分析测试实验教学实践在研究生创新能力培养中的应用探索<br/>——以哈尔滨工程大学为例

分析测试实验教学实践在研究生创新能力培养中的应用探索
——以哈尔滨工程大学为例

2022-03-17周娅张旭茗常云鹏

教育现代化 2022年20期

周娅，张旭茗，常云鹏

（哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，黑龙江哈尔滨）

哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院分析测试中心，是负责材料科学与工程、材料物理、材料化学专业本科生和研究生的实验、测试及教学工作的重要部门，设置有学科通用设备检测中心和学科专业设备检测中心，其中学科通用设备检测中心设备齐全，拥有扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、质谱仪、光谱仪、离子减薄仪、同步热分析仪等二十余套仪器设备[1]。

分析测试中心以服务学校发展为中心目标，助力哈尔滨工程大学学科建设、本科生及研究生培养，充分发挥各种仪器设备的用途，为材料科学、化学及化工等相关学科提供测试服务，对人才培养尤其是研究生的实践及创新能力培养发挥着至关重要的作用。

本文作者是分析测试中心的教师，主要承担分析测试中心的材料、化学相关的材料性能测试、材料表面处理等实验测试和教学工作，对材料分析测试及研究生实验及实践教学理论有丰富经验。鉴于在分析测试实验活动中总结的经验和理论，结合人才培养方案和目标，对分析测试实验实践在研究生创新能力培养中的应用进行研究，以为哈尔滨工程大学及其他高校与科研院所的研究生能力培养提供参考和指导。

一分析测试实验的内涵特征

（一）分析测试实验的内涵

实践教学，一直以来是理论与实际应用相结合的重要教学环节，其中，实验教学是实践教学最为常见的一种教学形式。在实验教学中，学生通过学习仪器设备原理和结构，在特定的材料及测试设备条件下，改变测试参数，通过观察、测量、分析不同参数条件下的实验结果，提高发现现象、解决及分析问题的能力，对于锻炼学生的动手与实践能力至关重要，是学以致用非常有效的方法[2]。

分析测试实验是实验教学的一种特殊形式，也是分析测试中心的特色测试与教学活动，将材料测试与研究生教学融为一体，在材料测试过程中开展实验教学，在教学过程中测试材料特性及性能。

电子显微技术已成为研究材料的表面形貌、微观结构、成分及材料中各类晶体缺陷等信息的必备表征手段，而获得理想表征结果的关键在于能否制备出表面质量高或具有足够薄区面积的电镜样品，随着目前离子束减薄技术在制样中的广泛应用[3]，作者以“金属材料透射电镜样品的离子减薄”分析测试实验为例，结合多年来利用离子减薄技术制备各种金属、陶瓷、薄膜、复合材料等材料的透射电镜测试样、表面离子镀膜、样品表面蚀刻的测试经验，采用离子减薄仪，为研究生（也有少数本科生）开展不同金属材料样品的离子减薄过程的分析测试实验教学[4]。通过测试与实验教学相结合，一方面，能让学生在学习离子减薄工作原理和基本操作方法的同时，加深对电镜制样要求及注意事项的认识，即，根据透射电子显微镜样品要求，对于金属材质样品，首先通过机械减薄至试样的两个表面平整，切割出3mm直径的圆片后装入减薄夹具并放入真空减薄腔，之后用氩离子束与试样表面成一定角度轰击试样中心，试样中心被击穿出现小孔并在小孔周围保留5～100mm的薄区可用于电镜观察；另一方面，为学生提供亲身体验不同材料样品在减薄进程中表面形态变化产生薄区的实践机会，了解离子减薄过程中的离子束能量、减薄角度、气体源大小等减薄参数与样品组织减薄变化规律之间的密切关系，通过观察样品减薄实时状态适时调整减薄参数，从而在有效时效要求下，获得完整、大薄区且低缺陷的金属透射样品。通过在测试过程中研究生与实验老师的学习交流，既能够实现所需要的减薄测试任务达到既定目标；同时又能够引导学生不断学习、温习各种材料样品的性能、减薄理论、减薄方法、材料及力学理论知识，将理论与实践很好地结合，达到学以致用效果，启发学生在后续实际减薄测试实践中懂得如何结合自身样品的特殊成分、特殊处理工艺、厚度、形状尺寸及涂镀层样品单面减薄等情况选择更加合理的减薄方案，并能针对不理想测试结果分析可能的不利因素，思考改善措施以减小样品材料中的组织缺陷、厚薄不均匀、残余内应力、温度/减薄角度敏感组织等因素对电镜观察区的不利影响，正是在不断分析思考这些问题的过程中，使研究生的=动手能力、发现解决问题的能力得到快速提升。

（二）分析测试实验的特征

分析测试实验与其他实验相比，具有特殊属性、复杂性、多维度、全面性、精细化、动态性等特征，具体表现为以下方面：

1.具有特殊的属性。分析测试实验是一种特殊形式的实验，也是特色测试与教学活动之一，在完成材料样品制备与测试的同时，开展实验教学活动，是一举两得的实验教学活动。

2.专业性强。参加分析测试实验的学生通常为研究生及具备一定科研基础的本科生，需要其具备一定的化学、物理、材料及力学理论知识基础，专业性较强，针对性也较强，能够将专业与实践有机结合，更好地服务于学以致用。

3.测试实验具有复杂性和全面性。材料分析测试实验过程包括了原始材料制备、样品测前处理、样品测试、样品测后检验及后处理、储存、后期结果分析等过程，本身具有一定的复杂性，为研究生综合能力培养提供了丰富的教学和实践机会。

4.能力锻炼多维度。分析测试实验的复杂性和专业性强的特点，决定了其对研究生能力综合锻炼的效果，在开展分析测试实验过程中需要结合研究生的动手能力、观察能力、分析能力与思辨能力，通过手眼并有，结合材料科学基础知识，观察样品在测试过程中的组织或形貌变化，分析变化趋势，并灵活调整测试参数，以达到高效、高质量的测试效果，能够起到很好的多维度研究能力锻炼，助力于培养优秀的多方面能力均较优的研究学者及科学家。

5.实验精细化。分析测试实验既需要从宏观层面上严格把握样品的结构尺寸、平整及完整性，又需从微观层面结合离子与材料原子间的相互作用规律，准确把控材料微观组织形貌的演变趋势及变化速度，为了实现准确的结果预测，对分析测试实验的精细化提出了非常高的要求，要求实验人员能够耐心检测、细致观察、精细处理结果，具有较高的精细化要求。

6.测试过程动态性。分析测试实验通常以实时、在线的测试实验过程为载体，如离子减薄，为了把握测试的时效性，需通过连续观测样品的形貌演变和变化速率，实时调节离子束能量、减薄角度、气流量等参数，通过实时分析及预估减薄进程，实现实时动态且保证时效性的测试过程。

（三）分析测试实验的重要性

新时代我国高水平研究大学建设不断推进，高质量研究生培养受到越来越多的重视，理论与实验相结合的教学理念发挥着非常重要的作用，分析测试实验的重要性具体如下：

1.有助于学以致用，强化理论学习。分析测试实验本身作为学校的特色测试与教学活动，能够在研究生掌握专业课程知识时，将所学习专业知识应用于实验测试过程中，实现研究生专业素质的培养，在实验测试过程中加深对理论知识的深入理解，促进研究生对于不清楚知识点的复习和学习，有效强化并促进理论知识学习。

2.分析测试实验“学-测-教”融合，有助于提升研究生的创新能力。分析测试实验将材料测试与教学融为一体，将理论知识与实验动手创新有机结合，能够促进研究生突破传统的仅限于课本知识的思维模式，在实验中学习，在测试中培养实践能力，能够快速激发研究生的创新思维，快速进行方案验证，调动其积极主动性，有利于提升其创新能力。

3.有助于实验、教学资源的优化配置。分析测试实验在开展分析测试完成研究生既定目标的同时，能够直接培养研究生实验教学能力，避免了传统理论知识教学、实验活动分离的方式[5]，且不需要区分传统理论知识教学和实验教学的先后顺序，有效节省了教师资源、场地资源、实验耗材等，利于实验、教学资源的优化配置。

4.有助于培养综合性专业性创新人才。分析测试实验整个过程涵盖了前期样品制备、样品测前处理、测试、测后检验及后处理、储存、结果分析等过程，综合了材料学理论、化学理论、力学理论等基础性课程，在实验分析过程中需要运用理论知识优化测试过程及结果，且与研究生的科研工作内容密切相关，提高了研究生的理论学习、知识应用、实践能力、分析能力等全面的综合素质，有助于培养综合性专业性强的创新型人才。

二分析测试实验在研究生培养中的教学模式及方式

（一）分析测试实验教学新模式

根据对国内各大高校研究生培养方式及方案的了解[6]，哈尔滨工程大学分析测试实验方法的开展具有一定的特色和创新性，教师在为学生测试科研所需各种材料样品的同时，将材料测试方法和技巧也传授给学生，从“授之以鱼”转换为“授之以渔”，锻炼学生的理论分析、动手及实验测试能力，实现真正的“学-测-教”融合。

分析测试实验教学新模式适用于具有材料、化学及其他理工类学科的高等院校及科研院所，需要具备掌握理论知识的讲授教师、实验仪器设备及实验教师，在完成研究生样品分析测试同时，让研究生以主人公的身份参与到分析测试过程中，手把手传授测试注意事项、测试方法及技能，辅助研究生深入分析测试结果，实现师生良好的互动，教师作为良师益友在分析测试过程中进行专业理论知识、实验知识的传授及理论分析的讲解，是一种能够有效提升研究生创新思维能力、锻炼其综合素质、优化理论教学及实验教学资源配置的新型教学方式。

（二）分析测试实验教学新方式

综合以往实验教学模式并结合现有实验教学经验，总结得到分析测试实验教学方法如下：

1.建立基础示范性分析测试实验，奠定实验教学基础。首先需要建立基础示范性实验教学内容，以为后续实验教学开展奠定良好的基础，基础示范性分析测试内容可以优选所在专业研究生样品测试较为通用、测试量比较大的内容，并建立较为完善的测试实验制度，以便在分析测试实验开展的初期便使得更多研究生受到较好的实验教学教育，为后续进一步完善分析测试实验提供良好的基础。

2.创新分析测试内容，丰富测试类型。为增加分析测试实验服务研究生的范围和人员数量，可以结合现有的实验仪器设备，通过进一步拓展分析测试内容，服务于更多的研究生。在有条件时，也可以进一步拓展实验仪器设备或对现有仪器设备进行改造和优化设计，创新分析测试内容，优化实验教学资源的配置和使用[7]，丰富测试的类型，同时有助于研究生科研内容和形式的探索、课题选题的拓展，提升创新和动手能力。

3.培养高质量地分析测试实验教师队伍。分析测试实验的开展离不开高质量高素质的实验教师，一方面学院和学校应该充分认识到分析测试实验教学的重要性和特殊性，转变传统教学思维模式[8]，推动建立完善的分析测试实验教学制度和方案[9]，聘请有经验的教师进行分析测试实验教学培训，以提供良好的实验室场地、学习氛围；另一方面，教师自身也应该加强分析测试理论、基础知识的学习，锻炼分析测试的能力、操作水平、测试结果深入分析能力，提升分析测试实验的教学能力，以便能够掌握测试的精髓和教学的技能，快速传授给研究生，提升其综合能力和专业素质，为培育创新型、专业型研究生不懈努力。

（三）分析测试实验在研究生培养中的应用效果

通过两年多的分析测试实验及教学工作，深切看到了其对研究生、本科生及教师的科研起到了非常有益的效果。

对于学生而言，在掌握了材料、化学、工程热力学等专业基础知识的同时，能够快速学以致用，提升了其动手能力、观察现象、发现解决问题的能力，拓展了学生的科研视野；研究发现参加分析测试实验的研究生动手、实践操作、思考及实验设计能力等能力优于其他同学；有助于提高研究生的创新思维和实践创新能力，促进学生的科研热情、学习积极性和主动性。

对于教师而言，在开展分析测试实验及教学活动过程中，能够进一步熟练掌握实验测试技巧、提升测试技能，本身也是一个学习的过程，能够丰富自身专业知识结构和体系，提升自身的实验能力、教学能力，提高其文化素养和教学效率，更好更快地进行后续的教书育人工作，为学校乃至国家培养更为优秀的专业科研人员。