大型仪器设备服务本科生、研究生创新能力培养的研究与实践

王国祥 戴琛 张春华

摘要：大型仪器设备是高校实验室的主要实验设施，是高校科研教学得以顺利进行的重要保障。本文以南京农业大学生命科学实验中心的大型仪器设备服务实验教学为例，阐述了大型仪器设备在本科生、研究生创新能力培养中发挥的作用。

关键词：大型仪器设备；创新能力；实验教学；虚拟仿真

中图分类号：G643 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

中共中央国务院在《关于深化教育改革，全面推进素质教育的决定》中明确指出：“高等教育要重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业能力”，并要求“加强课程的综合性和实践性，重视实验教学，培养学生的实际操作能力”。而上述能力培养的关键就是要重视、加强和改进实验教学和实践课程。实验教学和实践课程能够培养学生自己动手解决实际问题的能力、自学能力，是培养创新精神和创造能力的重要环节，也是创新教育的重要途径。

大型仪器设备是高校实验室的主要实验设施，是高校实验教学、科学研究得以顺利进行的重要保障，代表着专业的测试水平和发展方向，熟练掌握大型仪器的使用将为创新人才的培养发挥重要作用，也是创新人才培养的重要途径。

1本科生、研究生大型仪器设备实验教学的现状

近年来，随着经济社会的发展，各高等学校通过银行贷款、央地配套共建经费、“211工程”、“985计划”的投入和科研项目的增加等渠道，购买了数量不菲的进口/国产各种大型仪器设备。这些设备使各高等学校的教学装备硬件水平大幅度提高。但由于大型仪器设备价格昂贵、操作复杂以及实验时间有限等多方面因素的制约，高校学生在大型仪器设备的实验教学环节制约颇多。例如很多学校都对本科生/研究生开设了《仪器分析》这门课程，但是相应的大型仪器设备只有寥寥数台，在实验课上学生就无法做到小组化实地了解、操作和使用设备，导致大多数学生在上完该门课程后依然只是纸上谈兵，并未获得亲自操作的机会经验。并且学生在实验课上都是按照教师的指定步骤进行，仪器参数及程序设定等关键要素都是预先设置好的，这样虽然保证了实验的成功率，但在实验过程中没有任何探索性的研究，因此学生很难对仪器分析过程的复杂性、样品前期处理要求的特殊性和分析试样的选择性等条件性基础准备工作有全面的认识。结果就是学生“知其然而不知其所以然”。仪器分析课的开设效果大打折扣，更谈不上利用大型仪器设备进行探索性实验、分析从而写出高质量的论文。

2大型仪器设备服务本科生、研究生创新能力培养的探索

南京农业大学生命科学实验中心是国家“十五”计划支持的建设项目。实验中心超过3600平方米的总使用面积，仪器设备资产超过5000万元，其中10万元以上的仪器设备超过40台（套），面向全校农业与生命科学类9个学院的25个专业开放，中心拥有专职实验技术人员10人，包括博士学位的5人，高级职称的3人。实验中心在大型仪器设备服务本科生、研究生创新能力培养方面做出了积极的探索。

2.1针对本科生，开设大型仪器设备的创新实践课程

实验中心针对不同层次的学生开设不同的创新实践课程，例如针对所有本科三年级学生开设的《科学研究基础训练》课程，以课堂教学为主，实地参观和观看实验中设备工作情况录像为辅，介绍实验中心各个仪器设备的原理、构成、功能和具体应用等，主要目的是让学生了解仪器原理及应用，为将来科研实验打基础。然后我们还针对本科三年级及以上学生开设《电镜应用技术》、《生命科学仪器及技术》、《仪器分析》、《质谱》等专业选修课，限选30人，以实验教学为主，课堂教学为辅，主要内容为各个仪器的实际操作与应用，让学生轮班有机会亲手操作，增加他们对仪器功能的了解，掌握实验仪器的基本使用。

实验中心还进行了大型仪器开放式实验教学的探索，每学期针对基地班学生进行开放课题申请。课题可以来自于学生自主构思，也可由中心教师根据设备运行情况提供。学生加入自己感兴趣的研究课题研究小组（一般2-3人1组），独立查阅资料、设计实验方案，经中心组织相关教师和实验员进行可行性审查后，由学生独立实施课题的研究方案和内容，中心提供仪器以及经费支持，在整个课题研究阶段（以一个学期为限），中心实验室对学生实行全方位开放，学生可在与指导教师商定好的课余时间内在实验室进行课题研究，预约使用大型仪器。待实验完成后需将研究结论整理成论文或实验报告，并进行答辩，教师将根据实验方案设计、实验操作过程、实验论文写作水平和答辩的结果综合给予评分，既让学生学会了利用仪器解决实际问题又无形中提高了动手实践能力。

通过以上三个层次的实验教学，大部分学生可以掌握大型仪器设备的原理、常用操作和使用方法等，并在利用大型仪器设备完成实验项目的过程中锻炼创新能力，也提高了学生的动手能力和科研实验技能。

2.2针对研究生，进行不定期的大型仪器设备培训讲座

在实际学习过程中，研究生与本科生不同，研究生已经进入实验室，具备一定的大型仪器设备的使用基础，同时课堂学习时间有限，所以中心针对研究生一方面开设《电镜应用技术》、《生命科学仪器及技术》、《仪器分析》、《质谱》等专业选修课，一方面邀请仪器公司相关专家来中心作技术讲座，普及仪器原理及问题分析，介绍仪器设备的最新分析与应用，让学生了解实验中心仪器设备的主要功能及分析数据。中心还举行短期、针对性的培训。培训一般每学期至少1次，所有培训学生均需经过严格的理论与实践考核，合格后方可获得大型仪器设备培训合格证书，为以后大型仪器设备面向科研开放、研究生自己上机实验测试奠定基础。这样普及仪器原理和应用与操作培训并举，为研究生利用大型仪器设备完成课题项目的过程中提供了臂助。

2.3虚实结合，提高大型仪器设备实验教学的效果

虚拟设备实验，指充分运用多媒体、仿真和虚拟现实（VR）等高新技术在计算机上建立部分替代甚至全部替代传统实验操作的相关软硬件操作环境，使学生可以在虚拟的真实环境中完成某种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果优于在真实环境中所取得的效果，并节约了原材料成本。学生还可在实验前利用虚拟实验设备进行预习，对实验建立起直观的感性认识，能有效地克服在实际实验中出现的盲目操作现象，减少了实际实验的错误概率，提高了实际实验的效率。尤其对于大型仪器设备来说，虚拟实验更是解决了大型仪器设备不足的缺陷。

我们中心是2014年初首批获得教育部批准建设的国家级虚拟仿真实验教学中心，包括植物学虚拟仿真实验教学平台、农业微生物虚拟仿真实验教学平台、动物学虚拟仿真实验教学平台、生化与分子生物学虚拟仿真实验平台、大型仪器设备虚拟仿真实验教学平台。

将虚拟仿真应用于大型仪器设备的实验教学，完整的模拟了整个实验仪器的操作过程，并可根据实际参数的调整，得出相应的实验结果，实现了实验教学中虚实互补，有利于培养学生自我训练及创新意识，因而成为目前中心建设的重要发展方向。

大型仪器设备是高等学校的宝贵实验资源，代表了先进的测试水平和发展方向。高校面临着培养高素质创新人才的重任，这些贵重大型仪器的使用与掌握在培养探索型、创新型人才的过程中意义重大，所以实验中心的大型仪器设备的服务工作还要不断完善与改进。只有进一步加大仪器设备的开放力度与学生动手操作能力，学生在实践学习中有更大的主观能动性，才能保证大型仪器设备更好地服务于教学、科研任务，为科技社会培养更多的实验研究人才。

参考文献：

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【2】汤云晖，王波，李耳. 大型仪器设备实验教学与本科生、研究生创新能力培养的探索实践[J].中国现代教育装备，2010，17：129-130

【3】王秀萍，张方.虚实结合扩大大型仪器设备对本科实验教学开放[J]. 实验室技术与管理，2014，31（4）：237-239