周婭,張旭茗,常云鵬
(哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱)
哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院分析測(cè)試中心,是負(fù)責(zé)材料科學(xué)與工程、材料物理、材料化學(xué)專業(yè)本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)、測(cè)試及教學(xué)工作的重要部門(mén),設(shè)置有學(xué)科通用設(shè)備檢測(cè)中心和學(xué)科專業(yè)設(shè)備檢測(cè)中心,其中學(xué)科通用設(shè)備檢測(cè)中心設(shè)備齊全,擁有掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、原子力顯微鏡、質(zhì)譜儀、光譜儀、離子減薄儀、同步熱分析儀等二十余套儀器設(shè)備[1]。
分析測(cè)試中心以服務(wù)學(xué)校發(fā)展為中心目標(biāo),助力哈爾濱工程大學(xué)學(xué)科建設(shè)、本科生及研究生培養(yǎng),充分發(fā)揮各種儀器設(shè)備的用途,為材料科學(xué)、化學(xué)及化工等相關(guān)學(xué)科提供測(cè)試服務(wù),對(duì)人才培養(yǎng)尤其是研究生的實(shí)踐及創(chuàng)新能力培養(yǎng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
本文作者是分析測(cè)試中心的教師,主要承擔(dān)分析測(cè)試中心的材料、化學(xué)相關(guān)的材料性能測(cè)試、材料表面處理等實(shí)驗(yàn)測(cè)試和教學(xué)工作,對(duì)材料分析測(cè)試及研究生實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)理論有豐富經(jīng)驗(yàn)。鑒于在分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)和理論,結(jié)合人才培養(yǎng)方案和目標(biāo),對(duì)分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)踐在研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究,以為哈爾濱工程大學(xué)及其他高校與科研院所的研究生能力培養(yǎng)提供參考和指導(dǎo)。
實(shí)踐教學(xué),一直以來(lái)是理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的重要教學(xué)環(huán)節(jié),其中,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐教學(xué)最為常見(jiàn)的一種教學(xué)形式。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)儀器設(shè)備原理和結(jié)構(gòu),在特定的材料及測(cè)試設(shè)備條件下,改變測(cè)試參數(shù),通過(guò)觀察、測(cè)量、分析不同參數(shù)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提高發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象、解決及分析問(wèn)題的能力,對(duì)于鍛煉學(xué)生的動(dòng)手與實(shí)踐能力至關(guān)重要,是學(xué)以致用非常有效的方法[2]。
分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種特殊形式,也是分析測(cè)試中心的特色測(cè)試與教學(xué)活動(dòng),將材料測(cè)試與研究生教學(xué)融為一體,在材料測(cè)試過(guò)程中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué),在教學(xué)過(guò)程中測(cè)試材料特性及性能。
電子顯微技術(shù)已成為研究材料的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)、成分及材料中各類晶體缺陷等信息的必備表征手段,而獲得理想表征結(jié)果的關(guān)鍵在于能否制備出表面質(zhì)量高或具有足夠薄區(qū)面積的電鏡樣品,隨著目前離子束減薄技術(shù)在制樣中的廣泛應(yīng)用[3],作者以“金屬材料透射電鏡樣品的離子減薄”分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例,結(jié)合多年來(lái)利用離子減薄技術(shù)制備各種金屬、陶瓷、薄膜、復(fù)合材料等材料的透射電鏡測(cè)試樣、表面離子鍍膜、樣品表面蝕刻的測(cè)試經(jīng)驗(yàn),采用離子減薄儀,為研究生(也有少數(shù)本科生)開(kāi)展不同金屬材料樣品的離子減薄過(guò)程的分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4]。通過(guò)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合,一方面,能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)離子減薄工作原理和基本操作方法的同時(shí),加深對(duì)電鏡制樣要求及注意事項(xiàng)的認(rèn)識(shí),即,根據(jù)透射電子顯微鏡樣品要求,對(duì)于金屬材質(zhì)樣品,首先通過(guò)機(jī)械減薄至試樣的兩個(gè)表面平整,切割出3mm直徑的圓片后裝入減薄夾具并放入真空減薄腔,之后用氬離子束與試樣表面成一定角度轟擊試樣中心,試樣中心被擊穿出現(xiàn)小孔并在小孔周圍保留5~100mm的薄區(qū)可用于電鏡觀察;另一方面,為學(xué)生提供親身體驗(yàn)不同材料樣品在減薄進(jìn)程中表面形態(tài)變化產(chǎn)生薄區(qū)的實(shí)踐機(jī)會(huì),了解離子減薄過(guò)程中的離子束能量、減薄角度、氣體源大小等減薄參數(shù)與樣品組織減薄變化規(guī)律之間的密切關(guān)系,通過(guò)觀察樣品減薄實(shí)時(shí)狀態(tài)適時(shí)調(diào)整減薄參數(shù),從而在有效時(shí)效要求下,獲得完整、大薄區(qū)且低缺陷的金屬透射樣品。通過(guò)在測(cè)試過(guò)程中研究生與實(shí)驗(yàn)老師的學(xué)習(xí)交流,既能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的減薄測(cè)試任務(wù)達(dá)到既定目標(biāo);同時(shí)又能夠引導(dǎo)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)、溫習(xí)各種材料樣品的性能、減薄理論、減薄方法、材料及力學(xué)理論知識(shí),將理論與實(shí)踐很好地結(jié)合,達(dá)到學(xué)以致用效果,啟發(fā)學(xué)生在后續(xù)實(shí)際減薄測(cè)試實(shí)踐中懂得如何結(jié)合自身樣品的特殊成分、特殊處理工藝、厚度、形狀尺寸及涂鍍層樣品單面減薄等情況選擇更加合理的減薄方案,并能針對(duì)不理想測(cè)試結(jié)果分析可能的不利因素,思考改善措施以減小樣品材料中的組織缺陷、厚薄不均勻、殘余內(nèi)應(yīng)力、溫度/減薄角度敏感組織等因素對(duì)電鏡觀察區(qū)的不利影響,正是在不斷分析思考這些問(wèn)題的過(guò)程中,使研究生的=動(dòng)手能力、發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的能力得到快速提升。
分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)與其他實(shí)驗(yàn)相比,具有特殊屬性、復(fù)雜性、多維度、全面性、精細(xì)化、動(dòng)態(tài)性等特征,具體表現(xiàn)為以下方面:
1.具有特殊的屬性。分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)是一種特殊形式的實(shí)驗(yàn),也是特色測(cè)試與教學(xué)活動(dòng)之一,在完成材料樣品制備與測(cè)試的同時(shí),開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng),是一舉兩得的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。
2.專業(yè)性強(qiáng)。參加分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)的學(xué)生通常為研究生及具備一定科研基礎(chǔ)的本科生,需要其具備一定的化學(xué)、物理、材料及力學(xué)理論知識(shí)基礎(chǔ),專業(yè)性較強(qiáng),針對(duì)性也較強(qiáng),能夠?qū)I(yè)與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合,更好地服務(wù)于學(xué)以致用。
3.測(cè)試實(shí)驗(yàn)具有復(fù)雜性和全面性。材料分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括了原始材料制備、樣品測(cè)前處理、樣品測(cè)試、樣品測(cè)后檢驗(yàn)及后處理、儲(chǔ)存、后期結(jié)果分析等過(guò)程,本身具有一定的復(fù)雜性,為研究生綜合能力培養(yǎng)提供了豐富的教學(xué)和實(shí)踐機(jī)會(huì)。
4.能力鍛煉多維度。分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn),決定了其對(duì)研究生能力綜合鍛煉的效果,在開(kāi)展分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要結(jié)合研究生的動(dòng)手能力、觀察能力、分析能力與思辨能力,通過(guò)手眼并有,結(jié)合材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),觀察樣品在測(cè)試過(guò)程中的組織或形貌變化,分析變化趨勢(shì),并靈活調(diào)整測(cè)試參數(shù),以達(dá)到高效、高質(zhì)量的測(cè)試效果,能夠起到很好的多維度研究能力鍛煉,助力于培養(yǎng)優(yōu)秀的多方面能力均較優(yōu)的研究學(xué)者及科學(xué)家。
5.實(shí)驗(yàn)精細(xì)化。分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)既需要從宏觀層面上嚴(yán)格把握樣品的結(jié)構(gòu)尺寸、平整及完整性,又需從微觀層面結(jié)合離子與材料原子間的相互作用規(guī)律,準(zhǔn)確把控材料微觀組織形貌的演變趨勢(shì)及變化速度,為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的結(jié)果預(yù)測(cè),對(duì)分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)的精細(xì)化提出了非常高的要求,要求實(shí)驗(yàn)人員能夠耐心檢測(cè)、細(xì)致觀察、精細(xì)處理結(jié)果,具有較高的精細(xì)化要求。
6.測(cè)試過(guò)程動(dòng)態(tài)性。分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)通常以實(shí)時(shí)、在線的測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程為載體,如離子減薄,為了把握測(cè)試的時(shí)效性,需通過(guò)連續(xù)觀測(cè)樣品的形貌演變和變化速率,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)離子束能量、減薄角度、氣流量等參數(shù),通過(guò)實(shí)時(shí)分析及預(yù)估減薄進(jìn)程,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)且保證時(shí)效性的測(cè)試過(guò)程。
新時(shí)代我國(guó)高水平研究大學(xué)建設(shè)不斷推進(jìn),高質(zhì)量研究生培養(yǎng)受到越來(lái)越多的重視,理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)理念發(fā)揮著非常重要的作用,分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)的重要性具體如下:
1.有助于學(xué)以致用,強(qiáng)化理論學(xué)習(xí)。分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)本身作為學(xué)校的特色測(cè)試與教學(xué)活動(dòng),能夠在研究生掌握專業(yè)課程知識(shí)時(shí),將所學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)研究生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng),在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中加深對(duì)理論知識(shí)的深入理解,促進(jìn)研究生對(duì)于不清楚知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)和學(xué)習(xí),有效強(qiáng)化并促進(jìn)理論知識(shí)學(xué)習(xí)。
2.分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)“學(xué)-測(cè)-教”融合,有助于提升研究生的創(chuàng)新能力。分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)將材料測(cè)試與教學(xué)融為一體,將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)動(dòng)手創(chuàng)新有機(jī)結(jié)合,能夠促進(jìn)研究生突破傳統(tǒng)的僅限于課本知識(shí)的思維模式,在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí),在測(cè)試中培養(yǎng)實(shí)踐能力,能夠快速激發(fā)研究生的創(chuàng)新思維,快速進(jìn)行方案驗(yàn)證,調(diào)動(dòng)其積極主動(dòng)性,有利于提升其創(chuàng)新能力。
3.有助于實(shí)驗(yàn)、教學(xué)資源的優(yōu)化配置。分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)在開(kāi)展分析測(cè)試完成研究生既定目標(biāo)的同時(shí),能夠直接培養(yǎng)研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力,避免了傳統(tǒng)理論知識(shí)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)分離的方式[5],且不需要區(qū)分傳統(tǒng)理論知識(shí)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先后順序,有效節(jié)省了教師資源、場(chǎng)地資源、實(shí)驗(yàn)耗材等,利于實(shí)驗(yàn)、教學(xué)資源的優(yōu)化配置。
4.有助于培養(yǎng)綜合性專業(yè)性創(chuàng)新人才。分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)整個(gè)過(guò)程涵蓋了前期樣品制備、樣品測(cè)前處理、測(cè)試、測(cè)后檢驗(yàn)及后處理、儲(chǔ)存、結(jié)果分析等過(guò)程,綜合了材料學(xué)理論、化學(xué)理論、力學(xué)理論等基礎(chǔ)性課程,在實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程中需要運(yùn)用理論知識(shí)優(yōu)化測(cè)試過(guò)程及結(jié)果,且與研究生的科研工作內(nèi)容密切相關(guān),提高了研究生的理論學(xué)習(xí)、知識(shí)應(yīng)用、實(shí)踐能力、分析能力等全面的綜合素質(zhì),有助于培養(yǎng)綜合性專業(yè)性強(qiáng)的創(chuàng)新型人才。
根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)各大高校研究生培養(yǎng)方式及方案的了解[6],哈爾濱工程大學(xué)分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法的開(kāi)展具有一定的特色和創(chuàng)新性,教師在為學(xué)生測(cè)試科研所需各種材料樣品的同時(shí),將材料測(cè)試方法和技巧也傳授給學(xué)生,從“授之以魚(yú)”轉(zhuǎn)換為“授之以漁”,鍛煉學(xué)生的理論分析、動(dòng)手及實(shí)驗(yàn)測(cè)試能力,實(shí)現(xiàn)真正的“學(xué)-測(cè)-教”融合。
分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式適用于具有材料、化學(xué)及其他理工類學(xué)科的高等院校及科研院所,需要具備掌握理論知識(shí)的講授教師、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)教師,在完成研究生樣品分析測(cè)試同時(shí),讓研究生以主人公的身份參與到分析測(cè)試過(guò)程中,手把手傳授測(cè)試注意事項(xiàng)、測(cè)試方法及技能,輔助研究生深入分析測(cè)試結(jié)果,實(shí)現(xiàn)師生良好的互動(dòng),教師作為良師益友在分析測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行專業(yè)理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)知識(shí)的傳授及理論分析的講解,是一種能夠有效提升研究生創(chuàng)新思維能力、鍛煉其綜合素質(zhì)、優(yōu)化理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置的新型教學(xué)方式。
綜合以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式并結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn),總結(jié)得到分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法如下:
1.建立基礎(chǔ)示范性分析測(cè)試實(shí)驗(yàn),奠定實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)。首先需要建立基礎(chǔ)示范性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,以為后續(xù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展奠定良好的基礎(chǔ),基礎(chǔ)示范性分析測(cè)試內(nèi)容可以優(yōu)選所在專業(yè)研究生樣品測(cè)試較為通用、測(cè)試量比較大的內(nèi)容,并建立較為完善的測(cè)試實(shí)驗(yàn)制度,以便在分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的初期便使得更多研究生受到較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)教育,為后續(xù)進(jìn)一步完善分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)提供良好的基礎(chǔ)。
2.創(chuàng)新分析測(cè)試內(nèi)容,豐富測(cè)試類型。為增加分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)服務(wù)研究生的范圍和人員數(shù)量,可以結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備,通過(guò)進(jìn)一步拓展分析測(cè)試內(nèi)容,服務(wù)于更多的研究生。在有條件時(shí),也可以進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備或?qū)ΜF(xiàn)有儀器設(shè)備進(jìn)行改造和優(yōu)化設(shè)計(jì),創(chuàng)新分析測(cè)試內(nèi)容,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的配置和使用[7],豐富測(cè)試的類型,同時(shí)有助于研究生科研內(nèi)容和形式的探索、課題選題的拓展,提升創(chuàng)新和動(dòng)手能力。
3.培養(yǎng)高質(zhì)量地分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍。分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展離不開(kāi)高質(zhì)量高素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教師,一方面學(xué)院和學(xué)校應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性和特殊性,轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)思維模式[8],推動(dòng)建立完善的分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)制度和方案[9],聘請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的教師進(jìn)行分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn),以提供良好的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、學(xué)習(xí)氛圍;另一方面,教師自身也應(yīng)該加強(qiáng)分析測(cè)試?yán)碚?、基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí),鍛煉分析測(cè)試的能力、操作水平、測(cè)試結(jié)果深入分析能力,提升分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)的教學(xué)能力,以便能夠掌握測(cè)試的精髓和教學(xué)的技能,快速傳授給研究生,提升其綜合能力和專業(yè)素質(zhì),為培育創(chuàng)新型、專業(yè)型研究生不懈努力。
通過(guò)兩年多的分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)及教學(xué)工作,深切看到了其對(duì)研究生、本科生及教師的科研起到了非常有益的效果。
對(duì)于學(xué)生而言,在掌握了材料、化學(xué)、工程熱力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí),能夠快速學(xué)以致用,提升了其動(dòng)手能力、觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的能力,拓展了學(xué)生的科研視野;研究發(fā)現(xiàn)參加分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)的研究生動(dòng)手、實(shí)踐操作、思考及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力等能力優(yōu)于其他同學(xué);有助于提高研究生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐創(chuàng)新能力,促進(jìn)學(xué)生的科研熱情、學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。
對(duì)于教師而言,在開(kāi)展分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)及教學(xué)活動(dòng)過(guò)程中,能夠進(jìn)一步熟練掌握實(shí)驗(yàn)測(cè)試技巧、提升測(cè)試技能,本身也是一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程,能夠豐富自身專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)和體系,提升自身的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⒔虒W(xué)能力,提高其文化素養(yǎng)和教學(xué)效率,更好更快地進(jìn)行后續(xù)的教書(shū)育人工作,為學(xué)校乃至國(guó)家培養(yǎng)更為優(yōu)秀的專業(yè)科研人員。
本文對(duì)分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)在研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應(yīng)用探索進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)具有特色屬性、深度融合“學(xué)-測(cè)-教”教育理念,并對(duì)其作用、應(yīng)用模式進(jìn)行深入分析,主要結(jié)論如下:
(1)分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐能夠通過(guò)引導(dǎo)研究生直接參與各種材料性能測(cè)試及實(shí)驗(yàn),拓展其對(duì)各類材料性能的理解范圍、增強(qiáng)其實(shí)驗(yàn)操作技巧、鍛煉縝密思維能力,促使其在制取樣品時(shí)便能預(yù)先了解可能出現(xiàn)的問(wèn)題,在其創(chuàng)新能力培養(yǎng)中起到了良好的實(shí)踐效果。
(2)分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)活動(dòng)在研究生能力培養(yǎng)中發(fā)揮非常重要的積極作用,對(duì)于提升其動(dòng)手能力、觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力具有重要意義,參加分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)的研究生動(dòng)手能力、實(shí)踐操作能力、思考能力及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力等能力優(yōu)于其他同學(xué)。
(3)分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以通過(guò)建立基礎(chǔ)示范性分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新分析測(cè)試內(nèi)容、培養(yǎng)高質(zhì)量地分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍等新方式進(jìn)行開(kāi)展。