基于自研設備的高校實驗室建設路徑研究

冉棟剛，王文君*，林春金，焦麗媛

（1.山東大學 資產與實驗室管理部，濟南 250000；2.山東大學 巖土與結構工程研究中心，濟南 250000）

通過創新構建新發展格局，推動提高發展質量，在我國現代化建設的全局中處于核心地位[1]。黨的十八大以來，“創新”成為我國各類發展規劃里的高頻詞、關鍵詞[2-3]。目前我國在不同領域中都存在一些容易被“卡脖子”的技術問題，尤其是一些關鍵的零部件和儀器裝備都依賴國外。一個國家的科研儀器研發水平，不僅是科研實力的體現，更在很大程度上決定基礎科學研究的廣度和深度。當前，我國科研儀器依賴進口的局面尚未得到根本改觀，科研儀器研制短板亟待補齊[4-5]。高校是科技文化創新的重鎮，因此在日常工作中必須將發展科技、培養人才、策動創新進行統籌結合，發揮人才搖籃和創新高地的角色，更好為社會主義現代化建設服務[6]。

實驗室為科研和教學提供場所，為學生和教師提供實驗和探索的環境，而科研儀器是實驗室的核心工具，支持各種實驗和研究活動的開展。良好的實驗室設施和先進的科研儀器可以提供更廣闊的研究空間和更精確的數據，促進科研水平的提升。此外，高水平的實驗室建設還能吸引優秀的教師和學生，提高高校的競爭力，促進學科間的交叉合作和創新，推動科學知識的傳播和應用。但是當前高校實驗室建設普遍面臨儀器設備老化與更新成本高、低水平重復建設、經費投入受到限制以及利用率不高等問題，限制了高校實驗室水平的提升。通過儀器設備的自研自制，能夠針對學校的具體科研方向和重點進行定制開發，減少對外部廠商和供應商的依賴，降低設備采購和維護成本，滿足特定教學需求，對于解決當前高校實驗室建設方面的問題有重要意義。本文對于如何依托自研自制設備，將高校實驗室建設成為先進的科學研究基地，推動一流大學和一流學科的建設的有效路徑進行了探索和總結。

1 基于自研設備建設實驗室的意義

1.1 促進多學科融合創新，優化人才培養方式

目前科學前沿取得的重大突破以及重大科技創新成果，往往離不開不同學科之間的交叉、融合，多學科交叉融合已經成為學科發展的必然趨勢[7]。但當前高校內還普遍存在阻礙學科交叉發展的問題，學科之間壁壘重重、科學研究資源共享不足、體制機制尚未建立和完善。同時，交叉學科能夠突破人才培養的界限，因此應改變單一學科為導向的培養模式，整合教師隊伍，促進學科交叉融合和學科競爭力持續提升[8-9]?？茖W儀器，尤其是先進儀器和復雜裝備的研發過程，具有超越其他一般工業品的復雜性，尤其需要掌握多學科知識的復合型人才。因此，基于自研自制設備進行實驗室建設，是促進多不同學科之間融合創新，優化人才培養方式的有力抓手。

1.2 支撐一流高校建設和學科建設

“雙一流”建設是我國高等教育的重大發展戰略[10]。對于世界一流大學和一流學科，并沒有準確的量化標準，但能夠確定的是，一流大學除了完成大學的基本職能外，還應該形成自己的辦學特色[11]。一流高校的實驗室除了實驗實踐教學任務外，還應該兼具研究創新和服務社會發展的重要職能，同時高水平的實驗室也是培養創新人才、推進學科建設的基礎[12-13]。實驗室的建設和日常運營離不開各類科研設備和儀器，但是我國的科研儀器，尤其是高端設備非常依賴于國外廠商[14]，這不僅抬高了實驗室建設運營的成本，在一些關鍵領域更是受制于人。通過實驗設備自研自制，不僅能夠滿足“雙一流”高校實驗室建設需要的硬件基礎，更能借此機會建立健全先進實驗室所需要的制度保障體系，探索適合交叉學科背景下的應用型創新型人才培養模式，有力地支撐一流高校和一流學科的建設。

1.3 服務國家社會重大發展戰略

辦好世界一流大學，必須有中國特色。我們的高校是社會主義的高校，必須堅持社會主義辦學方向，面向國家和社會發展的重大需求，科技創新工作也要致力于服務社會發展和廣大人民。2013 年習近平主席提出了“一帶一路”倡議[15]，提出建設交通強國，打造“一帶一路”現代綜合交通運輸體系。在現代綜合交通運輸體系的建設中，需要通過不斷地攻關創新，形成引領行業發展的新一代交通技術，并形成現代綜合交通運輸體系的技術鏈條，形成并保持在國際上的競爭優勢。除交通基建等傳統行業的創新升級外，我國還提出了面向可持續發展的“雙碳計劃”、推動產業升級的“中國制造2025 計劃”、解決卡脖子問題的芯片等關鍵部件國產化的替代等，這些計劃的實施都離不開科技創新的支撐。關鍵核心技術是買不到的，因此必須依靠自身力量進行研發，著力提升自主創新能力，才能在激烈的國際競爭中占據優勢地位。

2 基于自研設備的實驗室建設成果

2.1 自研大型物理模擬試驗系統

我國是目前世界上地下工程修建規模最大、難度最高的國家[16]，地下工程逐步向千米以深發展。在地下工程的施工過程中，環境復雜，面臨著大埋深、高水壓、富含氣等極端威脅，非常容易產生塌方、突水、瓦斯突出等災害，且一旦出現災害往往會產生重大人身安全損害，造成重大經濟和社會損失。為了控制上述問題，首要的方法是深入了解災變及其防控機理。然而，由于地下巖土工程問題的獨特性和復雜性，采用理論計算或計算機仿真的手段解決這類問題十分困難，計算結果往往與實際情況存在一定差異。因此，在地下工程安全控制中，需要進行物理模型試驗，結合實驗結果與計算結果行綜合評估。

物理模型試驗，就是基于縮尺模型，在實驗室內模擬工程地質條件和施工過程的實驗，能夠充分考慮工程巖體和尺寸效應。目前國內許多單位都具有成型的模型試驗系統，但在實際應用中大多效果不佳，主要是因為存在以下突出問題。

1）系統通用性差：模型尺寸固定，不能做到靈活調節，因此只能做到專門應用，利用效率低下，模擬范圍窄。

2）模擬加載精度低：只能實現平面和準三維的應力加載方式，并且加水注氣系統落后，導致加載精度低。

3）測試手段落后：實驗過程對人力要求高，自動化程度低，且缺乏多樣化的測試手段，因此測試過程可視化程度低，多個多物理量信息獲取困難。

針對以上模型實驗中存在的突出問題，自2004 年起，山東大學依托自身在巖土方面的積累的成果，聯合校內機械、控制等學科，開展了地下工程大型成套模擬實驗系統研發與應用專項研究。

2.2 基于自研設備的實驗室建設成果

在本項研究中，本單位實驗技術人員與學校的儀器設備管理人員聯合，建立相關制度，提升了多學科交叉融合對于自研自制儀器設備中發揮的作用。整合了新開發的多遠瞬態精確檢測、水氣智能加載系統、地應力智能加載系統等6 項關鍵核心技術，開發出了能夠自由組合、尺寸自由調節的模型實驗臺架，以及能夠實現三維實驗的大型地質力學模型實驗系統，如圖1 所示，依托模型實驗系統裝置，成功模擬了隧道開挖過程中失穩突水機制。

圖1 大型地質力學模型實驗系統構成

基于學科交叉的自研大型地質力學模型試驗系統，為不同的工程提供了技術支持，不僅解決了實際問題，并在實際應用中不斷地檢驗和提升。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–液耦合試驗平臺，配以水壓加載控制系統，開展了三維流固耦合模型試驗，如圖2 和圖3 所示。并對深長隧道充填型巖溶管道的位移規律進行分析，揭示填充物滲透失穩突水過程的災變演化機制[17]。

圖2 大型地質力學模型試驗裝置

圖3 模型試驗設計

根據試驗系統中位移計（測點布置如圖4（a）和圖4（b）所示）的監測結果，可以發現以下規律。

圖4 開挖過程位移變化規律

1）開挖過程對2 倍洞徑以內的圍巖位移有影響，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）填充物的密實度差強度低，因此其變形量比相同埋深處的圍巖大20%～25%，且變形的過程持續的更長，開挖推進到監測斷面前3 個循環時，填充物的變形就開始發展，如圖4（d）所示。

基于學科交叉的自研大型地質力學模型試驗系統開發及應用過程，對于實驗技術和管理人才的培養、更新實驗教學內容、節約資金等諸多方面都起到了推動作用。并且自研大型地質力學模型試驗系統及技術，已經成功為全國24 個省市的230 余項工程提供了地質預報服務，期間未遺漏任何一個重大災害源，并已經為國家能源集團、馬蘭核基地、武漢大學等20 家單位研發24 套不同功能的大型物理模擬試驗系統，相關專利也成功向山東省工業技術研究院、山東智巖等單位轉化，創造了廣泛的社會及經濟效益。

3 基于自研設備的實驗室建設經驗與展望

3.1 注重頂層設計，發揮學科優勢

高校實驗室不僅承擔日常教學科研任務，更應該有培養掌握多學科知識的人才的重任，因此應該特別注重實驗室建設過程中的規劃工作，注重頂層設計，根據社會需求及人才培養目標，一方面要充分發揮優勢學科的引領和帶動作用，另一方面也要通過合理的規劃促進學科交叉滲透，培育新的創新生長點。在學科交叉融合的大背景下，通過學科交叉，推動創新人才培養機制的完善，探索基于學科交叉的創新性實驗平臺建設與實施，不但能夠為交叉學科的實驗教學與科學研究提供良好的平臺支撐，突破科研瓶頸，而且有助于推動創新性人才培養機制和開放式一流學科體系建設的深入發展。

3.2 促進對外交流，堅持開放共享

基于自研設備建設的實驗室，要特別注重對外交流，堅持合理的對外共享。一方面，對于社會來說，對外開放實驗室，合理的對全社會開放共享自研科研儀器設備，能夠有效促進實驗室內的科研儀器在全社會應用，減少資源浪費。另一方面，在自研儀器開放共享工作中，可以提高儀器設備利用率，并完善對各級實驗室人員的共享觀念，并建立相應的自研設備的管理隊伍，促進高校大型儀器設備管理水平的提高，使自研自制儀器設備及實驗室的開放共享真正落到實處，積累應用數據、拓寬應用場景，檢驗其中存在的問題，并反過來進一步促進學科交叉融合，促進自研儀器的水平進一步提高，形成良性發展循環。

3.3 完善教研融合，培養創新人才

建設實驗室的一個重要目的就是培養創新型人才，高校實驗室，尤其是雙一流高校的科研實驗室，平臺層次和建設水平較高，更應承擔起創新人才培養的任務。自研儀器設備，往往都是面對實際的社會需求與工程問題，因此基于自研儀器設備建設的實驗室，應該特別注重校企合作，通過多種手段構建基于校企合作的實驗實踐教學體系。將實驗教學任務與實際工程結合，將科研過程與企業需求相結合，充分結合高校和生產一線各自的優勢，讓科研人員和學生能夠了解行業前沿發展趨勢，培養應用理論知識和實踐動手能力。

基于自研設備建設實驗室，要注重對實驗技術人員和管理人員的培訓。大型新型的復雜儀器設備，往往需要多學科多領域的技術人員聯合開發，因此實驗室的技術人員也需要掌握不同學科的知識才能管理好和使用好儀器設備，既需要深厚的理論基礎，更需要豐富的實踐經驗。同時，還應該注意，自研儀器設備并不能一次研發就達到完美，實驗技術人員和管理人員還應該注意收集儀器工作狀態的數據和遇到的問題，并通過有計劃的交流講座和技術培訓等形式，提升實驗人員和管理人員的業務水平，解決遇到的問題，對儀器設備進行升級。

4 結束語

重大儀器設備自主研發和制造，能夠降低我國關鍵儀器設備對外依賴度，提高國家科技創新能力和核心競爭力。

針對現有物理模型試驗系統通用性差、加載精度低、自動化和可視化程度不夠的問題，山東大學依托自身在巖土工程學科方面的積累的成果，聯合其他相關學科，成功開展了地下工程大型成套模擬試驗系統研發與應用專項研究。模型系統的開發，不僅解決了?？怠瞬咚俟返葘嶋H重大工程中的問題，對于實驗技術和管理人才的培養、推動實驗室升級、節約資金等諸多方面也起到了有力的推動作用。

通過儀器設備的自研自制，能夠直接面向發展需求，設計和制造更加符合實際需要的儀器設備，為社會和學校注入新的發展動能?；谧匝性O備進行實驗室的建設，應該注重頂層設計、促進學科交叉，堅持對外交流、培養創新人才，助力高校和學科的發展，推動一流大學和一流學科的建設。