面向本科生开放大型仪器的实践

2015-05-03汤海峰程瑛琨孟令军周毓麟滕利荣王贞佐

实验技术与管理 2015年11期

汤海峰，程瑛琨，孟令军，刘洋，周毓麟，滕利荣，王贞佐

（吉林大学生命科学学院，吉林长春 130012）

近年来国家对高等教育投入不断增加。随着 “211工程”、“985工程”、重点学科、重点实验室、修购专项、地方高校发展专项等项目的实施，各高校相继添置了大量大型仪器设备［1－3］。随着教学条件的改善，各高校已经拥有了数量可观的大型仪器。但是问题也随之而来，我国全部仪器设备年均有效工作机时不到发达国家的一半［4］。《国务院关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》中指出：我国科研设施与仪器利用率和共享水平不高。另一方面，《国家中长期教育改革和发展纲要（2010—2020年）》指出：我国学生适应社会和就业能力不强，创新型、实用型、复合型人才紧缺。为了解决复合型人才短缺的问题，高校教学改革亟待继续深化，而利用大型仪器进行实验教学是培养学生科研能力和创新精神的一条重要途径［5］。面向本科生开放大型仪器，既可以使高校部分闲置的大型仪器重新焕发活力，又有利于提高本科生的实践能力和创新能力，符合我国高等教育的实际情况。这方面有些高校已经走在了改革的前列，以不同的形式面向本科生开放了大型仪器，并取得了很好的教学效果。

1 面向本科生开放大型仪器的意义

高校拥有的大型仪器数量和质量是高校办学实力的体现，但是这些大型仪器如果没有充分发挥作用，这种办学实力将大打折扣。综合分析我国当前大型仪器管理和高素质人才培养中存在的问题，提高大型仪器设备利用率和投资效益，使其充分发挥在高等教育职能中的重要作用和资源优势，逐步在高校广大教师和管理部门中达成共识［6］，实行大型仪器面向本科生开放具有重要的作用，也越来越受大家的关注。

1.1 有利于提高大型仪器利用率，实现资源共享

高校用于购置大型仪器的经费来源主要包括用于改善教学条件的专项经费（简称教学专项经费，如修购专项）和用于支持科研的专项经费（简称科研专项经费，如重点学科建设项目）。教学专项经费以购置中小型仪器为主，用于购置大型仪器的份额有限。高校用于购置大型仪器的经费主要以科研专项经费为主。因此，高校中的多数大型仪器主要为科研服务。这些大型仪器受科研进程的影响，虽然阶段性利用率较高，但闲置时间仍然较多。由于在设备管理体制上教学和科研之间存在壁垒，加之受传统教育观念的影响，大型仪器很难面向本科生全面开放。因此，通过推动大型仪器面向本科生开放，有利于破除在高校设备管理体制上教学与科研之间的壁垒，促进资源共享，提高大型仪器的利用率，发挥大型仪器的教学职能。

1.2 有利于摆脱传统观念对高等教育的束缚，深化教学改革

重理论轻实践的教育观念曾经在我国高等教育史上占主导地位。虽然高校教学改革已经进行了许多年，实践教学在综合型人才培养中的地位已经逐步确立，但旧观念仍然在某种程度上存在着，并束缚高等教育改革。现代教育理念认为，理论教学和实践教学共同构成了学生培养体系的支柱［5］。实践教学是高校全面实行素质教育的重要环节，它相对于理论教学具有直观性、实践性、综合性和创新性，在加强对学生的素质教育与创新能力培养方面有着不可替代的作用［7］。通过面向本科生开放大型仪器可以进一步明确实践教学在综合型人才培养中的重要地位，有利于转变教育观念，深化教学改革，实现高校人才培养质的飞跃。

1.3 有利于提高学生的实践能力与创新能力，促进学生就业

《国务院关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》指出：“国家重大科研基础设施和大型科研仪器是用于探索未知世界、发现自然规律、实现技术变革的复杂科学研究系统，是突破科学前沿、解决经济社会发展和国家安全重大科技问题的技术基础和重要手段”。而高校中理工类毕业生的主要工作领域就是探索未知世界或解决当前面临的重大科技问题。如果毕业生能够精通一定数量的大型仪器设备，不但可以体现他们的实践能力和创新能力，还将为他们创造更大的就业空间，为他们尽快适应工作岗位并进行科技创新奠定基础。

2 面向本科生开放大型仪器的制约因素与解决方法

虽然大型仪器对高素质综合型人才培养的作用已被越来越多的师生认可，而且很多高校也进行了卓有成效的探索与实践，但是这种新的实践教学形式还没有被广泛地、深入地开展。目前能够在本科生实践教学中开展大型仪器使用技术训练的，主要集中在化学、环境等少数学科。这些学科依托原来的“仪器分析课程”进行课程改革，拓展了课程内容，使更多的大型分析、表征仪器可以面向本科生深度开放。但是，这种做法在其他理工类学科中较少见。这些学科在实际教学过程中常以演示实验为主，学生往往只是“走马观花”式地参观一下，有时甚至和仪器还“隔窗相望”，对绝大多数学生而言，独立上机操作是可望而不可及的［8］。受多种因素影响，高校中多数大型仪器只用于研究生和教师的科研工作，对本科生实验教学的开放性程度严重不足［9］。究其原因如下：台套数少，达不到规模实验教学的要求；实验项目周期长缺少学时支持；运行与维修费用昂贵，缺少教学经费支持；专业技术人员缺少，不能满足教学要求［10］。

要想全面实现大型仪器面向本科生开放，必须去除诸多制约因素。

（1）由于大型仪器台套数较少，在课程性质定位上宜设置为选修课程。在培养目标定位上，应强调主观兴趣，实行自主报名。通过限制课堂人数，按照小课甚至超小课的规模进行实验教学，增加学生练习时间和师生之间讨论交流的机会［11］。

（2）在实验教学安排方式上要突破传统教学安排模式的束缚，采取更为灵活的排课方式。专门的大型仪器训练可以利用开放时间进行。网络化管理使大型仪器对科研服务成为一个有计划的过程，为面向本科生开放大型仪器创造了有利条件［12］。教师可以通过预约系统查询仪器的闲置时间，再结合学生的课余时间安排教学。

（3）建立用户责任制度，合理划分维护维修责任。教学与科研实施者同属大型仪器的用户，用户按照使用率承担维护与维修费用。

（4）促进高校实验技术系列与教师系列的合理衔接。引导有能力的教师参与实验教学和大型仪器管理，同时加强对现有实验技术人员的培训。目前，大多数大型精密仪器都是模块化设计，自动化程度非常高，多数仪器实现了软件控制操作，操作步骤简单。因此，只要加强管理和培训工作，面向本科生开放大型科学仪器是完全可行的［13］。

（5）建立“教学与科研融合”的大型仪器共享平台。为了提高大型仪器的使用率，很多高校通过整合同类设备的方式，建立了若干以科研（测试）为主的仪器平台，这种管理形式过于强调大型仪器的科研功能和研究生层次的教学功能而忽视其本科教学功能。因此建立以教学为主兼顾科研的大型仪器平台或教学科研并重的大型仪器平台，将有利于大型仪器面向本科生深度开放。在平台建设中要弱化仪器的“出身”，将教学专项经费和科研专项经费购置的大型仪器集中共享，实现在设备管理层面的教学与科研融合。

3 大型仪器面向本科生开放的实践

对大型仪器的驾驭能力，是学生实践能力和创新能力的体现。多年来，我校国家级生物实验教学示范中心始终注重发挥大型仪器在本科生实践能力和创新能力培养中的重要作用，将大型仪器使用技能训练贯穿于本科生实践教学的始终，使有限数量的大型仪器在最大限度上发挥育人功能。

3.1 把大型仪器使用技能训练纳入教学大纲

教学大纲是教师进行教学的主要依据，是学科教学的指导性文件［14］。将大型仪器使用技能训练纳入到教学大纲，有利于推动和规范针对本科生的大型仪器教学，提高育人水平。由于大型仪器原理复杂、功能丰富、运行方式多种多样，很难采用统一的模式进行教学。因此，在教学大纲的制订过程中，我们根据大型仪器的特点设计了多样化的教学方式，集中教学与开放式教学相结合，必修内容与选修内容相结合。具体做法是：

（1）认知实习（课程编号：344001）为独立设置的必修教学环节，0.5学分，在第2学期开设。该环节属于“印象式”教学，通过学生与仪器设备，特别是大型仪器的感官接触，使学生先对仪器的主要功能和基本原理有初步了解，为深入学习使用奠定基础。

（2）仪器使用培训，该环节融入到各门实验课程中，贯穿于本科生实践教学的始终。根据各门实验课程的教学方案，安排4～8学时左右的仪器训练环节，对本门实验课程所用到的实验仪器进行精讲精练。对于大型仪器，要求学生掌握其原理并且可以独立操作。

（3）开放性实验（课程编号：343011）为独立设置的选修教学环节，2学分，在第4学期至第5学期开设。学生自主选择实验内容，在导师的指导下利用开放时间完成实验。在实验项目设计中，导师引导学生将一定数量的大型仪器纳入到实验方案中，培养学生的大型仪器使用技能和功能开发能力。

（4）校内实训实习（课程编号：344002、344006）为独立设置的必修教学环节，4学分，在第6学期或第7学期开设。该环节以生物工程技术产品和制药工程技术产品生产工艺路线训练和大型仪器使用技能训练为主，并设计了若干个项目模块，学生可以根据自己的兴趣和以后的职业发展方向自主选择项目模块。

3.2 建立教学与科研融合的大型仪器训练教学平台

目前各高校在大型仪器管理上教学与科研之间的壁垒还没有被完全打破，科研仪器一般不对本科生深度开放。为提升本科生的实践教学水平，充分发挥大型仪器的教学职能，我们打破了传统观念的束缚，将大型科研仪器纳入到了本科实践教学平台体系中。如：生物大分子相互作用系统、飞行时间质谱仪、转靶－X射线晶体衍射数据收集系统等10余台大型仪器或贵重仪器，全部面向本科生深度开放，并列入教学大纲。为了避免教学过程影响科研过程，我们实行了大型仪器网络预约使用制度。无论是教学使用还是科研使用，所有用户必须提前预约。科研专项经费购置的仪器优先用于科研，教学专项经费购置的仪器优先用于教学。科研仪器闲置时，教师结合学生的课余时间采取灵活的排课方式进行网络预约并开展教学。通过提前公告避免长时间连续使用，通过制订备用教学方案等方式避免影响科研使用。同时，教学专项经费购置的仪器，利用闲置时间面向科研开放。

3.3 采用符合认知规律的教学方法和现代化教学手段

教学方法决定教学水平。采取“课前预习考试”和“课后考核”等方法提高教学效果。教师在课前提前讲授实验原理，给学生充分的预习时间，在正式实验前进行预习效果测试，通过了预习测试的学生方能进入下一学习阶段。

教材是教学活动和学习活动的主要参考。我们编写了“生命科学仪器使用技术教程”作为大型仪器训练的主要教材。教材中没有收录的仪器以自编讲义的形式提前发放给学生，保证学生在课前预习时有据可依。信息技术作为一种现代教学手段已被广泛关注。通过将大型仪器的结构、原理和操作方法拍摄成视频或制作成动画，利用网络进行在线教学，既可以给学生直观的印象，还可打破了时间、空间对教学活动的束缚。同时，设计了考核学生学习效果的“仪器使用证”。在对学生进行大型仪器使用技能训练后，教师对学生进行单独考核，合格后教师在仪器使用证上签字。没有通过考核的学生要进行下一轮学习或对他们进行一对一培训，直至合格。

4 教学案例

我校制药工程专业每年招收2个班，药物制剂专业每年招收1个班。我们为这3个班开设了“制药工程校内实训实习”课程。该课程包含5个项目模块，开课时学生可以根据兴趣和以后的职业发展方向自主选择1个项目模块进行学习。2014年秋季学期共有来自3个班的18名学生成功地选择了项目模块A。该项目模块包含3条实训工艺路线（项目）：冬虫夏草深层发酵及活性成分测定、银杏叶脂质体片剂的制备及质量检测、林蛙抗菌肽软膏的制备及抑菌率的检测。我们将18名学生分成3个小组（A1－A3），见表1。

表1 制药工程校内实训实习项目模块A的教学安排及主要实验仪器

该项目模块以3个完整的实训工艺路线为载体，涉及22台（套）与生物、制药关系紧密的大型仪器。为了使学生能够全面了解实训工艺路线和大型仪器工作原理，每个路线安排8学时的理论讲授，主要内容为实验的原理、工艺流程、主要仪器的使用原理及操作方法。进行理论讲授时，将学习资料发给学生，供学习使用。在正式实训开始前对学生进行预习效果测试，通过了测试的学生方能继续学习，没有通过测试的学生自愿选择参加下一轮的选课。实训结束后利用8学时进行总结与讨论，以夯实学习效果。

5 结束语

自1995年以来，随着科教兴国战略的实施，国家对教育的投入逐年提高，于2012年实现了国家财政性教育经费支出占国内生产总值4%的目标［15］。被列入“211工程”的116所高校通过各种条件建设项目的支持，已经购置了相当数量的大型仪器。多数地方高校先后通过“中央与地方共建高等学校共建专项资金”、“中央财政支持地方高校发展专项资金”、“中西部高校基础能力建设工程”等项目的支持，办学水平都得到了显著提升。目前我国高等学校已经拥有了数量可观的大型仪器，已经具备了面向本科生开放的物质基础。但是，高校在大型仪器的管理和使用中过于强调其科研职能，忽视了教学职能。这种传统的教育观念造成了多数大型仪器的利用率较低，同时广大本科生迫切学习大型仪器的愿望不能得到满足，创新能力提高受限。因此，继续深化高校管理与教学改革，推进大型仪器面向本科生开放，仍是教育工作者面临的重大课题。

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［1］李小寒，王兴邦.加强共用平台建设，促进优质资源共享［J］.实验技术与管理，2006，23（11）：7－9，29.

［2］汤云晖，王波，李耳.大型仪器设备实验教学与本科生、研究生创新能力培养的探索实践［J］.中国现代教育装备，2010（17）：129－130，133.

［3］刘长宏，赵晗月，李刚，等.地方高校发展专项资金项目建设及管理实践研究［J］.中国现代教育装备，2015（1）：3－5.

［4］董碧娟.国家重大科研基础设施和大型科研仪器“走出深闺”：“沉睡”仪器变创新利器［N］.经济日报，2005－01－27（5）.

［5］法文君，郭珊珊.充分发挥大型仪器在普通本科院校化学教学中的作用［J］.中国科教创新导刊，2011（13）：75，77.

［6］赵晶.大型仪器设备与高等教育职能的实现［J］.实验室科学.2010，13（6）：157－159.

［7］付广云.大型仪器面向学生开放，培养学生综合素质［J］.高校实验室工作研究，2003（2）：62－63.

［8］王晓岗，郝志显，樊雅娟.大型仪器教学功能的研究与探索［J］.实验室科学，2012，15（5）：188－190.

［9］刘彦强，王益民，张小蒙，等.大型仪器设备应用于实验教学的管理方法研究［J］.中国轻工教育，2014（2）：66－68，93.

［10］汤海峰，王德利，孟威，等.大型仪器面向本科生开放过程存在的问题与解决对策［J］.实验技术与管理，2013，30（6）：205－207，213.