高校大型仪器设备在本科教学中的作用分析

[摘 要] 近年，国家为了提高科研院所的科研创新能力，对科研基础设施和大型仪器设备的投入不断加大。购置的大学仪器设备主要应用于科学研究，适用对象主要为从事科学研究的研究生群体。而本科生在实验课程中接触的都是较为基础的常规教学仪器设备，接触大型仪器设备的机会非常少，但是本科生毕业后从事专业相关工作时，使用的设备又都是实用性较高的大型仪器设备，而不是已经被淘汰的常规仪器设备，这就导致技术岗位需求和教学培养脱节的现象。因此适当让本科生对专业领域的大型仪器设备有所了解对培养人才有一定的意义。

[关键词] 高校;大型仪器设备;本科教学

[基金项目] 2019年度青海大学实验教育教学研究项目“教学与科研常见大型仪器设备教学视频制作”（SY201912）

[作者简介] 张寿德（1984—），男，青海西宁人，医学博士，青海大学三江源生态与高原农牧业国家重点实验室副教授，硕士生导师，主要从事中藏药活性成分及作用机理研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）07-0033-04    [收稿日期] 2020-11-11

创新是推动国家进步的重要力量，是经济发展的根本出路，因此培养创新型人才成为各高校的主要教育教学目标。理工科院校和医学院校的本科教育中，实践与学生的创新能力密切相关，而实验课是学生将学习到的理论知识用以实践的重要途径。实验教学有利于学生利用理论知识解决实际问题，从而培养学生分析问题、解决问题和科学研究的能力，且其在培养学生动手能力、观察分析能力、想象拓展能力等方面具有理论课程不可替代的作用[1]。

仪器设备是实验课实施的必要条件。目前高校的本科生在实验课中主要以比较简单的常规仪器设备为主。国家为了提高科研院所的科研创新能力，对科研基础设施和大型仪器设备的投入不断加大[2]。高校每年花费大量资金来购置最新的大型仪器设备用于科学研究，而这些大型仪器设备的使用者主要以研究生为主，本科生因理论知识不足、缺少培训机会、仪器设备数量有限等原因经常被拒之门外。但是大型仪器设备经常代表着各个行业的最新研究水平，是一种通往这门学科的方法手段，对学生了解自己所在的行业有着至关重要的作用，因此，高校实验课程不能忽略大型仪器设备对学生能力培养的作用。本文将从高校大型仪器设备在本科教学中的困难、作用和应用方式三个方面进行探讨。

一、高校大型仪器设备在本科实验教学中的困难

（一）大型仪器设备价格昂贵，数量有限

科研院校购买的仪器设备一般都是行业内比较尖端的设备，价格昂贵，多数大型仪器设备在每个高校一般只有1～2台，如核磁共振波谱仪价格都在300万以上，在青海大学只有一台600兆的核磁共振波谱仪。因此这些数量有限的设备无法满足本科教学。

（二）本科生缺少参加大型仪器设备培训机会

大型仪器一般都是以学院或学科方向或课题组来购置，购置后都会安排专门的仪器负责人。因此大型仪器设备的培训也主要针对这些学院、学科点或课题组的仪器负责人、教师和研究生。本科生相对缺少参与培训的机会，这也导致本科生对大型仪器设备一般都是处于一种敬而远之的状态。在这种没有经过正规培训的情况下，仪器负责人也不敢让本科生来接触大型仪器设备，因为要承担被损坏的风险。

（三）本科生的基础理论知识储备还不够

本科生在学习过程中都是以学科相关的经典理论知识为主，缺乏解决实际科学问题的实践性理论基础。如本科生对蛋白质的结构和性质很清楚，但是很少会学习一些应用型的理论知识，如蛋白质所在环境的pH值不一样，蛋白质所带的电荷不一样，这个现象可以被用来分离和纯化蛋白。还比如学生都知道荧光是如何产生的，但是很少知道荧光材料可以用来标记生命体内的细胞或蛋白，从而通过荧光显微镜来观察。

（四）大型仪器设备的共享机制不够完善

近年来国家针对提高高校大型仪器设备的使用率和共享率出台了很多监管措施，也确实起到了很大的作用，高校科研设施与仪器开放共享的良好氛围已逐步形成，利用效益持续提升。当前高校主要以三种模式[3]来管理大型仪器设备：第一种是“集中管理，分散运行”模式，即把大型仪器设备继续安置在最需要的院系或研究平台，但是每台仪器的信息集中到虚拟的网站上，用户可以根据需求在网站上预约使用。第二种是“集中管理，集中运行”模式，即将所有大型仪器设备集中到一个平台，如测试中心等平台，然后集中运行。第三种是“委托管理，集中运行”模式。这种模式是由学校将开放共享平台委托给某个院系负责管理。这三种模式中离本科生教学最近的还是第一种模式，这种模式下大型仪器设备分布在各个院系，这样各院系的本科生还有可能接触到这些大型仪器设备，第二种模式和第三种模式对大型仪器设备进行集中管理，一般还配备专门的管理人员，这两种模式对外服务能力强，但是主要的服务对象是科研单位或科研人员，和本科教学关系不大[4]。

此外高校大型仪器设备的共享仍然存在问题，如部分单位大型仪器设备分散化、个人化的情况依然存在，有不少科研仪器还分散在课题组或个人手中。这些负责仪器的课题组共享性意愿很弱，也很少为本科教学服务。此外还存在闲置浪费、不少新购置的仪器全年使用机时很少、实验技术人员数量明显不足、实验技术支撑队伍薄弱等现象[5]。

二、高校大型仪器设备在本科实验教学中的作用

（一）大型仪器设备的使用有助于提升本科生的创新能力

目前的实验课可划分为验证式实验教学设计、模拟式实验教学设计、观察式实验教学设计、探索式实验教学设计四种类型[6]，而目前高等院校的本科生实验课程主要以验证式实验教学设计为主，即学生为了验证已有理论知识或已存在的实验结论而实施的实验类型。这种实验类型在实施之前已经被授课老师或实验指导教材确定好了实验路线，学生在实验过程中只需按照规定路线实施即可。此类实验有助于培养学生的动手能力，但是对学生的思考能力和创新能力的提升培养不足。创新并不是凭空想象，而是基于熟知某个领域的前提下产生的创新点。学生在进行验证式实验的过程中接触的主要是最常规的仪器设备，而对本行业的一些最先进的仪器设备缺乏认知，这将导致如果学生想做一个探索性实验的时候最先考虑到的是自己实验使用过的常规仪器设备，而这些常规仪器设备使用的方法比较传统或陈旧，往往不利于创新。但是大型儀器设备往往整合了最新的试验方法，对一些创新性实验不仅能起到具有事半功倍的作用，还能提供最新的解决办法。比如我们课题组曾经指导本科学生做创新创业项目，给学生的题目是“藏红花中藏红花素的制备工艺方法研究”，学生提交的研究方法是将藏红花素纯化出来后通过质量比重来确定其含量，这种方法需要从不同提取方法获得的粗提物中将藏红花素纯化出来，具有周期长、影响因素多的劣势，这些方法都是学生基于自己所学的专业知识和用过的仪器设备设计出来的，而他们不知道高效液相色谱仪或液相质谱连用仪在不用纯化出藏红花素的前提下即可完成定量[7]。

（二）大型仪器设备的使用有助于本科生就业

随着国内产业结构不断优化，多数企业在生产过程中已购置了多种大型仪器设备。比如药品生产企业或药物检验单位，已经将质谱仪器和高效液相色谱仪器作为常规分析仪器，而我们本科生在接受本科教育的过程中其实很少能接触到这类仪器。2020年版《中国药典》将基于表面等离子共振技术的Biacore设备引入药典中，但是本科生很少知道此类大型仪器设备[8]。如果我们在本科生教学实验的实施过程中，通过模拟式实验教学、观摩式实验教学、探索式实验教学等方法使本科生对本行业的一些先进仪器设备有所了解，势必会增加学生的就业机会。特别是针对一些测试分析或质量控制的岗位，企业为了控制成本往往不愿意花钱请硕士研究生担任，如果本科生能胜任，企业更倾向于雇佣本科生来降低企业成本。

（三）大型仪器设备的使用有助于本科生意识到我国在大型仪器设备研发方面的短板

目前实验室的科研型大型仪器设备还是以进口为主，价格昂贵。本科生在了解这些设备的过程中肯定会好奇这些好用的设备产自哪里，价格多少，从而了解到我国在科学研究大型仪器设备研发方面的不足之处。这有助于学生在未来的发展中更加关注国家面临的一些卡脖子技术，从而提升创新研究能力。

（四）大型仪器设备的使用有利于提升本科生的学习积极性

本科生的教学都是以基于传统理论知识的应试性教学和填鸭式教学为主，导致学生缺乏兴趣和思考的空间，极大限制了学生的积极性和创造性。大型仪器设备是理论与实践相结合的产物，代表着各个行业中最先进的技術，同时也是解决科研问题的重要工具。当学生发现自己所学的理论知识能够解决实际问题时，往往会极大地提高他们的学习积极性。本人在青海大学担任药学专业的班主任工作，很多学生在学习“分析化学”课程的时候感觉到枯燥难懂，于是笔者让学生来自己的实验室看看高效液相色谱仪、核磁共振波谱仪等设备如何运行，同时带着他们做几个实验，最后发现这些学生的学习积极性提高了很多，他们也觉得“分析化学”没有那么难懂。

三、高校大型仪器设备在本科实验教学中的应用方式

（一）通过模拟式实验教学方法让本科生了解大型仪器设备的原理和使用方法

随着计算机技术的不断发展，VR虚拟仿真技术得到了快速发展，从而加快了VR虚拟仿真实验室的建设。运用虚拟仿真技术构建虚拟学科实验室，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验操作对象，学生可以自主选择不同实验，在虚拟的环境下进行实验观摩、模拟实验、拓展训练等操作，在虚拟实验的互动体验中更深入地学习知识。但是目前的VR虚拟仿真实验室基本上是以简单的操作性实验为主，相对缺乏大型仪器设备的原理介绍和操作过程，因此在后期的VR虚拟仿真实验室建设过程中要结合大型仪器设备生产商来建立针对大型仪器设备的VR虚拟仿真实验室[9]。这将有助于解决大型仪器设备用于本科教学时设备数量不足、本科生操作经验不足容易损坏仪器等问题。

（二）通过观摩式实验教学方法让本科生了解大型仪器设备的原理和使用方法

在实验室大型仪器设备数量有限的情况下，可以通过观摩式实验教学方法来进行教学。第一种方式是将本科生分为几个小组，然后授课老师给每个小组进行大型仪器设备的示范性操作，让学生通过观看和咨询的方式进行了解。第二种方式是授课教师将大型仪器设备的操作过程进行视频录制，并制成一个教学视频，让学生通过观看视频来了解大型仪器设备的原理和操作过程，这样的学习有助于学生在上机操作前做好充分的准备[ 10 ]。我们实验室目前正在进行这样的视频课程建设，我们计划将本实验室的大型仪器设备的理论知识和操作指南制作成视频，然后用于本科生的辅助教学视频。

（三）通过探索式实验教学方法让本科生了解大型仪器设备的原理和使用方法

本科生中往往有部分学生对科学研究非常感兴趣，对于这部分学生学校应该为其提供更多的机会，包括大学仪器设备的接触和学习机会。让这些学生根据自己的兴趣点设计实验思路、选取实验工具、观察实验现象和处理实验数据。这种开放式的探索式实验类型，能够给学生提供更多的思考机会，同时也让学生更加了解大型仪器设备的原理和功能[ 11 ]。

（四）通过让学生参加第二课堂或创新研究项目来增加接触大型仪器设备的机会

学校应该给本科生创造更多的参与第二课堂的机会，让本科生在课余时间走进实验室，跟随从事研究的老师或研究生一起进行实验，从而创造更多学习大型仪器设备操作方法的机会[ 12 ]。此外，近年来高校越来越重视创新创业，可以鼓励更多的本科生结合自己的专业背景去做一些创新项目，这样的项目往往是领域内比较前沿的项目，对大型仪器设备的需求更多[ 13 ]。

（五）通过开设相关课程来增加本科生对大型仪器设备的了解

上文提到过大型仪器设备的数量相对有限，不能满足本科生的教学需求，但是可以让承担大型仪器设备管理的部门，如分析测试中心来开设针对本科生的仪器操作选修课程，让感兴趣的本科生有机会参与学习。这样的课程要注重理论和实践相结合，而不是单纯地讲解理论知识。青海大学分析测试中心开设了“仪器分析”的课程，但是主要以研究生为授课对象。

四、结语

随着科学技术不断发展，新的理论和方法不断出现，从而指导更多的大型仪器设备不断推陈出新。这也促使高校不断改进教学模式和教学手段，如果只沿袭传统的应试教育的知识传输与接受模式，很难改变学生被动学习、死记硬背、一味追求分数的现状，也不利于培养创新性人才[ 14 ]。

国家每年投入很多资金用于购置大型仪器设备，然而如何提高大型仪器设备的使用率也是目前面临的一大问题。如果能够将这些大型仪器设备用于本科教学，不但有利于提高设备使用率，而且对创新性人才的培养具有重要意义。但是大型仪器设备用于本科教学面临很多困难，需要高校根据自己的情况寻找相应的解决方法。

参考文献

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[3]赵明，宋秀庆，祝永卫，等.高校大型仪器设备开放共享多元模式运行机制研究[J].实验技术与管理，2019（36）：12-15.

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[10]王巍，韓宇.“教学做合一”在分析化学翻转课堂教学中的应用[J].卫生职业教育，2020（21）：52-53.

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[12]刘志春，李晓文，赖章敏，等.基于第二课堂的医学生创新创业教育研究[J].产业创新研究，2020（17）：171-172.

[13]廖洁丹，张雪莲，黄良宗，等.高等院校创新创业教育为导向的人才培养改革模式探究[J].科技风，2020（31）：159-160.

[14]张万群，邵伟，柯玉萍.大型仪器分析实验教学多层次培训体系的建立与实践[J].化学教育（中英文），2018，39（10）：24-28.

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