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，是高校科研教學得以順利進行的重要保障。本文以南京農(nóng)業(yè)大學生命科學實驗中心的大型儀器設(shè)備服務(wù)實驗教學為例，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；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，培養(yǎng)學生的實際操作能力”。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和實踐課程。實驗教學和實踐課程能夠培養(yǎng)學生自己動手解決實際問題的能力、自學能力，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、科學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)備實驗教學的現(xiàn)狀

近年來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，各高等學校通過銀行貸款、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)備使各高等學校的教學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，高校學生在大型儀器設(shè)備的實驗教學環(huán)節(jié)制約頗多。例如很多學校都對本科生/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)大學生命科學實驗中心是國家“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)與生命科學類9個學院的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生開設(shè)的《科學研究基礎(chǔ)訓練》課程，以課堂教學為主，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生開設(shè)《電鏡應(yīng)用技術(shù)》、《生命科學儀器及技術(shù)》、《儀器分析》、《質(zhì)譜》等專業(yè)選修課，限選30人，以實驗教學為主，課堂教學為輔，主要內(nèi)容為各個儀器的實際操作與應(yīng)用，讓學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的探索，每學期針對基地班學生進行開放課題申請。課題可以來自于學生自主構(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（以一個學期為限），中心實驗室對學生實行全方位開放，學生可在與指導(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，既讓學生學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，大部分學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)備培訓講座

在實際學習過程中，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)，同時課堂學習時間有限，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。培訓一般每學期至少1次，所有培訓學生均需經(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，所取得的學習或訓練效果優(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。學生還可在實驗前利用虛擬實驗設(shè)備進行預(yù)習，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中心，包括植物學虛擬仿真實驗教學平臺、農(nóng)業(yè)微生物虛擬仿真實驗教學平臺、動物學虛擬仿真實驗教學平臺、生化與分子生物學虛擬仿真實驗平臺、大型儀器設(shè)備虛擬仿真實驗教學平臺。

將虛擬仿真應(yīng)用于大型儀器設(shè)備的實驗教學，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)了實驗教學中虛實互補，有利于培養(yǎng)學生自我訓練及創(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)備的開放力度與學生動手操作能力，學生在實踐學習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、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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