基于自研設(shè)備的高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)路徑研究

冉棟剛，王文君*，林春金，焦麗媛

（1.山東大學(xué) 資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理部，濟(jì)南 250000；2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南 250000）

通過創(chuàng)新構(gòu)建新發(fā)展格局，推動(dòng)提高發(fā)展質(zhì)量，在我國現(xiàn)代化建設(shè)的全局中處于核心地位[1]。黨的十八大以來，“創(chuàng)新”成為我國各類發(fā)展規(guī)劃里的高頻詞、關(guān)鍵詞[2-3]。目前我國在不同領(lǐng)域中都存在一些容易被“卡脖子”的技術(shù)問題，尤其是一些關(guān)鍵的零部件和儀器裝備都依賴國外。一個(gè)國家的科研儀器研發(fā)水平，不僅是科研實(shí)力的體現(xiàn)，更在很大程度上決定基礎(chǔ)科學(xué)研究的廣度和深度。當(dāng)前，我國科研儀器依賴進(jìn)口的局面尚未得到根本改觀，科研儀器研制短板亟待補(bǔ)齊[4-5]。高校是科技文化創(chuàng)新的重鎮(zhèn)，因此在日常工作中必須將發(fā)展科技、培養(yǎng)人才、策動(dòng)創(chuàng)新進(jìn)行統(tǒng)籌結(jié)合，發(fā)揮人才搖籃和創(chuàng)新高地的角色，更好為社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)[6]。

實(shí)驗(yàn)室為科研和教學(xué)提供場(chǎng)所，為學(xué)生和教師提供實(shí)驗(yàn)和探索的環(huán)境，而科研儀器是實(shí)驗(yàn)室的核心工具，支持各種實(shí)驗(yàn)和研究活動(dòng)的開展。良好的實(shí)驗(yàn)室設(shè)施和先進(jìn)的科研儀器可以提供更廣闊的研究空間和更精確的數(shù)據(jù)，促進(jìn)科研水平的提升。此外，高水平的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)還能吸引優(yōu)秀的教師和學(xué)生，提高高校的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)學(xué)科間的交叉合作和創(chuàng)新，推動(dòng)科學(xué)知識(shí)的傳播和應(yīng)用。但是當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)普遍面臨儀器設(shè)備老化與更新成本高、低水平重復(fù)建設(shè)、經(jīng)費(fèi)投入受到限制以及利用率不高等問題，限制了高校實(shí)驗(yàn)室水平的提升。通過儀器設(shè)備的自研自制，能夠針對(duì)學(xué)校的具體科研方向和重點(diǎn)進(jìn)行定制開發(fā)，減少對(duì)外部廠商和供應(yīng)商的依賴，降低設(shè)備采購和維護(hù)成本，滿足特定教學(xué)需求，對(duì)于解決當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的問題有重要意義。本文對(duì)于如何依托自研自制設(shè)備，將高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成為先進(jìn)的科學(xué)研究基地，推動(dòng)一流大學(xué)和一流學(xué)科的建設(shè)的有效路徑進(jìn)行了探索和總結(jié)。

1 基于自研設(shè)備建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的意義

1.1 促進(jìn)多學(xué)科融合創(chuàng)新，優(yōu)化人才培養(yǎng)方式

目前科學(xué)前沿取得的重大突破以及重大科技創(chuàng)新成果，往往離不開不同學(xué)科之間的交叉、融合，多學(xué)科交叉融合已經(jīng)成為學(xué)科發(fā)展的必然趨勢(shì)[7]。但當(dāng)前高校內(nèi)還普遍存在阻礙學(xué)科交叉發(fā)展的問題，學(xué)科之間壁壘重重、科學(xué)研究資源共享不足、體制機(jī)制尚未建立和完善。同時(shí)，交叉學(xué)科能夠突破人才培養(yǎng)的界限，因此應(yīng)改變單一學(xué)科為導(dǎo)向的培養(yǎng)模式，整合教師隊(duì)伍，促進(jìn)學(xué)科交叉融合和學(xué)科競(jìng)爭(zhēng)力持續(xù)提升[8-9]?？茖W(xué)儀器，尤其是先進(jìn)儀器和復(fù)雜裝備的研發(fā)過程，具有超越其他一般工業(yè)品的復(fù)雜性，尤其需要掌握多學(xué)科知識(shí)的復(fù)合型人才。因此，基于自研自制設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，是促進(jìn)多不同學(xué)科之間融合創(chuàng)新，優(yōu)化人才培養(yǎng)方式的有力抓手。

1.2 支撐一流高校建設(shè)和學(xué)科建設(shè)

“雙一流”建設(shè)是我國高等教育的重大發(fā)展戰(zhàn)略[10]。對(duì)于世界一流大學(xué)和一流學(xué)科，并沒有準(zhǔn)確的量化標(biāo)準(zhǔn)，但能夠確定的是，一流大學(xué)除了完成大學(xué)的基本職能外，還應(yīng)該形成自己的辦學(xué)特色[11]。一流高校的實(shí)驗(yàn)室除了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)任務(wù)外，還應(yīng)該兼具研究創(chuàng)新和服務(wù)社會(huì)發(fā)展的重要職能，同時(shí)高水平的實(shí)驗(yàn)室也是培養(yǎng)創(chuàng)新人才、推進(jìn)學(xué)科建設(shè)的基礎(chǔ)[12-13]。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和日常運(yùn)營(yíng)離不開各類科研設(shè)備和儀器，但是我國的科研儀器，尤其是高端設(shè)備非常依賴于國外廠商[14]，這不僅抬高了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)運(yùn)營(yíng)的成本，在一些關(guān)鍵領(lǐng)域更是受制于人。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備自研自制，不僅能夠滿足“雙一流”高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要的硬件基礎(chǔ)，更能借此機(jī)會(huì)建立健全先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室所需要的制度保障體系，探索適合交叉學(xué)科背景下的應(yīng)用型創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，有力地支撐一流高校和一流學(xué)科的建設(shè)。

1.3 服務(wù)國家社會(huì)重大發(fā)展戰(zhàn)略

辦好世界一流大學(xué)，必須有中國特色。我們的高校是社會(huì)主義的高校，必須堅(jiān)持社會(huì)主義辦學(xué)方向，面向國家和社會(huì)發(fā)展的重大需求，科技創(chuàng)新工作也要致力于服務(wù)社會(huì)發(fā)展和廣大人民。2013 年習(xí)近平主席提出了“一帶一路”倡議[15]，提出建設(shè)交通強(qiáng)國，打造“一帶一路”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系。在現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系的建設(shè)中，需要通過不斷地攻關(guān)創(chuàng)新，形成引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的新一代交通技術(shù)，并形成現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系的技術(shù)鏈條，形成并保持在國際上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。除交通基建等傳統(tǒng)行業(yè)的創(chuàng)新升級(jí)外，我國還提出了面向可持續(xù)發(fā)展的“雙碳計(jì)劃”、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的“中國制造2025 計(jì)劃”、解決卡脖子問題的芯片等關(guān)鍵部件國產(chǎn)化的替代等，這些計(jì)劃的實(shí)施都離不開科技創(chuàng)新的支撐。關(guān)鍵核心技術(shù)是買不到的，因此必須依靠自身力量進(jìn)行研發(fā)，著力提升自主創(chuàng)新能力，才能在激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。

2 基于自研設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成果

2.1 自研大型物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

我國是目前世界上地下工程修建規(guī)模最大、難度最高的國家[16]，地下工程逐步向千米以深發(fā)展。在地下工程的施工過程中，環(huán)境復(fù)雜，面臨著大埋深、高水壓、富含氣等極端威脅，非常容易產(chǎn)生塌方、突水、瓦斯突出等災(zāi)害，且一旦出現(xiàn)災(zāi)害往往會(huì)產(chǎn)生重大人身安全損害，造成重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失。為了控制上述問題，首要的方法是深入了解災(zāi)變及其防控機(jī)理。然而，由于地下巖土工程問題的獨(dú)特性和復(fù)雜性，采用理論計(jì)算或計(jì)算機(jī)仿真的手段解決這類問題十分困難，計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際情況存在一定差異。因此，在地下工程安全控制中，需要進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果行綜合評(píng)估。

物理模型試驗(yàn)，就是基于縮尺模型，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬工程地質(zhì)條件和施工過程的實(shí)驗(yàn)，能夠充分考慮工程巖體和尺寸效應(yīng)。目前國內(nèi)許多單位都具有成型的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，但在實(shí)際應(yīng)用中大多效果不佳，主要是因?yàn)榇嬖谝韵峦怀鰡栴}。

1）系統(tǒng)通用性差：模型尺寸固定，不能做到靈活調(diào)節(jié)，因此只能做到專門應(yīng)用，利用效率低下，模擬范圍窄。

2）模擬加載精度低：只能實(shí)現(xiàn)平面和準(zhǔn)三維的應(yīng)力加載方式，并且加水注氣系統(tǒng)落后，導(dǎo)致加載精度低。

3）測(cè)試手段落后：實(shí)驗(yàn)過程對(duì)人力要求高，自動(dòng)化程度低，且缺乏多樣化的測(cè)試手段，因此測(cè)試過程可視化程度低，多個(gè)多物理量信息獲取困難。

針對(duì)以上模型實(shí)驗(yàn)中存在的突出問題，自2004 年起，山東大學(xué)依托自身在巖土方面的積累的成果，聯(lián)合校內(nèi)機(jī)械、控制等學(xué)科，開展了地下工程大型成套模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用專項(xiàng)研究。

2.2 基于自研設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成果

在本項(xiàng)研究中，本單位實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員與學(xué)校的儀器設(shè)備管理人員聯(lián)合，建立相關(guān)制度，提升了多學(xué)科交叉融合對(duì)于自研自制儀器設(shè)備中發(fā)揮的作用。整合了新開發(fā)的多遠(yuǎn)瞬態(tài)精確檢測(cè)、水氣智能加載系統(tǒng)、地應(yīng)力智能加載系統(tǒng)等6 項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，開發(fā)出了能夠自由組合、尺寸自由調(diào)節(jié)的模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，以及能夠?qū)崿F(xiàn)三維實(shí)驗(yàn)的大型地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1 所示，依托模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置，成功模擬了隧道開挖過程中失穩(wěn)突水機(jī)制。

圖1 大型地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

基于學(xué)科交叉的自研大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，為不同的工程提供了技術(shù)支持，不僅解決了實(shí)際問題，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷地檢驗(yàn)和提升。以?？怠瞬咚俟飞屑覟乘淼劳挥克喂こ虨槔?，通過自研的大型可視化固–液耦合試驗(yàn)平臺(tái)，配以水壓加載控制系統(tǒng)，開展了三維流固耦合模型試驗(yàn)，如圖2 和圖3 所示。并對(duì)深長(zhǎng)隧道充填型巖溶管道的位移規(guī)律進(jìn)行分析，揭示填充物滲透失穩(wěn)突水過程的災(zāi)變演化機(jī)制[17]。

圖2 大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)裝置

圖3 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)中位移計(jì)（測(cè)點(diǎn)布置如圖4（a）和圖4（b）所示）的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。

圖4 開挖過程位移變化規(guī)律

1）開挖過程對(duì)2 倍洞徑以內(nèi)的圍巖位移有影響，并且填充物的位移較大，巖溶管道彎曲部位較小，僅為洞壁附近的30%，如圖4（c）所示。

2）填充物的密實(shí)度差強(qiáng)度低，因此其變形量比相同埋深處的圍巖大20%～25%，且變形的過程持續(xù)的更長(zhǎng)，開挖推進(jìn)到監(jiān)測(cè)斷面前3 個(gè)循環(huán)時(shí)，填充物的變形就開始發(fā)展，如圖4（d）所示。

基于學(xué)科交叉的自研大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用過程，對(duì)于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和管理人才的培養(yǎng)、更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、節(jié)約資金等諸多方面都起到了推動(dòng)作用。并且自研大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)及技術(shù)，已經(jīng)成功為全國24 個(gè)省市的230 余項(xiàng)工程提供了地質(zhì)預(yù)報(bào)服務(wù)，期間未遺漏任何一個(gè)重大災(zāi)害源，并已經(jīng)為國家能源集團(tuán)、馬蘭核基地、武漢大學(xué)等20 家單位研發(fā)24 套不同功能的大型物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，相關(guān)專利也成功向山東省工業(yè)技術(shù)研究院、山東智巖等單位轉(zhuǎn)化，創(chuàng)造了廣泛的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

3 基于自研設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)驗(yàn)與展望

3.1 注重頂層設(shè)計(jì)，發(fā)揮學(xué)科優(yōu)勢(shì)

高校實(shí)驗(yàn)室不僅承擔(dān)日常教學(xué)科研任務(wù)，更應(yīng)該有培養(yǎng)掌握多學(xué)科知識(shí)的人才的重任，因此應(yīng)該特別注重實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中的規(guī)劃工作，注重頂層設(shè)計(jì)，根據(jù)社會(huì)需求及人才培養(yǎng)目標(biāo)，一方面要充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)學(xué)科的引領(lǐng)和帶動(dòng)作用，另一方面也要通過合理的規(guī)劃促進(jìn)學(xué)科交叉滲透，培育新的創(chuàng)新生長(zhǎng)點(diǎn)。在學(xué)科交叉融合的大背景下，通過學(xué)科交叉，推動(dòng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制的完善，探索基于學(xué)科交叉的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)施，不但能夠?yàn)榻徊鎸W(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究提供良好的平臺(tái)支撐，突破科研瓶頸，而且有助于推動(dòng)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)機(jī)制和開放式一流學(xué)科體系建設(shè)的深入發(fā)展。

3.2 促進(jìn)對(duì)外交流，堅(jiān)持開放共享

基于自研設(shè)備建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室，要特別注重對(duì)外交流，堅(jiān)持合理的對(duì)外共享。一方面，對(duì)于社會(huì)來說，對(duì)外開放實(shí)驗(yàn)室，合理的對(duì)全社會(huì)開放共享自研科研儀器設(shè)備，能夠有效促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的科研儀器在全社會(huì)應(yīng)用，減少資源浪費(fèi)。另一方面，在自研儀器開放共享工作中，可以提高儀器設(shè)備利用率，并完善對(duì)各級(jí)實(shí)驗(yàn)室人員的共享觀念，并建立相應(yīng)的自研設(shè)備的管理隊(duì)伍，促進(jìn)高校大型儀器設(shè)備管理水平的提高，使自研自制儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)室的開放共享真正落到實(shí)處，積累應(yīng)用數(shù)據(jù)、拓寬應(yīng)用場(chǎng)景，檢驗(yàn)其中存在的問題，并反過來進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)科交叉融合，促進(jìn)自研儀器的水平進(jìn)一步提高，形成良性發(fā)展循環(huán)。

3.3 完善教研融合，培養(yǎng)創(chuàng)新人才

建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)重要目的就是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，高校實(shí)驗(yàn)室，尤其是雙一流高校的科研實(shí)驗(yàn)室，平臺(tái)層次和建設(shè)水平較高，更應(yīng)承擔(dān)起創(chuàng)新人才培養(yǎng)的任務(wù)。自研儀器設(shè)備，往往都是面對(duì)實(shí)際的社會(huì)需求與工程問題，因此基于自研儀器設(shè)備建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)該特別注重校企合作，通過多種手段構(gòu)建基于校企合作的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系。將實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)與實(shí)際工程結(jié)合，將科研過程與企業(yè)需求相結(jié)合，充分結(jié)合高校和生產(chǎn)一線各自的優(yōu)勢(shì)，讓科研人員和學(xué)生能夠了解行業(yè)前沿發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)應(yīng)用理論知識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力。

基于自研設(shè)備建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，要注重對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員和管理人員的培訓(xùn)。大型新型的復(fù)雜儀器設(shè)備，往往需要多學(xué)科多領(lǐng)域的技術(shù)人員聯(lián)合開發(fā)，因此實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員也需要掌握不同學(xué)科的知識(shí)才能管理好和使用好儀器設(shè)備，既需要深厚的理論基礎(chǔ)，更需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，還應(yīng)該注意，自研儀器設(shè)備并不能一次研發(fā)就達(dá)到完美，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員和管理人員還應(yīng)該注意收集儀器工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)和遇到的問題，并通過有計(jì)劃的交流講座和技術(shù)培訓(xùn)等形式，提升實(shí)驗(yàn)人員和管理人員的業(yè)務(wù)水平，解決遇到的問題，對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行升級(jí)。

4 結(jié)束語

重大儀器設(shè)備自主研發(fā)和制造，能夠降低我國關(guān)鍵儀器設(shè)備對(duì)外依賴度，提高國家科技創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力。

針對(duì)現(xiàn)有物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)通用性差、加載精度低、自動(dòng)化和可視化程度不夠的問題，山東大學(xué)依托自身在巖土工程學(xué)科方面的積累的成果，聯(lián)合其他相關(guān)學(xué)科，成功開展了地下工程大型成套模擬試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用專項(xiàng)研究。模型系統(tǒng)的開發(fā)，不僅解決了?？怠瞬咚俟返葘?shí)際重大工程中的問題，對(duì)于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和管理人才的培養(yǎng)、推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室升級(jí)、節(jié)約資金等諸多方面也起到了有力的推動(dòng)作用。

通過儀器設(shè)備的自研自制，能夠直接面向發(fā)展需求，設(shè)計(jì)和制造更加符合實(shí)際需要的儀器設(shè)備，為社會(huì)和學(xué)校注入新的發(fā)展動(dòng)能。基于自研設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，應(yīng)該注重頂層設(shè)計(jì)、促進(jìn)學(xué)科交叉，堅(jiān)持對(duì)外交流、培養(yǎng)創(chuàng)新人才，助力高校和學(xué)科的發(fā)展，推動(dòng)一流大學(xué)和一流學(xué)科的建設(shè)。