大型儀器設備對本科生開放共享的難點和對策研究*

李 聰，堵艷艷，王鑫銘

(湘潭大學材料科學與工程學院，湖南 湘潭 411105)

十三五規劃以來，國家對高等教育質量的越發重視，對科技的投入逐步增加，高校內大型儀器的購置也逐步增加，科技的迅猛發展，本科學生對科技現狀以及發展前景也愈發關注，用人單位對學生的動手能力，創新能力考查力度也越來越大，而能否獨立操作大型儀器設備是其動手能力最直觀的一種體現。但大部分高校的本科教學中大型儀器設備處于教學展示階段，開設課程以驗證性實驗為主，通常是老師演示一遍實驗過程，學生在旁觀摩學習，再根據實驗結果進行分析并撰寫實驗報告[1]，這種實驗達不到培養學生實踐能力的效果，周濟院士也曾指出：“我國本科教學質量是世界上先進的，但嚴重不足的，最為突出的就是實踐能力差[2]”。這種現象普遍存在的原因是對本科實驗的重視程度不夠造成的，隨著實驗教學虛擬仿真平臺的引入，學生對大型儀器設備理論上的了解有所提升，但自己并未操作過設備，這種教學無疑對學生創新實踐能力的培養作用甚微，此現狀在中國大部分高校存在且長時間未有改觀的原因是多方面的，為了改善這種“理論上的巨人，行動上的矮子”現象，本文對大型儀器設備開放的難點進行了分析及其對策探討，旨在提高大型儀器設備對本科生開放，提高學生的動手能力和就業競爭力。

1 大型儀器設備對本科生開放共享的難點

1.1 管理制度方面

湘潭大學大型儀器設備管理辦法規定：大型儀器設備管理實行“專管共用，資源共享，有償服務”的原則，在完成學校教學、科研任務的同時，積極開展對校內外咨詢、分析測試、培訓等技術服務工作。該管理制度規定了大型儀器設備除了要要在各平臺開放共享以提高其利用率和效益，更要積極開展教學，科研活動并進行共享服務，但對具體的教學、科研開展方法和開展時間均未規定，彈性空間太大。

國家支持的各種項目和本校配套的實驗經費投入各專業實驗室，管理和使用第一責任人為設備申購單位，我校作為綜合性大學，存在著普遍大學有的現象，大型儀器設備作為科研設備引進，使用者大多為研究生和青年教師，這是基于大型儀器設備的特殊性和專業性而定，另外大型儀器設備的經費來源一部分是省部級共建經費，也有一部分是科研項目經費，大部分大型儀器設備購置的初衷是為科研服務，因此其科教協同措施明顯不足，重科研輕教學的現象比比皆是[3]，易出現專人專用的現象，造成設備封閉使用，而衍生出一種情況，即某臺大型設備成為了某個老師及其課題組的專有儀器，因此其本科教學屬性不強。

1.2 設備方面

湘潭大學材料科學與工程學院管理兩個國家級實驗室，實驗室內已安裝數十臺大型儀器設備，主要有脈沖激光沉積系統、熱障涂層和用于材料分析的掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、原子力顯微鏡、納米壓痕、透射式電子顯微鏡，差式掃描量熱儀等大型儀器設備，大型儀器設備本身屬于高精尖儀器，價格幾十萬到幾百萬不等，原理及操作復雜，后期維護難，維修成本高，應用范圍廣，對校內外開放共享。大部分分析類儀器科研使用率高，支撐著一些教師和研究生的課題研究，如掃描電鏡，設備原值200多萬，用于分析各種材料的表面形貌，適用各個研究方向，本科教學則需在科研間隙演示完成。而材料加工類設備使用時間比加工類設備少，如脈沖激光沉積系統，設備原值400多萬，可用于制備薄膜材料，受到項目進度的影響，階段性利用率較高[4]，閑置時間也較多，由于操作復雜且易損壞，損壞后需要請廠家上門維修，后期維護成本高，另外要配備專門的實驗人員管理，因此在科研間隙也難以向本科生開放教學。

1.3 設備管理員方面

大型儀器設備由于其特殊性程度高，管理員應該有扎實的理論基礎以及精湛的操作技術，現實是高校的儀器管理員大都為實驗員兼管或專管，實驗員在很多高校定性為教輔人員，其承擔的工作從日常的實驗室安全與衛生，實驗課程的課前準備，課中跟蹤和課后的作業批改，文件整理等，還有數十臺儀器設備日常管理與維護，還需承擔一到兩臺大型儀器設備的管理與操作工作，工作繁雜且繁重，管理大型儀器設備的時間與精力只占不到1/3，在工作之余再承擔大型儀器設備的教學與培訓，分身乏術。且在這種勞動環境和勞動強度下，實驗員的工作不被認可與重視，打擊了工作的積極性，實驗員崗位的福利薪資也無法吸引高素質人才進實驗室[1，5]。

1.4 實驗環境方面

大型儀器設備共享平臺對應要求在校內外各級平臺開放共享，開放對象廣，除去科研時間，教學時間較少，實驗教學是大部分院校學生能接觸到大型儀器設備的唯一途徑，以湘潭大學材料科學與工程學院為例，本科生一個年級有11個班級，總計約330人，學生基數大，對單臺件的大型儀器設備而言，開放壓力和管理難度大。

另外本科生一般是大二下學期開始進入實驗室進行基礎性的實驗操作，為完成教學計劃內的實驗課程任務的情況下才會進實驗室，針對性的綜合類及創新類的實驗少，課外時間實驗室幾乎不對本科生開放，課程外未設置本科生實驗理論和操作的講座和培訓，缺乏大型儀器設備實驗展開的條件及環境。

2 大型儀器設備對本科生開放共享的對策研究

2.1 完善共享平臺，合理規劃設備使用

如今是科技強國的時代，十四五規劃以來，國家積極推進科研院所、高校、企業科研力量優化配置和資源共享，鼓勵和支持各大高校購置大型儀器設備，這些設備使學校的科研能力水平顯著提高，自2014年起大型科研儀器開放共享管理辦法出臺以來[6]，經過各高校的積極響應，目前已經形成了一個大型儀器設備全國共享平臺。但使用該平臺的科研人員大都為碩士和博士研究生，以我校為例，共享系統使用流程如下：

2.2 改革教學內容，探索新的教學模式

其中分析類儀器對本科生有一定的教學，對應的基礎課程為《材料分析測試技術》，實驗包括X射線衍射儀、透射電鏡、掃描電鏡的結構、工作原理與組織觀察。由于設備的特殊性及對出于對設備的保護，這類實驗都由老師就統一的材料進行操作演示，學生在旁觀察實驗過程，再根據儀器所測結果進行分析，這類型的實驗弊端顯而易見，為提高學生的動手能力，提高其自身競爭力，改革實驗項目，開設適應大型儀器設備的綜合類和創新類實驗項目[7]，讓學生從樣品制備到性能分析全程獨立操作，因材施教，因地制宜，針對不同年級的學生開設不同實驗項目，旨在一年或者一學期讓一級本科生掌握一種大型設備的操作和使用，增強教學過程中的科研性[8]，結合多門課程或者多個項目改革成綜合創新類實驗，增加實驗的流暢性，有利于學生對不同材料不同組織不同檢測手段的認識，拓寬其思考問題的維度和深度。以材料科學與工程專業為例。

表1 改革實驗項目內容及目的

對大型儀器設備的實驗教學模式是課前教師將原理、實驗流程，注意事項等口述或者板書在黑板上，然后在儀器上操作演示一遍，改革后的教學模式將虛擬仿真教學和實際操作相結合，充分給與學生獨立思考和想象的空間。改革過程中，將虛擬仿真平臺無限制的開放給學生，作為課前預習，學生可以在任何時間通過網絡就能進行模擬實驗完成整套實驗流程增強印象，比將紙質文字轉化成的意象更直觀，沖擊性更強。真正上機操作時，老師在旁稍加指導和監督，學生可快速掌握大型儀器設備的使用，縮短培訓時間，高效的提高學生自主操作大型儀器設備的能力，同時不占用儀器科研時間，解決設備管理員精力不夠的難點。

2.3 建立一套大型儀器設備考核制度

我院有著完善的實驗室安全管理制度、儀器操作規程；組織大一新生進行了實驗室安全準入證考試，這些是實施大型儀器設備準入考核制度的保證。具體實施流程如圖1所示。

圖1 材料學院大型儀器設備管理考核流程圖

實施細則：

(1)虛擬仿真學習與分組學習需累計一定學時(可依設備難易不同而定)，學習內容包括設備的結構、工作原理、使用及注意事項，另外允許學生進行科研觀摩(研究生做實驗的時候在旁學習)；

(2)自知能獨立操作后即可申請考核，考核通過后由設備管理老師給其頒發該大型儀器設備的準入證，并蓋院章。

(3)考核通過后，授權學生門禁，學生則可通過平臺預約儀器使用，后續實驗可單獨上機操作。

2.4 建設任課教師-實驗教師-研究生助教三層教學梯隊，探索師生間多種互動方式

培訓考核制度的實施無疑會增加儀器管理員的工作，因此要充分發揮老師、研究生助教、實驗教師的作用，建設一支以任課教師為主，實驗教師為輔，研究生助教參與的三層實驗教學梯隊，任課教師保證知識理論的輸出，實驗教師保證動手能力的培養，研究生助教在鍛煉自身能力的同時，減輕儀器管理員的負擔，從而增加儀器開放時間。

參考我校材料類師昌緒班級的辦班模式—導師制，鼓勵老師盡早招募優秀本科生加入課題組，參與導師科研團隊的學術活動，跟隨課題組研究生一起進行科研活動[9]，分發揮研究生的榜樣作用，本科生跟隨研究生學習各種儀器設備的理論和操作，從而縮短培訓時間。熟練后獨立承擔一個科研題目，并結合自己的題目，提出實驗流程，儀器設備使用分析方案，整個過程獨立完成，老師只提供指導性意見。這樣的師—生互動方式下，本科生既可以盡早接觸先進的實驗技術，又可提高動手能力以及發現和分析問題的能力，為以后的就業、深造打下扎實的基礎。

2.5 開放網絡教學平臺[10]，創造開放式的教學環境

材料科學與工程學院成立了獨立于系部的實驗教學中心，建設有自己的局域網站，網站分區管理，設備欄展示了實驗設備及其狀態以及對應的儀器管理員、教學安排等重要信息，供學生查閱。同時我院通過與公司合作開發了虛擬仿真實驗平臺、實驗視頻教學系統，結合我校實驗室資產管理處大型儀器管理平臺，實現開放式的網絡教學。學院近幾年引進了一批新的大型儀器設備如：場發射掃描電鏡、紅外光譜儀，高溫量熱儀，高溫維氏硬度計，創造良好的實驗硬件條件，為學生充分掌握大型儀器設備的使用奠定了基礎。

3 結 語

隨著就業競爭日趨激烈，為全面提高材料類專業本科生的質量，我院依托教育部重點實驗室和湖南省重點實驗室，通過改革教學內容和模式，探索科教結合、充分培養師生互動方式、充分利用網絡資源，協同培養的應用型人才培養模式，以提升學生實踐動手能力和解決問題能力為重點，全面開放大型儀器設備，讓學生自主探索科研課題，有效地提高教學質量和教學水平，從而為培養應用型人才打下堅實的基礎。