材料类研究生扫描电镜实操创新能力提升的探索

刘飞，侯小虎，赵学平，宋银敏，崔晓明

（内蒙古工业大学 材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特 010051）

2021 年3 月11 日，十三届全国人大四次会议通过的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》明确将人才强国确立为2035 年远景目标之一，在人才培养方面指出：要“加强创新型、应用型、技能型人才培养，实施知识更新工程、技能提升行动，壮大高水平工程师和高技能人才队伍”[1]。新工科建设是以创新型应用人才培养为核心，促进我国高等院校工科专业教学深层变革[2-3]。研究生教育作为高等教育的最高层次，工科类研究生的创新精神和实践能力培养是新工科建设的重要任务，其质量和水平也成为反映高等院校人才培养质量的主要参照[4]。材料科学在现代工程技术发展中的基础性、先导性作用日益突出，为适应科学技术快速发展的步伐，材料类研究生的培养模式与创新精神和实践能力培养方式亟须更新[5-6]，将专业理论知识传授与创新精神和实践能力培养有机结合，形成与社会生产接轨的创新型应用人才培养体系[7]。

大型仪器在一定程度上代表着社会生产力的发展水平，是进行实际生产、教学与科研的重要工具和载体。扫描电镜作为大型科研仪器的一种，被称为“探索微观世界的眼睛”，是材料形貌、组织和成分（装配能谱仪）研究的有力工具，是进行“材料科学四要素”研究最为广泛应用的大型科研仪器之一。所以，扫描电镜的结构原理为材料类研究生基础选修课材料现代分析方法的重要讲授内容之一。然而，目前关于扫描电镜的教学内容仍以传统课堂教学为主，在创新型、应用型、技能型研究生人才培养方面的重要价值还未充分体现[8]，亟须改变传统课堂教学模式，让扫描电镜与材料类研究生知识、能力和素养培养目标深度融合，着重培养材料类研究生的创新精神和实践能力。

本文依托内蒙古工业大学测试中心，面向材料类研究生开展扫描电镜上机操作培训实践教学活动，致力于培养和提高研究生的创新精神和实践能力。培训内容注重三个导向：以研究生参与的科研项目、“双创”竞赛为导向，以生产实践问题和案例为导向，以自主上机操作为导向。以提高研究生三方面素养和能力为目标：创新思维和创新能力、工程思维和实践能力、专业技术和动手能力。通过完善上机操作培训实践教学体系、扫描电镜预约使用收费标准、扫描电镜自主上机操作资格认证制度和大型仪器设备开放共享管理办法等相关制度建设，保证扫描电镜上机操作培训内容顺利实施、培训目标成功实现。通过上机操作培训的实践教学模式，不仅有助于学生创新精神和实践能力的培养和提升，还充分挖掘了扫描电镜在创新型应用人才培养方面的重要价值。

1 研究生扫描电镜实操创新能力培养面临的困难和机遇

扫描电镜的结构原理为材料类研究生基础选修课材料现代分析方法的重要讲授内容。由于以扫描电镜为代表的大型科研仪器普遍精密贵重、结构复杂、数量有限，不能像传统、常规的实验教学仪器设备一样可单独或是几人一组进行实验操作[9]。目前，扫描电镜的教学过程以理论讲解为主，以实验教学为辅，且实验教学往往由教师进行操作演示，只有少数研究生可以接触到仪器设备，大部分研究生上手操作的机会和时间不多，不利于研究生创新精神和实践能力的培养。

目前，以扫描电镜为代表的大型科研仪器普遍存在利用率和开放共享率不高的问题，这也意味着存在大量空闲机时可以利用。专职负责管理仪器的教师数量严重不足，是造成大型科研仪器利用率不高的重要原因[10]。通常，负责管理仪器的教师不仅承担着本科和研究生的教学任务，还主持和参与一些科研工作，难以对大型仪器开放共享投入更多精力。利用大型科研仪器的空闲机时开展研究生的上机操作培训，可以培养和提升学生的创新精神和实践能力。而且，具备上机操作能力并通过认证的学生可以自主上机操作，节省了教师操作的时间，对于负责管理仪器的教师和想要借助大型科研仪器进行测试的学生具有双赢效果，也有助于提高大型科研仪器设备的利用率。

2 国内外高校研究生扫描电镜实操创新能力培养模式

国外知名高校比较看重研究生创新精神和创新能力的培养，通过开设与科研方向相结合的设计类实验、以科研实验室为依托的课程建设，对研究生创新精神和实践能力培养起到了极大的助推作用[11]。以美国得克萨斯州大学奥斯汀分校研究生实验课程扫描电镜技术为例，该实验课贯穿整个学期，2 次理论课程学习后安排1 次实验课[12]，不仅增加了学生动手实践的机会，更保障了研究生创新潜能的开发，满足个性化培养的需要。近年来，随着国家“双一流”建设的推进，国内各高校购置了大量的扫描电镜，为研究生独立操作使用扫描电镜进行课题研究、创新实践提供了更多机会[13-15]。例如，清华大学、大连工业大学和南开大学等材料专业强校纷纷将以扫描电镜为代表的大型仪器纳入共享平台，通过不同课程教学体系、多样化教学方式着重培养和激发研究生的创新能力、实践能力和解决问题能力。

3 材料类研究生实践教学——扫描电镜实操技能培训

扫描电镜实践教学内容以研究生参与的科研项目、“双创”竞赛为导向，以生产实践问题和案例为导向，以自主上机操作为导向，分别对应创新型、应用型、技能型人才培养目标。实践教学模式采用上机操作培训班方式，完成材料现代分析方法课程学习的低年级材料类研究生自愿选修。为保证培训质量和效果，培训按小组进行，每组不超过6 人。培训包括3 学时的基础知识学习和9 学时的上机操作。基础知识学习包括安全教育、结构原理、制样要求、工程案例和操作流程。

安全教育主要涉及扫描电镜及其附属设备的水电气相关安全危险点提示，以及紧急事故处理方案。如电镜真空系统出现异常，需在第一时间联系值班教师。扫描电镜的结构原理和操作流程等相关基础知识采用现场教学方式，将扫描电镜实物作为教具，增加实验教学课程的趣味性和生动性，使学生加深对扫描电镜构造和原理的认知。制样要求主要讲解粉末、块体、截面和断口等常见样品的处理方法。实验教学案例选择贴近生产实际的工程案例，注重体现工程教育背景，强化学生专业素养及工程意识。例如，零件断裂失效分析、夹杂物分析、工业原料性状分析和金属原位力学研究等。通过结合生产实践、科学研究最新进展和电镜工作参数，吸引研究生注意力，提高其学习兴趣。

上机操作培训包括两个阶段。第一阶段采用轮流练习方式，每名研究生每次的练习机时为20 min。在一名研究生上机练习时，其他学生观摩学习，相互讨论。培训教师全程指导，针对随时出现的操作流程、疑问和相关知识点进行指导。该阶段上机培训主要目标是使研究生熟悉扫描电镜基本操作流程，具备利用扫描电镜常规功能进行测试分析的动手能力。在完成该阶段的上机培训后，第二阶段的上机操作培训注重的是学生能够根据实际样品特性和测试需求优化扫描电镜测试参数。第二阶段上机培训由研究生提供待观察样品，培训教师根据不同样品特性和测试目的，讲授和演示优化扫描电镜测试参数的原理、目的和效果。学生上机操作体验和掌握扫描电镜参数差异化效果和操作方法，有助于对理论知识的消化吸收和应用，进一步提升发现问题、分析问题和解决问题的能力。例如，对容易产生电荷积累的样品，采取低加速电压、背散射电子成像或积分拍照模式等测试方法可以获得较好的实验结果。同时，针对上机操作过程中学生发现的问题，培训教师及时讲解，形成发现、分析和解决问题的教学闭环。

自主上机操作资格认证采用多元化的考核方式，在完成现场教学和上机操作培训后，采取“卷面考查”与“上机操作”相结合的考核方式，综合考查研究生的实践操作技能。这种考核机制既提高了实验课考核评估的客观性和综合性，又激发了研究生自主学习的动力，更有利于培养研究生的创新能力和实践能力。对于通过卷面考核和上机操作的学生，颁发扫描电镜操作资格合格证，研究生凭该证可优先预约机时进行自主上机测试。

自2019 年以来，依托内蒙古工业大学测试中心平台的3 台扫描电镜，采用上述扫描电镜实操技能培训方案，每年不定期开展扫描电镜上机实操培训，共计185 名研究生参加培训。经过培训和实际上机操作，上述185 名研究生均能够独立操作扫描电镜，负责所在课题组的日常科研测试，并且能够针对材料特征和研究目的创造性地设计实验方法、优化设备参数，在培养创新精神和实践能力方面取得了良好效果。同时，内蒙古工业大学测试中心积极推进大型仪器共享平台建设，相继制定《内蒙古工业大学大型仪器设备开放共享管理办法》和《内蒙古工业大学测试费收费管理办法》，为扫描电镜的实践教学模式提供了广阔平台和保障制度。通过上述面向研究生的扫描电镜实操培训显著提高了仪器的利用率，内蒙古工业大学测试中心所属扫描电镜的年平均工作机时超过1 200 h，远超内蒙古自治区30 万元以上大型仪器年额定机时800 h。以大型科学仪器为载体，通过开展研究生自主上机操作培训，不仅有助于培养高素质创新型、应用型和技能型人才，还有利于提高大型科学仪器的开放共享效率。本文为其他大型科学仪器服务科研、教学以及开放共享提供了新思路。

4 结束语

为充分发挥扫描电镜在培养创新型应用人才中的作用，增强研究生对扫描电镜的认知和操作能力，提升材料类研究生创新精神和实践能力培养的水平和质量，依托内蒙古工业大学测试中心所属3 台扫描电镜，对材料类研究生进行实操技能培训，通过扫描电镜实物原理结构讲解、精选生产实践材料案例分析、上机实操培训、操作资格认证和上机操作跟踪等教学环节对实验实践教学体系优化，使扫描电镜实践课更具针对性、创造性、实用性和趣味性，进而有效提高实验教学效果，提升创新型应用人才的培养质量。