淺談規(guī)范作圖對理工類本科生科研能力培養(yǎng)的重要性

陸煥鈞，孫文卿，趙 潤，張曉渝

（蘇州科技大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

近年來，在國家新一輪“雙一流”建設(shè)的推動下，加強高校學(xué)生科研能力的培養(yǎng)成為教育工作中不容忽視的部分[1]。本科階段通常是學(xué)生開始接觸科研的啟蒙階段，也是形成科研意識、樹立科研精神的重要階段[2-3]。在本科階段養(yǎng)成良好的科研習(xí)慣，可為學(xué)生進(jìn)一步開展科研工作打下堅實的基礎(chǔ)。對于理工科大學(xué)生，在日常學(xué)習(xí)及科研過程中，往往會涉及大量的實驗設(shè)計以及數(shù)據(jù)處理。以筆者所承擔(dān)的“光電技術(shù)實驗”課程為例，學(xué)生需要在實驗報告中繪制光路圖、電路圖等示意圖，以及電阻、折射率等物理量隨外界條件變化的數(shù)據(jù)圖。由此可見，各類圖表與實驗工作密不可分、相輔相成。從實驗課程到科學(xué)研究，通過圖表總結(jié)并展示各項數(shù)據(jù)或結(jié)構(gòu)模型，均是其中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。規(guī)范整齊、簡潔大方的圖表不僅可以將研究成果更加清晰地呈現(xiàn)在讀者面前，也是科研工作者優(yōu)秀科學(xué)素養(yǎng)的直觀體現(xiàn)。因此，培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范作圖的能力，一方面可以幫助他們更加清楚的理解實驗設(shè)計的初衷，更加精確的掌握各個物理量的變化規(guī)律；另一方面還可以切實規(guī)范本科生的科研態(tài)度，樹立一絲不茍、精益求精的科研精神。

1 圖表在科研工作成果展示中的重要作用

一項優(yōu)秀的科研工作，不僅要求實驗設(shè)計的創(chuàng)新性、結(jié)果的精確性，還需要對其進(jìn)行歸納總結(jié)，并且以書面論文或口頭報告等形式清楚的展示出來。無論是對于科研論文還是學(xué)術(shù)報告，圖表在其中的作用都是舉足輕重的[4]。清晰明了且生動美觀的科研作圖，不僅可以第一時間抓住讀者的眼光，引起閱讀的興趣，還可以方便讀者從中凝練論文的核心內(nèi)容，增加閱讀的效率。

從實驗流程、數(shù)據(jù)分析，到結(jié)構(gòu)模型、歸納原理，每一步的總結(jié)和展示都離不開圖表的幫助。通過圖表可以直觀地看出每一步實驗是如何設(shè)計和進(jìn)行的，可以迅速地掌握各項數(shù)據(jù)的變化趨勢，也可以清楚地說明各個組分的排列方式，并且精確地描述內(nèi)在機理。早期的科學(xué)家們主要采用手繪圖表的方式分享他們的科研成果，而隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，目前大多通過電腦軟件進(jìn)行繪圖，科研作圖的效率以及專業(yè)性和美觀性均得到大大提升。同時，對比幾十年前和近幾年來發(fā)表的高水平學(xué)術(shù)論文，可以發(fā)現(xiàn)科研工作者們對圖表繪制的要求越來越高。利用規(guī)范的圖表高效精準(zhǔn)地呈現(xiàn)文章內(nèi)容，成為論文撰寫過程中至關(guān)重要的一部分。

2 目前理工科大學(xué)生在作圖中存在的問題

錯誤的或者不規(guī)范的圖表往往會使得其所描述的實驗過程以及結(jié)果出現(xiàn)偏差，在實際生產(chǎn)生活中可能釀成嚴(yán)重的后果。本科階段的實驗課通常是理工科學(xué)生接觸實驗數(shù)據(jù)處理以及圖表繪制的第一步。然而，從上交的實驗報告來看，圖表往往五花八門，不盡如人意。此外，在各項競賽、演講以及畢業(yè)論文的撰寫過程中，均存在不少作圖方面的問題，主要可以總結(jié)為以下3 個方面。

2.1 格式

圖表格式是作圖中最基礎(chǔ)的部分，然而也是最容易被忽視的部分。大部分學(xué)生在作圖時，經(jīng)常不注意圖中語言類型、字體、字號以及線條粗細(xì)的統(tǒng)一，同時圖表本身的尺寸也忽大忽小，與正文不相匹配。當(dāng)一張圖中存在多組數(shù)據(jù)時，必須要通過顏色、標(biāo)注等方式對其區(qū)分，避免指代不清。如若數(shù)據(jù)過多，很難全部在圖中一一標(biāo)注，也可以另外單獨列表格對其進(jìn)行說明，以此確保所展示內(nèi)容的清楚和明確。在對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比時，坐標(biāo)軸的范圍區(qū)間以及單位最好保持一致，從而有利于直觀的表現(xiàn)出異同之處。圖表中出現(xiàn)的各種格式問題雖然不會對內(nèi)容的理解產(chǎn)生大的影響，但是卻大大降低了讀者的觀感，容易使讀者失去閱讀的興趣，因此需要在作圖過程中盡量避免。

2.2 邏輯

圖表最重要的作用是幫助理解研究的內(nèi)容和結(jié)果，因此在列舉各組數(shù)據(jù)以及安排圖表順序方面必須注意其邏輯性。在一些存在明確因果關(guān)系的圖片中，比如實驗流程圖、合成步驟圖等，往往不容易犯錯。然而，對于其他涉及數(shù)據(jù)討論的圖表，卻總是容易出現(xiàn)前后顛倒的現(xiàn)象。在排列各項數(shù)據(jù)及結(jié)果時，應(yīng)該充分考慮其中的內(nèi)在聯(lián)系，前者為后者的提出做鋪墊，后者對前者進(jìn)行支撐和補充，環(huán)環(huán)相扣，層層遞進(jìn)。

除了圖表順序外，內(nèi)容上的邏輯性也不能掉以輕心。例如通過示意圖描述分子結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當(dāng)注意分子中各個組分體積的相對大小要與實際情況相符合；在光路圖中，需要明確各個光學(xué)器件之間的相對距離，并且光路的改變必須符合器件的特點；而對于電路圖，導(dǎo)線是否交叉，是否存在短路、斷路，這些問題都是作圖完成后需要仔細(xì)檢查的。

圖表中出現(xiàn)邏輯錯誤時，其后果往往比格式錯誤要嚴(yán)重得多，甚至?xí)?dǎo)致對整個研究工作的理解錯誤。為了避免此類錯誤的發(fā)生，一方面需要具備扎實的專業(yè)知識，同時對研究課題擁有清晰的理解；另一方面也需要反復(fù)琢磨、不斷推敲，養(yǎng)成沉心思考、靜心科研的好習(xí)慣。

2.3 圖注

圖注是對圖片內(nèi)容的描述與說明，它是將圖片信息正確傳達(dá)給讀者的重要途徑。許多學(xué)生往往在圖片上花費了大量的精力，卻對圖注掉以輕心，使得圖片信息模糊，效果大打折扣。一張優(yōu)秀的插圖，可以讓讀者在沒有閱讀正文的情況下，便了解論文的核心內(nèi)容，這里離不開圖注的作用。

通常來說，科研論文中的插圖往往由多個圖片組合而成。因此在圖注中，需要先用一句話對整個圖片所描述的內(nèi)容進(jìn)行概括，再分別對各個部分一一說明。同時，若圖中出現(xiàn)任何的示意符號或圖形，均需要在圖注中進(jìn)行解釋。大家在撰寫圖注時不妨把自己的角色進(jìn)行轉(zhuǎn)換，想象成如果自己完全不了解該項工作，是否能夠通過圖注讀懂這張圖片。此外，也應(yīng)當(dāng)注意圖注不能過于煩瑣冗長，不應(yīng)與正文中有過多重復(fù)，將圖片內(nèi)容表達(dá)清楚即可。

3 如何培養(yǎng)學(xué)生作圖的規(guī)范性

對于理工科大學(xué)生，培養(yǎng)良好的科研習(xí)慣可以大大提升他們在學(xué)習(xí)、工作以及進(jìn)一步深造中的競爭力。本科階段的實驗課程能夠增強學(xué)生的動手能力以及分析、解決問題的能力，是學(xué)生接觸科研的第一步，也是高校培養(yǎng)學(xué)術(shù)型、應(yīng)用型人才的重要途徑[5-6]。隨著我國教育改革的深入，實驗課在高校教育體系中的重要性不斷提高。然而，目前的課程安排中很少有與之相匹配的圖表繪制、實驗報告撰寫等內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生缺少獲得正確、系統(tǒng)指導(dǎo)的途徑。因此，開設(shè)有關(guān)科研繪圖的課程，或者在實驗課中增加相關(guān)內(nèi)容，可以有效地進(jìn)一步提升理工類本科生的科研素養(yǎng)。

對于本科生規(guī)范繪圖能力的培養(yǎng)，其課程安排可以從以下幾方面考慮：首先，興趣是最好的老師，激發(fā)起學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識十分關(guān)鍵。因此，在課程開始階段，可以多展示一些高水平學(xué)術(shù)論文上的優(yōu)秀插圖。這樣一方面可以通過美觀的圖片吸引學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，另一方面也可以將其作為范例，闡述科研作圖中的各個注意點。其次，可以將科研繪圖的過程逐步拆解，在課堂上帶領(lǐng)學(xué)生一步一步完成一張規(guī)范的圖片。模仿是學(xué)習(xí)的第一步，學(xué)生可以通過實際操作強化對圖片格式、邏輯以及圖注的理解，也可以通過不斷練習(xí)加深對正確、規(guī)范作圖方法的記憶。最后，在完成教學(xué)時，可以嘗試讓學(xué)生結(jié)合實驗課內(nèi)容撰寫一篇學(xué)術(shù)小論文，并且將班級中所有學(xué)生的小論文收集后合訂成一本“期刊”，進(jìn)而從中評選出最規(guī)范、最美觀的圖片作為封面。由此不僅可以鼓勵學(xué)生掌握好科研作圖的能力，還可以學(xué)以致用，為進(jìn)一步的科研工作打好基礎(chǔ)。

通過增加有關(guān)規(guī)范作圖的教學(xué)內(nèi)容，可以將一些作圖時的基本規(guī)則正確的傳遞給學(xué)生。例如，圖中的字體（包括坐標(biāo)軸及圖例），一般選用無襯線字體Arial 或Helvetica，或者有襯線字體Times New Roman。對于整篇論文，應(yīng)該保持字體的一致。如需特別強調(diào)某些內(nèi)容，可以通過加粗或者斜體來表示。同時，圖中的文字大小應(yīng)與正文相當(dāng)，避免讀者在閱讀論文時需要不斷調(diào)整縮放比例。此外，圖片中描邊粗細(xì)不能細(xì)于0.5pt，但也不能太粗，超過1.5pt，過細(xì)或過粗都影響美觀。在分辨率方面，一般要求彩圖≥300dpi，黑白圖≥500dpi，線圖≥1000dpi。

4 常見科研圖片類型及其處理軟件

科研工作中常常會遇到多種類型圖片的繪制和處理，例如照片、數(shù)據(jù)圖、示意圖等。針對上述各類圖片均有多種軟件可以使用，下文將一一舉例說明。

4.1 照片

照片主要包括各類光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等直接通過成像設(shè)備拍攝得到的圖片。這類圖片通常會涉及縮放、旋轉(zhuǎn)處理，對比度、飽和度、清晰度的調(diào)節(jié)，以及區(qū)域和像素的統(tǒng)計。對于照片類的圖片，可以通過ImageJ、Adobe Photoshop 等軟件進(jìn)行處理。ImageJ 是一款基于java 的功能強大的圖像處理軟件，該軟件在處理透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等表征儀器所拍攝的圖片時，應(yīng)用極為廣泛。它不僅可以對選定區(qū)域的幾何特征，如間距、角度、面積、橢圓擬合等進(jìn)行計算，還可以對規(guī)整有序排列結(jié)構(gòu)做傅里葉變換分析，從而展示其周期性分布規(guī)律。Adobe Photoshop 主要處理以像素所構(gòu)成的數(shù)字圖像，通過使用其眾多的編修與繪圖工具，可以有效地進(jìn)行圖片編輯工作。相對于ImageJ 強大的分析計算功能，PS 的專長更多的在于處理圖像本身。利用其傾斜、鏡像、透視等功能，可以將多個圖片進(jìn)行疊加以及對比。但是，這里也應(yīng)特別指出，在使用PS 處理圖片時，一定要牢記科研的真實性以及嚴(yán)謹(jǐn)性，千萬不能通過違規(guī)的手段假冒或刻意美化研究成果。

4.2 數(shù)據(jù)圖

對實驗測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，并以圖線的形式展示，即可得到數(shù)據(jù)圖，這類圖片是科研工作中最常見的一種。理工科實驗數(shù)據(jù)的分析主要包括曲線平滑、線性擬合、峰值積分等，其處理軟件有Microsoft Excel、Origin 等。Microsoft Excel 擁有多種函數(shù)，在處理大量數(shù)據(jù)方面非常高效，但在圖線繪制上略有不足，只能做出一些較為基礎(chǔ)的圖線。Origin 繪制圖線類型豐富，數(shù)據(jù)處理操作簡單易學(xué)，在科研中較為常用。Origin 繪圖的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)表非常關(guān)鍵。一般來說，通過數(shù)據(jù)表中的一對X、Y 數(shù)值，即可得到一個作圖點。通過多個點相連，同時合理的調(diào)節(jié)橫縱坐標(biāo)的區(qū)間，便可獲得對應(yīng)的圖線。此外，若擁有較好的C 語言或者C++語言編程基礎(chǔ)，MATLAB 也是一個很好的選擇。該軟件是一個集數(shù)值計算、符號分析、圖像顯示以及文字處理于一體的大型集成化軟件，尤其在數(shù)據(jù)分析上，具有十分專業(yè)的功能，如矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等。

4.3 示意圖

示意圖主要是指描述步驟流程、結(jié)構(gòu)模型或基本原理等的簡單圖示。一般來說，示意圖沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，能準(zhǔn)確無誤、清晰明了地展示作者想法即可。日常學(xué)習(xí)工作中常用的Microsoft Powerpoint 軟件就可以滿足一些基礎(chǔ)的繪圖要求。而如果想要呈現(xiàn)更加亮眼美觀的示意圖，則可以通過3D Studio Max 或者POV-Ray等專業(yè)制圖軟件渲染出逼真的三維效果。

5 結(jié)語

本科階段是學(xué)生開展科研的啟蒙時期，也是培養(yǎng)學(xué)生良好科研素養(yǎng)的關(guān)鍵時期。本文分析了目前理工科大學(xué)生在科研作圖規(guī)范性上存在的主要問題，總結(jié)了科研圖片的主要類型及處理軟件，提出了通過增加實驗課教學(xué)內(nèi)容幫助學(xué)生提升作圖能力的方法。加強本科生的科研能力培養(yǎng)，是新一輪“雙一流”建設(shè)中不可忽視的一環(huán)，需要不斷總結(jié)以往經(jīng)驗和規(guī)律，并進(jìn)一步探索新思路、新方法。