劉飛，侯小虎，趙學(xué)平，宋銀敏，崔曉明

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

2021 年3 月11 日，十三屆全國人大四次會議通過的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》明確將人才強國確立為2035 年遠景目標之一，在人才培養(yǎng)方面指出：要“加強創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)，實施知識更新工程、技能提升行動，壯大高水平工程師和高技能人才隊伍”[1]。新工科建設(shè)是以創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)為核心，促進我國高等院校工科專業(yè)教學(xué)深層變革[2-3]。研究生教育作為高等教育的最高層次，工科類研究生的創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)是新工科建設(shè)的重要任務(wù)，其質(zhì)量和水平也成為反映高等院校人才培養(yǎng)質(zhì)量的主要參照[4]。材料科學(xué)在現(xiàn)代工程技術(shù)發(fā)展中的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性作用日益突出，為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的步伐，材料類研究生的培養(yǎng)模式與創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)方式亟須更新[5-6]，將專業(yè)理論知識傳授與創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)有機結(jié)合，形成與社會生產(chǎn)接軌的創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)體系[7]。

大型儀器在一定程度上代表著社會生產(chǎn)力的發(fā)展水平，是進行實際生產(chǎn)、教學(xué)與科研的重要工具和載體。掃描電鏡作為大型科研儀器的一種，被稱為“探索微觀世界的眼睛”，是材料形貌、組織和成分（裝配能譜儀）研究的有力工具，是進行“材料科學(xué)四要素”研究最為廣泛應(yīng)用的大型科研儀器之一。所以，掃描電鏡的結(jié)構(gòu)原理為材料類研究生基礎(chǔ)選修課材料現(xiàn)代分析方法的重要講授內(nèi)容之一。然而，目前關(guān)于掃描電鏡的教學(xué)內(nèi)容仍以傳統(tǒng)課堂教學(xué)為主，在創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型研究生人才培養(yǎng)方面的重要價值還未充分體現(xiàn)[8]，亟須改變傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，讓掃描電鏡與材料類研究生知識、能力和素養(yǎng)培養(yǎng)目標深度融合，著重培養(yǎng)材料類研究生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

本文依托內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)測試中心，面向材料類研究生開展掃描電鏡上機操作培訓(xùn)實踐教學(xué)活動，致力于培養(yǎng)和提高研究生的創(chuàng)新精神和實踐能力。培訓(xùn)內(nèi)容注重三個導(dǎo)向：以研究生參與的科研項目、“雙創(chuàng)”競賽為導(dǎo)向，以生產(chǎn)實踐問題和案例為導(dǎo)向，以自主上機操作為導(dǎo)向。以提高研究生三方面素養(yǎng)和能力為目標：創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力、工程思維和實踐能力、專業(yè)技術(shù)和動手能力。通過完善上機操作培訓(xùn)實踐教學(xué)體系、掃描電鏡預(yù)約使用收費標準、掃描電鏡自主上機操作資格認證制度和大型儀器設(shè)備開放共享管理辦法等相關(guān)制度建設(shè)，保證掃描電鏡上機操作培訓(xùn)內(nèi)容順利實施、培訓(xùn)目標成功實現(xiàn)。通過上機操作培訓(xùn)的實踐教學(xué)模式，不僅有助于學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)和提升，還充分挖掘了掃描電鏡在創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)方面的重要價值。

1 研究生掃描電鏡實操創(chuàng)新能力培養(yǎng)面臨的困難和機遇

掃描電鏡的結(jié)構(gòu)原理為材料類研究生基礎(chǔ)選修課材料現(xiàn)代分析方法的重要講授內(nèi)容。由于以掃描電鏡為代表的大型科研儀器普遍精密貴重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量有限，不能像傳統(tǒng)、常規(guī)的實驗教學(xué)儀器設(shè)備一樣可單獨或是幾人一組進行實驗操作[9]。目前，掃描電鏡的教學(xué)過程以理論講解為主，以實驗教學(xué)為輔，且實驗教學(xué)往往由教師進行操作演示，只有少數(shù)研究生可以接觸到儀器設(shè)備，大部分研究生上手操作的機會和時間不多，不利于研究生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。

目前，以掃描電鏡為代表的大型科研儀器普遍存在利用率和開放共享率不高的問題，這也意味著存在大量空閑機時可以利用。專職負責(zé)管理儀器的教師數(shù)量嚴重不足，是造成大型科研儀器利用率不高的重要原因[10]。通常，負責(zé)管理儀器的教師不僅承擔著本科和研究生的教學(xué)任務(wù)，還主持和參與一些科研工作，難以對大型儀器開放共享投入更多精力。利用大型科研儀器的空閑機時開展研究生的上機操作培訓(xùn)，可以培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。而且，具備上機操作能力并通過認證的學(xué)生可以自主上機操作，節(jié)省了教師操作的時間，對于負責(zé)管理儀器的教師和想要借助大型科研儀器進行測試的學(xué)生具有雙贏效果，也有助于提高大型科研儀器設(shè)備的利用率。

2 國內(nèi)外高校研究生掃描電鏡實操創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式

國外知名高校比較看重研究生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，通過開設(shè)與科研方向相結(jié)合的設(shè)計類實驗、以科研實驗室為依托的課程建設(shè)，對研究生創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)起到了極大的助推作用[11]。以美國得克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校研究生實驗課程掃描電鏡技術(shù)為例，該實驗課貫穿整個學(xué)期，2 次理論課程學(xué)習(xí)后安排1 次實驗課[12]，不僅增加了學(xué)生動手實踐的機會，更保障了研究生創(chuàng)新潛能的開發(fā)，滿足個性化培養(yǎng)的需要。近年來，隨著國家“雙一流”建設(shè)的推進，國內(nèi)各高校購置了大量的掃描電鏡，為研究生獨立操作使用掃描電鏡進行課題研究、創(chuàng)新實踐提供了更多機會[13-15]。例如，清華大學(xué)、大連工業(yè)大學(xué)和南開大學(xué)等材料專業(yè)強校紛紛將以掃描電鏡為代表的大型儀器納入共享平臺，通過不同課程教學(xué)體系、多樣化教學(xué)方式著重培養(yǎng)和激發(fā)研究生的創(chuàng)新能力、實踐能力和解決問題能力。

3 材料類研究生實踐教學(xué)——掃描電鏡實操技能培訓(xùn)

掃描電鏡實踐教學(xué)內(nèi)容以研究生參與的科研項目、“雙創(chuàng)”競賽為導(dǎo)向，以生產(chǎn)實踐問題和案例為導(dǎo)向，以自主上機操作為導(dǎo)向，分別對應(yīng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)目標。實踐教學(xué)模式采用上機操作培訓(xùn)班方式，完成材料現(xiàn)代分析方法課程學(xué)習(xí)的低年級材料類研究生自愿選修。為保證培訓(xùn)質(zhì)量和效果，培訓(xùn)按小組進行，每組不超過6 人。培訓(xùn)包括3 學(xué)時的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)和9 學(xué)時的上機操作?；A(chǔ)知識學(xué)習(xí)包括安全教育、結(jié)構(gòu)原理、制樣要求、工程案例和操作流程。

安全教育主要涉及掃描電鏡及其附屬設(shè)備的水電氣相關(guān)安全危險點提示，以及緊急事故處理方案。如電鏡真空系統(tǒng)出現(xiàn)異常，需在第一時間聯(lián)系值班教師。掃描電鏡的結(jié)構(gòu)原理和操作流程等相關(guān)基礎(chǔ)知識采用現(xiàn)場教學(xué)方式，將掃描電鏡實物作為教具，增加實驗教學(xué)課程的趣味性和生動性，使學(xué)生加深對掃描電鏡構(gòu)造和原理的認知。制樣要求主要講解粉末、塊體、截面和斷口等常見樣品的處理方法。實驗教學(xué)案例選擇貼近生產(chǎn)實際的工程案例，注重體現(xiàn)工程教育背景，強化學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)及工程意識。例如，零件斷裂失效分析、夾雜物分析、工業(yè)原料性狀分析和金屬原位力學(xué)研究等。通過結(jié)合生產(chǎn)實踐、科學(xué)研究最新進展和電鏡工作參數(shù)，吸引研究生注意力，提高其學(xué)習(xí)興趣。

上機操作培訓(xùn)包括兩個階段。第一階段采用輪流練習(xí)方式，每名研究生每次的練習(xí)機時為20 min。在一名研究生上機練習(xí)時，其他學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)，相互討論。培訓(xùn)教師全程指導(dǎo)，針對隨時出現(xiàn)的操作流程、疑問和相關(guān)知識點進行指導(dǎo)。該階段上機培訓(xùn)主要目標是使研究生熟悉掃描電鏡基本操作流程，具備利用掃描電鏡常規(guī)功能進行測試分析的動手能力。在完成該階段的上機培訓(xùn)后，第二階段的上機操作培訓(xùn)注重的是學(xué)生能夠根據(jù)實際樣品特性和測試需求優(yōu)化掃描電鏡測試參數(shù)。第二階段上機培訓(xùn)由研究生提供待觀察樣品，培訓(xùn)教師根據(jù)不同樣品特性和測試目的，講授和演示優(yōu)化掃描電鏡測試參數(shù)的原理、目的和效果。學(xué)生上機操作體驗和掌握掃描電鏡參數(shù)差異化效果和操作方法，有助于對理論知識的消化吸收和應(yīng)用，進一步提升發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。例如，對容易產(chǎn)生電荷積累的樣品，采取低加速電壓、背散射電子成像或積分拍照模式等測試方法可以獲得較好的實驗結(jié)果。同時，針對上機操作過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)的問題，培訓(xùn)教師及時講解，形成發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的教學(xué)閉環(huán)。

自主上機操作資格認證采用多元化的考核方式，在完成現(xiàn)場教學(xué)和上機操作培訓(xùn)后，采取“卷面考查”與“上機操作”相結(jié)合的考核方式，綜合考查研究生的實踐操作技能。這種考核機制既提高了實驗課考核評估的客觀性和綜合性，又激發(fā)了研究生自主學(xué)習(xí)的動力，更有利于培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力和實踐能力。對于通過卷面考核和上機操作的學(xué)生，頒發(fā)掃描電鏡操作資格合格證，研究生憑該證可優(yōu)先預(yù)約機時進行自主上機測試。

自2019 年以來，依托內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)測試中心平臺的3 臺掃描電鏡，采用上述掃描電鏡實操技能培訓(xùn)方案，每年不定期開展掃描電鏡上機實操培訓(xùn)，共計185 名研究生參加培訓(xùn)。經(jīng)過培訓(xùn)和實際上機操作，上述185 名研究生均能夠獨立操作掃描電鏡，負責(zé)所在課題組的日?？蒲袦y試，并且能夠針對材料特征和研究目的創(chuàng)造性地設(shè)計實驗方法、優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，在培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力方面取得了良好效果。同時，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)測試中心積極推進大型儀器共享平臺建設(shè)，相繼制定《內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)大型儀器設(shè)備開放共享管理辦法》和《內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)測試費收費管理辦法》，為掃描電鏡的實踐教學(xué)模式提供了廣闊平臺和保障制度。通過上述面向研究生的掃描電鏡實操培訓(xùn)顯著提高了儀器的利用率，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)測試中心所屬掃描電鏡的年平均工作機時超過1 200 h，遠超內(nèi)蒙古自治區(qū)30 萬元以上大型儀器年額定機時800 h。以大型科學(xué)儀器為載體，通過開展研究生自主上機操作培訓(xùn)，不僅有助于培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型、應(yīng)用型和技能型人才，還有利于提高大型科學(xué)儀器的開放共享效率。本文為其他大型科學(xué)儀器服務(wù)科研、教學(xué)以及開放共享提供了新思路。

4 結(jié)束語

為充分發(fā)揮掃描電鏡在培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才中的作用，增強研究生對掃描電鏡的認知和操作能力，提升材料類研究生創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)的水平和質(zhì)量，依托內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)測試中心所屬3 臺掃描電鏡，對材料類研究生進行實操技能培訓(xùn)，通過掃描電鏡實物原理結(jié)構(gòu)講解、精選生產(chǎn)實踐材料案例分析、上機實操培訓(xùn)、操作資格認證和上機操作跟蹤等教學(xué)環(huán)節(jié)對實驗實踐教學(xué)體系優(yōu)化，使掃描電鏡實踐課更具針對性、創(chuàng)造性、實用性和趣味性，進而有效提高實驗教學(xué)效果，提升創(chuàng)新型應(yīng)用人才的培養(yǎng)質(zhì)量。