大型仪器共享平台建设在一流大学人才培养能力建设中的作用

何亚群，王 婕，吴祝武，谢卫宁，王 帅，刘怀宇，逯启昌

（1. 中国矿业大学 现代分析与计算中心，江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116；3. 中国矿业大学 教务部，江苏 徐州 221116）

《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》是高等教育改革的纲领性文件，建设“双一流”大学，提升高等教育综合实力和国际竞争力是党的十九大对我国高等教育改革发展规划的宏伟目标[1]，这意味着我国高校对本科生的素质有了更高的要求。在我国“双一流”大学建设背景下，高等教育人才培养的内涵发生了深刻的变化，高水平大学本科人才教育的目标是造就具有扎实的理论基础，拥有国际视野，并具有较强的创新能力的高素质人才[2]。德国现代大学之父威廉·冯·洪堡提出了大学的科学研究职能，他认为大学是高等学术机构，是处于研究探索之中[3]。卡尔·雅思贝尔斯在其著作《大学之理念》中提出现代大学的3项功能，即科学研究、教学和特定文化的传播，同样他也认为，学生应该参与学术研究，学生对所触及的知识应该采取怀疑的态度，也就是说学生要有批判性思维；因此要多以交叉学科的视角看待知识[4]。丁学良指出一流大学最突出的特点即是研究，且研究内容一定要具有国际前沿 性[5]。因此，科学研究活动是高校培养创新型人才的必备内容。受该思想影响，德国大学在培养学术创新人才方面取得了显著成绩[6]，在整个 19世纪的 100年间，德国取得了356项重要科学成果，远远超过了英国的198项与法国的 219项[7]。德国科学家在创立诺贝尔奖之后的前30年内占有30%的获奖比例[8]。19世纪末期，各国大学普遍认识到了大学是开展基础研究的高等学术机构。现代一流大学的目标是培养拔尖创新人才，让大学生参加创新活动研究是提升其创新能力最直接的方式，具有了“科学研究”能力才有可能成为创新人才[8-9]。左铁镛指出科学研究的必备条件是实验室仪器设备，学生在发现问题后借助实验室设备分析问题、解决问题，并进一步得出结论，因此实验室设备保障了培养大学生科学探究的能力[10]。

本科生在课堂上接触的一般为成熟的、经典的理论知识，在实验室中所做的通常也是验证性的实验。在掌握了成熟的理论及实验的基本操作后，通过引入专业发展前沿研究开阔学生的科学眼界，激发创新灵感，从而提高学生的创新能力。近年来，高校大型仪器设备数量和质量迅速提升，为高校科学研究的快速发展创造了有利条件，助力国家战略目标“双一流”的实施[11]。国务院《关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》指出：“国家重大科研基础设施金额大型科研仪器是用于探索未知世界、发现自然规律、实现技术变革的复杂科学研究系统，它是突破科学前沿、解决经济社会发展和国家安全重大科技问题的技术基础和重要手段”。大型仪器设备具有卓越的性能、超高的精确度及灵敏度，在申请及完成国家、地方大项目，培养硕士研究生、博士研究生方面发挥了积极作用[12]。通常大型仪器设备价格昂贵，要求操作精准，往往由专门的教师负责运行测试，加之实验课时不足，本科生鲜有机会接触，因此对大型仪器设备的重要意义仍然认识不足[13-14]。大型仪器设备是数学、电子、化学、物理、计算机等学科综合的产物，掌握并使用这些精密复杂的大型仪器设备，需要扎实的理论知识与较强的实验技能，对本科学生走向学术前沿，了解世界上未知的事物具有重要的指导意义[15]。在本科实验教学环节开放大型设备共享，采用虚拟仿真训练和开放基金的形式激发学生对先进仪器的科研热情，进而培养学生动手能力、分析和解决问题能力。同时大型仪器设备在学生中的广泛使用也是营造高校育人环境，是提升大学创新人才培养能力的重要手段。

1 开放共享，高效利用大型仪器设备

1.1 开放共享系统的构建

大型仪器设备资源共享系统对所有用户操作实行自动化管理，系统内仪器设备与管理员、用户实现统一的信息资源共享，实现网络与数据库的对接、数据库的管理端与互访、用户和管理端的交流等，最终实现“管理与共享”双重目的。仪器管理员可通过浏览器进行信息录入、资质审核、使用记录、远程查看控制、收费管理等操作，平台用户可以登录设备预约管理服务器进行仪器查询、仪器预约、个人信息录入、计费明细查询等操作。我校现代分析与计算中心（以下简称“中心”）是学校直属管理的公共平台，管理的设备均为大型、贵重、精密仪器设备，按照功能可分为表面分析部、微观结构部、超微形貌部、无机分析部和有机分析部。中心设备资源共享平台网络架构模式如图1所示。

在构架中心的大型仪器开放共享系统逻辑图的过程中，为了实现实验室的全天候开放，设计了“送样测试/自主测试”两种测样模式。用户除了可以选择送样测试外，还可以通过培训获得中心仪器操作资格证书后，选择自主测试方式。此时，用户登录预约系统选择测试时间，后台数据库对预约项目进行数据处理，驱动门禁系统和设备电源开关，用户可在规定时间内刷卡进入门禁，并开启设备进行自主测试，该模块硬件组成见图 2。在此系统中，门禁单元集成了电子门牌与解锁功能。电子门牌既可展示设备功能、近期预约名单及设备管理员，又可以门禁解锁，包括人脸识别、指纹识别、密码开锁、校园卡解锁等方式。软硬件还包括两套视频监控系统，除了安保视频监控之外，针对每台大型贵重精密仪器，专门设置一台高清长变焦360°无死角摄像头，主要服务于对用户使用操作设备细节的监控；另一方面，当自主测试用户在非工作时段使用设备遇到操作困难或问题时，设备管理员可通过监控了解现场情况，实现网络远程指导。这种集“网络预约—软硬件联动—自主测试—远程管理”为一体的样品分析测试模式，实现了用户 24 h送样/自主测试功能。

1.2 开放共享系统功能与实施

开放共享系统对用户、设备、预约以及信息 4部分内容进行有效管理是实现设备高效共享利用的保障。

（1）用户管理功能。在使用大型仪器共享平台前，首先需使用校园卡和身份信息进行网上注册，成为平台正式用户。中心管理人员注册成为共享平台的超级管理员，具有最高的权限，能够对注册人员进行资质审核，查询用户基本信息及培训记录，追踪设备使用与费用结算等信息，对不诚信用户实时取消或暂停设备使用权限。负责测试的专职教师注册成为设备管理员，对设备直接负责。校内教师与学生注册成为教师用户和学生用户，学生用户需选择加入导师课题组。

图1 大型仪器设备开放共享自主预约测试平台架构

图2 预约共享平台的硬件联动模块

（2）设备管理功能。大型仪器设备的稳定运行是开放共享的基础，设备管理员是设备管理的实施者。设备管理员必须具有较强的责任心，能够熟练掌握设备操作步骤，保质保量完成测试工作，实时准确地做好使用记录。对设备定期维护保养、校准核查是一项确保设备完好的重要必备工作。一旦设备出现故障，设备管理员应及时联系工程师协助维修工作，并做好维修记录。

（3）预约管理功能。超级管理员根据设备实际情况设置设备预约时间或每日预约样品数，学生用户可登录系统查询设备预约情况，在确定预约设备机时或样品数后，系统通过短信和邮件通知导师对预约进行审批，此后机组设备管理人员方可审批，两次审批保障了预约的有效性。用户预约成功后需在相应时间段刷卡使用设备，如错过时间则视为取消预约。

（4）信息管理功能。开放共享系统利用信息管理功能实时对设备的预约情况跟踪管理以及时更新，并每年统计设备一年内的利用率、校内测试及校外服务总数、年度收费情况等信息，为上级管理部门提供详实数据资料。目前，中心全部的大型仪器设备均已开放，网上预约测试服务。测试完成后，中心工作人员将测试结果以报告形式上传至系统，用户在缴纳测试费用后即可下载测试报告以便查阅，并可对测试过程进行客观评价。

2 高校大型仪器共享平台育人功能

在教育部高等学校 2018—2022年教学指导委员会成立大会上，陈宝生部长指出“实现高等教育内涵式发展，建设高等教育强国，必须牢牢抓住全面提升人才培养能力这个核心点，加快建设高水平本科教育，引领带动形成更高水平人才培养体系”。由此可见，一流大学建设的重要环节是构建并完善我国高校的创新人才培养能力，把全面振兴本科教育作为新时代高等教育改革发展的核心任务。我校矿物加工工程专业是国家特色专业、江苏省品牌专业，该专业所在学科是国家重点学科，有着较好的课堂教学与创新实践条件。本文以我校矿物加工工程专业为例，阐述大型仪器设备开放共享平台在本科生培养中的作用与成效。

2.1 理论教学体系的构建

在我校矿物加工工程专业 2016版本科培养方案编制过程中，考虑到现代分析测试技术在本科生思维意识的形成、理论知识的获取、实践能力的培养等环节创新教育的重要作用，首先在第一学年开设的“资源转化与利用创新体验”中融入现代分析测试方法手段的内容，使学生在工程能力培养初期对先进的分析测试手段形成初步的印象。此后，在第三学年的上、下2个学期分别开设理论课“现代仪器分析与实践”（32学时）和独立设课的实验课“矿物加工仪器分析实验”（32学时），构建学生的现代分析测试方法的理论框架。通过课堂教学在学生学习分析测试基本理论、仪器设备的结构原理基础上，突出案例教学，强化专业应用的背景，体现工科学生创新能力培养的需求；在实验课教学环节上，要求学生在掌握理论知识的前提下，对于自身感兴趣的研究方向或问题，进行有针对性的仪器选择和操作学习。

进入大学四年级后，在开设的“矿物加工工程学科前沿讲座”课程中，分配相应学时对本学科高水平研究成果中所应用的现代分析测试手段与方法进行解剖分析，激发学生使用现代分析测试手段进行创新实践和获取创新成果的热情和动力。

通过相关课程的设置，使矿物加工工程本科学生的“思维意识—基础理论—实践训练—专业应用”几个环节有机联系，形成创新能力培养的知识链条，提升了学生的创新能力，为工科创新人才培养过程中育人环境的构建提出了新的模式。

2.2 实践训练环节的实施

在掌握现代分析测试技术理论知识和方法手段的基础上，通过实践训练环节培养本科生的动手操作能力和对数据的整理和解析能力。首先依托独立设课的“矿物加工仪器分析实验”课程，对学生的大型仪器设备操作和数据分析技能进行培养。针对大型仪器设备的操作使用特点，对实验课程的班级人数进行限制，并将班级按5人一组划分成若干个小组。根据学生自身的兴趣和对学生今后申请创新实践项目时可能用到的大型仪器设备进行评估，引导学生按需求每人自主选择两台仪器作为操作实训的对象。通过实验教学环节的操作训练，参训学生基本掌握了相关大型仪器设备的操作技能和初步的数据分析能力，拓展了学生的学术视野，为今后的科研创新训练打下坚实的基础。

此外，学生可以不定期自主申请大型仪器操作培训，培训合格可获得设备操作资格证书，同时中心每学年都招募优秀的本科生进入分析测试公共平台作为大型仪器的兼职助管，或通过加入教师的科研团队了解并使用公共平台上的大型仪器设备，通过这些渠道在更广泛的层面上鼓励本科生加入使用现代分析测试手段的行列。

为了辅助课堂教学和实践训练，中心还开发了现代分析测试技术虚拟仿真培训软件。其中“交互式透射电子显微镜虚拟仿真教学系统和教学方法”获得了国家发明专利授权。通过虚拟设备实验，充分运用多媒体、仿真和虚拟现实（VR）等新技术在计算机上建立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环境中完成某种预定的实验项目，所取得的学习或培训效果甚至优于在真实环境中所取得的效果。学生还可以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，减少了实验的错误概率，提高了实验的效率。具备了这些基础，学生就可以在三、四年级的科研创新项目、“挑战杯”等各类竞赛、毕业论文、毕业设计，以及参与教师课题组的科学研究活动中，合理并有效利用现代分析测试手段，获取更多具有较高学术层次的创新成果。依托公共分析测试平台构建大学创新人才培养能力的模型如图 3所示。

图3 分析测试公共平台人才培养能力构建模型

3 多管齐下获取创新成果

充分发挥学校分析测试公共平台在仪器设备运行和开发应用方面的优势，着重推进大型仪器在基础科学研究领域的应用，强化大型仪器原理及操作在构建工科学生专业知识体系中的作用，以此为基础开展多层次的创新研究活动。为提高工科学生的创新能力，现代分析与计算中心和学校教务部面向全校本科生联合发布“非同凡‘想’”创新基金，鼓励学生敢于提出颠覆性、原创性和自主性思想，使学生能做自己想做的事，并允许学生进行容错性创新实践，以期获得一批原创性创新成果。第一批“非同凡‘想’”创新基金已经于2018年7月开始实施。与此同时，中心组织由设备机组管理员牵头，吸纳学生组建课外兴趣小组，各专业学生可根据个人兴趣，结合专业知识，在中心工作人员的指导下开展深层次、高水平的创新实验研究。中心还对国家级、省级以及校级的大学生科研创新训练项目给予支持，鼓励学生借助大型仪器拓宽对专业知识的理解，提升科学研究的素养。

通过各类本科生的创新项目与实践活动，依托于学校分析测试平台提升高校创新人才培养能力的举措取得了应有的成效。国家级大学生创新训练计划“磨矿浮选回收废弃锂离子电池电极材料的干法改性机理研究”成员在中心的表面分析组、结构分析组和无机分析组教师指导下，完成了经干法改性后电极材料表面形貌、元素分布、表面有机官能团等变化的分析，进而揭示通过干法改性提高电极材料可浮性差异的机理。该项目组成员在指导教师和中心工作人员配合支持下，完成了项目既定任务，发表与项目相关的 SCI源刊学术论文3篇，并申请了国家发明专利。我校能源、材料与物理学部本科生胡海华依托所承担的国家级大学生创新项目，在指导教师和中心技术团队的支持下，利用X射线衍射、扫描电子显微镜和场发射透射电子显微镜等大型仪器设备表征合成新材料的物相组成和表面性质，根据相关研究成果所撰写的4篇论文先后发表在Journal of Materials Science-Materials in Electronics，Micro & Nano Letters等SCI源期刊上。我校本科学生通过参与大学生创新训练计划、国家级科研训练项目及课外兴趣小组等科研活动，使用现代分析测试手段探索物质的基本属性，使本科生的科研创新能力有了很大提升。

此外，中心以各种形式鼓励理工科学生以中心为平台参与省级与国家级的各类竞赛。每年都有本科生在国家及省级的“挑战杯”大学生创新实践竞赛、“全国大学生节能减排大赛”等竞赛中获奖。据不完全统计，2016—2018年矿物加工工程专业本科生发表在核心期刊以上杂志学术论文12篇，各类获奖人数达61人次，其中，“废弃植物油团聚法分选微细难浮煤泥试验研究”获得了第三届全国高等学校矿物加工工程专业学生实践作品大赛一等奖。以中心的高性能并行计算系统为依托的校超算创新团队连续 3年组织学生100余人在高性能计算集群实训，选拔后连续3年参加“世界大学生超级计算机竞赛”均取得优胜奖，其中计算机专业本科生在2016年ASC世界大学生超级计算机竞赛中获得“Prize of Excellence”奖。

4 结语

根据世界一流大学人才培养目标，以及提升一流大学创新人才培养能力的需求，依托校级分析测试公共平台精密大型仪器设备在管理和应用上的优势，构建了具有“网络预约—软硬件联动—自主测试—远程管理”属性的大型仪器设备开放共享平台。以我校矿物加工工程本科专业为例，形成了基于大型分析测试仪器设备与先进方法手段的“思维意识—基础理论—实践训练—专业应用”课程与实训体系。实践表明，现代分析测试方法及手段运用于工科学生创新能力培养的全过程，将拓展学生的科学视野，提升本科生科研创新活动及成果的层次，为“双一流”大学建设背景下的高素质创新人才培养提出一种新模式。