大型仪器教学中培养研究生科研素质的探索

李哲煜， 陈忠林， 沈吉敏， 赵晟锌， 王 慧， 孙 凯

（哈尔滨工业大学环境学院城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090）

0 引 言

随着科学技术的不断发展，大型仪器已经成为重要的科研工具，大型仪器实践教学更加成为研究生课程的重要组成部分，为研究生科研工作的顺利开展打下理论与技能的综合基础［1-3］。传统的大型仪器实验教学沿袭着先讲后做的模式：理论部分通常采用讲授式的教学方法，讲解仪器的原理、结构；实验操作部分先由老师演示，然后老师指导学生操作。但是，由于理论部分占用了一定量的课堂时间，导致学生上手操作的时间有限，为此教师通常会采用相对单一的样品进行操作演示，学生因而缺乏多样性的样品准备与上机练习机会。这样的实践教学针对性差，不能和学生的实际研究紧密结合，从而不能很好地学以致用。另外，由于大型仪器的特殊性，尤其是精密大型仪器设备，台套少，场地条件限制，学生得不到充分的上机操作实践机会［4-10］。以上问题，造成学生灌输式流水线式的学习效果，枯燥、机械、被动、走过场，不利于培养学生的主动性、能动性、创造性。

大型仪器教学的主体是硕士研究生以及硕博连读的低年级研究生，学生科学研究的能力相对薄弱，科研素质的培养尤为重要。实验数据不充分，或是缺少相关类别仪器的数据，或是某种仪器的数据虽然有，但不够全面或被质疑，经常成为学生发表期刊论文返稿修改或被拒稿最常见的主要理由之一，这说明学生在将自己的研究和大型仪器相结合的过程中，结合点把握不足，不知道如何用仪器和实验数据充分展示成果，知其然，要知其所以然，还要会表达其所以然。

科研素质主要包括科研意识、科研方法、科研精神等方面。科研意识是基础，科研方法是核心，科研精神是内涵。培养科研素质提高科研能力是对科研意识、科研方法、科研精神的辩证统一，培养科研素质的同时会促进教学与科研相融合［11-15］。本文以我校环境学院的研究生实践课扫描电镜与能谱分析技术为例，把大型仪器的实验教学与研究生科研素质教育紧密结合，以培养信念执着、品德优秀、知识丰富、本领过硬的高素质人才为目标，把主动创新的科研意识、系统规范的科研方法、积极端正的科研精神的培养，融入研究生大型仪器实验教学，改变传统教与学的模式，提高学生的科研素质。

1 构建以学生为主体的个性化教学，树立主动、创新的科研意识

1.1 实验内容量身定制，调动积极性和主动性

科学研究的过程不仅是知识加工的过程，也是知识创新的过程。从实验内容的设计上，鼓励学生根据自己的研究方向，自备样品。根据环境学院的专业特点，学生所涉及的研究方向主要有水污染防控与水资源可持续利用、饮用水安全保障理论与技术、固体废弃物安全处置与资源化、水化学与环境功能材料、环境污染物合成生态学、新型污染物环境安全与生命健康，所涉及的材料主要涉及膜材料、环境微生物、电化学电极、微塑料以及与用于吸附催化等的相关材料。学生的研究涉及面广，样品种类多样，因此，在教学实验开始前，与学生逐一讨论并加以指导，量身定制。学生依据自己的实验背景和实验目的，结合扫描电镜与能谱原理以及对样品的要求，在课前建立实验计划，把控实验节奏。由于实验预习充分、样品前处理准备到位，课堂上理论教学轻松，实验编排顺畅，引导学生从浅入深，从原理到实践，逐个亲自动手操作，讨论实验结果，分析评价实验数据，使学生从接受性学习者向探究性学习者转变，带来主动、个性化的学习，充分调动起学生的积极性和主动性，促进创新的科研意识，在实践中创新，在解决问题中创新，在认知学习中创新，在思维发展中创新。

1.2 混合式教学，促进自主与合作

建立QQ、微信群等线上共享平台，老师发布扫描电镜课件和通知，便于沟通、交流、互动与答疑。面对面的互动对于有些学生需要勇气，共享平台上的互动可以避免部分学生的顾虑，促使学生敞开心扉，使一些学生迈出勇于提问的第一步。群的建立，让很多学生从陌生到认识，不论是理论学习，实验材料、试剂等的准备，还是前处理实验条件、参数的设定，大家互相帮助，分享经验，使学生由孤独的学习者向合作的学习者转变，让学生拥有温暖的集体感、积极的参与感与融入感。线上共享平台，延伸了教学时间和空间，营造了“思学、善学、乐学、尚学”的学习氛围，并保障了线下实验操作教学的顺利进行。以实验教学为载体，线上线下混合式教学，学生由接受者转变成主动积极的参与者，实现由传统的他主学习向自主学习的转变，促进了学生的自主意识与合作意识。

1.3 小班教学，助力科研的探求欲

扫描电镜技术应用广泛，实验需求量大，环境学院的选课学生众多。实验教学采用小班、多期上课，小班最大限额8人，学生可根据自己的实际情况选择或调整上课日期。小班上课，人少，效率高，以学生为主体，上机时间充分，便于课堂互动与提问，有利于锻炼学生分析问题和解决问题的能力。在老师一步一步条理有序安排下，从演示到实践，每位同学可做到一对一指导，锻炼实验动手能力，有效消除学生对大型仪器的恐惧感，并能从实验结果中获得极大的成就感，增强捕捉问题和研究问题的探求欲。

2 发挥仪器性能配合实验教学设计，重视科研方法的系统、规范训练

2.1 明确实验背景、确立实验目标、把关材料准备

实验内容个性化的量身定制，激发学生积极性的同时，根据自己的研究方向和课题要求，明确实验背景，确立实验目标。通过线上讨论或线下一对一面对面指导，结合扫描电镜和能谱的原理及技术特点，设计实验方案，选择实验样品，确定实验样品的来源、制备及前处理方法，完成实验课上机前样品材料的准备。扫描电镜的样品，从形态上，主要有粉体、颗粒、纤维、块状、膜片状、丝状、棒状等形状；从导电性上，主要有绝缘体、半导体、导体；从磁性上分无磁、弱磁、强磁。样品前处理通常分取样、清洁、安装、镀膜4个步骤，各个步骤因样品性质不同而不同，着重强调样品准备过程中防控微生物、灰尘、水汽、油和脂的引入，避免可能带来的充电及污染问题。使样品表征前满足扫描电镜观察条件：导电性好、热稳定性好、二次电子与背散射电子产率高。

2.2 发挥仪器性能，有的放矢，表征样品

仪器的选择，决定了仪器可能的参数，决定了仪器可能达到的检测指标，决定了所能够展现样品性征的能力。样品处理到位，操作方法得当，才能发挥仪器的性能，得到通过实验想获得的数据，达成实验目标。

扫描电镜表征，根据样品的物理化学性质和实验目的，选择信号探测器，调节适当的加速电压、工作距离、探针电流、光栏、亮度和对比度等条件和参数。结合扫描电镜图像，选择能谱的扫描方式，根据需要对样品进行元素分析。引导学生通过教学讲义及查阅文献，提前把握相关实验的数据信号采集及分析方法。比如信号探测器的选择，二次电子SE信号依赖于样品的表面形状；背散射BSE给出深度信息和原子序数衬度，可用于分析物质成分；能谱仪收集元素的特征X射线，进行元素定性和定量分析。拍摄过程中，注意样品导电性、热稳定性、磁性、样品安装固定的程度、环境噪音与震动等对样品成像的影响，采用合适的扫描速度、信噪比等进行照相，以获取理想的高分辨图像。结合课前样品的充分准备，学生亲自完成实践操作，有的放矢，表征样品，确保实验的针对性、有效性和可靠性。

2.3 实验结果与讨论分析

教学过程中，老师示范操作，并一对一指导实验，学生可随时提出问题，充分调动学生的参与积极性，互动研讨、边实验边根据实验现象启发学生总结并开拓实验思路，鼓励学生对实验结果进行分析与讨论，把握实验内容的完成度和实验目的的达成度。课堂教学结束前，引导学生从整体上，由仪器原理与学生实验目的结合点出发，沿学术论文主线实验研究背景、实验材料与方法、实验结果与讨论，理顺思路，并强调各部分的要领以及图表的格式与整理。

2.4 规范实验报告撰写

总结实验结果，填写专门设计的实验报告模板，完成实验报告。实验报告内容融入学术论文写作的要素，包括与实验相关联的研究背景、实验目的、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。通过实验报告的填写，训练学生的语言组织写作能力，通过数据挖掘与数据分析，并试着用规范的图表形式展现实验成果，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，从而从实验教学中提升学生对科学方法的运用与实践。

3 教学过程融入积极端正的科研精神

3.1 落实实验前处理，严把样品质量关

科研精神是科研素质的内涵，要通过科研实践和自身的认识来逐步形成。因此，把科研精神的养成贯穿于整个教学过程。试样制备是第一步，直接关系到电子显微图像的观察效果，需要在保持试样原始形状情况下，制备出适合电镜特定观察条件的试样。引导学生正视自己的研究在环境保护、预防与治理上的重大意义，精益求精，严格样品制备的方法与注意事项，不同的样品采用相应的方法，样品把关也是保护仪器、获得最佳实验效果、自觉把实验素养融入科研的一项重要措施。

3.2 引导上机操作，确保数据真实可靠

选择有代表性的学生样品，在实际检测中，讲解仪器操作的步骤，实验条件的设置。引导每一位学生独立完成从填写实验记录（实验室环境条件、仪器启动条件、实验样品记录）、样品溅射、扫描电镜开机、样品上样、样品表征、能谱启动与检测、样品下样、数据存储、仪器关机、收尾记录等完整的全套扫描电镜实验操作的每一步流程。实验技法操作步骤严谨、确保数据真实可靠，注重学生治学精神的培养。

3.3 科学分析数据，正视实验成败

数据分析包括数据的整理、图像分析、定性与定量分析。数据分析是实验结果展示的关键，全面详实的整理数据，并绘制各类图表，客观分析结果并给出结论。各项分析基于实验数据，与实验预想不一定一致。实验结果理想的同学加以鼓励，不理想的同学积极打气，失败乃成功之母，不要气馁，培养锲而不舍的工匠精神，通过分析原因，从实验细节上找问题，启发学生从实验的结果中也可能会有新的发现，可能蕴藏着新的契机。引导学生对实验做出归纳、评价和判断，并建立后续实验计划与方案，勇于探索新思路、新方法，新应用。科研没有捷径，有顺利也会面临挫折，需要积极面对，敢于创新，不怕失败，不忘初心，砥砺前行。

3.4 开展仪器维护保养，珍视与爱护成为素养

讲解扫描电镜、能谱仪与溅射仪等相关仪器的使用注意事项、维护与保养方法，并带领学生完成一次常规维护，使学生掌握仪器日常维护保养方法，了解仪器季节性维护保养的内容，着重强调温度、湿度、噪声、震动对仪器本身及仪器操作的影响。通过仪器教学与实践，使学生感受到仪器是科研的保障，仪器是大家的仪器，无论制样还是每一步操作都要为自己和大家负责。良好的仪器状态是对科研的保驾护航，珍视、爱护仪器是必备的科研素养。

3.5 注重实验习惯、职业素养的训练，细节决定成败

把实验室管理、实验习惯融入实验教学过程中。实验服的穿着与收纳、温湿度的确认、气瓶的余量与气阀检查、实验手套的选择、仪器操作过程中的语音语调、人为实验噪音及震动的避免、实验工具的摆放、仪器环境卫生、仪器的维护保养、课后实验器皿的清洗灭菌废弃、各功能间的环境卫生整理等，认真做好每一个细节。这些元素都是实验习惯与职业素养的具体体现，要求严格、功夫到家，能培养一丝不苟、认真负责的工匠精神；爱护公物，自觉承担，可逐渐养成不计回报、服务社会的奉献精神。

4 实践效果

大型仪器实验教学中，研究生从科研方法、科研意识和科研精神等科研素质上得到培养，主动积极地将大型仪器运用到学习和创新研究中，并能够很短的时间内，通过仪器平台的考核，获得学院实验中心颁发的相应大型仪器独立操作资格证书。获得了大型仪器独立资格证书，就意味着可以在平台主管教师的非工作时间自由使用相应仪器，不仅能加快自己的科研进度，还可以帮助其他有需要的同学。由此，实验平台展开仪器的双预约制，即学生既可以和仪器主管老师预约实验，也可以和已经获得相应大型仪器独立操作资格证书的研究生预约实验，大大提高了仪器的利用率、促进大型仪器平台开放力度的提升。

大型仪器由学院实验中心统一安排，设立研究生综合实验课，大型仪器独立操作资格证书涉及仪器涵盖扫描电镜与能谱、透射电镜、流式细胞分析仪、电感耦合等离子体发射质谱、液相色谱、液质联用、气相色谱、气质联用、原子发射光谱、原子力显微镜、凝胶电泳等各类仪器，学生根据自己的兴趣与研究需要，有选择、有针对性地进行学习与应用，有效提升了学生仪器实验与科学研究的综合能力。

仪器平台的教师成为实践教学活动的组织者、引导者、促进者，以学生为主体，培养其良好的科研素质。研究生从知识学习、品格锤炼、创新实践中得到成长，在研究组中成为中坚力量，起到承上启下的作用，带动整个研究组良好健康积极的科研氛围，促进学院学科建设的良性循环与可持续发展，成为可以服务社会报效国家的人才。

5 结 语

大型仪器教学中培养研究生的科研素质，通过个性化的量身定制、混合式的线上线下教学、能动的小班实践，树立积极主动创新的科研意识，形成系统严谨规范的科研方法，培养执着求实奉献的科研精神。学习不再是枯燥、机械与被动地接受，学生从接受者转变成主动的积极参与者，实现由传统的他主学习向自主学习的转变，从接受性学习者向探究性学习者的转变。培养什么人，怎样培养人，为谁培养人，是大学教育的根本问题。在大型仪器实验教学中深化立德树人，培养研究生的科研素质，提升科研仪器平台建设与学科建设的同时，促进育人与育才的内在统一。