高校大型儀器設備在本科教學中的作用分析

[摘 要] 近年，國家為了提高科研院所的科研創新能力，對科研基礎設施和大型儀器設備的投入不斷加大。購置的大學儀器設備主要應用于科學研究，適用對象主要為從事科學研究的研究生群體。而本科生在實驗課程中接觸的都是較為基礎的常規教學儀器設備，接觸大型儀器設備的機會非常少，但是本科生畢業后從事專業相關工作時，使用的設備又都是實用性較高的大型儀器設備，而不是已經被淘汰的常規儀器設備，這就導致技術崗位需求和教學培養脫節的現象。因此適當讓本科生對專業領域的大型儀器設備有所了解對培養人才有一定的意義。

[關鍵詞] 高校;大型儀器設備;本科教學

[基金項目] 2019年度青海大學實驗教育教學研究項目“教學與科研常見大型儀器設備教學視頻制作”（SY201912）

[作者簡介] 張壽德（1984—），男，青海西寧人，醫學博士，青海大學三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室副教授，碩士生導師，主要從事中藏藥活性成分及作用機理研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）07-0033-04? ? [收稿日期] 2020-11-11

創新是推動國家進步的重要力量，是經濟發展的根本出路，因此培養創新型人才成為各高校的主要教育教學目標。理工科院校和醫學院校的本科教育中，實踐與學生的創新能力密切相關，而實驗課是學生將學習到的理論知識用以實踐的重要途徑。實驗教學有利于學生利用理論知識解決實際問題，從而培養學生分析問題、解決問題和科學研究的能力，且其在培養學生動手能力、觀察分析能力、想象拓展能力等方面具有理論課程不可替代的作用[1]。

儀器設備是實驗課實施的必要條件。目前高校的本科生在實驗課中主要以比較簡單的常規儀器設備為主。國家為了提高科研院所的科研創新能力，對科研基礎設施和大型儀器設備的投入不斷加大[2]。高校每年花費大量資金來購置最新的大型儀器設備用于科學研究，而這些大型儀器設備的使用者主要以研究生為主，本科生因理論知識不足、缺少培訓機會、儀器設備數量有限等原因經常被拒之門外。但是大型儀器設備經常代表著各個行業的最新研究水平，是一種通往這門學科的方法手段，對學生了解自己所在的行業有著至關重要的作用，因此，高校實驗課程不能忽略大型儀器設備對學生能力培養的作用。本文將從高校大型儀器設備在本科教學中的困難、作用和應用方式三個方面進行探討。

一、高校大型儀器設備在本科實驗教學中的困難

（一）大型儀器設備價格昂貴，數量有限

科研院校購買的儀器設備一般都是行業內比較尖端的設備，價格昂貴，多數大型儀器設備在每個高校一般只有1～2臺，如核磁共振波譜儀價格都在300萬以上，在青海大學只有一臺600兆的核磁共振波譜儀。因此這些數量有限的設備無法滿足本科教學。

（二）本科生缺少參加大型儀器設備培訓機會

大型儀器一般都是以學院或學科方向或課題組來購置，購置后都會安排專門的儀器負責人。因此大型儀器設備的培訓也主要針對這些學院、學科點或課題組的儀器負責人、教師和研究生。本科生相對缺少參與培訓的機會，這也導致本科生對大型儀器設備一般都是處于一種敬而遠之的狀態。在這種沒有經過正規培訓的情況下，儀器負責人也不敢讓本科生來接觸大型儀器設備，因為要承擔被損壞的風險。

（三）本科生的基礎理論知識儲備還不夠

本科生在學習過程中都是以學科相關的經典理論知識為主，缺乏解決實際科學問題的實踐性理論基礎。如本科生對蛋白質的結構和性質很清楚，但是很少會學習一些應用型的理論知識，如蛋白質所在環境的pH值不一樣，蛋白質所帶的電荷不一樣，這個現象可以被用來分離和純化蛋白。還比如學生都知道熒光是如何產生的，但是很少知道熒光材料可以用來標記生命體內的細胞或蛋白，從而通過熒光顯微鏡來觀察。

（四）大型儀器設備的共享機制不夠完善

近年來國家針對提高高校大型儀器設備的使用率和共享率出臺了很多監管措施，也確實起到了很大的作用，高校科研設施與儀器開放共享的良好氛圍已逐步形成，利用效益持續提升。當前高校主要以三種模式[3]來管理大型儀器設備：第一種是“集中管理，分散運行”模式，即把大型儀器設備繼續安置在最需要的院系或研究平臺，但是每臺儀器的信息集中到虛擬的網站上，用戶可以根據需求在網站上預約使用。第二種是“集中管理，集中運行”模式，即將所有大型儀器設備集中到一個平臺，如測試中心等平臺，然后集中運行。第三種是“委托管理，集中運行”模式。這種模式是由學校將開放共享平臺委托給某個院系負責管理。這三種模式中離本科生教學最近的還是第一種模式，這種模式下大型儀器設備分布在各個院系，這樣各院系的本科生還有可能接觸到這些大型儀器設備，第二種模式和第三種模式對大型儀器設備進行集中管理，一般還配備專門的管理人員，這兩種模式對外服務能力強，但是主要的服務對象是科研單位或科研人員，和本科教學關系不大[4]。

此外高校大型儀器設備的共享仍然存在問題，如部分單位大型儀器設備分散化、個人化的情況依然存在，有不少科研儀器還分散在課題組或個人手中。這些負責儀器的課題組共享性意愿很弱，也很少為本科教學服務。此外還存在閑置浪費、不少新購置的儀器全年使用機時很少、實驗技術人員數量明顯不足、實驗技術支撐隊伍薄弱等現象[5]。

二、高校大型儀器設備在本科實驗教學中的作用

（一）大型儀器設備的使用有助于提升本科生的創新能力

目前的實驗課可劃分為驗證式實驗教學設計、模擬式實驗教學設計、觀察式實驗教學設計、探索式實驗教學設計四種類型[6]，而目前高等院校的本科生實驗課程主要以驗證式實驗教學設計為主，即學生為了驗證已有理論知識或已存在的實驗結論而實施的實驗類型。這種實驗類型在實施之前已經被授課老師或實驗指導教材確定好了實驗路線，學生在實驗過程中只需按照規定路線實施即可。此類實驗有助于培養學生的動手能力，但是對學生的思考能力和創新能力的提升培養不足。創新并不是憑空想象，而是基于熟知某個領域的前提下產生的創新點。學生在進行驗證式實驗的過程中接觸的主要是最常規的儀器設備，而對本行業的一些最先進的儀器設備缺乏認知，這將導致如果學生想做一個探索性實驗的時候最先考慮到的是自己實驗使用過的常規儀器設備，而這些常規儀器設備使用的方法比較傳統或陳舊，往往不利于創新。但是大型儀器設備往往整合了最新的試驗方法，對一些創新性實驗不僅能起到具有事半功倍的作用，還能提供最新的解決辦法。比如我們課題組曾經指導本科學生做創新創業項目，給學生的題目是“藏紅花中藏紅花素的制備工藝方法研究”，學生提交的研究方法是將藏紅花素純化出來后通過質量比重來確定其含量，這種方法需要從不同提取方法獲得的粗提物中將藏紅花素純化出來，具有周期長、影響因素多的劣勢，這些方法都是學生基于自己所學的專業知識和用過的儀器設備設計出來的，而他們不知道高效液相色譜儀或液相質譜連用儀在不用純化出藏紅花素的前提下即可完成定量[7]。

（二）大型儀器設備的使用有助于本科生就業

隨著國內產業結構不斷優化，多數企業在生產過程中已購置了多種大型儀器設備。比如藥品生產企業或藥物檢驗單位，已經將質譜儀器和高效液相色譜儀器作為常規分析儀器，而我們本科生在接受本科教育的過程中其實很少能接觸到這類儀器。2020年版《中國藥典》將基于表面等離子共振技術的Biacore設備引入藥典中，但是本科生很少知道此類大型儀器設備[8]。如果我們在本科生教學實驗的實施過程中，通過模擬式實驗教學、觀摩式實驗教學、探索式實驗教學等方法使本科生對本行業的一些先進儀器設備有所了解，勢必會增加學生的就業機會。特別是針對一些測試分析或質量控制的崗位，企業為了控制成本往往不愿意花錢請碩士研究生擔任，如果本科生能勝任，企業更傾向于雇傭本科生來降低企業成本。

（三）大型儀器設備的使用有助于本科生意識到我國在大型儀器設備研發方面的短板

目前實驗室的科研型大型儀器設備還是以進口為主，價格昂貴。本科生在了解這些設備的過程中肯定會好奇這些好用的設備產自哪里，價格多少，從而了解到我國在科學研究大型儀器設備研發方面的不足之處。這有助于學生在未來的發展中更加關注國家面臨的一些卡脖子技術，從而提升創新研究能力。

（四）大型儀器設備的使用有利于提升本科生的學習積極性

本科生的教學都是以基于傳統理論知識的應試性教學和填鴨式教學為主，導致學生缺乏興趣和思考的空間，極大限制了學生的積極性和創造性。大型儀器設備是理論與實踐相結合的產物，代表著各個行業中最先進的技術，同時也是解決科研問題的重要工具。當學生發現自己所學的理論知識能夠解決實際問題時，往往會極大地提高他們的學習積極性。本人在青海大學擔任藥學專業的班主任工作，很多學生在學習“分析化學”課程的時候感覺到枯燥難懂，于是筆者讓學生來自己的實驗室看看高效液相色譜儀、核磁共振波譜儀等設備如何運行，同時帶著他們做幾個實驗，最后發現這些學生的學習積極性提高了很多，他們也覺得“分析化學”沒有那么難懂。

三、高校大型儀器設備在本科實驗教學中的應用方式

（一）通過模擬式實驗教學方法讓本科生了解大型儀器設備的原理和使用方法

隨著計算機技術的不斷發展，VR虛擬仿真技術得到了快速發展，從而加快了VR虛擬仿真實驗室的建設。運用虛擬仿真技術構建虛擬學科實驗室，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗操作對象，學生可以自主選擇不同實驗，在虛擬的環境下進行實驗觀摩、模擬實驗、拓展訓練等操作，在虛擬實驗的互動體驗中更深入地學習知識。但是目前的VR虛擬仿真實驗室基本上是以簡單的操作性實驗為主，相對缺乏大型儀器設備的原理介紹和操作過程，因此在后期的VR虛擬仿真實驗室建設過程中要結合大型儀器設備生產商來建立針對大型儀器設備的VR虛擬仿真實驗室[9]。這將有助于解決大型儀器設備用于本科教學時設備數量不足、本科生操作經驗不足容易損壞儀器等問題。

（二）通過觀摩式實驗教學方法讓本科生了解大型儀器設備的原理和使用方法

在實驗室大型儀器設備數量有限的情況下，可以通過觀摩式實驗教學方法來進行教學。第一種方式是將本科生分為幾個小組，然后授課老師給每個小組進行大型儀器設備的示范性操作，讓學生通過觀看和咨詢的方式進行了解。第二種方式是授課教師將大型儀器設備的操作過程進行視頻錄制，并制成一個教學視頻，讓學生通過觀看視頻來了解大型儀器設備的原理和操作過程，這樣的學習有助于學生在上機操作前做好充分的準備[ 10 ]。我們實驗室目前正在進行這樣的視頻課程建設，我們計劃將本實驗室的大型儀器設備的理論知識和操作指南制作成視頻，然后用于本科生的輔助教學視頻。

（三）通過探索式實驗教學方法讓本科生了解大型儀器設備的原理和使用方法

本科生中往往有部分學生對科學研究非常感興趣，對于這部分學生學校應該為其提供更多的機會，包括大學儀器設備的接觸和學習機會。讓這些學生根據自己的興趣點設計實驗思路、選取實驗工具、觀察實驗現象和處理實驗數據。這種開放式的探索式實驗類型，能夠給學生提供更多的思考機會，同時也讓學生更加了解大型儀器設備的原理和功能[ 11 ]。

（四）通過讓學生參加第二課堂或創新研究項目來增加接觸大型儀器設備的機會

學校應該給本科生創造更多的參與第二課堂的機會，讓本科生在課余時間走進實驗室，跟隨從事研究的老師或研究生一起進行實驗，從而創造更多學習大型儀器設備操作方法的機會[ 12 ]。此外，近年來高校越來越重視創新創業，可以鼓勵更多的本科生結合自己的專業背景去做一些創新項目，這樣的項目往往是領域內比較前沿的項目，對大型儀器設備的需求更多[ 13 ]。

（五）通過開設相關課程來增加本科生對大型儀器設備的了解

上文提到過大型儀器設備的數量相對有限，不能滿足本科生的教學需求，但是可以讓承擔大型儀器設備管理的部門，如分析測試中心來開設針對本科生的儀器操作選修課程，讓感興趣的本科生有機會參與學習。這樣的課程要注重理論和實踐相結合，而不是單純地講解理論知識。青海大學分析測試中心開設了“儀器分析”的課程，但是主要以研究生為授課對象。

四、結語

隨著科學技術不斷發展，新的理論和方法不斷出現，從而指導更多的大型儀器設備不斷推陳出新。這也促使高校不斷改進教學模式和教學手段，如果只沿襲傳統的應試教育的知識傳輸與接受模式，很難改變學生被動學習、死記硬背、一味追求分數的現狀，也不利于培養創新性人才[ 14 ]。

國家每年投入很多資金用于購置大型儀器設備，然而如何提高大型儀器設備的使用率也是目前面臨的一大問題。如果能夠將這些大型儀器設備用于本科教學，不但有利于提高設備使用率，而且對創新性人才的培養具有重要意義。但是大型儀器設備用于本科教學面臨很多困難，需要高校根據自己的情況尋找相應的解決方法。

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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