面向本科生開放大型儀器的實踐

湯海峰，程瑛琨，孟令軍，劉 洋，周毓麟，滕利榮，王貞佐

（吉林大學 生命科學學院，吉林 長春 130012）

近年來國家對高等教育投入不斷增加。隨著 “211工程”、“985工程”、重點學科、重點實驗室、修購專項、地方高校發展專項等項目的實施，各高校相繼添置了大量大型儀器設備［1－3］。隨著教學條件的改善，各高校已經擁有了數量可觀的大型儀器。但是問題也隨之而來，我國全部儀器設備年均有效工作機時不到發達國家的一半［4］。《國務院關于國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放的意見》中指出：我國科研設施與儀器利用率和共享水平不高。另一方面，《國家中長期教育改革和發展綱要（2010—2020年）》指出：我國學生適應社會和就業能力不強，創新型、實用型、復合型人才緊缺。為了解決復合型人才短缺的問題，高校教學改革亟待繼續深化，而利用大型儀器進行實驗教學是培養學生科研能力和創新精神的一條重要途徑［5］。面向本科生開放大型儀器，既可以使高校部分閑置的大型儀器重新煥發活力，又有利于提高本科生的實踐能力和創新能力，符合我國高等教育的實際情況。這方面有些高校已經走在了改革的前列，以不同的形式面向本科生開放了大型儀器，并取得了很好的教學效果。

1 面向本科生開放大型儀器的意義

高校擁有的大型儀器數量和質量是高校辦學實力的體現，但是這些大型儀器如果沒有充分發揮作用，這種辦學實力將大打折扣。綜合分析我國當前大型儀器管理和高素質人才培養中存在的問題，提高大型儀器設備利用率和投資效益，使其充分發揮在高等教育職能中的重要作用和資源優勢，逐步在高校廣大教師和管理部門中達成共識［6］，實行大型儀器面向本科生開放具有重要的作用，也越來越受大家的關注。

1.1 有利于提高大型儀器利用率，實現資源共享

高校用于購置大型儀器的經費來源主要包括用于改善教學條件的專項經費（簡稱教學專項經費，如修購專項）和用于支持科研的專項經費（簡稱科研專項經費，如重點學科建設項目）。教學專項經費以購置中小型儀器為主，用于購置大型儀器的份額有限。高校用于購置大型儀器的經費主要以科研專項經費為主。因此，高校中的多數大型儀器主要為科研服務。這些大型儀器受科研進程的影響，雖然階段性利用率較高，但閑置時間仍然較多。由于在設備管理體制上教學和科研之間存在壁壘，加之受傳統教育觀念的影響，大型儀器很難面向本科生全面開放。因此，通過推動大型儀器面向本科生開放，有利于破除在高校設備管理體制上教學與科研之間的壁壘，促進資源共享，提高大型儀器的利用率，發揮大型儀器的教學職能。

1.2 有利于擺脫傳統觀念對高等教育的束縛，深化教學改革

重理論輕實踐的教育觀念曾經在我國高等教育史上占主導地位。雖然高校教學改革已經進行了許多年，實踐教學在綜合型人才培養中的地位已經逐步確立，但舊觀念仍然在某種程度上存在著，并束縛高等教育改革。現代教育理念認為，理論教學和實踐教學共同構成了學生培養體系的支柱［5］。實踐教學是高校全面實行素質教育的重要環節，它相對于理論教學具有直觀性、實踐性、綜合性和創新性，在加強對學生的素質教育與創新能力培養方面有著不可替代的作用［7］。通過面向本科生開放大型儀器可以進一步明確實踐教學在綜合型人才培養中的重要地位，有利于轉變教育觀念，深化教學改革，實現高校人才培養質的飛躍。

1.3 有利于提高學生的實踐能力與創新能力，促進學生就業

《國務院關于國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放的意見》指出：“國家重大科研基礎設施和大型科研儀器是用于探索未知世界、發現自然規律、實現技術變革的復雜科學研究系統，是突破科學前沿、解決經濟社會發展和國家安全重大科技問題的技術基礎和重要手段”。而高校中理工類畢業生的主要工作領域就是探索未知世界或解決當前面臨的重大科技問題。如果畢業生能夠精通一定數量的大型儀器設備，不但可以體現他們的實踐能力和創新能力，還將為他們創造更大的就業空間，為他們盡快適應工作崗位并進行科技創新奠定基礎。

2 面向本科生開放大型儀器的制約因素與解決方法

雖然大型儀器對高素質綜合型人才培養的作用已被越來越多的師生認可，而且很多高校也進行了卓有成效的探索與實踐，但是這種新的實踐教學形式還沒有被廣泛地、深入地開展。目前能夠在本科生實踐教學中開展大型儀器使用技術訓練的，主要集中在化學、環境等少數學科。這些學科依托原來的“儀器分析課程”進行課程改革，拓展了課程內容，使更多的大型分析、表征儀器可以面向本科生深度開放。但是，這種做法在其他理工類學科中較少見。這些學科在實際教學過程中常以演示實驗為主，學生往往只是“走馬觀花”式地參觀一下，有時甚至和儀器還“隔窗相望”，對絕大多數學生而言，獨立上機操作是可望而不可及的［8］。受多種因素影響，高校中多數大型儀器只用于研究生和教師的科研工作，對本科生實驗教學的開放性程度嚴重不足［9］。究其原因如下：臺套數少，達不到規模實驗教學的要求；實驗項目周期長缺少學時支持；運行與維修費用昂貴，缺少教學經費支持；專業技術人員缺少，不能滿足教學要求［10］。

要想全面實現大型儀器面向本科生開放，必須去除諸多制約因素。

（1）由于大型儀器臺套數較少，在課程性質定位上宜設置為選修課程。在培養目標定位上，應強調主觀興趣，實行自主報名。通過限制課堂人數，按照小課甚至超小課的規模進行實驗教學，增加學生練習時間和師生之間討論交流的機會［11］。

（2）在實驗教學安排方式上要突破傳統教學安排模式的束縛，采取更為靈活的排課方式。專門的大型儀器訓練可以利用開放時間進行。網絡化管理使大型儀器對科研服務成為一個有計劃的過程，為面向本科生開放大型儀器創造了有利條件［12］。教師可以通過預約系統查詢儀器的閑置時間，再結合學生的課余時間安排教學。

（3）建立用戶責任制度，合理劃分維護維修責任。教學與科研實施者同屬大型儀器的用戶，用戶按照使用率承擔維護與維修費用。

（4）促進高校實驗技術系列與教師系列的合理銜接。引導有能力的教師參與實驗教學和大型儀器管理，同時加強對現有實驗技術人員的培訓。目前，大多數大型精密儀器都是模塊化設計，自動化程度非常高，多數儀器實現了軟件控制操作，操作步驟簡單。因此，只要加強管理和培訓工作，面向本科生開放大型科學儀器是完全可行的［13］。

（5）建立“教學與科研融合”的大型儀器共享平臺。為了提高大型儀器的使用率，很多高校通過整合同類設備的方式，建立了若干以科研（測試）為主的儀器平臺，這種管理形式過于強調大型儀器的科研功能和研究生層次的教學功能而忽視其本科教學功能。因此建立以教學為主兼顧科研的大型儀器平臺或教學科研并重的大型儀器平臺，將有利于大型儀器面向本科生深度開放。在平臺建設中要弱化儀器的“出身”，將教學專項經費和科研專項經費購置的大型儀器集中共享，實現在設備管理層面的教學與科研融合。

3 大型儀器面向本科生開放的實踐

對大型儀器的駕馭能力，是學生實踐能力和創新能力的體現。多年來，我校國家級生物實驗教學示范中心始終注重發揮大型儀器在本科生實踐能力和創新能力培養中的重要作用，將大型儀器使用技能訓練貫穿于本科生實踐教學的始終，使有限數量的大型儀器在最大限度上發揮育人功能。

3.1 把大型儀器使用技能訓練納入教學大綱

教學大綱是教師進行教學的主要依據，是學科教學的指導性文件［14］。將大型儀器使用技能訓練納入到教學大綱，有利于推動和規范針對本科生的大型儀器教學，提高育人水平。由于大型儀器原理復雜、功能豐富、運行方式多種多樣，很難采用統一的模式進行教學。因此，在教學大綱的制訂過程中，我們根據大型儀器的特點設計了多樣化的教學方式，集中教學與開放式教學相結合，必修內容與選修內容相結合。具體做法是：

（1）認知實習（課程編號：344001）為獨立設置的必修教學環節，0.5學分，在第2學期開設。該環節屬于“印象式”教學，通過學生與儀器設備，特別是大型儀器的感官接觸，使學生先對儀器的主要功能和基本原理有初步了解，為深入學習使用奠定基礎。

（2）儀器使用培訓，該環節融入到各門實驗課程中，貫穿于本科生實踐教學的始終。根據各門實驗課程的教學方案，安排4～8學時左右的儀器訓練環節，對本門實驗課程所用到的實驗儀器進行精講精練。對于大型儀器，要求學生掌握其原理并且可以獨立操作。

（3）開放性實驗（課程編號：343011）為獨立設置的選修教學環節，2學分，在第4學期至第5學期開設。學生自主選擇實驗內容，在導師的指導下利用開放時間完成實驗。在實驗項目設計中，導師引導學生將一定數量的大型儀器納入到實驗方案中，培養學生的大型儀器使用技能和功能開發能力。

（4）校內實訓實習（課程編號：344002、344006）為獨立設置的必修教學環節，4學分，在第6學期或第7學期開設。該環節以生物工程技術產品和制藥工程技術產品生產工藝路線訓練和大型儀器使用技能訓練為主，并設計了若干個項目模塊，學生可以根據自己的興趣和以后的職業發展方向自主選擇項目模塊。

3.2 建立教學與科研融合的大型儀器訓練教學平臺

目前各高校在大型儀器管理上教學與科研之間的壁壘還沒有被完全打破，科研儀器一般不對本科生深度開放。為提升本科生的實踐教學水平，充分發揮大型儀器的教學職能，我們打破了傳統觀念的束縛，將大型科研儀器納入到了本科實踐教學平臺體系中。如：生物大分子相互作用系統、飛行時間質譜儀、轉靶－X射線晶體衍射數據收集系統等10余臺大型儀器或貴重儀器，全部面向本科生深度開放，并列入教學大綱。為了避免教學過程影響科研過程，我們實行了大型儀器網絡預約使用制度。無論是教學使用還是科研使用，所有用戶必須提前預約。科研專項經費購置的儀器優先用于科研，教學專項經費購置的儀器優先用于教學。科研儀器閑置時，教師結合學生的課余時間采取靈活的排課方式進行網絡預約并開展教學。通過提前公告避免長時間連續使用，通過制訂備用教學方案等方式避免影響科研使用。同時，教學專項經費購置的儀器，利用閑置時間面向科研開放。

3.3 采用符合認知規律的教學方法和現代化教學手段

教學方法決定教學水平。采取“課前預習考試”和“課后考核”等方法提高教學效果。教師在課前提前講授實驗原理，給學生充分的預習時間，在正式實驗前進行預習效果測試，通過了預習測試的學生方能進入下一學習階段。

教材是教學活動和學習活動的主要參考。我們編寫了“生命科學儀器使用技術教程”作為大型儀器訓練的主要教材。教材中沒有收錄的儀器以自編講義的形式提前發放給學生，保證學生在課前預習時有據可依。信息技術作為一種現代教學手段已被廣泛關注。通過將大型儀器的結構、原理和操作方法拍攝成視頻或制作成動畫，利用網絡進行在線教學，既可以給學生直觀的印象，還可打破了時間、空間對教學活動的束縛。同時，設計了考核學生學習效果的“儀器使用證”。在對學生進行大型儀器使用技能訓練后，教師對學生進行單獨考核，合格后教師在儀器使用證上簽字。沒有通過考核的學生要進行下一輪學習或對他們進行一對一培訓，直至合格。

4 教學案例

我校制藥工程專業每年招收2個班，藥物制劑專業每年招收1個班。我們為這3個班開設了“制藥工程校內實訓實習”課程。該課程包含5個項目模塊，開課時學生可以根據興趣和以后的職業發展方向自主選擇1個項目模塊進行學習。2014年秋季學期共有來自3個班的18名學生成功地選擇了項目模塊A。該項目模塊包含3條實訓工藝路線（項目）：冬蟲夏草深層發酵及活性成分測定、銀杏葉脂質體片劑的制備及質量檢測、林蛙抗菌肽軟膏的制備及抑菌率的檢測。我們將18名學生分成3個小組（A1－A3），見表1。

表1 制藥工程校內實訓實習項目模塊A的教學安排及主要實驗儀器

該項目模塊以3個完整的實訓工藝路線為載體，涉及22臺（套）與生物、制藥關系緊密的大型儀器。為了使學生能夠全面了解實訓工藝路線和大型儀器工作原理，每個路線安排8學時的理論講授，主要內容為實驗的原理、工藝流程、主要儀器的使用原理及操作方法。進行理論講授時，將學習資料發給學生，供學習使用。在正式實訓開始前對學生進行預習效果測試，通過了測試的學生方能繼續學習，沒有通過測試的學生自愿選擇參加下一輪的選課。實訓結束后利用8學時進行總結與討論，以夯實學習效果。

5 結束語

自1995年以來，隨著科教興國戰略的實施，國家對教育的投入逐年提高，于2012年實現了國家財政性教育經費支出占國內生產總值4%的目標［15］。被列入“211工程”的116所高校通過各種條件建設項目的支持，已經購置了相當數量的大型儀器。多數地方高校先后通過“中央與地方共建高等學校共建專項資金”、“中央財政支持地方高校發展專項資金”、“中西部高校基礎能力建設工程”等項目的支持，辦學水平都得到了顯著提升。目前我國高等學校已經擁有了數量可觀的大型儀器，已經具備了面向本科生開放的物質基礎。但是，高校在大型儀器的管理和使用中過于強調其科研職能，忽視了教學職能。這種傳統的教育觀念造成了多數大型儀器的利用率較低，同時廣大本科生迫切學習大型儀器的愿望不能得到滿足，創新能力提高受限。因此，繼續深化高校管理與教學改革，推進大型儀器面向本科生開放，仍是教育工作者面臨的重大課題。

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