高校大型儀器設(shè)備在本科教學(xué)中的作用分析

[摘 要] 近年，國家為了提高科研院所的科研創(chuàng)新能力，對科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型儀器設(shè)備的投入不斷加大。購置的大學(xué)儀器設(shè)備主要應(yīng)用于科學(xué)研究，適用對象主要為從事科學(xué)研究的研究生群體。而本科生在實驗課程中接觸的都是較為基礎(chǔ)的常規(guī)教學(xué)儀器設(shè)備，接觸大型儀器設(shè)備的機會非常少，但是本科生畢業(yè)后從事專業(yè)相關(guān)工作時，使用的設(shè)備又都是實用性較高的大型儀器設(shè)備，而不是已經(jīng)被淘汰的常規(guī)儀器設(shè)備，這就導(dǎo)致技術(shù)崗位需求和教學(xué)培養(yǎng)脫節(jié)的現(xiàn)象。因此適當(dāng)讓本科生對專業(yè)領(lǐng)域的大型儀器設(shè)備有所了解對培養(yǎng)人才有一定的意義。

[關(guān)鍵詞] 高校;大型儀器設(shè)備;本科教學(xué)

[基金項目] 2019年度青海大學(xué)實驗教育教學(xué)研究項目“教學(xué)與科研常見大型儀器設(shè)備教學(xué)視頻制作”（SY201912）

[作者簡介] 張壽德（1984—），男，青海西寧人，醫(yī)學(xué)博士，青海大學(xué)三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事中藏藥活性成分及作用機理研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）07-0033-04? ? [收稿日期] 2020-11-11

創(chuàng)新是推動國家進步的重要力量，是經(jīng)濟發(fā)展的根本出路，因此培養(yǎng)創(chuàng)新型人才成為各高校的主要教育教學(xué)目標(biāo)。理工科院校和醫(yī)學(xué)院校的本科教育中，實踐與學(xué)生的創(chuàng)新能力密切相關(guān)，而實驗課是學(xué)生將學(xué)習(xí)到的理論知識用以實踐的重要途徑。實驗教學(xué)有利于學(xué)生利用理論知識解決實際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和科學(xué)研究的能力，且其在培養(yǎng)學(xué)生動手能力、觀察分析能力、想象拓展能力等方面具有理論課程不可替代的作用[1]。

儀器設(shè)備是實驗課實施的必要條件。目前高校的本科生在實驗課中主要以比較簡單的常規(guī)儀器設(shè)備為主。國家為了提高科研院所的科研創(chuàng)新能力，對科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型儀器設(shè)備的投入不斷加大[2]。高校每年花費大量資金來購置最新的大型儀器設(shè)備用于科學(xué)研究，而這些大型儀器設(shè)備的使用者主要以研究生為主，本科生因理論知識不足、缺少培訓(xùn)機會、儀器設(shè)備數(shù)量有限等原因經(jīng)常被拒之門外。但是大型儀器設(shè)備經(jīng)常代表著各個行業(yè)的最新研究水平，是一種通往這門學(xué)科的方法手段，對學(xué)生了解自己所在的行業(yè)有著至關(guān)重要的作用，因此，高校實驗課程不能忽略大型儀器設(shè)備對學(xué)生能力培養(yǎng)的作用。本文將從高校大型儀器設(shè)備在本科教學(xué)中的困難、作用和應(yīng)用方式三個方面進行探討。

一、高校大型儀器設(shè)備在本科實驗教學(xué)中的困難

（一）大型儀器設(shè)備價格昂貴，數(shù)量有限

科研院校購買的儀器設(shè)備一般都是行業(yè)內(nèi)比較尖端的設(shè)備，價格昂貴，多數(shù)大型儀器設(shè)備在每個高校一般只有1～2臺，如核磁共振波譜儀價格都在300萬以上，在青海大學(xué)只有一臺600兆的核磁共振波譜儀。因此這些數(shù)量有限的設(shè)備無法滿足本科教學(xué)。

（二）本科生缺少參加大型儀器設(shè)備培訓(xùn)機會

大型儀器一般都是以學(xué)院或?qū)W科方向或課題組來購置，購置后都會安排專門的儀器負責(zé)人。因此大型儀器設(shè)備的培訓(xùn)也主要針對這些學(xué)院、學(xué)科點或課題組的儀器負責(zé)人、教師和研究生。本科生相對缺少參與培訓(xùn)的機會，這也導(dǎo)致本科生對大型儀器設(shè)備一般都是處于一種敬而遠之的狀態(tài)。在這種沒有經(jīng)過正規(guī)培訓(xùn)的情況下，儀器負責(zé)人也不敢讓本科生來接觸大型儀器設(shè)備，因為要承擔(dān)被損壞的風(fēng)險。

（三）本科生的基礎(chǔ)理論知識儲備還不夠

本科生在學(xué)習(xí)過程中都是以學(xué)科相關(guān)的經(jīng)典理論知識為主，缺乏解決實際科學(xué)問題的實踐性理論基礎(chǔ)。如本科生對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)很清楚，但是很少會學(xué)習(xí)一些應(yīng)用型的理論知識，如蛋白質(zhì)所在環(huán)境的pH值不一樣，蛋白質(zhì)所帶的電荷不一樣，這個現(xiàn)象可以被用來分離和純化蛋白。還比如學(xué)生都知道熒光是如何產(chǎn)生的，但是很少知道熒光材料可以用來標(biāo)記生命體內(nèi)的細胞或蛋白，從而通過熒光顯微鏡來觀察。

（四）大型儀器設(shè)備的共享機制不夠完善

近年來國家針對提高高校大型儀器設(shè)備的使用率和共享率出臺了很多監(jiān)管措施，也確實起到了很大的作用，高?？蒲性O(shè)施與儀器開放共享的良好氛圍已逐步形成，利用效益持續(xù)提升。當(dāng)前高校主要以三種模式[3]來管理大型儀器設(shè)備：第一種是“集中管理，分散運行”模式，即把大型儀器設(shè)備繼續(xù)安置在最需要的院系或研究平臺，但是每臺儀器的信息集中到虛擬的網(wǎng)站上，用戶可以根據(jù)需求在網(wǎng)站上預(yù)約使用。第二種是“集中管理，集中運行”模式，即將所有大型儀器設(shè)備集中到一個平臺，如測試中心等平臺，然后集中運行。第三種是“委托管理，集中運行”模式。這種模式是由學(xué)校將開放共享平臺委托給某個院系負責(zé)管理。這三種模式中離本科生教學(xué)最近的還是第一種模式，這種模式下大型儀器設(shè)備分布在各個院系，這樣各院系的本科生還有可能接觸到這些大型儀器設(shè)備，第二種模式和第三種模式對大型儀器設(shè)備進行集中管理，一般還配備專門的管理人員，這兩種模式對外服務(wù)能力強，但是主要的服務(wù)對象是科研單位或科研人員，和本科教學(xué)關(guān)系不大[4]。

此外高校大型儀器設(shè)備的共享仍然存在問題，如部分單位大型儀器設(shè)備分散化、個人化的情況依然存在，有不少科研儀器還分散在課題組或個人手中。這些負責(zé)儀器的課題組共享性意愿很弱，也很少為本科教學(xué)服務(wù)。此外還存在閑置浪費、不少新購置的儀器全年使用機時很少、實驗技術(shù)人員數(shù)量明顯不足、實驗技術(shù)支撐隊伍薄弱等現(xiàn)象[5]。

二、高校大型儀器設(shè)備在本科實驗教學(xué)中的作用

（一）大型儀器設(shè)備的使用有助于提升本科生的創(chuàng)新能力

目前的實驗課可劃分為驗證式實驗教學(xué)設(shè)計、模擬式實驗教學(xué)設(shè)計、觀察式實驗教學(xué)設(shè)計、探索式實驗教學(xué)設(shè)計四種類型[6]，而目前高等院校的本科生實驗課程主要以驗證式實驗教學(xué)設(shè)計為主，即學(xué)生為了驗證已有理論知識或已存在的實驗結(jié)論而實施的實驗類型。這種實驗類型在實施之前已經(jīng)被授課老師或?qū)嶒炛笇?dǎo)教材確定好了實驗路線，學(xué)生在實驗過程中只需按照規(guī)定路線實施即可。此類實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，但是對學(xué)生的思考能力和創(chuàng)新能力的提升培養(yǎng)不足。創(chuàng)新并不是憑空想象，而是基于熟知某個領(lǐng)域的前提下產(chǎn)生的創(chuàng)新點。學(xué)生在進行驗證式實驗的過程中接觸的主要是最常規(guī)的儀器設(shè)備，而對本行業(yè)的一些最先進的儀器設(shè)備缺乏認知，這將導(dǎo)致如果學(xué)生想做一個探索性實驗的時候最先考慮到的是自己實驗使用過的常規(guī)儀器設(shè)備，而這些常規(guī)儀器設(shè)備使用的方法比較傳統(tǒng)或陳舊，往往不利于創(chuàng)新。但是大型儀器設(shè)備往往整合了最新的試驗方法，對一些創(chuàng)新性實驗不僅能起到具有事半功倍的作用，還能提供最新的解決辦法。比如我們課題組曾經(jīng)指導(dǎo)本科學(xué)生做創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，給學(xué)生的題目是“藏紅花中藏紅花素的制備工藝方法研究”，學(xué)生提交的研究方法是將藏紅花素純化出來后通過質(zhì)量比重來確定其含量，這種方法需要從不同提取方法獲得的粗提物中將藏紅花素純化出來，具有周期長、影響因素多的劣勢，這些方法都是學(xué)生基于自己所學(xué)的專業(yè)知識和用過的儀器設(shè)備設(shè)計出來的，而他們不知道高效液相色譜儀或液相質(zhì)譜連用儀在不用純化出藏紅花素的前提下即可完成定量[7]。

（二）大型儀器設(shè)備的使用有助于本科生就業(yè)

隨著國內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)過程中已購置了多種大型儀器設(shè)備。比如藥品生產(chǎn)企業(yè)或藥物檢驗單位，已經(jīng)將質(zhì)譜儀器和高效液相色譜儀器作為常規(guī)分析儀器，而我們本科生在接受本科教育的過程中其實很少能接觸到這類儀器。2020年版《中國藥典》將基于表面等離子共振技術(shù)的Biacore設(shè)備引入藥典中，但是本科生很少知道此類大型儀器設(shè)備[8]。如果我們在本科生教學(xué)實驗的實施過程中，通過模擬式實驗教學(xué)、觀摩式實驗教學(xué)、探索式實驗教學(xué)等方法使本科生對本行業(yè)的一些先進儀器設(shè)備有所了解，勢必會增加學(xué)生的就業(yè)機會。特別是針對一些測試分析或質(zhì)量控制的崗位，企業(yè)為了控制成本往往不愿意花錢請碩士研究生擔(dān)任，如果本科生能勝任，企業(yè)更傾向于雇傭本科生來降低企業(yè)成本。

（三）大型儀器設(shè)備的使用有助于本科生意識到我國在大型儀器設(shè)備研發(fā)方面的短板

目前實驗室的科研型大型儀器設(shè)備還是以進口為主，價格昂貴。本科生在了解這些設(shè)備的過程中肯定會好奇這些好用的設(shè)備產(chǎn)自哪里，價格多少，從而了解到我國在科學(xué)研究大型儀器設(shè)備研發(fā)方面的不足之處。這有助于學(xué)生在未來的發(fā)展中更加關(guān)注國家面臨的一些卡脖子技術(shù)，從而提升創(chuàng)新研究能力。

（四）大型儀器設(shè)備的使用有利于提升本科生的學(xué)習(xí)積極性

本科生的教學(xué)都是以基于傳統(tǒng)理論知識的應(yīng)試性教學(xué)和填鴨式教學(xué)為主，導(dǎo)致學(xué)生缺乏興趣和思考的空間，極大限制了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。大型儀器設(shè)備是理論與實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，代表著各個行業(yè)中最先進的技術(shù)，同時也是解決科研問題的重要工具。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己所學(xué)的理論知識能夠解決實際問題時，往往會極大地提高他們的學(xué)習(xí)積極性。本人在青海大學(xué)擔(dān)任藥學(xué)專業(yè)的班主任工作，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)“分析化學(xué)”課程的時候感覺到枯燥難懂，于是筆者讓學(xué)生來自己的實驗室看看高效液相色譜儀、核磁共振波譜儀等設(shè)備如何運行，同時帶著他們做幾個實驗，最后發(fā)現(xiàn)這些學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性提高了很多，他們也覺得“分析化學(xué)”沒有那么難懂。

三、高校大型儀器設(shè)備在本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用方式

（一）通過模擬式實驗教學(xué)方法讓本科生了解大型儀器設(shè)備的原理和使用方法

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，VR虛擬仿真技術(shù)得到了快速發(fā)展，從而加快了VR虛擬仿真實驗室的建設(shè)。運用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬學(xué)科實驗室，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗操作對象，學(xué)生可以自主選擇不同實驗，在虛擬的環(huán)境下進行實驗觀摩、模擬實驗、拓展訓(xùn)練等操作，在虛擬實驗的互動體驗中更深入地學(xué)習(xí)知識。但是目前的VR虛擬仿真實驗室基本上是以簡單的操作性實驗為主，相對缺乏大型儀器設(shè)備的原理介紹和操作過程，因此在后期的VR虛擬仿真實驗室建設(shè)過程中要結(jié)合大型儀器設(shè)備生產(chǎn)商來建立針對大型儀器設(shè)備的VR虛擬仿真實驗室[9]。這將有助于解決大型儀器設(shè)備用于本科教學(xué)時設(shè)備數(shù)量不足、本科生操作經(jīng)驗不足容易損壞儀器等問題。

（二）通過觀摩式實驗教學(xué)方法讓本科生了解大型儀器設(shè)備的原理和使用方法

在實驗室大型儀器設(shè)備數(shù)量有限的情況下，可以通過觀摩式實驗教學(xué)方法來進行教學(xué)。第一種方式是將本科生分為幾個小組，然后授課老師給每個小組進行大型儀器設(shè)備的示范性操作，讓學(xué)生通過觀看和咨詢的方式進行了解。第二種方式是授課教師將大型儀器設(shè)備的操作過程進行視頻錄制，并制成一個教學(xué)視頻，讓學(xué)生通過觀看視頻來了解大型儀器設(shè)備的原理和操作過程，這樣的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生在上機操作前做好充分的準(zhǔn)備[ 10 ]。我們實驗室目前正在進行這樣的視頻課程建設(shè)，我們計劃將本實驗室的大型儀器設(shè)備的理論知識和操作指南制作成視頻，然后用于本科生的輔助教學(xué)視頻。

（三）通過探索式實驗教學(xué)方法讓本科生了解大型儀器設(shè)備的原理和使用方法

本科生中往往有部分學(xué)生對科學(xué)研究非常感興趣，對于這部分學(xué)生學(xué)校應(yīng)該為其提供更多的機會，包括大學(xué)儀器設(shè)備的接觸和學(xué)習(xí)機會。讓這些學(xué)生根據(jù)自己的興趣點設(shè)計實驗思路、選取實驗工具、觀察實驗現(xiàn)象和處理實驗數(shù)據(jù)。這種開放式的探索式實驗類型，能夠給學(xué)生提供更多的思考機會，同時也讓學(xué)生更加了解大型儀器設(shè)備的原理和功能[ 11 ]。

（四）通過讓學(xué)生參加第二課堂或創(chuàng)新研究項目來增加接觸大型儀器設(shè)備的機會

學(xué)校應(yīng)該給本科生創(chuàng)造更多的參與第二課堂的機會，讓本科生在課余時間走進實驗室，跟隨從事研究的老師或研究生一起進行實驗，從而創(chuàng)造更多學(xué)習(xí)大型儀器設(shè)備操作方法的機會[ 12 ]。此外，近年來高校越來越重視創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，可以鼓勵更多的本科生結(jié)合自己的專業(yè)背景去做一些創(chuàng)新項目，這樣的項目往往是領(lǐng)域內(nèi)比較前沿的項目，對大型儀器設(shè)備的需求更多[ 13 ]。

（五）通過開設(shè)相關(guān)課程來增加本科生對大型儀器設(shè)備的了解

上文提到過大型儀器設(shè)備的數(shù)量相對有限，不能滿足本科生的教學(xué)需求，但是可以讓承擔(dān)大型儀器設(shè)備管理的部門，如分析測試中心來開設(shè)針對本科生的儀器操作選修課程，讓感興趣的本科生有機會參與學(xué)習(xí)。這樣的課程要注重理論和實踐相結(jié)合，而不是單純地講解理論知識。青海大學(xué)分析測試中心開設(shè)了“儀器分析”的課程，但是主要以研究生為授課對象。

四、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，新的理論和方法不斷出現(xiàn)，從而指導(dǎo)更多的大型儀器設(shè)備不斷推陳出新。這也促使高校不斷改進教學(xué)模式和教學(xué)手段，如果只沿襲傳統(tǒng)的應(yīng)試教育的知識傳輸與接受模式，很難改變學(xué)生被動學(xué)習(xí)、死記硬背、一味追求分數(shù)的現(xiàn)狀，也不利于培養(yǎng)創(chuàng)新性人才[ 14 ]。

國家每年投入很多資金用于購置大型儀器設(shè)備，然而如何提高大型儀器設(shè)備的使用率也是目前面臨的一大問題。如果能夠?qū)⑦@些大型儀器設(shè)備用于本科教學(xué)，不但有利于提高設(shè)備使用率，而且對創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)具有重要意義。但是大型儀器設(shè)備用于本科教學(xué)面臨很多困難，需要高校根據(jù)自己的情況尋找相應(yīng)的解決方法。

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Analysis of the Role of Large-scale Instruments and Equipment in Undergraduate Teaching

ZHANG Shou-de

（State Key Laboratory of Plateau Ecology and Agriculture in Sanjiangyuan， Qinghai University， Xining， Qinghai 810016， China）

Abstract： In recent years， in order to improve the scientific research and innovation ability of scientific research institutes， the state has been increasing investment in scientific research infrastructure and large-scale instruments and equipment. The purchased university instruments and equipment are mainly used in scientific research， and are mainly used by graduate students engaged in scientific research. Undergraduates are usually exposed to basic conventional teaching instruments and equipment in experiment courses， and have very little access to large-scale instruments and equipment. However， when undergraduates engage in professional-related work after graduation， they need to use high practical large-scale instruments and equipment rather than the old conventional instruments and equipment， which leads to the mismatching of technical posts demand and teaching. Therefore， increasing undergraduates learning opportunities for large-scale instruments and equipment has certain significance for cultivating talents.

Key words： colleges and universities; large-scale instruments and equipment; undergraduate teaching