面向本科生開放大型儀器的實踐

湯海峰，程瑛琨，孟令軍，劉 洋，周毓麟，滕利榮，王貞佐

（吉林大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130012）

近年來國家對高等教育投入不斷增加。隨著 “211工程”、“985工程”、重點學(xué)科、重點實驗室、修購專項、地方高校發(fā)展專項等項目的實施，各高校相繼添置了大量大型儀器設(shè)備［1－3］。隨著教學(xué)條件的改善，各高校已經(jīng)擁有了數(shù)量可觀的大型儀器。但是問題也隨之而來，我國全部儀器設(shè)備年均有效工作機時不到發(fā)達國家的一半［4］?！秶鴦?wù)院關(guān)于國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器向社會開放的意見》中指出：我國科研設(shè)施與儀器利用率和共享水平不高。另一方面，《國家中長期教育改革和發(fā)展綱要（2010—2020年）》指出：我國學(xué)生適應(yīng)社會和就業(yè)能力不強，創(chuàng)新型、實用型、復(fù)合型人才緊缺。為了解決復(fù)合型人才短缺的問題，高校教學(xué)改革亟待繼續(xù)深化，而利用大型儀器進行實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科研能力和創(chuàng)新精神的一條重要途徑［5］。面向本科生開放大型儀器，既可以使高校部分閑置的大型儀器重新煥發(fā)活力，又有利于提高本科生的實踐能力和創(chuàng)新能力，符合我國高等教育的實際情況。這方面有些高校已經(jīng)走在了改革的前列，以不同的形式面向本科生開放了大型儀器，并取得了很好的教學(xué)效果。

1 面向本科生開放大型儀器的意義

高校擁有的大型儀器數(shù)量和質(zhì)量是高校辦學(xué)實力的體現(xiàn)，但是這些大型儀器如果沒有充分發(fā)揮作用，這種辦學(xué)實力將大打折扣。綜合分析我國當(dāng)前大型儀器管理和高素質(zhì)人才培養(yǎng)中存在的問題，提高大型儀器設(shè)備利用率和投資效益，使其充分發(fā)揮在高等教育職能中的重要作用和資源優(yōu)勢，逐步在高校廣大教師和管理部門中達成共識［6］，實行大型儀器面向本科生開放具有重要的作用，也越來越受大家的關(guān)注。

1.1 有利于提高大型儀器利用率，實現(xiàn)資源共享

高校用于購置大型儀器的經(jīng)費來源主要包括用于改善教學(xué)條件的專項經(jīng)費（簡稱教學(xué)專項經(jīng)費，如修購專項）和用于支持科研的專項經(jīng)費（簡稱科研專項經(jīng)費，如重點學(xué)科建設(shè)項目）。教學(xué)專項經(jīng)費以購置中小型儀器為主，用于購置大型儀器的份額有限。高校用于購置大型儀器的經(jīng)費主要以科研專項經(jīng)費為主。因此，高校中的多數(shù)大型儀器主要為科研服務(wù)。這些大型儀器受科研進程的影響，雖然階段性利用率較高，但閑置時間仍然較多。由于在設(shè)備管理體制上教學(xué)和科研之間存在壁壘，加之受傳統(tǒng)教育觀念的影響，大型儀器很難面向本科生全面開放。因此，通過推動大型儀器面向本科生開放，有利于破除在高校設(shè)備管理體制上教學(xué)與科研之間的壁壘，促進資源共享，提高大型儀器的利用率，發(fā)揮大型儀器的教學(xué)職能。

1.2 有利于擺脫傳統(tǒng)觀念對高等教育的束縛，深化教學(xué)改革

重理論輕實踐的教育觀念曾經(jīng)在我國高等教育史上占主導(dǎo)地位。雖然高校教學(xué)改革已經(jīng)進行了許多年，實踐教學(xué)在綜合型人才培養(yǎng)中的地位已經(jīng)逐步確立，但舊觀念仍然在某種程度上存在著，并束縛高等教育改革?，F(xiàn)代教育理念認(rèn)為，理論教學(xué)和實踐教學(xué)共同構(gòu)成了學(xué)生培養(yǎng)體系的支柱［5］。實踐教學(xué)是高校全面實行素質(zhì)教育的重要環(huán)節(jié)，它相對于理論教學(xué)具有直觀性、實踐性、綜合性和創(chuàng)新性，在加強對學(xué)生的素質(zhì)教育與創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面有著不可替代的作用［7］。通過面向本科生開放大型儀器可以進一步明確實踐教學(xué)在綜合型人才培養(yǎng)中的重要地位，有利于轉(zhuǎn)變教育觀念，深化教學(xué)改革，實現(xiàn)高校人才培養(yǎng)質(zhì)的飛躍。

1.3 有利于提高學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新能力，促進學(xué)生就業(yè)

《國務(wù)院關(guān)于國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器向社會開放的意見》指出：“國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器是用于探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、實現(xiàn)技術(shù)變革的復(fù)雜科學(xué)研究系統(tǒng)，是突破科學(xué)前沿、解決經(jīng)濟社會發(fā)展和國家安全重大科技問題的技術(shù)基礎(chǔ)和重要手段”。而高校中理工類畢業(yè)生的主要工作領(lǐng)域就是探索未知世界或解決當(dāng)前面臨的重大科技問題。如果畢業(yè)生能夠精通一定數(shù)量的大型儀器設(shè)備，不但可以體現(xiàn)他們的實踐能力和創(chuàng)新能力，還將為他們創(chuàng)造更大的就業(yè)空間，為他們盡快適應(yīng)工作崗位并進行科技創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

2 面向本科生開放大型儀器的制約因素與解決方法

雖然大型儀器對高素質(zhì)綜合型人才培養(yǎng)的作用已被越來越多的師生認(rèn)可，而且很多高校也進行了卓有成效的探索與實踐，但是這種新的實踐教學(xué)形式還沒有被廣泛地、深入地開展。目前能夠在本科生實踐教學(xué)中開展大型儀器使用技術(shù)訓(xùn)練的，主要集中在化學(xué)、環(huán)境等少數(shù)學(xué)科。這些學(xué)科依托原來的“儀器分析課程”進行課程改革，拓展了課程內(nèi)容，使更多的大型分析、表征儀器可以面向本科生深度開放。但是，這種做法在其他理工類學(xué)科中較少見。這些學(xué)科在實際教學(xué)過程中常以演示實驗為主，學(xué)生往往只是“走馬觀花”式地參觀一下，有時甚至和儀器還“隔窗相望”，對絕大多數(shù)學(xué)生而言，獨立上機操作是可望而不可及的［8］。受多種因素影響，高校中多數(shù)大型儀器只用于研究生和教師的科研工作，對本科生實驗教學(xué)的開放性程度嚴(yán)重不足［9］。究其原因如下：臺套數(shù)少，達不到規(guī)模實驗教學(xué)的要求；實驗項目周期長缺少學(xué)時支持；運行與維修費用昂貴，缺少教學(xué)經(jīng)費支持；專業(yè)技術(shù)人員缺少，不能滿足教學(xué)要求［10］。

要想全面實現(xiàn)大型儀器面向本科生開放，必須去除諸多制約因素。

（1）由于大型儀器臺套數(shù)較少，在課程性質(zhì)定位上宜設(shè)置為選修課程。在培養(yǎng)目標(biāo)定位上，應(yīng)強調(diào)主觀興趣，實行自主報名。通過限制課堂人數(shù)，按照小課甚至超小課的規(guī)模進行實驗教學(xué)，增加學(xué)生練習(xí)時間和師生之間討論交流的機會［11］。

（2）在實驗教學(xué)安排方式上要突破傳統(tǒng)教學(xué)安排模式的束縛，采取更為靈活的排課方式。專門的大型儀器訓(xùn)練可以利用開放時間進行。網(wǎng)絡(luò)化管理使大型儀器對科研服務(wù)成為一個有計劃的過程，為面向本科生開放大型儀器創(chuàng)造了有利條件［12］。教師可以通過預(yù)約系統(tǒng)查詢儀器的閑置時間，再結(jié)合學(xué)生的課余時間安排教學(xué)。

（3）建立用戶責(zé)任制度，合理劃分維護維修責(zé)任。教學(xué)與科研實施者同屬大型儀器的用戶，用戶按照使用率承擔(dān)維護與維修費用。

（4）促進高校實驗技術(shù)系列與教師系列的合理銜接。引導(dǎo)有能力的教師參與實驗教學(xué)和大型儀器管理，同時加強對現(xiàn)有實驗技術(shù)人員的培訓(xùn)。目前，大多數(shù)大型精密儀器都是模塊化設(shè)計，自動化程度非常高，多數(shù)儀器實現(xiàn)了軟件控制操作，操作步驟簡單。因此，只要加強管理和培訓(xùn)工作，面向本科生開放大型科學(xué)儀器是完全可行的［13］。

（5）建立“教學(xué)與科研融合”的大型儀器共享平臺。為了提高大型儀器的使用率，很多高校通過整合同類設(shè)備的方式，建立了若干以科研（測試）為主的儀器平臺，這種管理形式過于強調(diào)大型儀器的科研功能和研究生層次的教學(xué)功能而忽視其本科教學(xué)功能。因此建立以教學(xué)為主兼顧科研的大型儀器平臺或教學(xué)科研并重的大型儀器平臺，將有利于大型儀器面向本科生深度開放。在平臺建設(shè)中要弱化儀器的“出身”，將教學(xué)專項經(jīng)費和科研專項經(jīng)費購置的大型儀器集中共享，實現(xiàn)在設(shè)備管理層面的教學(xué)與科研融合。

3 大型儀器面向本科生開放的實踐

對大型儀器的駕馭能力，是學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的體現(xiàn)。多年來，我校國家級生物實驗教學(xué)示范中心始終注重發(fā)揮大型儀器在本科生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的重要作用，將大型儀器使用技能訓(xùn)練貫穿于本科生實踐教學(xué)的始終，使有限數(shù)量的大型儀器在最大限度上發(fā)揮育人功能。

3.1 把大型儀器使用技能訓(xùn)練納入教學(xué)大綱

教學(xué)大綱是教師進行教學(xué)的主要依據(jù)，是學(xué)科教學(xué)的指導(dǎo)性文件［14］。將大型儀器使用技能訓(xùn)練納入到教學(xué)大綱，有利于推動和規(guī)范針對本科生的大型儀器教學(xué)，提高育人水平。由于大型儀器原理復(fù)雜、功能豐富、運行方式多種多樣，很難采用統(tǒng)一的模式進行教學(xué)。因此，在教學(xué)大綱的制訂過程中，我們根據(jù)大型儀器的特點設(shè)計了多樣化的教學(xué)方式，集中教學(xué)與開放式教學(xué)相結(jié)合，必修內(nèi)容與選修內(nèi)容相結(jié)合。具體做法是：

（1）認(rèn)知實習(xí)（課程編號：344001）為獨立設(shè)置的必修教學(xué)環(huán)節(jié)，0.5學(xué)分，在第2學(xué)期開設(shè)。該環(huán)節(jié)屬于“印象式”教學(xué)，通過學(xué)生與儀器設(shè)備，特別是大型儀器的感官接觸，使學(xué)生先對儀器的主要功能和基本原理有初步了解，為深入學(xué)習(xí)使用奠定基礎(chǔ)。

（2）儀器使用培訓(xùn)，該環(huán)節(jié)融入到各門實驗課程中，貫穿于本科生實踐教學(xué)的始終。根據(jù)各門實驗課程的教學(xué)方案，安排4～8學(xué)時左右的儀器訓(xùn)練環(huán)節(jié)，對本門實驗課程所用到的實驗儀器進行精講精練。對于大型儀器，要求學(xué)生掌握其原理并且可以獨立操作。

（3）開放性實驗（課程編號：343011）為獨立設(shè)置的選修教學(xué)環(huán)節(jié)，2學(xué)分，在第4學(xué)期至第5學(xué)期開設(shè)。學(xué)生自主選擇實驗內(nèi)容，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下利用開放時間完成實驗。在實驗項目設(shè)計中，導(dǎo)師引導(dǎo)學(xué)生將一定數(shù)量的大型儀器納入到實驗方案中，培養(yǎng)學(xué)生的大型儀器使用技能和功能開發(fā)能力。

（4）校內(nèi)實訓(xùn)實習(xí)（課程編號：344002、344006）為獨立設(shè)置的必修教學(xué)環(huán)節(jié)，4學(xué)分，在第6學(xué)期或第7學(xué)期開設(shè)。該環(huán)節(jié)以生物工程技術(shù)產(chǎn)品和制藥工程技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝路線訓(xùn)練和大型儀器使用技能訓(xùn)練為主，并設(shè)計了若干個項目模塊，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和以后的職業(yè)發(fā)展方向自主選擇項目模塊。

3.2 建立教學(xué)與科研融合的大型儀器訓(xùn)練教學(xué)平臺

目前各高校在大型儀器管理上教學(xué)與科研之間的壁壘還沒有被完全打破，科研儀器一般不對本科生深度開放。為提升本科生的實踐教學(xué)水平，充分發(fā)揮大型儀器的教學(xué)職能，我們打破了傳統(tǒng)觀念的束縛，將大型科研儀器納入到了本科實踐教學(xué)平臺體系中。如：生物大分子相互作用系統(tǒng)、飛行時間質(zhì)譜儀、轉(zhuǎn)靶－X射線晶體衍射數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)等10余臺大型儀器或貴重儀器，全部面向本科生深度開放，并列入教學(xué)大綱。為了避免教學(xué)過程影響科研過程，我們實行了大型儀器網(wǎng)絡(luò)預(yù)約使用制度。無論是教學(xué)使用還是科研使用，所有用戶必須提前預(yù)約。科研專項經(jīng)費購置的儀器優(yōu)先用于科研，教學(xué)專項經(jīng)費購置的儀器優(yōu)先用于教學(xué)?？蒲袃x器閑置時，教師結(jié)合學(xué)生的課余時間采取靈活的排課方式進行網(wǎng)絡(luò)預(yù)約并開展教學(xué)。通過提前公告避免長時間連續(xù)使用，通過制訂備用教學(xué)方案等方式避免影響科研使用。同時，教學(xué)專項經(jīng)費購置的儀器，利用閑置時間面向科研開放。

3.3 采用符合認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)方法和現(xiàn)代化教學(xué)手段

教學(xué)方法決定教學(xué)水平。采取“課前預(yù)習(xí)考試”和“課后考核”等方法提高教學(xué)效果。教師在課前提前講授實驗原理，給學(xué)生充分的預(yù)習(xí)時間，在正式實驗前進行預(yù)習(xí)效果測試，通過了預(yù)習(xí)測試的學(xué)生方能進入下一學(xué)習(xí)階段。

教材是教學(xué)活動和學(xué)習(xí)活動的主要參考。我們編寫了“生命科學(xué)儀器使用技術(shù)教程”作為大型儀器訓(xùn)練的主要教材。教材中沒有收錄的儀器以自編講義的形式提前發(fā)放給學(xué)生，保證學(xué)生在課前預(yù)習(xí)時有據(jù)可依。信息技術(shù)作為一種現(xiàn)代教學(xué)手段已被廣泛關(guān)注。通過將大型儀器的結(jié)構(gòu)、原理和操作方法拍攝成視頻或制作成動畫，利用網(wǎng)絡(luò)進行在線教學(xué)，既可以給學(xué)生直觀的印象，還可打破了時間、空間對教學(xué)活動的束縛。同時，設(shè)計了考核學(xué)生學(xué)習(xí)效果的“儀器使用證”。在對學(xué)生進行大型儀器使用技能訓(xùn)練后，教師對學(xué)生進行單獨考核，合格后教師在儀器使用證上簽字。沒有通過考核的學(xué)生要進行下一輪學(xué)習(xí)或?qū)λ麄冞M行一對一培訓(xùn)，直至合格。

4 教學(xué)案例

我校制藥工程專業(yè)每年招收2個班，藥物制劑專業(yè)每年招收1個班。我們?yōu)檫@3個班開設(shè)了“制藥工程校內(nèi)實訓(xùn)實習(xí)”課程。該課程包含5個項目模塊，開課時學(xué)生可以根據(jù)興趣和以后的職業(yè)發(fā)展方向自主選擇1個項目模塊進行學(xué)習(xí)。2014年秋季學(xué)期共有來自3個班的18名學(xué)生成功地選擇了項目模塊A。該項目模塊包含3條實訓(xùn)工藝路線（項目）：冬蟲夏草深層發(fā)酵及活性成分測定、銀杏葉脂質(zhì)體片劑的制備及質(zhì)量檢測、林蛙抗菌肽軟膏的制備及抑菌率的檢測。我們將18名學(xué)生分成3個小組（A1－A3），見表1。

表1 制藥工程校內(nèi)實訓(xùn)實習(xí)項目模塊A的教學(xué)安排及主要實驗儀器

該項目模塊以3個完整的實訓(xùn)工藝路線為載體，涉及22臺（套）與生物、制藥關(guān)系緊密的大型儀器。為了使學(xué)生能夠全面了解實訓(xùn)工藝路線和大型儀器工作原理，每個路線安排8學(xué)時的理論講授，主要內(nèi)容為實驗的原理、工藝流程、主要儀器的使用原理及操作方法。進行理論講授時，將學(xué)習(xí)資料發(fā)給學(xué)生，供學(xué)習(xí)使用。在正式實訓(xùn)開始前對學(xué)生進行預(yù)習(xí)效果測試，通過了測試的學(xué)生方能繼續(xù)學(xué)習(xí)，沒有通過測試的學(xué)生自愿選擇參加下一輪的選課。實訓(xùn)結(jié)束后利用8學(xué)時進行總結(jié)與討論，以夯實學(xué)習(xí)效果。

5 結(jié)束語

自1995年以來，隨著科教興國戰(zhàn)略的實施，國家對教育的投入逐年提高，于2012年實現(xiàn)了國家財政性教育經(jīng)費支出占國內(nèi)生產(chǎn)總值4%的目標(biāo)［15］。被列入“211工程”的116所高校通過各種條件建設(shè)項目的支持，已經(jīng)購置了相當(dāng)數(shù)量的大型儀器。多數(shù)地方高校先后通過“中央與地方共建高等學(xué)校共建專項資金”、“中央財政支持地方高校發(fā)展專項資金”、“中西部高?；A(chǔ)能力建設(shè)工程”等項目的支持，辦學(xué)水平都得到了顯著提升。目前我國高等學(xué)校已經(jīng)擁有了數(shù)量可觀的大型儀器，已經(jīng)具備了面向本科生開放的物質(zhì)基礎(chǔ)。但是，高校在大型儀器的管理和使用中過于強調(diào)其科研職能，忽視了教學(xué)職能。這種傳統(tǒng)的教育觀念造成了多數(shù)大型儀器的利用率較低，同時廣大本科生迫切學(xué)習(xí)大型儀器的愿望不能得到滿足，創(chuàng)新能力提高受限。因此，繼續(xù)深化高校管理與教學(xué)改革，推進大型儀器面向本科生開放，仍是教育工作者面臨的重大課題。

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