分析測試實驗教學實踐在研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應用探索
——以哈爾濱工程大學為例

周婭，張旭茗，常云鵬

（哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱）

哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院分析測試中心，是負責材料科學與工程、材料物理、材料化學專業(yè)本科生和研究生的實驗、測試及教學工作的重要部門，設(shè)置有學科通用設(shè)備檢測中心和學科專業(yè)設(shè)備檢測中心，其中學科通用設(shè)備檢測中心設(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]。

分析測試中心以服務學校發(fā)展為中心目標，助力哈爾濱工程大學學科建設(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、化學及化工等相關(guān)學科提供測試服務，對人才培養(yǎng)尤其是研究生的實踐及創(chuàng)新能力培養(yǎng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

本文作者是分析測試中心的教師，主要承擔分析測試中心的材料、化學相關(guān)的材料性能測試、材料表面處理等實驗測試和教學工作，對材料分析測試及研究生實驗及實踐教學理論有豐富經(jīng)驗。鑒于在分析測試實驗活動中總結(jié)的經(jīng)驗和理論，結(jié)合人才培養(yǎng)方案和目標，對分析測試實驗實踐在研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應用進行研究，以為哈爾濱工程大學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。

一 分析測試實驗的內(nèi)涵特征

（一） 分析測試實驗的內(nèi)涵

實踐教學，一直以來是理論與實際應用相結(jié)合的重要教學環(huán)節(jié)，其中，實驗教學是實踐教學最為常見的一種教學形式。在實驗教學中，學生通過學習儀器設(shè)備原理和結(jié)構(gòu)，在特定的材料及測試設(shè)備條件下，改變測試參數(shù)，通過觀察、測量、分析不同參數(shù)條件下的實驗結(jié)果，提高發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象、解決及分析問題的能力，對于鍛煉學生的動手與實踐能力至關(guān)重要，是學以致用非常有效的方法[2]。

分析測試實驗是實驗教學的一種特殊形式，也是分析測試中心的特色測試與教學活動，將材料測試與研究生教學融為一體，在材料測試過程中開展實驗教學，在教學過程中測試材料特性及性能。

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)在制樣中的廣泛應用[3]，作者以“金屬材料透射電鏡樣品的離子減薄”分析測試實驗為例，結(jié)合多年來利用離子減薄技術(shù)制備各種金屬、陶瓷、薄膜、復合材料等材料的透射電鏡測試樣、表面離子鍍膜、樣品表面蝕刻的測試經(jīng)驗，采用離子減薄儀，為研究生（也有少數(shù)本科生）開展不同金屬材料樣品的離子減薄過程的分析測試實驗教學[4]。通過測試與實驗教學相結(jié)合，一方面，能讓學生在學習離子減薄工作原理和基本操作方法的同時，加深對電鏡制樣要求及注意事項的認識，即，根據(jù)透射電子顯微鏡樣品要求，對于金屬材質(zhì)樣品，首先通過機械減薄至試樣的兩個表面平整，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，為學生提供親身體驗不同材料樣品在減薄進程中表面形態(tài)變化產(chǎn)生薄區(qū)的實踐機會，了解離子減薄過程中的離子束能量、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，通過觀察樣品減薄實時狀態(tài)適時調(diào)整減薄參數(shù)，從而在有效時效要求下，獲得完整、大薄區(qū)且低缺陷的金屬透射樣品。通過在測試過程中研究生與實驗老師的學習交流，既能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的減薄測試任務達到既定目標；同時又能夠引導學生不斷學習、溫習各種材料樣品的性能、減薄理論、減薄方法、材料及力學理論知識，將理論與實踐很好地結(jié)合，達到學以致用效果，啟發(fā)學生在后續(xù)實際減薄測試實踐中懂得如何結(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，并能針對不理想測試結(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)應力、溫度/減薄角度敏感組織等因素對電鏡觀察區(qū)的不利影響，正是在不斷分析思考這些問題的過程中，使研究生的=動手能力、發(fā)現(xiàn)解決問題的能力得到快速提升。

（二） 分析測試實驗的特征

分析測試實驗與其他實驗相比，具有特殊屬性、復雜性、多維度、全面性、精細化、動態(tài)性等特征，具體表現(xiàn)為以下方面：

1.具有特殊的屬性。分析測試實驗是一種特殊形式的實驗，也是特色測試與教學活動之一，在完成材料樣品制備與測試的同時，開展實驗教學活動，是一舉兩得的實驗教學活動。

2.專業(yè)性強。參加分析測試實驗的學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、物理、材料及力學理論知識基礎(chǔ)，專業(yè)性較強，針對性也較強，能夠?qū)I(yè)與實踐有機結(jié)合，更好地服務于學以致用。

3.測試實驗具有復雜性和全面性。材料分析測試實驗過程包括了原始材料制備、樣品測前處理、樣品測試、樣品測后檢驗及后處理、儲存、后期結(jié)果分析等過程，本身具有一定的復雜性，為研究生綜合能力培養(yǎng)提供了豐富的教學和實踐機會。

4.能力鍛煉多維度。分析測試實驗的復雜性和專業(yè)性強的特點，決定了其對研究生能力綜合鍛煉的效果，在開展分析測試實驗過程中需要結(jié)合研究生的動手能力、觀察能力、分析能力與思辨能力，通過手眼并有，結(jié)合材料科學基礎(chǔ)知識，觀察樣品在測試過程中的組織或形貌變化，分析變化趨勢，并靈活調(diào)整測試參數(shù)，以達到高效、高質(zhì)量的測試效果，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)的研究學者及科學家。

5.實驗精細化。分析測試實驗既需要從宏觀層面上嚴格把握樣品的結(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，準確把控材料微觀組織形貌的演變趨勢及變化速度，為了實現(xiàn)準確的結(jié)果預測，對分析測試實驗的精細化提出了非常高的要求，要求實驗人員能夠耐心檢測、細致觀察、精細處理結(jié)果，具有較高的精細化要求。

6.測試過程動態(tài)性。分析測試實驗通常以實時、在線的測試實驗過程為載體，如離子減薄，為了把握測試的時效性，需通過連續(xù)觀測樣品的形貌演變和變化速率，實時調(diào)節(jié)離子束能量、減薄角度、氣流量等參數(shù)，通過實時分析及預估減薄進程，實現(xiàn)實時動態(tài)且保證時效性的測試過程。

（三） 分析測試實驗的重要性

新時代我國高水平研究大學建設(shè)不斷推進，高質(zhì)量研究生培養(yǎng)受到越來越多的重視，理論與實驗相結(jié)合的教學理念發(fā)揮著非常重要的作用，分析測試實驗的重要性具體如下：

1.有助于學以致用，強化理論學習。分析測試實驗本身作為學校的特色測試與教學活動，能夠在研究生掌握專業(yè)課程知識時，將所學習專業(yè)知識應用于實驗測試過程中，實現(xiàn)研究生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，在實驗測試過程中加深對理論知識的深入理解，促進研究生對于不清楚知識點的復習和學習，有效強化并促進理論知識學習。

2.分析測試實驗“學-測-教”融合，有助于提升研究生的創(chuàng)新能力。分析測試實驗將材料測試與教學融為一體，將理論知識與實驗動手創(chuàng)新有機結(jié)合，能夠促進研究生突破傳統(tǒng)的僅限于課本知識的思維模式，在實驗中學習，在測試中培養(yǎng)實踐能力，能夠快速激發(fā)研究生的創(chuàng)新思維，快速進行方案驗證，調(diào)動其積極主動性，有利于提升其創(chuàng)新能力。

3.有助于實驗、教學資源的優(yōu)化配置。分析測試實驗在開展分析測試完成研究生既定目標的同時，能夠直接培養(yǎng)研究生實驗教學能力，避免了傳統(tǒng)理論知識教學、實驗活動分離的方式[5]，且不需要區(qū)分傳統(tǒng)理論知識教學和實驗教學的先后順序，有效節(jié)省了教師資源、場地資源、實驗耗材等，利于實驗、教學資源的優(yōu)化配置。

4.有助于培養(yǎng)綜合性專業(yè)性創(chuàng)新人才。分析測試實驗整個過程涵蓋了前期樣品制備、樣品測前處理、測試、測后檢驗及后處理、儲存、結(jié)果分析等過程，綜合了材料學理論、化學理論、力學理論等基礎(chǔ)性課程，在實驗分析過程中需要運用理論知識優(yōu)化測試過程及結(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習、知識應用、實踐能力、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)性強的創(chuàng)新型人才。

二 分析測試實驗在研究生培養(yǎng)中的教學模式及方式

（一） 分析測試實驗教學新模式

根據(jù)對國內(nèi)各大高校研究生培養(yǎng)方式及方案的了解[6]，哈爾濱工程大學分析測試實驗方法的開展具有一定的特色和創(chuàng)新性，教師在為學生測試科研所需各種材料樣品的同時，將材料測試方法和技巧也傳授給學生，從“授之以魚”轉(zhuǎn)換為“授之以漁”，鍛煉學生的理論分析、動手及實驗測試能力，實現(xiàn)真正的“學-測-教”融合。

分析測試實驗教學新模式適用于具有材料、化學及其他理工類學科的高等院校及科研院所，需要具備掌握理論知識的講授教師、實驗儀器設(shè)備及實驗教師，在完成研究生樣品分析測試同時，讓研究生以主人公的身份參與到分析測試過程中，手把手傳授測試注意事項、測試方法及技能，輔助研究生深入分析測試結(jié)果，實現(xiàn)師生良好的互動，教師作為良師益友在分析測試過程中進行專業(yè)理論知識、實驗知識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)化理論教學及實驗教學資源配置的新型教學方式。

（二） 分析測試實驗教學新方式

綜合以往實驗教學模式并結(jié)合現(xiàn)有實驗教學經(jīng)驗，總結(jié)得到分析測試實驗教學方法如下：

1.建立基礎(chǔ)示范性分析測試實驗，奠定實驗教學基礎(chǔ)。首先需要建立基礎(chǔ)示范性實驗教學內(nèi)容，以為后續(xù)實驗教學開展奠定良好的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)示范性分析測試內(nèi)容可以優(yōu)選所在專業(yè)研究生樣品測試較為通用、測試量比較大的內(nèi)容，并建立較為完善的測試實驗制度，以便在分析測試實驗開展的初期便使得更多研究生受到較好的實驗教學教育，為后續(xù)進一步完善分析測試實驗提供良好的基礎(chǔ)。

2.創(chuàng)新分析測試內(nèi)容，豐富測試類型。為增加分析測試實驗服務研究生的范圍和人員數(shù)量，可以結(jié)合現(xiàn)有的實驗儀器設(shè)備，通過進一步拓展分析測試內(nèi)容，服務于更多的研究生。在有條件時，也可以進一步拓展實驗儀器設(shè)備或?qū)ΜF(xiàn)有儀器設(shè)備進行改造和優(yōu)化設(shè)計，創(chuàng)新分析測試內(nèi)容，優(yōu)化實驗教學資源的配置和使用[7]，豐富測試的類型，同時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)新和動手能力。

3.培養(yǎng)高質(zhì)量地分析測試實驗教師隊伍。分析測試實驗的開展離不開高質(zhì)量高素質(zhì)的實驗教師，一方面學院和學校應該充分認識到分析測試實驗教學的重要性和特殊性，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學思維模式[8]，推動建立完善的分析測試實驗教學制度和方案[9]，聘請有經(jīng)驗的教師進行分析測試實驗教學培訓，以提供良好的實驗室場地、學習氛圍；另一方面，教師自身也應該加強分析測試理論、基礎(chǔ)知識的學習，鍛煉分析測試的能力、操作水平、測試結(jié)果深入分析能力，提升分析測試實驗的教學能力，以便能夠掌握測試的精髓和教學的技能，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。

（三） 分析測試實驗在研究生培養(yǎng)中的應用效果

通過兩年多的分析測試實驗及教學工作，深切看到了其對研究生、本科生及教師的科研起到了非常有益的效果。

對于學生而言，在掌握了材料、化學、工程熱力學等專業(yè)基礎(chǔ)知識的同時，能夠快速學以致用，提升了其動手能力、觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)解決問題的能力，拓展了學生的科研視野；研究發(fā)現(xiàn)參加分析測試實驗的研究生動手、實踐操作、思考及實驗設(shè)計能力等能力優(yōu)于其他同學；有助于提高研究生的創(chuàng)新思維和實踐創(chuàng)新能力，促進學生的科研熱情、學習積極性和主動性。

對于教師而言，在開展分析測試實驗及教學活動過程中，能夠進一步熟練掌握實驗測試技巧、提升測試技能，本身也是一個學習的過程，能夠豐富自身專業(yè)知識結(jié)構(gòu)和體系，提升自身的實驗能力、教學能力，提高其文化素養(yǎng)和教學效率，更好更快地進行后續(xù)的教書育人工作，為學校乃至國家培養(yǎng)更為優(yōu)秀的專業(yè)科研人員。

三 結(jié)語

本文對分析測試實驗在研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應用探索進行了研究，發(fā)現(xiàn)分析測試實驗具有特色屬性、深度融合“學-測-教”教育理念，并對其作用、應用模式進行深入分析，主要結(jié)論如下：

（1）分析測試實驗教學實踐能夠通過引導研究生直接參與各種材料性能測試及實驗，拓展其對各類材料性能的理解范圍、增強其實驗操作技巧、鍛煉縝密思維能力，促使其在制取樣品時便能預先了解可能出現(xiàn)的問題，在其創(chuàng)新能力培養(yǎng)中起到了良好的實踐效果。

（2）分析測試實驗活動在研究生能力培養(yǎng)中發(fā)揮非常重要的積極作用，對于提升其動手能力、觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力具有重要意義，參加分析測試實驗的研究生動手能力、實踐操作能力、思考能力及實驗設(shè)計能力等能力優(yōu)于其他同學。

（3）分析測試實驗教學可以通過建立基礎(chǔ)示范性分析測試實驗、創(chuàng)新分析測試內(nèi)容、培養(yǎng)高質(zhì)量地分析測試實驗教師隊伍等新方式進行開展。