淺談規范作圖對理工類本科生科研能力培養的重要性

陸煥鈞，孫文卿，趙 潤，張曉渝

（蘇州科技大學物理科學與技術學院，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

近年來，在國家新一輪“雙一流”建設的推動下，加強高校學生科研能力的培養成為教育工作中不容忽視的部分[1]。本科階段通常是學生開始接觸科研的啟蒙階段，也是形成科研意識、樹立科研精神的重要階段[2-3]。在本科階段養成良好的科研習慣，可為學生進一步開展科研工作打下堅實的基礎。對于理工科大學生，在日常學習及科研過程中，往往會涉及大量的實驗設計以及數據處理。以筆者所承擔的“光電技術實驗”課程為例，學生需要在實驗報告中繪制光路圖、電路圖等示意圖，以及電阻、折射率等物理量隨外界條件變化的數據圖。由此可見，各類圖表與實驗工作密不可分、相輔相成。從實驗課程到科學研究，通過圖表總結并展示各項數據或結構模型，均是其中不可或缺的重要環節。規范整齊、簡潔大方的圖表不僅可以將研究成果更加清晰地呈現在讀者面前，也是科研工作者優秀科學素養的直觀體現。因此，培養學生規范作圖的能力，一方面可以幫助他們更加清楚的理解實驗設計的初衷，更加精確的掌握各個物理量的變化規律；另一方面還可以切實規范本科生的科研態度，樹立一絲不茍、精益求精的科研精神。

1 圖表在科研工作成果展示中的重要作用

一項優秀的科研工作，不僅要求實驗設計的創新性、結果的精確性，還需要對其進行歸納總結，并且以書面論文或口頭報告等形式清楚的展示出來。無論是對于科研論文還是學術報告，圖表在其中的作用都是舉足輕重的[4]。清晰明了且生動美觀的科研作圖，不僅可以第一時間抓住讀者的眼光，引起閱讀的興趣，還可以方便讀者從中凝練論文的核心內容，增加閱讀的效率。

從實驗流程、數據分析，到結構模型、歸納原理，每一步的總結和展示都離不開圖表的幫助。通過圖表可以直觀地看出每一步實驗是如何設計和進行的，可以迅速地掌握各項數據的變化趨勢，也可以清楚地說明各個組分的排列方式，并且精確地描述內在機理。早期的科學家們主要采用手繪圖表的方式分享他們的科研成果，而隨著計算機技術的不斷發展，目前大多通過電腦軟件進行繪圖，科研作圖的效率以及專業性和美觀性均得到大大提升。同時，對比幾十年前和近幾年來發表的高水平學術論文，可以發現科研工作者們對圖表繪制的要求越來越高。利用規范的圖表高效精準地呈現文章內容，成為論文撰寫過程中至關重要的一部分。

2 目前理工科大學生在作圖中存在的問題

錯誤的或者不規范的圖表往往會使得其所描述的實驗過程以及結果出現偏差，在實際生產生活中可能釀成嚴重的后果。本科階段的實驗課通常是理工科學生接觸實驗數據處理以及圖表繪制的第一步。然而，從上交的實驗報告來看，圖表往往五花八門，不盡如人意。此外，在各項競賽、演講以及畢業論文的撰寫過程中，均存在不少作圖方面的問題，主要可以總結為以下3 個方面。

2.1 格式

圖表格式是作圖中最基礎的部分，然而也是最容易被忽視的部分。大部分學生在作圖時，經常不注意圖中語言類型、字體、字號以及線條粗細的統一，同時圖表本身的尺寸也忽大忽小，與正文不相匹配。當一張圖中存在多組數據時，必須要通過顏色、標注等方式對其區分，避免指代不清。如若數據過多，很難全部在圖中一一標注，也可以另外單獨列表格對其進行說明，以此確保所展示內容的清楚和明確。在對多組數據進行對比時，坐標軸的范圍區間以及單位最好保持一致，從而有利于直觀的表現出異同之處。圖表中出現的各種格式問題雖然不會對內容的理解產生大的影響，但是卻大大降低了讀者的觀感，容易使讀者失去閱讀的興趣，因此需要在作圖過程中盡量避免。

2.2 邏輯

圖表最重要的作用是幫助理解研究的內容和結果，因此在列舉各組數據以及安排圖表順序方面必須注意其邏輯性。在一些存在明確因果關系的圖片中，比如實驗流程圖、合成步驟圖等，往往不容易犯錯。然而，對于其他涉及數據討論的圖表，卻總是容易出現前后顛倒的現象。在排列各項數據及結果時，應該充分考慮其中的內在聯系，前者為后者的提出做鋪墊，后者對前者進行支撐和補充，環環相扣，層層遞進。

除了圖表順序外，內容上的邏輯性也不能掉以輕心。例如通過示意圖描述分子結構時，應當注意分子中各個組分體積的相對大小要與實際情況相符合；在光路圖中，需要明確各個光學器件之間的相對距離，并且光路的改變必須符合器件的特點；而對于電路圖，導線是否交叉，是否存在短路、斷路，這些問題都是作圖完成后需要仔細檢查的。

圖表中出現邏輯錯誤時，其后果往往比格式錯誤要嚴重得多，甚至會導致對整個研究工作的理解錯誤。為了避免此類錯誤的發生，一方面需要具備扎實的專業知識，同時對研究課題擁有清晰的理解；另一方面也需要反復琢磨、不斷推敲，養成沉心思考、靜心科研的好習慣。

2.3 圖注

圖注是對圖片內容的描述與說明，它是將圖片信息正確傳達給讀者的重要途徑。許多學生往往在圖片上花費了大量的精力，卻對圖注掉以輕心，使得圖片信息模糊，效果大打折扣。一張優秀的插圖，可以讓讀者在沒有閱讀正文的情況下，便了解論文的核心內容，這里離不開圖注的作用。

通常來說，科研論文中的插圖往往由多個圖片組合而成。因此在圖注中，需要先用一句話對整個圖片所描述的內容進行概括，再分別對各個部分一一說明。同時，若圖中出現任何的示意符號或圖形，均需要在圖注中進行解釋。大家在撰寫圖注時不妨把自己的角色進行轉換，想象成如果自己完全不了解該項工作，是否能夠通過圖注讀懂這張圖片。此外，也應當注意圖注不能過于煩瑣冗長，不應與正文中有過多重復，將圖片內容表達清楚即可。

3 如何培養學生作圖的規范性

對于理工科大學生，培養良好的科研習慣可以大大提升他們在學習、工作以及進一步深造中的競爭力。本科階段的實驗課程能夠增強學生的動手能力以及分析、解決問題的能力，是學生接觸科研的第一步，也是高校培養學術型、應用型人才的重要途徑[5-6]。隨著我國教育改革的深入，實驗課在高校教育體系中的重要性不斷提高。然而，目前的課程安排中很少有與之相匹配的圖表繪制、實驗報告撰寫等內容，導致學生缺少獲得正確、系統指導的途徑。因此，開設有關科研繪圖的課程，或者在實驗課中增加相關內容，可以有效地進一步提升理工類本科生的科研素養。

對于本科生規范繪圖能力的培養，其課程安排可以從以下幾方面考慮：首先，興趣是最好的老師，激發起學生主動學習的意識十分關鍵。因此，在課程開始階段，可以多展示一些高水平學術論文上的優秀插圖。這樣一方面可以通過美觀的圖片吸引學生學習的興趣，另一方面也可以將其作為范例，闡述科研作圖中的各個注意點。其次，可以將科研繪圖的過程逐步拆解，在課堂上帶領學生一步一步完成一張規范的圖片。模仿是學習的第一步，學生可以通過實際操作強化對圖片格式、邏輯以及圖注的理解，也可以通過不斷練習加深對正確、規范作圖方法的記憶。最后，在完成教學時，可以嘗試讓學生結合實驗課內容撰寫一篇學術小論文，并且將班級中所有學生的小論文收集后合訂成一本“期刊”，進而從中評選出最規范、最美觀的圖片作為封面。由此不僅可以鼓勵學生掌握好科研作圖的能力，還可以學以致用，為進一步的科研工作打好基礎。

通過增加有關規范作圖的教學內容，可以將一些作圖時的基本規則正確的傳遞給學生。例如，圖中的字體（包括坐標軸及圖例），一般選用無襯線字體Arial 或Helvetica，或者有襯線字體Times New Roman。對于整篇論文，應該保持字體的一致。如需特別強調某些內容，可以通過加粗或者斜體來表示。同時，圖中的文字大小應與正文相當，避免讀者在閱讀論文時需要不斷調整縮放比例。此外，圖片中描邊粗細不能細于0.5pt，但也不能太粗，超過1.5pt，過細或過粗都影響美觀。在分辨率方面，一般要求彩圖≥300dpi，黑白圖≥500dpi，線圖≥1000dpi。

4 常見科研圖片類型及其處理軟件

科研工作中常常會遇到多種類型圖片的繪制和處理，例如照片、數據圖、示意圖等。針對上述各類圖片均有多種軟件可以使用，下文將一一舉例說明。

4.1 照片

照片主要包括各類光學顯微鏡、電子顯微鏡等直接通過成像設備拍攝得到的圖片。這類圖片通常會涉及縮放、旋轉處理，對比度、飽和度、清晰度的調節，以及區域和像素的統計。對于照片類的圖片，可以通過ImageJ、Adobe Photoshop 等軟件進行處理。ImageJ 是一款基于java 的功能強大的圖像處理軟件，該軟件在處理透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等表征儀器所拍攝的圖片時，應用極為廣泛。它不僅可以對選定區域的幾何特征，如間距、角度、面積、橢圓擬合等進行計算，還可以對規整有序排列結構做傅里葉變換分析，從而展示其周期性分布規律。Adobe Photoshop 主要處理以像素所構成的數字圖像，通過使用其眾多的編修與繪圖工具，可以有效地進行圖片編輯工作。相對于ImageJ 強大的分析計算功能，PS 的專長更多的在于處理圖像本身。利用其傾斜、鏡像、透視等功能，可以將多個圖片進行疊加以及對比。但是，這里也應特別指出，在使用PS 處理圖片時，一定要牢記科研的真實性以及嚴謹性，千萬不能通過違規的手段假冒或刻意美化研究成果。

4.2 數據圖

對實驗測得的數據進行統計和分析，并以圖線的形式展示，即可得到數據圖，這類圖片是科研工作中最常見的一種。理工科實驗數據的分析主要包括曲線平滑、線性擬合、峰值積分等，其處理軟件有Microsoft Excel、Origin 等。Microsoft Excel 擁有多種函數，在處理大量數據方面非常高效，但在圖線繪制上略有不足，只能做出一些較為基礎的圖線。Origin 繪制圖線類型豐富，數據處理操作簡單易學，在科研中較為常用。Origin 繪圖的關鍵在于數據，所以數據表非常關鍵。一般來說，通過數據表中的一對X、Y 數值，即可得到一個作圖點。通過多個點相連，同時合理的調節橫縱坐標的區間，便可獲得對應的圖線。此外，若擁有較好的C 語言或者C++語言編程基礎，MATLAB 也是一個很好的選擇。該軟件是一個集數值計算、符號分析、圖像顯示以及文字處理于一體的大型集成化軟件，尤其在數據分析上，具有十分專業的功能，如矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等。

4.3 示意圖

示意圖主要是指描述步驟流程、結構模型或基本原理等的簡單圖示。一般來說，示意圖沒有嚴格的標準，能準確無誤、清晰明了地展示作者想法即可。日常學習工作中常用的Microsoft Powerpoint 軟件就可以滿足一些基礎的繪圖要求。而如果想要呈現更加亮眼美觀的示意圖，則可以通過3D Studio Max 或者POV-Ray等專業制圖軟件渲染出逼真的三維效果。

5 結語

本科階段是學生開展科研的啟蒙時期，也是培養學生良好科研素養的關鍵時期。本文分析了目前理工科大學生在科研作圖規范性上存在的主要問題，總結了科研圖片的主要類型及處理軟件，提出了通過增加實驗課教學內容幫助學生提升作圖能力的方法。加強本科生的科研能力培養，是新一輪“雙一流”建設中不可忽視的一環，需要不斷總結以往經驗和規律，并進一步探索新思路、新方法。