发挥大型仪器设备作用 提高本科生创新能力

刘慧 张大庚 栗杰 李双异

摘  要  大型仪器是高校建设一流学科，办好本科教育，培养创新人才的根本保障。但大型仪器价格昂贵，并受时间、空间、环境等因素制约，在本科生实践教学中应用程度不高。通过开设仪器分析课程、丰富仪器培训内容、扩大仪器培训对象、理论和实践相结合等方式，增加本科生学习和使用大型仪器的机会，为运用大型仪器提高本科生创新实践能力探索新路径。

关键词  本科生；大型仪器；一流学科；创新能力；虚拟仿真实训系统

中图分类号：G482    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）07-0014-03

0  引言

大型仪器是高校人才培养、专业建设和学科发展的硬件保障，也是知识与技术创新必不可少的工具 [1]。在一流学科建设中，把能否熟练操作大型仪器作为衡量本科生科研素质及创新能力的一个重要标志[2]。

2015年，国务院印发《国家统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》。2017年，教育部、财政部、国家发展改革委联合印发《统筹推进世界一流大学和一流学科建设实施办法（暂行）》[3-4]。沈阳农业大学土地与环境学院（以下简称本院）农业资源与环境学科2019年入选辽宁省“双一流”建设学科，2020年入选国家一流建设学科。在一流学科建设背景下，土地与环境学院大型仪器实验中心（以下简称中心）在大型仪器购置和管理方面取得长足发展。目前，中心有精良仪器设备35台（件），总价值5 000余万元；有大型仪器专管教师八人、研究生助理五人、本科生助理三人。精良的技术装备和精湛的专业队伍为教学和科研的有序开展提供了有力保障。

但是，大型仪器受价格昂贵、操作复杂等自身因素的限制，以及时间、空间、环境等外界因素的制约，导致其在本科生实践教学中应用较少[5]。通过开设课程、扩大培训、学用结合等方式，提高大型仪器在本科实践教学中的应用比重，不仅可以有效盘活大型仪器设备资源，而且能够很好地提升本科生创新能力[6]。

1  开设课程

为使本科生对大型仪器的工作原理、应用领域、技术操作等有更深刻的理解，中心自2015年为本科生开设大型仪器方面的选修课，通过课程的系统学习，提高本科生的理论认知能力和实践创新能力。

1.1  课程内容丰富化

中心在农业资源与环境、环境科学两个专业本科生中开设30学时的“资源环境类大型仪器分析”选修课程，课程内容如下。

1）理论：主要讲授大型仪器的应用领域、工作原理、注意事项、操作流程、应用实例等基本知识（10学时）。

2）观摩：把学生分成若干小组，每组3～5人，轮流进入实验室参观，由专管教师亲自示范仪器操作流程，目的是对仪器进行简单了解（5学时）。

3）模拟：借助大型仪器的离线模拟平台，学生可以模拟操作仪器，目的是熟悉操作流程（5学时）。

4）实践：在以上三项内容充分熟悉并掌握，不会对仪器造成影响的前提下，由专管教师指导学生操作仪器并测试样品，打印分析报告（10学时）。

通过本课程的学习，本科生要对高精尖的科技设备有更深入的了解，提高实践能力。

1.2  授课方式信息化

本科生人数多，实验技能欠缺，大多数情况下还不能直接在仪器上进行操作训练。因此，通过虚拟仿真操作软件进行模拟教学，本科生可以随时随地开展大型仪器的自主学习活动。大型仪器虚拟仿真实践教学采用3D技术，将原理、方法、软件等进行演示，并模拟操作得出实验数据[7]。目前，中心开发了电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）、激光粒度仪等七台仪器的虚拟仿真系统及标准化操作视频，对应的本科生实践课程有环境毒理学、农产品质量分析、土壤与环境分析等三门主干课。每年近120名本科生在技能培训和实践过程中使用大型仪器虚拟仿真实训系统，取得很好的应用效果。

2  扩大培训

本科生经过理论和实践课程的学习，虽然在知识和技能上有了较大的提高，但大型仪器毕竟价格昂贵，操作不慎就会造成很大的财产损失。针对这一问题，中心加大了本科生培训的深度和广度。

2.1  培训形式多样化

中心自2015年成立以来，已经组织各种规模和形式的培训60余次，累计培训本科生近400人。中心编写了培训大纲，并根据实际情况每年进行修订。培训主要由四部分组成。

1）预习。通过大型仪器平台发布培训时间、地点、人员及相关资料，学生事先通过预习了解培训内容。

2）面授。工程师、仪器专管教师集中讲授仪器工作原理、仪器构造、仪器工作模式、软件使用及应用图例、注意事项等知识。

3）上机。在工程师或仪器专管教师的指导下，学生3～5人为一组进行上机操作练习。

4）考核。考核分笔试和实操两部分，笔试主要对培训内容进行加深和巩固，实操是选择一种仪器进行上机测样，得出有效数据。

2.2  培训对象扩大化

近五年本院本科生的考研率平均达到65%，大多数本科生选择继续学习和深造。从本科生到研究生，不仅要求知识上进行储备，更要求技能的提高，大型仪器培训是提高本科生实践技能的有效途径。中心自2016年开始，在新生入学教育阶段组织本科生参观中心实验室，并将大型仪器在培养创新人才的作用，依托大型仪器取得的科研成果等向本科生认真宣讲[8]。通过参观，不仅充分展示了学院的硬件条件，而且让学生直观感受到开放的学术氛围，激发他们对科研的兴趣[9]。中心每年都举行不同规模、多种形式的培训。2020年，中心进行了液相色谱仪、同位素质谱仪等六台仪器的培训，其中本科生参加人数达到75人次，有13人成功拿到大型仪器使用资格证书。经过多年的培训与实践，本科生在知识体系、动手能力、科研创新等方面有了质的飞跃，大型仪器培训成为本科生创新能力提升的重要环节。

3  学用结合

任何知识的学习只有不断地实践才能更好地消化。为了降低本科生对大型仪器设备的恐惧感，激发本科生勇于实践的热情，中心对大型仪器参与本科实践教学的形式和内容进行改革与探索[10]。

3.1  传统实验与大型仪器的结合

随着大型仪器知识的普及和应用，土壤学教研室和环境科学教研室经过多次教学研讨，决定在2015级农业资源与环境专业土壤与环境分析、农产品品质分析和2016级环境科学专业环境毒理学上使用大型仪器，经过三年的教学改革和实践，取得很好的效果。具体实验项目为：土壤全氮测定、土壤有机质测定采用元素分析仪；土壤重金属含量测定，环境水体中铬、铅、砷测定采用ICP；农产品农药残留测定采用高效液相色谱仪；土壤和水体中硝态氮、铵态氮测定采用流动分析仪。把传统实验方法和大型仪器相结合，不仅缩短了实验进程，提高了实验准确度和成功率，而且满足了本科生的好奇心和求知欲，激发了他们的创新意识和创新思维。学生也可通过对传统方法与大型仪器方法测定的数据进行对比分析，探讨两种方法的差异性和优缺点，从而提高分析和解决问题的能力。

3.2  自主实验与大型仪器的结合

为了推进大型仪器在农业基础学科领域中的应用，深化本科生对大型仪器在构建专业知识体系中作用的理解，学院鼓励本科生借助大型仪器开展多层次的自主创新实践活动[2]。学院成立由实验室主任为组长、仪器专管教师和科研教师为组员的科技创新指导小组。学生可根据个人兴趣，结合专业知识，在科技创新指导小组成员的带领下开展深层次、高水平的自主创新实验活动，经过三年的实践，取得显著效果：依托大型仪器获得大学生创新训练项目53项，其中国家级大学生创新训练项目八项、省级16项、校级29项；300多名本科生参与创新科研训练，占学院本科生人数的33.3%；大学生创新训练项目“电感耦合等离子体发射光谱仪同时测定土壤有效硫和有效磷方法的优化（2019-42）”，已经顺利结题，项目组成员已经完成测试方法和测试参数的优化，为实验教学和科学研究提供了参考。

4  结束语

总结多年的实践经验，大型仪器在提高本科生创新能力上取得明显成效，主要表现在：

1）通过开设课程、扩大培训，强化了大型仪器的教学功能，提高了仪器的利用率，使本科生获得更多的学习和使用大型仪器的机会；

2）通过大型仪器助力传统实验，凸显了大型仪器的优越性，使本科生了解了科技前沿，拓宽了创新视野，提高了基础实验教学的层次；

3）通过依托大型仪器开展自主性、研究性、原创性实验项目，提高了本科生的自主学习意识和创新思维能力，本科生的科研能力得到提升。

随着大型仪器在本科实践培养环节的应用和探索，必将进一步发挥大型仪器的优势和作用，为提高本科生创新能力开辟出一条新路。

参考文献

[1] 陈晨，翁雨燕，范大明，等.一流学科建设中大型精密贵重仪器设备培训体系的改革[J].实验室研究与探索，2020，39（3）：258-261，273.

[2] 王晓岗，许新华，郝志显，等.以培养本科生自主学习能力为目的的大型仪器开放实验教学[J].实验室研究与探索，2019，38（6）：181-184，234.

[3] 国务院关于印发统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案的通知[A/OL].（2015-11-05）[2021-12-28].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-11/05/content_10269.htm.

[4] 教育部 财政部 国家发展改革委关于印发《统筹推进世界一流大学和一流学科建设实施办法（暂行）》的通知[A/OL].（2017-01-25）[2021-12-29].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A22/moe_843/201701/t20170125_295701.html.

[5] 许伟，姚日晖，宁洪龙.面向本科实验教学的大型仪器设备管理[J].中国高校科技，2019（5）：24-26.

[6] 何亚群，刘怀宇，谢卫宁，等.探索大型仪器开放共享对提高理工科大学生创新能力的新途径[J].实验室研究与探索，2019，38（8）：261-265.

[7] 钱猛，杨娜，刘园园，等.大型仪器平台虚拟仿真实训系统在农业与生命科学类研究生培养中的应用机制[J].高校实验室工作研究，2018（3）：125-128.

[8] 赵阳，管利萍，李海燕，等.大型科研仪器平台参与本科生创新人才培养的实践与探索[J].实验室科学，2019，22（2）：218-223，226.

[9] 石变芳，宋楠，常静，等.大型仪器的资源共享建设及在教学科研中的应用[J].实验室研究与探索，2019，38（9）：271-274.

[10] 权茂华，孙建林，毛璟红，等.加强大型仪器服务平台建设 提高共享服务能力[J].实验技术与管理，2019，36（2）：238-240.

作者：刘慧，沈阳农业大学土地与环境学院大型仪器实验中心实验室主任，实验师，主要从事仪器分析、实验教学工作；张大庚、栗杰、李双异，沈阳农业大学土地与环境学院（110866）。