大型儀器設(shè)備服務(wù)本科生、研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與實踐

王國祥 戴琛 張春華

摘要：大型儀器設(shè)備是高校實驗室的主要實驗設(shè)施，是高校科研教學(xué)得以順利進行的重要保障。本文以南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)實驗中心的大型儀器設(shè)備服務(wù)實驗教學(xué)為例，闡述了大型儀器設(shè)備在本科生、研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中發(fā)揮的作用。

關(guān)鍵詞：大型儀器設(shè)備；創(chuàng)新能力；實驗教學(xué)；虛擬仿真

中圖分類號：G643 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

中共中央國務(wù)院在《關(guān)于深化教育改革，全面推進素質(zhì)教育的決定》中明確指出：“高等教育要重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)能力”，并要求“加強課程的綜合性和實踐性，重視實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力”。而上述能力培養(yǎng)的關(guān)鍵就是要重視、加強和改進實驗教學(xué)和實踐課程。實驗教學(xué)和實踐課程能夠培養(yǎng)學(xué)生自己動手解決實際問題的能力、自學(xué)能力，是培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的重要環(huán)節(jié)，也是創(chuàng)新教育的重要途徑。

大型儀器設(shè)備是高校實驗室的主要實驗設(shè)施，是高校實驗教學(xué)、科學(xué)研究得以順利進行的重要保障，代表著專業(yè)的測試水平和發(fā)展方向，熟練掌握大型儀器的使用將為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)發(fā)揮重要作用，也是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要途徑。

1本科生、研究生大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

近年來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，各高等學(xué)校通過銀行貸款、央地配套共建經(jīng)費、“211工程”、“985計劃”的投入和科研項目的增加等渠道，購買了數(shù)量不菲的進口/國產(chǎn)各種大型儀器設(shè)備。這些設(shè)備使各高等學(xué)校的教學(xué)裝備硬件水平大幅度提高。但由于大型儀器設(shè)備價格昂貴、操作復(fù)雜以及實驗時間有限等多方面因素的制約，高校學(xué)生在大型儀器設(shè)備的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)制約頗多。例如很多學(xué)校都對本科生/研究生開設(shè)了《儀器分析》這門課程，但是相應(yīng)的大型儀器設(shè)備只有寥寥數(shù)臺，在實驗課上學(xué)生就無法做到小組化實地了解、操作和使用設(shè)備，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生在上完該門課程后依然只是紙上談兵，并未獲得親自操作的機會經(jīng)驗。并且學(xué)生在實驗課上都是按照教師的指定步驟進行，儀器參數(shù)及程序設(shè)定等關(guān)鍵要素都是預(yù)先設(shè)置好的，這樣雖然保證了實驗的成功率，但在實驗過程中沒有任何探索性的研究，因此學(xué)生很難對儀器分析過程的復(fù)雜性、樣品前期處理要求的特殊性和分析試樣的選擇性等條件性基礎(chǔ)準備工作有全面的認識。結(jié)果就是學(xué)生“知其然而不知其所以然”。儀器分析課的開設(shè)效果大打折扣，更談不上利用大型儀器設(shè)備進行探索性實驗、分析從而寫出高質(zhì)量的論文。

2大型儀器設(shè)備服務(wù)本科生、研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)實驗中心是國家“十五”計劃支持的建設(shè)項目。實驗中心超過3600平方米的總使用面積，儀器設(shè)備資產(chǎn)超過5000萬元，其中10萬元以上的儀器設(shè)備超過40臺（套），面向全校農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)類9個學(xué)院的25個專業(yè)開放，中心擁有專職實驗技術(shù)人員10人，包括博士學(xué)位的5人，高級職稱的3人。實驗中心在大型儀器設(shè)備服務(wù)本科生、研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面做出了積極的探索。

2.1針對本科生，開設(shè)大型儀器設(shè)備的創(chuàng)新實踐課程

實驗中心針對不同層次的學(xué)生開設(shè)不同的創(chuàng)新實踐課程，例如針對所有本科三年級學(xué)生開設(shè)的《科學(xué)研究基礎(chǔ)訓(xùn)練》課程，以課堂教學(xué)為主，實地參觀和觀看實驗中設(shè)備工作情況錄像為輔，介紹實驗中心各個儀器設(shè)備的原理、構(gòu)成、功能和具體應(yīng)用等，主要目的是讓學(xué)生了解儀器原理及應(yīng)用，為將來科研實驗打基礎(chǔ)。然后我們還針對本科三年級及以上學(xué)生開設(shè)《電鏡應(yīng)用技術(shù)》、《生命科學(xué)儀器及技術(shù)》、《儀器分析》、《質(zhì)譜》等專業(yè)選修課，限選30人，以實驗教學(xué)為主，課堂教學(xué)為輔，主要內(nèi)容為各個儀器的實際操作與應(yīng)用，讓學(xué)生輪班有機會親手操作，增加他們對儀器功能的了解，掌握實驗儀器的基本使用。

實驗中心還進行了大型儀器開放式實驗教學(xué)的探索，每學(xué)期針對基地班學(xué)生進行開放課題申請。課題可以來自于學(xué)生自主構(gòu)思，也可由中心教師根據(jù)設(shè)備運行情況提供。學(xué)生加入自己感興趣的研究課題研究小組（一般2-3人1組），獨立查閱資料、設(shè)計實驗方案，經(jīng)中心組織相關(guān)教師和實驗員進行可行性審查后，由學(xué)生獨立實施課題的研究方案和內(nèi)容，中心提供儀器以及經(jīng)費支持，在整個課題研究階段（以一個學(xué)期為限），中心實驗室對學(xué)生實行全方位開放，學(xué)生可在與指導(dǎo)教師商定好的課余時間內(nèi)在實驗室進行課題研究，預(yù)約使用大型儀器。待實驗完成后需將研究結(jié)論整理成論文或?qū)嶒瀳蟾妫⑦M行答辯，教師將根據(jù)實驗方案設(shè)計、實驗操作過程、實驗論文寫作水平和答辯的結(jié)果綜合給予評分，既讓學(xué)生學(xué)會了利用儀器解決實際問題又無形中提高了動手實踐能力。

通過以上三個層次的實驗教學(xué)，大部分學(xué)生可以掌握大型儀器設(shè)備的原理、常用操作和使用方法等，并在利用大型儀器設(shè)備完成實驗項目的過程中鍛煉創(chuàng)新能力，也提高了學(xué)生的動手能力和科研實驗技能。

2.2針對研究生，進行不定期的大型儀器設(shè)備培訓(xùn)講座

在實際學(xué)習(xí)過程中，研究生與本科生不同，研究生已經(jīng)進入實驗室，具備一定的大型儀器設(shè)備的使用基礎(chǔ)，同時課堂學(xué)習(xí)時間有限，所以中心針對研究生一方面開設(shè)《電鏡應(yīng)用技術(shù)》、《生命科學(xué)儀器及技術(shù)》、《儀器分析》、《質(zhì)譜》等專業(yè)選修課，一方面邀請儀器公司相關(guān)專家來中心作技術(shù)講座，普及儀器原理及問題分析，介紹儀器設(shè)備的最新分析與應(yīng)用，讓學(xué)生了解實驗中心儀器設(shè)備的主要功能及分析數(shù)據(jù)。中心還舉行短期、針對性的培訓(xùn)。培訓(xùn)一般每學(xué)期至少1次，所有培訓(xùn)學(xué)生均需經(jīng)過嚴格的理論與實踐考核，合格后方可獲得大型儀器設(shè)備培訓(xùn)合格證書，為以后大型儀器設(shè)備面向科研開放、研究生自己上機實驗測試奠定基礎(chǔ)。這樣普及儀器原理和應(yīng)用與操作培訓(xùn)并舉，為研究生利用大型儀器設(shè)備完成課題項目的過程中提供了臂助。

2.3虛實結(jié)合，提高大型儀器設(shè)備實驗教學(xué)的效果

虛擬設(shè)備實驗，指充分運用多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實（VR）等高新技術(shù)在計算機上建立部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗操作的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，使學(xué)生可以在虛擬的真實環(huán)境中完成某種預(yù)定的實驗項目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果，并節(jié)約了原材料成本。學(xué)生還可在實驗前利用虛擬實驗設(shè)備進行預(yù)習(xí)，對實驗建立起直觀的感性認識，能有效地克服在實際實驗中出現(xiàn)的盲目操作現(xiàn)象，減少了實際實驗的錯誤概率，提高了實際實驗的效率。尤其對于大型儀器設(shè)備來說，虛擬實驗更是解決了大型儀器設(shè)備不足的缺陷。

我們中心是2014年初首批獲得教育部批準建設(shè)的國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，包括植物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、農(nóng)業(yè)微生物虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、動物學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、生化與分子生物學(xué)虛擬仿真實驗平臺、大型儀器設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。

將虛擬仿真應(yīng)用于大型儀器設(shè)備的實驗教學(xué)，完整的模擬了整個實驗儀器的操作過程，并可根據(jù)實際參數(shù)的調(diào)整，得出相應(yīng)的實驗結(jié)果，實現(xiàn)了實驗教學(xué)中虛實互補，有利于培養(yǎng)學(xué)生自我訓(xùn)練及創(chuàng)新意識，因而成為目前中心建設(shè)的重要發(fā)展方向。

大型儀器設(shè)備是高等學(xué)校的寶貴實驗資源，代表了先進的測試水平和發(fā)展方向。高校面臨著培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的重任，這些貴重大型儀器的使用與掌握在培養(yǎng)探索型、創(chuàng)新型人才的過程中意義重大，所以實驗中心的大型儀器設(shè)備的服務(wù)工作還要不斷完善與改進。只有進一步加大儀器設(shè)備的開放力度與學(xué)生動手操作能力，學(xué)生在實踐學(xué)習(xí)中有更大的主觀能動性，才能保證大型儀器設(shè)備更好地服務(wù)于教學(xué)、科研任務(wù)，為科技社會培養(yǎng)更多的實驗研究人才。

參考文獻：

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