大型儀器教學中培養研究生科研素質的探索

李哲煜， 陳忠林， 沈吉敏， 趙晟鋅， 王 慧， 孫 凱

（哈爾濱工業大學環境學院城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱150090）

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展，大型儀器已經成為重要的科研工具，大型儀器實踐教學更加成為研究生課程的重要組成部分，為研究生科研工作的順利開展打下理論與技能的綜合基礎［1-3］。傳統的大型儀器實驗教學沿襲著先講后做的模式：理論部分通常采用講授式的教學方法，講解儀器的原理、結構；實驗操作部分先由老師演示，然后老師指導學生操作。但是，由于理論部分占用了一定量的課堂時間，導致學生上手操作的時間有限，為此教師通常會采用相對單一的樣品進行操作演示，學生因而缺乏多樣性的樣品準備與上機練習機會。這樣的實踐教學針對性差，不能和學生的實際研究緊密結合，從而不能很好地學以致用。另外，由于大型儀器的特殊性，尤其是精密大型儀器設備，臺套少，場地條件限制，學生得不到充分的上機操作實踐機會［4-10］。以上問題，造成學生灌輸式流水線式的學習效果，枯燥、機械、被動、走過場，不利于培養學生的主動性、能動性、創造性。

大型儀器教學的主體是碩士研究生以及碩博連讀的低年級研究生，學生科學研究的能力相對薄弱，科研素質的培養尤為重要。實驗數據不充分，或是缺少相關類別儀器的數據，或是某種儀器的數據雖然有，但不夠全面或被質疑，經常成為學生發表期刊論文返稿修改或被拒稿最常見的主要理由之一，這說明學生在將自己的研究和大型儀器相結合的過程中，結合點把握不足，不知道如何用儀器和實驗數據充分展示成果，知其然，要知其所以然，還要會表達其所以然。

科研素質主要包括科研意識、科研方法、科研精神等方面。科研意識是基礎，科研方法是核心，科研精神是內涵。培養科研素質提高科研能力是對科研意識、科研方法、科研精神的辯證統一，培養科研素質的同時會促進教學與科研相融合［11-15］。本文以我校環境學院的研究生實踐課掃描電鏡與能譜分析技術為例，把大型儀器的實驗教學與研究生科研素質教育緊密結合，以培養信念執著、品德優秀、知識豐富、本領過硬的高素質人才為目標，把主動創新的科研意識、系統規范的科研方法、積極端正的科研精神的培養，融入研究生大型儀器實驗教學，改變傳統教與學的模式，提高學生的科研素質。

1 構建以學生為主體的個性化教學，樹立主動、創新的科研意識

1.1 實驗內容量身定制，調動積極性和主動性

科學研究的過程不僅是知識加工的過程，也是知識創新的過程。從實驗內容的設計上，鼓勵學生根據自己的研究方向，自備樣品。根據環境學院的專業特點，學生所涉及的研究方向主要有水污染防控與水資源可持續利用、飲用水安全保障理論與技術、固體廢棄物安全處置與資源化、水化學與環境功能材料、環境污染物合成生態學、新型污染物環境安全與生命健康，所涉及的材料主要涉及膜材料、環境微生物、電化學電極、微塑料以及與用于吸附催化等的相關材料。學生的研究涉及面廣，樣品種類多樣，因此，在教學實驗開始前，與學生逐一討論并加以指導，量身定制。學生依據自己的實驗背景和實驗目的，結合掃描電鏡與能譜原理以及對樣品的要求，在課前建立實驗計劃，把控實驗節奏。由于實驗預習充分、樣品前處理準備到位，課堂上理論教學輕松，實驗編排順暢，引導學生從淺入深，從原理到實踐，逐個親自動手操作，討論實驗結果，分析評價實驗數據，使學生從接受性學習者向探究性學習者轉變，帶來主動、個性化的學習，充分調動起學生的積極性和主動性，促進創新的科研意識，在實踐中創新，在解決問題中創新，在認知學習中創新，在思維發展中創新。

1.2 混合式教學，促進自主與合作

建立QQ、微信群等線上共享平臺，老師發布掃描電鏡課件和通知，便于溝通、交流、互動與答疑。面對面的互動對于有些學生需要勇氣，共享平臺上的互動可以避免部分學生的顧慮，促使學生敞開心扉，使一些學生邁出勇于提問的第一步。群的建立，讓很多學生從陌生到認識，不論是理論學習，實驗材料、試劑等的準備，還是前處理實驗條件、參數的設定，大家互相幫助，分享經驗，使學生由孤獨的學習者向合作的學習者轉變，讓學生擁有溫暖的集體感、積極的參與感與融入感。線上共享平臺，延伸了教學時間和空間，營造了“思學、善學、樂學、尚學”的學習氛圍，并保障了線下實驗操作教學的順利進行。以實驗教學為載體，線上線下混合式教學，學生由接受者轉變成主動積極的參與者，實現由傳統的他主學習向自主學習的轉變，促進了學生的自主意識與合作意識。

1.3 小班教學，助力科研的探求欲

掃描電鏡技術應用廣泛，實驗需求量大，環境學院的選課學生眾多。實驗教學采用小班、多期上課，小班最大限額8人，學生可根據自己的實際情況選擇或調整上課日期。小班上課，人少，效率高，以學生為主體，上機時間充分，便于課堂互動與提問，有利于鍛煉學生分析問題和解決問題的能力。在老師一步一步條理有序安排下，從演示到實踐，每位同學可做到一對一指導，鍛煉實驗動手能力，有效消除學生對大型儀器的恐懼感，并能從實驗結果中獲得極大的成就感，增強捕捉問題和研究問題的探求欲。

2 發揮儀器性能配合實驗教學設計，重視科研方法的系統、規范訓練

2.1 明確實驗背景、確立實驗目標、把關材料準備

實驗內容個性化的量身定制，激發學生積極性的同時，根據自己的研究方向和課題要求，明確實驗背景，確立實驗目標。通過線上討論或線下一對一面對面指導，結合掃描電鏡和能譜的原理及技術特點，設計實驗方案，選擇實驗樣品，確定實驗樣品的來源、制備及前處理方法，完成實驗課上機前樣品材料的準備。掃描電鏡的樣品，從形態上，主要有粉體、顆粒、纖維、塊狀、膜片狀、絲狀、棒狀等形狀；從導電性上，主要有絕緣體、半導體、導體；從磁性上分無磁、弱磁、強磁。樣品前處理通常分取樣、清潔、安裝、鍍膜4個步驟，各個步驟因樣品性質不同而不同，著重強調樣品準備過程中防控微生物、灰塵、水汽、油和脂的引入，避免可能帶來的充電及污染問題。使樣品表征前滿足掃描電鏡觀察條件：導電性好、熱穩定性好、二次電子與背散射電子產率高。

2.2 發揮儀器性能，有的放矢，表征樣品

儀器的選擇，決定了儀器可能的參數，決定了儀器可能達到的檢測指標，決定了所能夠展現樣品性征的能力。樣品處理到位，操作方法得當，才能發揮儀器的性能，得到通過實驗想獲得的數據，達成實驗目標。

掃描電鏡表征，根據樣品的物理化學性質和實驗目的，選擇信號探測器，調節適當的加速電壓、工作距離、探針電流、光欄、亮度和對比度等條件和參數。結合掃描電鏡圖像，選擇能譜的掃描方式，根據需要對樣品進行元素分析。引導學生通過教學講義及查閱文獻，提前把握相關實驗的數據信號采集及分析方法。比如信號探測器的選擇，二次電子SE信號依賴于樣品的表面形狀；背散射BSE給出深度信息和原子序數襯度，可用于分析物質成分；能譜儀收集元素的特征X射線，進行元素定性和定量分析。拍攝過程中，注意樣品導電性、熱穩定性、磁性、樣品安裝固定的程度、環境噪音與震動等對樣品成像的影響，采用合適的掃描速度、信噪比等進行照相，以獲取理想的高分辨圖像。結合課前樣品的充分準備，學生親自完成實踐操作，有的放矢，表征樣品，確保實驗的針對性、有效性和可靠性。

2.3 實驗結果與討論分析

教學過程中，老師示范操作，并一對一指導實驗，學生可隨時提出問題，充分調動學生的參與積極性，互動研討、邊實驗邊根據實驗現象啟發學生總結并開拓實驗思路，鼓勵學生對實驗結果進行分析與討論，把握實驗內容的完成度和實驗目的的達成度。課堂教學結束前，引導學生從整體上，由儀器原理與學生實驗目的結合點出發，沿學術論文主線實驗研究背景、實驗材料與方法、實驗結果與討論，理順思路，并強調各部分的要領以及圖表的格式與整理。

2.4 規范實驗報告撰寫

總結實驗結果，填寫專門設計的實驗報告模板，完成實驗報告。實驗報告內容融入學術論文寫作的要素，包括與實驗相關聯的研究背景、實驗目的、材料（包括樣品準備）、實驗儀器、實驗方法、實驗數據與討論、實驗分析與結論、參考文獻。通過實驗報告的填寫，訓練學生的語言組織寫作能力，通過數據挖掘與數據分析，并試著用規范的圖表形式展現實驗成果，為將來實際撰寫期刊論文乃至學位論文的準備奠定良好的理論基礎及素材積累，從而從實驗教學中提升學生對科學方法的運用與實踐。

3 教學過程融入積極端正的科研精神

3.1 落實實驗前處理，嚴把樣品質量關

科研精神是科研素質的內涵，要通過科研實踐和自身的認識來逐步形成。因此，把科研精神的養成貫穿于整個教學過程。試樣制備是第一步，直接關系到電子顯微圖像的觀察效果，需要在保持試樣原始形狀情況下，制備出適合電鏡特定觀察條件的試樣。引導學生正視自己的研究在環境保護、預防與治理上的重大意義，精益求精，嚴格樣品制備的方法與注意事項，不同的樣品采用相應的方法，樣品把關也是保護儀器、獲得最佳實驗效果、自覺把實驗素養融入科研的一項重要措施。

3.2 引導上機操作，確保數據真實可靠

選擇有代表性的學生樣品，在實際檢測中，講解儀器操作的步驟，實驗條件的設置。引導每一位學生獨立完成從填寫實驗記錄（實驗室環境條件、儀器啟動條件、實驗樣品記錄）、樣品濺射、掃描電鏡開機、樣品上樣、樣品表征、能譜啟動與檢測、樣品下樣、數據存儲、儀器關機、收尾記錄等完整的全套掃描電鏡實驗操作的每一步流程。實驗技法操作步驟嚴謹、確保數據真實可靠，注重學生治學精神的培養。

3.3 科學分析數據，正視實驗成敗

數據分析包括數據的整理、圖像分析、定性與定量分析。數據分析是實驗結果展示的關鍵，全面詳實的整理數據，并繪制各類圖表，客觀分析結果并給出結論。各項分析基于實驗數據，與實驗預想不一定一致。實驗結果理想的同學加以鼓勵，不理想的同學積極打氣，失敗乃成功之母，不要氣餒，培養鍥而不舍的工匠精神，通過分析原因，從實驗細節上找問題，啟發學生從實驗的結果中也可能會有新的發現，可能蘊藏著新的契機。引導學生對實驗做出歸納、評價和判斷，并建立后續實驗計劃與方案，勇于探索新思路、新方法，新應用。科研沒有捷徑，有順利也會面臨挫折，需要積極面對，敢于創新，不怕失敗，不忘初心，砥礪前行。

3.4 開展儀器維護保養，珍視與愛護成為素養

講解掃描電鏡、能譜儀與濺射儀等相關儀器的使用注意事項、維護與保養方法，并帶領學生完成一次常規維護，使學生掌握儀器日常維護保養方法，了解儀器季節性維護保養的內容，著重強調溫度、濕度、噪聲、震動對儀器本身及儀器操作的影響。通過儀器教學與實踐，使學生感受到儀器是科研的保障，儀器是大家的儀器，無論制樣還是每一步操作都要為自己和大家負責。良好的儀器狀態是對科研的保駕護航，珍視、愛護儀器是必備的科研素養。

3.5 注重實驗習慣、職業素養的訓練，細節決定成敗

把實驗室管理、實驗習慣融入實驗教學過程中。實驗服的穿著與收納、溫濕度的確認、氣瓶的余量與氣閥檢查、實驗手套的選擇、儀器操作過程中的語音語調、人為實驗噪音及震動的避免、實驗工具的擺放、儀器環境衛生、儀器的維護保養、課后實驗器皿的清洗滅菌廢棄、各功能間的環境衛生整理等，認真做好每一個細節。這些元素都是實驗習慣與職業素養的具體體現，要求嚴格、功夫到家，能培養一絲不茍、認真負責的工匠精神；愛護公物，自覺承擔，可逐漸養成不計回報、服務社會的奉獻精神。

4 實踐效果

大型儀器實驗教學中，研究生從科研方法、科研意識和科研精神等科研素質上得到培養，主動積極地將大型儀器運用到學習和創新研究中，并能夠很短的時間內，通過儀器平臺的考核，獲得學院實驗中心頒發的相應大型儀器獨立操作資格證書。獲得了大型儀器獨立資格證書，就意味著可以在平臺主管教師的非工作時間自由使用相應儀器，不僅能加快自己的科研進度，還可以幫助其他有需要的同學。由此，實驗平臺展開儀器的雙預約制，即學生既可以和儀器主管老師預約實驗，也可以和已經獲得相應大型儀器獨立操作資格證書的研究生預約實驗，大大提高了儀器的利用率、促進大型儀器平臺開放力度的提升。

大型儀器由學院實驗中心統一安排，設立研究生綜合實驗課，大型儀器獨立操作資格證書涉及儀器涵蓋掃描電鏡與能譜、透射電鏡、流式細胞分析儀、電感耦合等離子體發射質譜、液相色譜、液質聯用、氣相色譜、氣質聯用、原子發射光譜、原子力顯微鏡、凝膠電泳等各類儀器，學生根據自己的興趣與研究需要，有選擇、有針對性地進行學習與應用，有效提升了學生儀器實驗與科學研究的綜合能力。

儀器平臺的教師成為實踐教學活動的組織者、引導者、促進者，以學生為主體，培養其良好的科研素質。研究生從知識學習、品格錘煉、創新實踐中得到成長，在研究組中成為中堅力量，起到承上啟下的作用，帶動整個研究組良好健康積極的科研氛圍，促進學院學科建設的良性循環與可持續發展，成為可以服務社會報效國家的人才。

5 結 語

大型儀器教學中培養研究生的科研素質，通過個性化的量身定制、混合式的線上線下教學、能動的小班實踐，樹立積極主動創新的科研意識，形成系統嚴謹規范的科研方法，培養執著求實奉獻的科研精神。學習不再是枯燥、機械與被動地接受，學生從接受者轉變成主動的積極參與者，實現由傳統的他主學習向自主學習的轉變，從接受性學習者向探究性學習者的轉變。培養什么人，怎樣培養人，為誰培養人，是大學教育的根本問題。在大型儀器實驗教學中深化立德樹人，培養研究生的科研素質，提升科研儀器平臺建設與學科建設的同時，促進育人與育才的內在統一。