专职管理教师可及时掌握大型仪器设备的预约情况来合理安排测试。运用科学的数据分析和统计方法，将仪器测试信息实现状态数据的可视化，能够为宏观管理和科学改革实践提供支撑［5］。将近几年电镜预约数据进行全面汇总分析，客观地统计电镜设备的使用情况，为优化管理模式并提高电镜的使用效率和扩大开放共享提供了支撑及依据。

1.1 电镜测试使用情况统计

调取2018 年平台SU8010 扫描电镜测试信息数据，统计得到的结果。以日常工作8 h 计算，年度工作日计为250 天，2018 年度有效机时数达到2 115 h，测试样品数量10 566 个；虽然该设备已经实现了正常工作日的满负荷运行，但其有效机时存在进一步的拓展空间。

进一步将该数据根据使用人员的频率数据进行统计归纳，得到了使用情况的分析结果。电镜的测试预约次数、使用人员多，但其测试频率并不高：85%的学生年测试频率少于等于5 次，且58%的学生年测试频率只有1～2 次；8%左右的学生年测试频率为6～10次，年均约一个月使用1 次电镜测试；仅有7%的学生年均测试频率超过10 次，使用的电镜次数较多。

1.2 电镜管理体系分析

平台采用的是当前各院校电镜中心推行的“持证上岗”［6-8］的运行管理体系，如图1所示。该模式是预先参加理论和上机培训，然后考核取得“上岗操作证”后，方能进行测试预约。此培训有助于学生对电镜原理的理解和操作应用的掌握，以保证学生能够独立操作电镜仪器。

图1 电镜操作培训流程图［8］

在实际管理过程中，“持证上岗”的管理体系暴露出了一些弊端：①该模式培训流程较为冗长，而电镜使用人员较多，占用了较多的仪器机时，不利于仪器最大程度的开发和使用；②大量培训同时占用了管理教师大部分的时间和精力，一定程度上限制了其主观能动性和专业的积累发展；③学生无法及时进行样品测试，为等待培训考核通过而出现较长的科研数据空白期，不利于课题的正常推进；④实际操作过程中，80%以上通过独立操作考核的学生由于测试频率低，出现了较多的误操作情况，且无法处理和解决仪器出现的问题，影响了仪器的正常运行。

2 依托大数据建立电镜管理新体系

通过平台电镜测试大数据的挖掘并结合实际管理情况，总结电镜测试的规律性：电镜测试需求大，使用人员范围广，使用频率总体较低。因科研实验工作存在一定的周期性等特点，学生在科研测试过程中存在不同程度上的测试空窗期。由此出现了大部分的学生电镜操作生疏感强，误操作率高的情况。为解决电镜测试使用过程中出现的问题，改善电镜管理模式，建立新型、实用、高效的电镜管理体系尤为重要。

2.1 建立多元化的操作培训模式

根据电镜测试大数据的分析，建立合理的电镜培训模式使测试更简易便捷，有利于电镜设备的高效利用。改变“持证上岗”的培训体系，根据实际测试使用情况改进为简易培训和专业培训两种兼容模式，使电镜培训具有更广泛的适用性。

（1）建立日常简易操作培训模式。平台是对校内外全面开放的测试平台，建立一套实时可用、实时上岗的培训操作，能够解决绝大部分的测试需求。日常预约电镜测试的学生可根据预约日期随时进行电镜测试，不需要提前进行一系列冗长的电镜培训，使电镜测试成为常态化测试。

归纳总结电镜的测试规律并结合设备特点，编纂一套简明扼要具有普适性的电镜操作指导，并根据不同型号电镜再制定出相应的上机操作培训，方便学生记忆和掌握操作。简单将电镜的操作归纳为“四步法”：位置-倍数-亮度-聚焦，操作指导，如图2 所示。根据不同电镜仪器的特性做相应的细节调整，操作得到所需的数据图片。

图2 “四步法”简易操作指导

简易操作培训模式优点在于：①对比于“持证上岗”模式3～7 天的培训时间［9-11］，“四步法”培训上机操作仅需10～20 min；②降低了测试人员上机操作的门槛，使操作方法便于记忆和吸收，新用户能够及时快速上机操作；③空窗期较长的学生也能够迅速回忆起操作流程。

（2）安排定期的专业电镜培训。安排定期的专业培训旨在满足学生对电镜深入学习的需求与操作能力的提升。培训采用网络公告、自主报名形式，参与培训的学生大部分是在科研过程中会需要使用电镜的学生。培训周期为1 个月1 次，合理地利用仪器机时，防止延误常规科研测试。报名人员可根据个人实际情况和时间安排，参加平台每个月定期开展的培训。

培训内容包含了电镜理论培训和实践操作培训，把理论教学与实践操作教学结合起来，使学生有一个全面的认识，为实际操作应用打下坚实的基础。培训不设置考核，以激发学生学习电镜的兴趣为目的，充分调动学生参与的积极性。在培训过程中，学生不仅能够学到电镜的操作技能，也充分地了解电镜测试为其科研提供的实际用途。

2.2 培养高使用率的学生助管

测试大数据统计数据中有一部分学生的电镜测试频率较高，而这些学生以电镜为主要科研分析手段，对电镜的认知度高且操作熟练。在这一类学生中发展对电镜管理有兴趣的学生助管，对其进行全面的理论、操作、维护管理培训。学生助管的培养不仅有利于其自身电镜技术能力的提高，同时有助于电镜设备的全面开放［10，12］，满足了校内外科研测试需求。与此同时，学生助管的参与，保证了学生在非工作时段测试过程数据的准确性，能够专业地解决测试过程中的问题，降低了仪器故障率。

至今，平台培养了扫描电镜助管15 名、透射电镜助管8 名，成为学生在校科研实践的育人平台。

3 电镜管理新体系的实践

新体系的全面实施实践，解决了电镜损坏率高、利用率低、共享程度低等问题［13-15］，保障了设备的安全运行，有效提高了电镜的使用率，加强了电镜仪器设备的开放共享，科研服务的测试数量和测试质量得到了有效提升。

3.1 建立全时段开放体系，扩大开放对象

管理教师与学生助管的共同管理，使电镜测试在工作日时段和非工作时段均能够全面开放。全时段开放，有效解决了电镜测试排队长，测试等待周期长的问题，发挥了电镜这类高需求大型仪器的开放使用，实现电镜资源的优化配置。

多元化培训体系的建立，使测试者能根据实际需求选择自己合适的培训模式，扩大了电镜设备的开放对象。电镜培训不再成为电镜测试的门槛，转变为学生提高个人能力的手段。

3.2 注重提高测试质量，随时解决测试问题

电镜测试样品种类繁多，不同样品的制备方法和测试参数并不一致，学生测试过程中会出现各种各样的问题。管理教师和学生助管分时段参与电镜设备运行中的管理，在学生测试过程中出现的制样、操作等问题时，可以及时在现场解决疑问，保障测试的顺利进行和测试结果的准确性。

3.3 及时有效处理故障，保障仪器安全运行

上机测试人数众多，电镜设备出现故障在所难免。学生无法处理专业的仪器故障，而专业的电镜管理人员能够及时有效地解决电镜的大部分问题。管理教师和学生助管在电镜使用过程中为设备保驾护航，保障了仪器的安全运行。同时，由于故障率的降低，切实提高了仪器使用率。

4 实施电镜管理新体系的成效

电镜管理新体系从2019 年起实施至今，测试高效、图像数据清晰准确、培训机时短、受众群体更广、上机操作更便捷，使电镜设备更加安全、合理地使用，更便捷地为更多科研工作者提供服务。

对比2018 年与2019 年的场发射扫描电镜测试大数据。2019 年度的测试样品数量由10 566 个上升到13 613 个，增加了3 047 个，同比增长28.8%；仪器总机时从2 115 h增加到3 210 h，延长了1 095 h，同比增长51.8%；服务的测试人员数由260 人增长到411 人，增加了151 名，同比增长58.1%。

5 结语

在信息化高速发展的时代，将大数据统计分析精准地应用于测试平台管理，转变传统的管理模式，建立新型高效的管理体系，显著提高电镜的使用效率。挖掘测试大数据信息，为操作培训、仪器共享与运行、学生助管引入与培养等方面进行合理的实践和改进提供了有效依据，不仅充分保证电镜类大型仪器的全面开放共享和高效运作，同时也为其他大型仪器的管理提供参考和借鉴。