段輝平 宋洪海 王嘉宜 袁澤紅

北京航空航天大學分析測試中心 北京 100191

資產管理與設備采購

大型檢測設備服務于研究生科研素質培養(yǎng)的方法

段輝平 宋洪海 王嘉宜 袁澤紅

北京航空航天大學分析測試中心 北京 100191

高校大型分析檢測設備的使用幾乎全部與研究生的科研活動相關，大型分析檢測設備服務于學生實驗教學的重點應該放在如何提高研究生對大型分析檢測設備的利用能力上。根據(jù)研究生對大型分析檢測設備的不同需求，通過設計分層次、有針對性的教學體系，既可以滿足不同層次學生的需求，又可以降低實驗課程對大型設備的依賴性。結果表明通過這種實驗教學體系的訓練，可以使大型分析檢測設備的使用率和研究生的科研素質得到明顯提高。

大型設備；實驗教學；研究生；科研素質

隨著科技水平的發(fā)展和學生培養(yǎng)要求的提高，掌握先進的分析檢測技術已經(jīng)成為許多學科學生的必備技能之一。分析檢測方法是一門實踐性非常強的技術，但目前學生對于分析檢測方法的學習依然局限于課堂和書本學習，仍然以“理論講解+實驗操作(示范教學)+考核”為主，學生對設備的掌握只限于學過而已，在學習過相關理論知識后，基本沒有親自動手操作設備的機會，對大型設備的感性認識幾乎為零，在實驗技能方面沒有實質性提升。

如何平衡大型分析檢測設備服務于科學研究和實驗教學，一直是困擾教育部門和實驗管理人員的難題。近些年，許多高校都引進了大量的分析檢測設備，其中不乏高端精密的大型設備，建立了系統(tǒng)、完善的檢測機構，例如分析測試中心(以下簡稱“中心”)等，檢測能力和水平得到了跨越式的發(fā)展，對提升高校的科研水平發(fā)揮了重要作用，同時也為解決學生的實驗問題提供了設備基礎。但遺憾的是，由于大型精密檢測設備價格昂貴、數(shù)量少、維修價格高且周期長，一般都由專人專管；同時大型精密檢測設備主要為滿足重大科研或攻關項目所需，要承接大量的科研測試任務，而且每次實驗能容納的學生數(shù)很少，無法留出足夠時間承擔教學任務，導致大型分析檢測設備基本不向學生開放。這嚴重偏離了高校人才培養(yǎng)的重要職能，不利于學生綜合素質和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。隨著學生規(guī)模進一步擴大，這種矛盾也將變得越來越尖銳。

許多專家學者為此進行了研究和探討，但目前大多數(shù)研究集中在大型分析檢測設備的共享管理[1,2]以及為本科生實驗教學服務[3,4]范圍。筆者認為，就目前狀況而言，徹底滿足本科生實驗教學需求是不現(xiàn)實的，也完全沒有必要。對本科生而言，如何利用有限的設備資源激發(fā)學習興趣，應該成為服務的重要內容。[5,6]大型分析檢測設備的真正用戶群主要是在讀研究生，因此，大型分析檢測設備服務于高校實驗教學的重點應該放在如何培養(yǎng)和提高研究生的科研素質和能力等方面。

針對研究生的需求，筆者提出了分層次、有針對性的實驗教學體系，并進行了具體的應用研究。通過4年實踐，取得了滿意的效果。

1 教學理念

通過調研發(fā)現(xiàn)，研究生對分析檢測設備的需求分為3個層次。一是了解，即了解設備的功能和原理，便于研究生有針對性地設計科學實驗，縮短研究周期，避免走彎路；對于這一部分學生而言，只需要掌握如何利用大型分析測試設備為自己的科學研究服務，了解設備的功能即可，不需要掌握設備的操作和分析技能。二是分析，即需要對檢測結果進行系統(tǒng)分析，便于研究生從分析檢測結果中得出正確結論并反饋于前期的實驗設計，提出合理的實驗方案，最終得到滿意的研究結果；對于這一部分學生而言，不僅需要了解設備的功能和基本工作原理，還需要熟練掌握各種分析方法和技巧，了解設備的基本操作方法和技能。三是研究，即需要利用分析檢測設備進行科學研究，便于研究生在分析檢測過程中實時發(fā)現(xiàn)新問題、新現(xiàn)象并對其進行實時研究；對于這一部分學生而言，在掌握第一、第二層次技能的基礎上，還需要熟練掌握設備的操作和分析技能，掌握設備的基本日常維護，因此需要進行重點學習和培訓。

可見不同學生有不同的需求，因此完全沒有必要對所有研究生都進行同樣的系統(tǒng)培訓(全同教學)，而可以采用分層次、有針對性的實驗教學(層次教學)，這樣既可以滿足研究生不同層次的需求，又可以節(jié)約大量的機時。隨著需求層次的提高，學生數(shù)急劇減少。以透射電子顯微鏡為例，假設第一需求層次的學生數(shù)為100人，則第二需求層次以上的學生數(shù)下降為50人左右，有第三需求層次的學生數(shù)更少，約為10人左右。假設達到第一、第二、第三需求層次需要投入的實驗機時分別為10小時、30小時、50小時，不同教學方法需要投入的機時存在較大差別。表1列出了2種不同教學方法需要投入的實驗機時對比。以上述假設的學生數(shù)為例，如果采用全同教學，都要達到第三層次需求，則需要投入5 000小時機時，而采用層次教學，則只需要2 700小時?？梢姾笳呖梢源罅抗?jié)約設備資源，減少實驗教學對大型分析檢測設備的依賴性，可以緩解大型分析測試設備如何服務于科研和教學的矛盾。

表1 不同實驗教學方法所需機時(小時)

2 教學體系

基于上述實驗教學理念，結合研究生對設備的需求，合理設計分層次、具有針對性的包含課程體系和培訓體系兩部分的教學體系，滿足研究生不同層次的需求，提高研究生理論聯(lián)系實際的能力。

2.1 課程體系

對于第一層次需求的研究生而言，需要了解中心所有設備的功能和原理，為此開設了材料學科基本實驗，由中心教師通過演示實驗、驗證實驗等，為研究生現(xiàn)場講解設備的工作原理和功能并進行現(xiàn)場答疑，此課程涉及中心所有設備。對于第二層次需求的研究生，需要掌握如何從實驗結果中獲得所需要的重要信息和結論，為此開設了透射材料電鏡分析實驗、掃描電鏡分析實驗2門實驗課程，研究生在教師的指導下，通過親自操作設備進行分析檢測，獲得實驗結果并在教師的指導下進行結果分析和總結。對于第三層次需求的研究生，由于需要在分析檢測過程中發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新問題，因此必須掌握設備操作技巧和日常維護技能，達到獨立使用、管理、開發(fā)設備的水平，需要投入較多的機時進行專門培訓。這涉及后續(xù)的培訓體系。

2.2 培訓體系

分析測試設備大致可以分為兩大類，一類是人與設備可以分離的設備，即試樣安裝到檢測設備后，設備可以自動進行檢測，整個檢測過程中不需要操作人員進行干預即可獲得實驗結果；另一類是人與設備不可分離的設備，即試樣安裝到檢測設備后，設備不能進行自動檢測，整個檢測過程中都需要操作人員進行人為干預才可獲得實驗結果，這類設備主要包含透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡以及電子探針微分析儀等。

第一類設備操作相對比較簡單，可采用學生隨到隨學的方式進行即時培訓；而第二類設備操作比較復雜，培訓合格的操作人員所需的周期較長，例如透射電子顯微鏡，一般需要1個月以上。對于這類設備采用定期培訓的方式進行，要求培訓合格的研究生定期操作設備，參與設備的日常管理工作。表2列出了教學體系包含的內容以及適用的范圍。

表2 教學體系內容及其需求層次、設備類型、學生群體

3 教學成果

通過4年的實踐發(fā)現(xiàn)，這種教學體系對提升研究生的整體科研能力效果顯著，獲得了教師和研究生廣泛好評。由于研究生了解了分析測試設備的功能，可以根據(jù)課題的需求和研究內容，有針對性地設計實驗方案，提高了實驗效率和針對性；由于研究生掌握了設備的操作和分析方法，可以獨立操作設備并在實驗過程中發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象和問題，提高了研究水平和設備使用效率，科研成果顯著。

3.1 研究生科研論文數(shù)量和質量

圖1顯示了近六年我院研究生發(fā)表SCI論文的情況。由圖1可見，在學院研究生規(guī)模沒有明顯增加的前提下，論文數(shù)量逐年增加，從2009年的155篇上升到2013年的300篇，呈現(xiàn)出強勁的上升勢頭，特別是高影響因子論文的數(shù)量成倍增加，從2009的8篇提高到2013年的52篇，論文質量和在學術界的影響得到顯著提升。

圖1 近六年研究生發(fā)表SCI論文統(tǒng)計

3.2 研究生對課程的評價

表3列出了學生對課程的評價分數(shù)，數(shù)據(jù)來源于研究生院教務系統(tǒng)，能反映學生的真實意愿。從學生對開設的3門實驗課的評價來看，認可度很高，普遍反映收獲很大。

表3 研究生對課程的評價

表3 (續(xù))

3.3 大型設備的使用效率

通過不同層次的學習和培訓，許多研究生熟練地掌握了一些設備的操作和分析技能，科研能力和分析測試水平得到顯著提高。除了前文列出的發(fā)表論文數(shù)量可以體現(xiàn)研究生科研能力和分析測試水平顯著提高以外，從中心大型設備的使用效率也可以看出研究生分析測試能力和實踐動手能力都得到了顯著提高。表4列出了近幾年中心電子顯微分析主體設備的年工作時間。通常來說，這些設備的年工作時間達到800小時即可認為達到飽和工作量，但中心對應的設備年工作量遠遠超出行業(yè)內飽和工作量，根本原因就是研究生分析測試水平和操作設備的能力都得到了提高，可以在工作時間以外的時間里獨立操作設備進行科學研究。

表4 主體設備的年使用時間(小時)

4 結束語

高校重要的職能之一是人才培養(yǎng)，一切教學活動都要圍繞如何提高學生綜合素質、培養(yǎng)滿足國家戰(zhàn)略需求的高素質人才進行。大型分析檢測設備在提高學生分析檢測能力、提高學生實驗動手能力等方面有著重要作用。但囿于其資源稀有性等特點，大型分析檢測設備如何服務于學生實驗教學一直是一個亟待解決的問題。以上基于對學生需求層次的分析，對大型分析檢測設備如何提高研究生科研素質等方面進行了初步探索，獲得了一些有意義的結果。

(1)大型分析檢測設備的使用幾乎全部與研究生的科研活動相關，因此如何提高研究生對大型分析檢測設備的利用能力應該成為大型分析檢測設備服務于學生實驗教學的重點。

(2)根據(jù)研究生對大型分析檢測設備的不同需求，通過設計分層次、有針對性的教學體系，既可以滿足不同層次學生的需求，又可降低實驗課程對大型設備的依賴性。

(3)通過4年的實踐表明，不僅可以顯著提高大型分析檢測設備的使用效率。而且可以明顯提升研究生的科研素質。

[1] 薛玉珍,吳銀素.大型儀器設備開放管理系統(tǒng)的建設與實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(8):249.

[2] 韓富,鄭福平,田媛.高等學校大型儀器設備共享平臺建設研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009(1):6-7.

[3] 朱平川,芩衛(wèi)健,李楠.大型儀器平臺應用于本科教學實驗的探索[J].實驗科學與技術,2012,10(1):119.

[4] 白葉飛,馬廣興,賀玲麗,楊普新,康曉龍,賈錦霞.高校大型設備實驗教學模式的探索與實踐[J].實驗室科學,2014(1):205.

[5] 段輝平,宋洪海,杜娟.分析測試中心服務于本科教學的問題與思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2011(17):47.

[6] 段輝平,宋洪海,杜娟.高校大型分析測試設備服務于本科教學的方法探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備,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

段輝平，博士，副教授，北京航空航天大學分析測試中心常務副主任。

高等學校儀器設備和優(yōu)質資源共享系統(tǒng)大型儀器示范機組建設子項目《材料結構原位電子顯微鏡分析示范機組建設》(編號：CERS-1-11)。