大型检测设备服务于研究生科研素质培养的方法

段辉平 宋洪海 王嘉宜 袁泽红

北京航空航天大学分析测试中心 北京 100191

资产管理与设备采购

大型检测设备服务于研究生科研素质培养的方法

段辉平 宋洪海 王嘉宜 袁泽红

北京航空航天大学分析测试中心 北京 100191

高校大型分析检测设备的使用几乎全部与研究生的科研活动相关，大型分析检测设备服务于学生实验教学的重点应该放在如何提高研究生对大型分析检测设备的利用能力上。根据研究生对大型分析检测设备的不同需求，通过设计分层次、有针对性的教学体系，既可以满足不同层次学生的需求，又可以降低实验课程对大型设备的依赖性。结果表明通过这种实验教学体系的训练，可以使大型分析检测设备的使用率和研究生的科研素质得到明显提高。

大型设备；实验教学；研究生；科研素质

随着科技水平的发展和学生培养要求的提高，掌握先进的分析检测技术已经成为许多学科学生的必备技能之一。分析检测方法是一门实践性非常强的技术，但目前学生对于分析检测方法的学习依然局限于课堂和书本学习，仍然以“理论讲解+实验操作(示范教学)+考核”为主，学生对设备的掌握只限于学过而已，在学习过相关理论知识后，基本没有亲自动手操作设备的机会，对大型设备的感性认识几乎为零，在实验技能方面没有实质性提升。

如何平衡大型分析检测设备服务于科学研究和实验教学，一直是困扰教育部门和实验管理人员的难题。近些年，许多高校都引进了大量的分析检测设备，其中不乏高端精密的大型设备，建立了系统、完善的检测机构，例如分析测试中心(以下简称“中心”)等，检测能力和水平得到了跨越式的发展，对提升高校的科研水平发挥了重要作用，同时也为解决学生的实验问题提供了设备基础。但遗憾的是，由于大型精密检测设备价格昂贵、数量少、维修价格高且周期长，一般都由专人专管；同时大型精密检测设备主要为满足重大科研或攻关项目所需，要承接大量的科研测试任务，而且每次实验能容纳的学生数很少，无法留出足够时间承担教学任务，导致大型分析检测设备基本不向学生开放。这严重偏离了高校人才培养的重要职能，不利于学生综合素质和创新能力的培养。随着学生规模进一步扩大，这种矛盾也将变得越来越尖锐。

许多专家学者为此进行了研究和探讨，但目前大多数研究集中在大型分析检测设备的共享管理[1,2]以及为本科生实验教学服务[3,4]范围。笔者认为，就目前状况而言，彻底满足本科生实验教学需求是不现实的，也完全没有必要。对本科生而言，如何利用有限的设备资源激发学习兴趣，应该成为服务的重要内容。[5,6]大型分析检测设备的真正用户群主要是在读研究生，因此，大型分析检测设备服务于高校实验教学的重点应该放在如何培养和提高研究生的科研素质和能力等方面。

针对研究生的需求，笔者提出了分层次、有针对性的实验教学体系，并进行了具体的应用研究。通过4年实践，取得了满意的效果。

1 教学理念

通过调研发现，研究生对分析检测设备的需求分为3个层次。一是了解，即了解设备的功能和原理，便于研究生有针对性地设计科学实验，缩短研究周期，避免走弯路；对于这一部分学生而言，只需要掌握如何利用大型分析测试设备为自己的科学研究服务，了解设备的功能即可，不需要掌握设备的操作和分析技能。二是分析，即需要对检测结果进行系统分析，便于研究生从分析检测结果中得出正确结论并反馈于前期的实验设计，提出合理的实验方案，最终得到满意的研究结果；对于这一部分学生而言，不仅需要了解设备的功能和基本工作原理，还需要熟练掌握各种分析方法和技巧，了解设备的基本操作方法和技能。三是研究，即需要利用分析检测设备进行科学研究，便于研究生在分析检测过程中实时发现新问题、新现象并对其进行实时研究；对于这一部分学生而言，在掌握第一、第二层次技能的基础上，还需要熟练掌握设备的操作和分析技能，掌握设备的基本日常维护，因此需要进行重点学习和培训。

可见不同学生有不同的需求，因此完全没有必要对所有研究生都进行同样的系统培训(全同教学)，而可以采用分层次、有针对性的实验教学(层次教学)，这样既可以满足研究生不同层次的需求，又可以节约大量的机时。随着需求层次的提高，学生数急剧减少。以透射电子显微镜为例，假设第一需求层次的学生数为100人，则第二需求层次以上的学生数下降为50人左右，有第三需求层次的学生数更少，约为10人左右。假设达到第一、第二、第三需求层次需要投入的实验机时分别为10小时、30小时、50小时，不同教学方法需要投入的机时存在较大差别。表1列出了2种不同教学方法需要投入的实验机时对比。以上述假设的学生数为例，如果采用全同教学，都要达到第三层次需求，则需要投入5 000小时机时，而采用层次教学，则只需要2 700小时。可见后者可以大量节约设备资源，减少实验教学对大型分析检测设备的依赖性，可以缓解大型分析测试设备如何服务于科研和教学的矛盾。

表1 不同实验教学方法所需机时(小时)

2 教学体系

基于上述实验教学理念，结合研究生对设备的需求，合理设计分层次、具有针对性的包含课程体系和培训体系两部分的教学体系，满足研究生不同层次的需求，提高研究生理论联系实际的能力。

2.1 课程体系

对于第一层次需求的研究生而言，需要了解中心所有设备的功能和原理，为此开设了材料学科基本实验，由中心教师通过演示实验、验证实验等，为研究生现场讲解设备的工作原理和功能并进行现场答疑，此课程涉及中心所有设备。对于第二层次需求的研究生，需要掌握如何从实验结果中获得所需要的重要信息和结论，为此开设了透射材料电镜分析实验、扫描电镜分析实验2门实验课程，研究生在教师的指导下，通过亲自操作设备进行分析检测，获得实验结果并在教师的指导下进行结果分析和总结。对于第三层次需求的研究生，由于需要在分析检测过程中发现新现象、新问题，因此必须掌握设备操作技巧和日常维护技能，达到独立使用、管理、开发设备的水平，需要投入较多的机时进行专门培训。这涉及后续的培训体系。

2.2 培训体系

分析测试设备大致可以分为两大类，一类是人与设备可以分离的设备，即试样安装到检测设备后，设备可以自动进行检测，整个检测过程中不需要操作人员进行干预即可获得实验结果；另一类是人与设备不可分离的设备，即试样安装到检测设备后，设备不能进行自动检测，整个检测过程中都需要操作人员进行人为干预才可获得实验结果，这类设备主要包含透射电子显微镜、扫描电子显微镜以及电子探针微分析仪等。

第一类设备操作相对比较简单，可采用学生随到随学的方式进行即时培训；而第二类设备操作比较复杂，培训合格的操作人员所需的周期较长，例如透射电子显微镜，一般需要1个月以上。对于这类设备采用定期培训的方式进行，要求培训合格的研究生定期操作设备，参与设备的日常管理工作。表2列出了教学体系包含的内容以及适用的范围。

表2 教学体系内容及其需求层次、设备类型、学生群体

3 教学成果

通过4年的实践发现，这种教学体系对提升研究生的整体科研能力效果显著，获得了教师和研究生广泛好评。由于研究生了解了分析测试设备的功能，可以根据课题的需求和研究内容，有针对性地设计实验方案，提高了实验效率和针对性；由于研究生掌握了设备的操作和分析方法，可以独立操作设备并在实验过程中发现新的现象和问题，提高了研究水平和设备使用效率，科研成果显著。

3.1 研究生科研论文数量和质量

图1显示了近六年我院研究生发表SCI论文的情况。由图1可见，在学院研究生规模没有明显增加的前提下，论文数量逐年增加，从2009年的155篇上升到2013年的300篇，呈现出强劲的上升势头，特别是高影响因子论文的数量成倍增加，从2009的8篇提高到2013年的52篇，论文质量和在学术界的影响得到显著提升。

图1 近六年研究生发表SCI论文统计

3.2 研究生对课程的评价

表3列出了学生对课程的评价分数，数据来源于研究生院教务系统，能反映学生的真实意愿。从学生对开设的3门实验课的评价来看，认可度很高，普遍反映收获很大。

表3 研究生对课程的评价

表3 (续)

3.3 大型设备的使用效率

通过不同层次的学习和培训，许多研究生熟练地掌握了一些设备的操作和分析技能，科研能力和分析测试水平得到显著提高。除了前文列出的发表论文数量可以体现研究生科研能力和分析测试水平显著提高以外，从中心大型设备的使用效率也可以看出研究生分析测试能力和实践动手能力都得到了显著提高。表4列出了近几年中心电子显微分析主体设备的年工作时间。通常来说，这些设备的年工作时间达到800小时即可认为达到饱和工作量，但中心对应的设备年工作量远远超出行业内饱和工作量，根本原因就是研究生分析测试水平和操作设备的能力都得到了提高，可以在工作时间以外的时间里独立操作设备进行科学研究。

表4 主体设备的年使用时间(小时)

4 结束语

高校重要的职能之一是人才培养，一切教学活动都要围绕如何提高学生综合素质、培养满足国家战略需求的高素质人才进行。大型分析检测设备在提高学生分析检测能力、提高学生实验动手能力等方面有着重要作用。但囿于其资源稀有性等特点，大型分析检测设备如何服务于学生实验教学一直是一个亟待解决的问题。以上基于对学生需求层次的分析，对大型分析检测设备如何提高研究生科研素质等方面进行了初步探索，获得了一些有意义的结果。

(1)大型分析检测设备的使用几乎全部与研究生的科研活动相关，因此如何提高研究生对大型分析检测设备的利用能力应该成为大型分析检测设备服务于学生实验教学的重点。

(2)根据研究生对大型分析检测设备的不同需求，通过设计分层次、有针对性的教学体系，既可以满足不同层次学生的需求，又可降低实验课程对大型设备的依赖性。

(3)通过4年的实践表明，不仅可以显著提高大型分析检测设备的使用效率。而且可以明显提升研究生的科研素质。

[1] 薛玉珍,吴银素.大型仪器设备开放管理系统的建设与实践[J].实验技术与管理,2014,31(8):249.

[2] 韩富,郑福平,田媛.高等学校大型仪器设备共享平台建设研究[J].中国现代教育装备,2009(1):6-7.

[3] 朱平川,芩卫健,李楠.大型仪器平台应用于本科教学实验的探索[J].实验科学与技术,2012,10(1):119.

[4] 白叶飞,马广兴,贺玲丽,杨普新,康晓龙,贾锦霞.高校大型设备实验教学模式的探索与实践[J].实验室科学,2014(1):205.

[5] 段辉平,宋洪海,杜娟.分析测试中心服务于本科教学的问题与思考[J].中国现代教育装备,2011(17):47.

[6] 段辉平,宋洪海,杜娟.高校大型分析测试设备服务于本科教学的方法探讨[J].中国现代教育装备,2012(11):25.

Service Approach of Large-scale Testing Equipments on the Scientifc Quality of the Postgraduates

Duan Huiping， Song Honghai， Wang Jiayi， Yuan Zehong
Beihang University， Beijing， 100191， China

Utilization of the large-scale testing equipments （LTEs） in the universities is mainly connected to the scientifc research activities of the postgraduates. The key point for the serving approach of the LTEs on the experimental teaching should be concentrated on how to improve the postgraduate's ability to utilize the LTEs. Based on the difference in the requirements of the postgraduates to the LTEs， a staged and well-targeted training system could be designed， which could not only meet the different requirements of the postgraduates， but also decrease the LTE-dependence of the training course. Results showed that both the utilization rate of the LTEs and the scientifc research ability of the postgraduates could be obviously increased.

large-scale equipment； experimental teaching； postgraduate； research ability

2014-11-01

段辉平，博士，副教授，北京航空航天大学分析测试中心常务副主任。

高等学校仪器设备和优质资源共享系统大型仪器示范机组建设子项目《材料结构原位电子显微镜分析示范机组建设》(编号：CERS-1-11)。