發(fā)揮大型儀器設備作用 提高本科生創(chuàng)新能力

劉慧 張大庚 栗杰 李雙異

摘? 要? 大型儀器是高校建設一流學科，辦好本科教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才的根本保障。但大型儀器價格昂貴，并受時間、空間、環(huán)境等因素制約，在本科生實踐教學中應用程度不高。通過開設儀器分析課程、豐富儀器培訓內容、擴大儀器培訓對象、理論和實踐相結合等方式，增加本科生學習和使用大型儀器的機會，為運用大型儀器提高本科生創(chuàng)新實踐能力探索新路徑。

關鍵詞? 本科生；大型儀器；一流學科；創(chuàng)新能力；虛擬仿真實訓系統(tǒng)

中圖分類號：G482? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）07-0014-03

0? 引言

大型儀器是高校人才培養(yǎng)、專業(yè)建設和學科發(fā)展的硬件保障，也是知識與技術創(chuàng)新必不可少的工具 [1]。在一流學科建設中，把能否熟練操作大型儀器作為衡量本科生科研素質及創(chuàng)新能力的一個重要標志[2]。

2015年，國務院印發(fā)《國家統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》。2017年，教育部、財政部、國家發(fā)展改革委聯合印發(fā)《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設實施辦法（暫行）》[3-4]。沈陽農業(yè)大學土地與環(huán)境學院（以下簡稱本院）農業(yè)資源與環(huán)境學科2019年入選遼寧省“雙一流”建設學科，2020年入選國家一流建設學科。在一流學科建設背景下，土地與環(huán)境學院大型儀器實驗中心（以下簡稱中心）在大型儀器購置和管理方面取得長足發(fā)展。目前，中心有精良儀器設備35臺（件），總價值5 000余萬元；有大型儀器專管教師八人、研究生助理五人、本科生助理三人。精良的技術裝備和精湛的專業(yè)隊伍為教學和科研的有序開展提供了有力保障。

但是，大型儀器受價格昂貴、操作復雜等自身因素的限制，以及時間、空間、環(huán)境等外界因素的制約，導致其在本科生實踐教學中應用較少[5]。通過開設課程、擴大培訓、學用結合等方式，提高大型儀器在本科實踐教學中的應用比重，不僅可以有效盤活大型儀器設備資源，而且能夠很好地提升本科生創(chuàng)新能力[6]。

1? 開設課程

為使本科生對大型儀器的工作原理、應用領域、技術操作等有更深刻的理解，中心自2015年為本科生開設大型儀器方面的選修課，通過課程的系統(tǒng)學習，提高本科生的理論認知能力和實踐創(chuàng)新能力。

1.1? 課程內容豐富化

中心在農業(yè)資源與環(huán)境、環(huán)境科學兩個專業(yè)本科生中開設30學時的“資源環(huán)境類大型儀器分析”選修課程，課程內容如下。

1）理論：主要講授大型儀器的應用領域、工作原理、注意事項、操作流程、應用實例等基本知識（10學時）。

2）觀摩：把學生分成若干小組，每組3～5人，輪流進入實驗室參觀，由專管教師親自示范儀器操作流程，目的是對儀器進行簡單了解（5學時）。

3）模擬：借助大型儀器的離線模擬平臺，學生可以模擬操作儀器，目的是熟悉操作流程（5學時）。

4）實踐：在以上三項內容充分熟悉并掌握，不會對儀器造成影響的前提下，由專管教師指導學生操作儀器并測試樣品，打印分析報告（10學時）。

通過本課程的學習，本科生要對高精尖的科技設備有更深入的了解，提高實踐能力。

1.2? 授課方式信息化

本科生人數多，實驗技能欠缺，大多數情況下還不能直接在儀器上進行操作訓練。因此，通過虛擬仿真操作軟件進行模擬教學，本科生可以隨時隨地開展大型儀器的自主學習活動。大型儀器虛擬仿真實踐教學采用3D技術，將原理、方法、軟件等進行演示，并模擬操作得出實驗數據[7]。目前，中心開發(fā)了電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）、激光粒度儀等七臺儀器的虛擬仿真系統(tǒng)及標準化操作視頻，對應的本科生實踐課程有環(huán)境毒理學、農產品質量分析、土壤與環(huán)境分析等三門主干課。每年近120名本科生在技能培訓和實踐過程中使用大型儀器虛擬仿真實訓系統(tǒng)，取得很好的應用效果。

2? 擴大培訓

本科生經過理論和實踐課程的學習，雖然在知識和技能上有了較大的提高，但大型儀器畢竟價格昂貴，操作不慎就會造成很大的財產損失。針對這一問題，中心加大了本科生培訓的深度和廣度。

2.1? 培訓形式多樣化

中心自2015年成立以來，已經組織各種規(guī)模和形式的培訓60余次，累計培訓本科生近400人。中心編寫了培訓大綱，并根據實際情況每年進行修訂。培訓主要由四部分組成。

1）預習。通過大型儀器平臺發(fā)布培訓時間、地點、人員及相關資料，學生事先通過預習了解培訓內容。

2）面授。工程師、儀器專管教師集中講授儀器工作原理、儀器構造、儀器工作模式、軟件使用及應用圖例、注意事項等知識。

3）上機。在工程師或儀器專管教師的指導下，學生3～5人為一組進行上機操作練習。

4）考核。考核分筆試和實操兩部分，筆試主要對培訓內容進行加深和鞏固，實操是選擇一種儀器進行上機測樣，得出有效數據。

2.2? 培訓對象擴大化

近五年本院本科生的考研率平均達到65%，大多數本科生選擇繼續(xù)學習和深造。從本科生到研究生，不僅要求知識上進行儲備，更要求技能的提高，大型儀器培訓是提高本科生實踐技能的有效途徑。中心自2016年開始，在新生入學教育階段組織本科生參觀中心實驗室，并將大型儀器在培養(yǎng)創(chuàng)新人才的作用，依托大型儀器取得的科研成果等向本科生認真宣講[8]。通過參觀，不僅充分展示了學院的硬件條件，而且讓學生直觀感受到開放的學術氛圍，激發(fā)他們對科研的興趣[9]。中心每年都舉行不同規(guī)模、多種形式的培訓。2020年，中心進行了液相色譜儀、同位素質譜儀等六臺儀器的培訓，其中本科生參加人數達到75人次，有13人成功拿到大型儀器使用資格證書。經過多年的培訓與實踐，本科生在知識體系、動手能力、科研創(chuàng)新等方面有了質的飛躍，大型儀器培訓成為本科生創(chuàng)新能力提升的重要環(huán)節(jié)。

3? 學用結合

任何知識的學習只有不斷地實踐才能更好地消化。為了降低本科生對大型儀器設備的恐懼感，激發(fā)本科生勇于實踐的熱情，中心對大型儀器參與本科實踐教學的形式和內容進行改革與探索[10]。

3.1? 傳統(tǒng)實驗與大型儀器的結合

隨著大型儀器知識的普及和應用，土壤學教研室和環(huán)境科學教研室經過多次教學研討，決定在2015級農業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)土壤與環(huán)境分析、農產品品質分析和2016級環(huán)境科學專業(yè)環(huán)境毒理學上使用大型儀器，經過三年的教學改革和實踐，取得很好的效果。具體實驗項目為：土壤全氮測定、土壤有機質測定采用元素分析儀；土壤重金屬含量測定，環(huán)境水體中鉻、鉛、砷測定采用ICP；農產品農藥殘留測定采用高效液相色譜儀；土壤和水體中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮測定采用流動分析儀。把傳統(tǒng)實驗方法和大型儀器相結合，不僅縮短了實驗進程，提高了實驗準確度和成功率，而且滿足了本科生的好奇心和求知欲，激發(fā)了他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。學生也可通過對傳統(tǒng)方法與大型儀器方法測定的數據進行對比分析，探討兩種方法的差異性和優(yōu)缺點，從而提高分析和解決問題的能力。

3.2? 自主實驗與大型儀器的結合

為了推進大型儀器在農業(yè)基礎學科領域中的應用，深化本科生對大型儀器在構建專業(yè)知識體系中作用的理解，學院鼓勵本科生借助大型儀器開展多層次的自主創(chuàng)新實踐活動[2]。學院成立由實驗室主任為組長、儀器專管教師和科研教師為組員的科技創(chuàng)新指導小組。學生可根據個人興趣，結合專業(yè)知識，在科技創(chuàng)新指導小組成員的帶領下開展深層次、高水平的自主創(chuàng)新實驗活動，經過三年的實踐，取得顯著效果：依托大型儀器獲得大學生創(chuàng)新訓練項目53項，其中國家級大學生創(chuàng)新訓練項目八項、省級16項、校級29項；300多名本科生參與創(chuàng)新科研訓練，占學院本科生人數的33.3%；大學生創(chuàng)新訓練項目“電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀同時測定土壤有效硫和有效磷方法的優(yōu)化（2019-42）”，已經順利結題，項目組成員已經完成測試方法和測試參數的優(yōu)化，為實驗教學和科學研究提供了參考。

4? 結束語

總結多年的實踐經驗，大型儀器在提高本科生創(chuàng)新能力上取得明顯成效，主要表現在：

1）通過開設課程、擴大培訓，強化了大型儀器的教學功能，提高了儀器的利用率，使本科生獲得更多的學習和使用大型儀器的機會；

2）通過大型儀器助力傳統(tǒng)實驗，凸顯了大型儀器的優(yōu)越性，使本科生了解了科技前沿，拓寬了創(chuàng)新視野，提高了基礎實驗教學的層次；

3）通過依托大型儀器開展自主性、研究性、原創(chuàng)性實驗項目，提高了本科生的自主學習意識和創(chuàng)新思維能力，本科生的科研能力得到提升。

隨著大型儀器在本科實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)的應用和探索，必將進一步發(fā)揮大型儀器的優(yōu)勢和作用，為提高本科生創(chuàng)新能力開辟出一條新路。

參考文獻

[1] 陳晨，翁雨燕，范大明，等.一流學科建設中大型精密貴重儀器設備培訓體系的改革[J].實驗室研究與探索，2020，39（3）：258-261，273.

[2] 王曉崗，許新華，郝志顯，等.以培養(yǎng)本科生自主學習能力為目的的大型儀器開放實驗教學[J].實驗室研究與探索，2019，38（6）：181-184，234.

[3] 國務院關于印發(fā)統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案的通知[A/OL].（2015-11-05）[2021-12-28].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-11/05/content_10269.htm.

[4] 教育部 財政部 國家發(fā)展改革委關于印發(fā)《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設實施辦法（暫行）》的通知[A/OL].（2017-01-25）[2021-12-29].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A22/moe_843/201701/t20170125_295701.html.

[5] 許偉，姚日暉，寧洪龍.面向本科實驗教學的大型儀器設備管理[J].中國高?？萍迹?019（5）：24-26.

[6] 何亞群，劉懷宇，謝衛(wèi)寧，等.探索大型儀器開放共享對提高理工科大學生創(chuàng)新能力的新途徑[J].實驗室研究與探索，2019，38（8）：261-265.

[7] 錢猛，楊娜，劉園園，等.大型儀器平臺虛擬仿真實訓系統(tǒng)在農業(yè)與生命科學類研究生培養(yǎng)中的應用機制[J].高校實驗室工作研究，2018（3）：125-128.

[8] 趙陽，管利萍，李海燕，等.大型科研儀器平臺參與本科生創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實踐與探索[J].實驗室科學，2019，22（2）：218-223，226.

[9] 石變芳，宋楠，常靜，等.大型儀器的資源共享建設及在教學科研中的應用[J].實驗室研究與探索，2019，38（9）：271-274.

[10] 權茂華，孫建林，毛璟紅，等.加強大型儀器服務平臺建設 提高共享服務能力[J].實驗技術與管理，2019，36（2）：238-240.

作者：劉慧，沈陽農業(yè)大學土地與環(huán)境學院大型儀器實驗中心實驗室主任，實驗師，主要從事儀器分析、實驗教學工作；張大庚、栗杰、李雙異，沈陽農業(yè)大學土地與環(huán)境學院（110866）。