發(fā)揮大型儀器設(shè)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(shè)一流學(xué)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(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用程度不高。通過開設(shè)儀器分析課程、豐富儀器培訓(xùn)內(nèi)容、擴(kuò)大儀器培訓(xùn)對象、理論和實(shí)踐相結(jié)合等方式，增加本科生學(xué)習(xí)和使用大型儀器的機(jī)會，為運(yùn)用大型儀器提高本科生創(chuàng)新實(shí)踐能力探索新路徑。

關(guān)鍵詞? 本科生；大型儀器；一流學(xué)科；創(chuàng)新能力；虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

中圖分類號：G482? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)和學(xué)科發(fā)展的硬件保障，也是知識與技術(shù)創(chuàng)新必不可少的工具 [1]。在一流學(xué)科建設(shè)中，把能否熟練操作大型儀器作為衡量本科生科研素質(zhì)及創(chuàng)新能力的一個重要標(biāo)志[2]。

2015年，國務(wù)院印發(fā)《國家統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》。2017年，教育部、財政部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合印發(fā)《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)實(shí)施辦法（暫行）》[3-4]。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院（以下簡稱本院）農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)科2019年入選遼寧省“雙一流”建設(shè)學(xué)科，2020年入選國家一流建設(shè)學(xué)科。在一流學(xué)科建設(shè)背景下，土地與環(huán)境學(xué)院大型儀器實(shí)驗(yàn)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(shè)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(shù)裝備和精湛的專業(yè)隊伍為教學(xué)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(fù)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(dǎo)致其在本科生實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用較少[5]。通過開設(shè)課程、擴(kuò)大培訓(xùn)、學(xué)用結(jié)合等方式，提高大型儀器在本科實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用比重，不僅可以有效盤活大型儀器設(shè)備資源，而且能夠很好地提升本科生創(chuàng)新能力[6]。

1? 開設(shè)課程

為使本科生對大型儀器的工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)操作等有更深刻的理解，中心自2015年為本科生開設(shè)大型儀器方面的選修課，通過課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，提高本科生的理論認(rèn)知能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1.1? 課程內(nèi)容豐富化

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

1）理論：主要講授大型儀器的應(yīng)用領(lǐng)域、工作原理、注意事項(xiàng)、操作流程、應(yīng)用實(shí)例等基本知識（10學(xué)時）。

2）觀摩：把學(xué)生分成若干小組，每組3～5人，輪流進(jìn)入實(shí)驗(yàn)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(jìn)行簡單了解（5學(xué)時）。

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

4）實(shí)踐：在以上三項(xiàng)內(nèi)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(dǎo)學(xué)生操作儀器并測試樣品，打印分析報告（10學(xué)時）。

通過本課程的學(xué)習(xí)，本科生要對高精尖的科技設(shè)備有更深入的了解，提高實(shí)踐能力。

1.2? 授課方式信息化

本科生人數(shù)多，實(shí)驗(yàn)技能欠缺，大多數(shù)情況下還不能直接在儀器上進(jìn)行操作訓(xùn)練。因此，通過虛擬仿真操作軟件進(jìn)行模擬教學(xué)，本科生可以隨時隨地開展大型儀器的自主學(xué)習(xí)活動。大型儀器虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)采用3D技術(shù)，將原理、方法、軟件等進(jìn)行演示，并模擬操作得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[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(biāo)準(zhǔn)化操作視頻，對應(yīng)的本科生實(shí)踐課程有環(huán)境毒理學(xué)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)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(xùn)和實(shí)踐過程中使用大型儀器虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，取得很好的應(yīng)用效果。

2? 擴(kuò)大培訓(xùn)

本科生經(jīng)過理論和實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)，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(chǎn)損失。針對這一問題，中心加大了本科生培訓(xùn)的深度和廣度。

2.1? 培訓(xùn)形式多樣化

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

1）預(yù)習(xí)。通過大型儀器平臺發(fā)布培訓(xùn)時間、地點(diǎn)、人員及相關(guān)資料，學(xué)生事先通過預(yù)習(xí)了解培訓(xùn)內(nèi)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(gòu)造、儀器工作模式、軟件使用及應(yīng)用圖例、注意事項(xiàng)等知識。

3）上機(jī)。在工程師或儀器專管教師的指導(dǎo)下，學(xué)生3～5人為一組進(jìn)行上機(jī)操作練習(xí)。

4）考核。考核分筆試和實(shí)操兩部分，筆試主要對培訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行加深和鞏固，實(shí)操是選擇一種儀器進(jìn)行上機(jī)測樣，得出有效數(shù)據(jù)。

2.2? 培訓(xùn)對象擴(kuò)大化

近五年本院本科生的考研率平均達(dá)到65%，大多數(shù)本科生選擇繼續(xù)學(xué)習(xí)和深造。從本科生到研究生，不僅要求知識上進(jìn)行儲備，更要求技能的提高，大型儀器培訓(xùn)是提高本科生實(shí)踐技能的有效途徑。中心自2016年開始，在新生入學(xué)教育階段組織本科生參觀中心實(shí)驗(yàn)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(rèn)真宣講[8]。通過參觀，不僅充分展示了學(xué)院的硬件條件，而且讓學(xué)生直觀感受到開放的學(xué)術(shù)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(xùn)。2020年，中心進(jìn)行了液相色譜儀、同位素質(zhì)譜儀等六臺儀器的培訓(xùn)，其中本科生參加人數(shù)達(dá)到75人次，有13人成功拿到大型儀器使用資格證書。經(jīng)過多年的培訓(xùn)與實(shí)踐，本科生在知識體系、動手能力、科研創(chuàng)新等方面有了質(zhì)的飛躍，大型儀器培訓(xùn)成為本科生創(chuàng)新能力提升的重要環(huán)節(jié)。

3? 學(xué)用結(jié)合

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

3.1? 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與大型儀器的結(jié)合

隨著大型儀器知識的普及和應(yīng)用，土壤學(xué)教研室和環(huán)境科學(xué)教研室經(jīng)過多次教學(xué)研討，決定在2015級農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)土壤與環(huán)境分析、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析和2016級環(huán)境科學(xué)專業(yè)環(huán)境毒理學(xué)上使用大型儀器，經(jīng)過三年的教學(xué)改革和實(shí)踐，取得很好的效果。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為：土壤全氮測定、土壤有機(jī)質(zhì)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(nóng)產(chǎn)品農(nóng)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(shí)驗(yàn)方法和大型儀器相結(jié)合，不僅縮短了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，提高了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)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(xué)生也可通過對傳統(tǒng)方法與大型儀器方法測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，探討兩種方法的差異性和優(yōu)缺點(diǎn)，從而提高分析和解決問題的能力。

3.2? 自主實(shí)驗(yàn)與大型儀器的結(jié)合

為了推進(jìn)大型儀器在農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用，深化本科生對大型儀器在構(gòu)建專業(yè)知識體系中作用的理解，學(xué)院鼓勵本科生借助大型儀器開展多層次的自主創(chuàng)新實(shí)踐活動[2]。學(xué)院成立由實(shí)驗(yàn)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(dǎo)小組。學(xué)生可根據(jù)個人興趣，結(jié)合專業(yè)知識，在科技創(chuàng)新指導(dǎo)小組成員的帶領(lǐng)下開展深層次、高水平的自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動，經(jīng)過三年的實(shí)踐，取得顯著效果：依托大型儀器獲得大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目53項(xiàng)，其中國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目八項(xiàng)、省級16項(xiàng)、校級29項(xiàng)；300多名本科生參與創(chuàng)新科研訓(xùn)練，占學(xué)院本科生人數(shù)的33.3%；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)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(jīng)順利結(jié)題，項(xiàng)目組成員已經(jīng)完成測試方法和測試參數(shù)的優(yōu)化，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究提供了參考。

4? 結(jié)束語

總結(jié)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(xiàn)在：

1）通過開設(shè)課程、擴(kuò)大培訓(xùn)，強(qiáng)化了大型儀器的教學(xué)功能，提高了儀器的利用率，使本科生獲得更多的學(xué)習(xí)和使用大型儀器的機(jī)會；

2）通過大型儀器助力傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，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(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高了本科生的自主學(xué)習(xí)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(shí)踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)的應(yīng)用和探索，必將進(jìn)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。

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作者：劉慧，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院大型儀器實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)室主任，實(shí)驗(yàn)師，主要從事儀器分析、實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作；張大庚、栗杰、李雙異，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院（110866）。