大型仪器设备在研究生培养中的问题与对策
李哲煜 陈忠林 沈吉敏
摘? ? 要：文章结合哈尔滨工业大学环境学院实验中心大型仪器设备的实际情况，分析大型仪器设备面向研究生培养过程中存在的问题，并提出相应的解决对策，即强调实验教学的设计理念，严格实验室准入，预约、安全与监控管理机制，为进一步加强大型仪器的开放共享及科学管理提供参考。
关键词：大型仪器设备;研究生培养;对策
中图分类号：G643? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ?文章编号：1002-4107（2020）10-0081-03
研究生是国家科学研究的主要后备力量和生力军，加强研究生培养，提高研究生综合素质是高校培养具有创新精神、创新能力的高素质人才的重要途径。为此，加大研究生科研条件的投入，增加大型科研仪器设备的数量，强化大型仪器的实验教学与开放，以促进研究生的能力和素质的培養。本研究针对大型仪器设备在研究生培养过程中存在的问题，从实验教学到仪器开放提出了解决对策，并加以实施。
一、大型仪器在研究生实验教学中的问题及对策
根据哈尔滨工业大学环境学院的特点，在研究生培养过程中，学院实验中心利用学院仪器平台的科研仪器设备，开设研究生综合实验课，设计包括大型仪器检测原理与方法、学科实验方法与技术等覆盖学科各类实验教学的30余个单元，每单元6个学时，学生可以根据自身实际需求，自主选择实验教学单元，完成相应学时，获得实验课学分[1-2]。有精力的学生在选择完成必修学分的基础上，可以加选其他实验课程学习，充分满足研究生对技能培养的渴求。
然而，实验教学通常针对低年级研究生且学生基础相对薄弱。大型仪器设备通常操作复杂，课堂教学课时有限、学生上机时数少;传统实验教学样品单一，与学生研究方向关联性差，导致学生积极性、主动性差;传统实验报告可复制性强，容易应付，学生注重操作，弱化分析，写作能力缺乏;操作大型仪器设备经验不足，等等，这些问题导致研究生动手能力、分析能力得不到充分提高，影响了研究生科研实践技能和创新能力的培养。文章针对大型仪器在研究培养过程中存在的这些问题，切合学生的研究方向，教学与理论相结合，实践和研究相结合，提出对策，加以解决。
（一）大型仪器设备教学课时少、学生上机时数少
研究生的初期阶段是以基础课为主，科研实验为辅，所以这一时期，学生对大型仪器仅处于对仪器名称的认知阶段。在实验教学课之前，开展仪器普及讲座，介绍仪器基本原理、功能、应用范围，使学生了解实验室的仪器平台建设、分类，对仪器设备具备初步的了解，对后续实验教学开展，做好良好的理论铺垫，变相缩短了实验教学理论讲习时间，延长了实验教学的实践时间。
实验教学，以学生为主体，教师为主导，小班式上课，将学生分成若干小组，学生可根据自己的实际情况调整上课组别。小班上课，效率高，每位同学可得到一对一指导，确保上机实验质量。
借助网络，课前与课后，开展问题式、研讨式、参与式、互动式、启发式组合实验教学。建立实验教学微信群和QQ群构建信息共享平台。在信息共享平台上，学生提出问题，教师不仅会解答问题，同时教师也会在群里提出问题启发学生的钻研精神、实验意识。师生之间、学生之间会展开研讨，每一位学生都可参与，大家一起互动。网络教学拓展并延伸了课堂教学时间，为学生课堂上的上机操作争取更多的实践机会和时间。
以科学研究为载体，以大型仪器设备为手段，线上线下混合式实验教学，教学与信息共享相结合，为研究生培养过程中在大型仪器的教学与开放提供了良好的前期基础和准备。
（二）实验教学样品单一，与学生研究方向关联性差
经过对仪器的普及讲座及网络教学，学生针对自己的需求在为研究生开设的综合实验课中选择与自己科研相关的实验单元进行进一步的理论及实际操作学习。切合学生的研究方向，从实验前、实验中、实验后，合理分配编排实验教学流程，使目标教学内容与样品选择、方法紧密相连，调动学生对实验教学的积极性和学习主动性。
实验前，针对每个实验教学单元，通过互联网，建立实验教学单元学生群，传送课上实验讲义电子版材料，便于学生了解实验内容与流程，做好实验预习。鼓励学生根据自己的研究方向，自备样品，教学实验开始前，逐一讨论并加以指导，量身定制，建立实验计划，让学生在课前充分把握自己的实验目的和节奏。
实验中，由于实验预习充分与样品前处理准备到位，理论教学轻松，实验编排顺畅，大大提高了实验教学的课堂效率。引导学生从浅入深，从原理到实践，逐个亲自动手操作，消除对大型仪器的恐惧感。对注意事项，在重点强调和教师操作示范的基础上，注重实验笔记的记录和实际的演练。学生的积极性、主动性得到极大地调动。
（三）实验报告具有可复制性，学生重操作、弱分析
对实验数据和实验结果的认知，结合实验样品与实验目的，引导并教授数据分析方法，注意调控学生的情绪，即使是看起来消极的实验结果，在分析找出问题点的同时，鼓励学生挖掘探究新方法，变消极为积极。实验后，学生填写专门设计的实验报告模板，内容包括与实验相关联的研究背景、测样目的、材料（包括样品准备）、实验仪器、实验方法、实验数据与讨论、实验分析与结论、参考文献。这种基于科研论文基本框架的实验报告的设计理念与实验的量身定制相结合，有效地避免了实验报告的可复制性，学生不再容易应付。实验报告分析整理完毕，相当于模拟完成了一篇小论文的基础框架。有效运用实验报告，将促进学生科研能力提升，实现理论知识与实践技能的高度结合和统一，并初步培养学生科研论文的写作思路和方法，为将来实际撰写期刊论文乃至学位论文的准备奠定良好的理论基础及素材积累。
（四）研究生对大型仪器设备经验不足
在仪器普及讲座的基础上，综合实验课的课堂实际教学，加强了学生们对仪器的认知，并掌握了操作的基本技能。但是综合实验课主要是针对低年级硕士研究生的流程式基础实验教学，随着研究的深入展开，学生的研究成果更加依赖仪器，仅靠综合实验课的学习将无法满足学生的科研需要。另外，老生不断毕业，新生不断涌进，各研究组经常出现仪器使用技能的技术断层。鉴于每个研究组的研究方向都有各自的特点，在综合实验课教学的基础上，采取递进式强化培训。即，以研究组为单位，组织学生仪器上机培训，针对各研究组情况强化细化实验指导与培训，巩固综合实验课教学成果，加强实验室管理及安全操作意识，掌握仪器基本维护技能。扩大学生培养范围，大力培养作为中坚力量的低年级博士研究生，使其在研究组里有效地起到承上启下的传帮带作用。
切合学生的研究方向，教学与理论相结合，实践和研究相结合，开展普及讲座、流程式基础实验教学与递进式强化培训相结合的立体阶梯式教学模式，有效加强了研究生对大型仪器的使用原理和操作技能的掌握，切实发挥先进大型仪器的科研作用。
二、大型仪器对研究生开放管理存在的问题及对策
研究生通过实验教学，认知大型仪器设备，一定程度上掌握了大型仪器设备的操作方法，但是对大型仪器的使用需求和频度，因研究方向而异、因研究阶段而异、因研究程度而异。大型仪器普遍投入较大，价格昂贵，维护成本高，如果研究生经验不足，操作不熟练或不当，可能造成对仪器的故障或损坏，加之学生通常只有在实验教师工作时间才能预约检测，致使大型仪器的使用率偏低，开放力度不够[3]。大型仪器对研究生的开放管理中，学院实验中心实施了大型仪器独立操作资格取得制和网上预约制[4]，一定程度上改善了大型仪器的开放力度，缓解了实验教师的实验强度，但是还存在以下问题：1.学生实验的阶段性、短期密集性，造成实验操作技能的长期时效性差;2.实验教师通常管理多台仪器，有时难以兼顾;3.无大型仪器独立操作资格证书的学生只能在实验教师工作时间内预约实验;4.大型仪器对学生开放，尤其在实验教师非工作时间，缺乏有效实时监控及应急处理。针对以上问题，提出大型仪器独立操作资格有效期限制度、非工作时间实验申请承诺制度、大型仪器的双预约制度、实验室监控管理办法。
（一）实验操作技能时效性差
通过大型仪器的普及讲座、实验课堂教学与及强化培训，学生们不仅掌握了针对大型仪器的样品制备方法，更具备了大型仪器的使用操作能力。理论测试和操作能力考核合格的学生将获得大型仪器独立操作资格证书，便可持证预约独立上机。通过几年来的运行，实验室的仪器使用大幅度提高。但是由于学生新老更替，加上部分学生对仪器的使用具有阶段性、短期密集性，一段时间后，仪器操作手法淡忘、实验技能下降，各研究组具备稳定操作大型仪器实验技能的学生数量减少或出现空白断层，致使仪器使用过程中容易出现误操作，导致仪器故障。实验技能下降的持证同学和无证同学一样去预约实验教师的工作时间，同样降低了大型仪器的利用率。
为此，大型仪器独立操作资格取消终身制，实行有效期限制度，一年两次考核，分别设在春季和秋季学期，激励已有证学生不断加强巩固，鼓励未取得证书学生严格要求自己，学习过程中注重仪器使用环境条件、软硬件条件，注重操作细节，安全高效地完成实验全过程，早日取得资格证书。为已获得证书学生按仪器分类建群，实验教师为群主，学生可以在群里自由讨论交流，加强对仪器的把握和实验技能的切磋。大型仪器独立操作资格的有效期制度有效避免了持证学生上机率过低，导致仪器使用的熟练程度与技能的下降，从而确保大型仪器的开放率和安全使用质量，提高实验教师的工作时间利用率。
（二）学生只能在实验教师工作时间内预约实验
实验教师通常不只管理一台仪器，当不同仪器同一时间段接受预约时，有时难以兼顾。大型仪器对学生开放，尤其在实验教师非工作时间，缺乏有效实时监控，通常学生只能在实验教师工作时间内预约实验。针对持有大型仪器独立操作资格证的学生，建立非工作时间预约制度。持证学生不仅可以在实验教师工作时间预约，还可以申请在实验教师非工作时间预约，使大型仪器预约时间更加灵活。凡在非工作时间申请实验的学生需填写实验中心《非工作时间实验安全承诺书》，承诺严格遵守《环境学院实验室安全制度》，承担实验期间的安全责任，杜绝设备连续运转中实验无人值守，承诺书一式两份，学生和指导教师分别签字后，一份交实验室負责人，一份交学院备案。非工作日实验安全承诺制度的建立，延伸了学生的实验自由度，并且使各研究组的指导教师不仅掌握学生的科研动态、也能够一定程度上管控组里学生的实验计划与进程。
依据传统的预约，不持有大型仪器独立操作资格证书的学生只能在实验教师工作时间内预约，实验教师只能按预约先后顺序安排实验。为了满足实验需要，改进了传统的预约方法，建立大型仪器双预约制度。将取得大型仪器独立操作资格的学生建立预约持证人力资源群。非持证学生预约实验，不仅可以向实验教师预约，由实验教师操作实验;还可以向持证人力资源群下单，申请预约，与持证同学达成订单，双方均填写实验中心《非工作时间实验安全承诺书》，得到实验教师许可后，由持证学生帮助非持证学生完成测样。双预约制更加提高了大型仪器的使用率，增加了持证学生的操作频度，巩固了实验操作技能，优化了实验平台的资源化。
（三）缺乏实时监控及应急处理
大型仪器对学生开放，尤其在实验教师非工作时间，缺乏有效实时监控及应急处理措施。实验室建立监控管理办法，配备实时摄像监控系统，不仅实验室主体监控系统能实时监控，而且和教师手机相关联。实验室教师通过手机可实时监控学生的实验操作，即使是在下班后，也可以随时了解学生的实验状态，如果出现紧急状态，可远程在线指导。大型仪器配备了不间断电源UPS，UPS不仅续航时间长，而且具有通信功能，一旦出现停电状况，实验教师即使不在学校也能收到UPS发出的异常短信，便于教师从容应急处理。
大型仪器开放中，实验室安全是大型仪器管理的重要环节，必须要防患于未然。在建立有效实时监控及应急处理机制的基础上，在实验教学过程中，注入并建立学生实验室管理、仪器维护与安全意识。学生从进入实验室的实验环境监控、仪器及附件维护、实验安全操作及注意事项，到离开实验室，教师全套讲解，关键部分学生逐一练习，培养学生实验环境参数、设备设置参数、实验数据的记录习惯，不仅能够加深对实验教学的理解和体验，而且能够把科研习惯、实验室安全管理、责任意识融入研究生的科研素养中。
三、结论
本文针对大型仪器设备面向研究生培养过程中存在的问题，从实验教学与仪器开放管理，制订了切实可行的解决对策。建立与研究生培养切实可行的普及讲座、课堂教学与递进式强化培训的立体阶梯式研究生实验教学模式，网络教学拓展并延伸了课堂教学时间，为学生课堂上的上机操作争取到更多的实践机会和时间;实验的量身定制与基于科研论文基本框架的实验报告的设计理念，不仅极大地调动了学生的主动性和积极性，还为科研论文的撰写奠定良好的理论基础，也为素材积累做好充分的准备。加强大型仪器的开放管理，健全大型仪器独立操作资格考核制度，取消终身制;在安全承诺与监控管理的保障下，灵活大型仪器预约制度，建立双预约制，优化了实验仪器资源的使用，把科研习惯、安全管理、责任意识融入研究生的科研素养中，研究生的动手能力和科研实验技能得到提升，从而加快了科研成果进程。总结研究生的培养模式，今后将运用到有志于读研的高年级本科生，以及参加创新研究的低年级学生，为优秀人才的储备打好坚实的基础。
参考文献：
[1]赵晟锌，陈忠林，徐永鹏.实验教学中心一体化建设的示范作用探析[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2017，（7）.
[2]王世平.研究生仪器分析课程中实验教学改革[J].实验技术与管理，1995，（4）.
[3]陈忠林，赵贞，徐永鹏，等.科研仪器设备开放共享在研究生培养中的作用[J].实验技术与管理，2015，（5）.
[4]赵贞，徐永鹏，陈忠林.高校“大型仪器独立操作资格”制度的管理与实践[J].实验技术与管理，2014，（11）.
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