具有高端儀器與表征技術專長的創新拔尖人才培養模式探索

崔喜平　黃陸軍　陳俊鋒　張杰　耿林　來忠紅　王曉軍

摘? 要：當前我國高端制造裝備與前沿科研儀器自主研發能力薄弱、嚴重依賴進口，這已經成為制約我國自主創新能力提升完成產業升級和創新型國家建設的瓶頸問題，為擺脫“卡脖子”、受制于人的局面，除資金持續投入與國家政策傾斜之外，具有高端儀器與表征技術專長的創新拔尖人才隊伍建設是關鍵與根本。文章將就如何培養實踐能力和創新精神強、適應面廣的高素質分析測試人才，尤其是具有儀器與表征技術專長的創新拔尖人才的培養模式進行了初步探索。

關鍵詞：儀器與表征;創新人才;培養模式

中圖分類號：C961? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）23-0033-03

Abstract： So far， the independent research and development capability of the high-end manufacturing equipment and cutting-edge scientific instruments in China is weak， and these high-performance devices largely depends on import， which have heavily restricted the improvement of independent innovation capability and the industrial upgrading and the construction of the innovative country. In order to solve the bottleneck problem of heteronomy， the sustained financial support and the national policy must be provided. Besides， the construction of the top-notch innovative talents team with outstanding instruments and characterization technologies is the critical and fundamental significance. This paper will make a preliminary exploration on how to train high quality analytical and testing talents with excellent practical ability， strong innovation spirit and good adaptability， the emphasis will be on discussing the training mode of innovative top-grade talents with cutting-edge instruments experience and outstanding characterization technologies.

Keywords： instruments and characterization; innovative talents; training mode

前言

科學儀器設備是科學研究和技術創新的基石，是經濟社會發展和國防安全的重要保障。當前我國高端制造裝備與重大科研儀器的自主研發能力薄弱，嚴重依賴進口，這已成為制約我國自主創新能力提升和創新型國家建設的瓶頸問題，大大影響了我國產業升級和創新驅動發展戰略的實施[1]。因此，為擺脫“卡脖子”、受制于人的局面，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》明確將科學儀器研制列為優先發展的戰略領域，在此背景下科技部“重大科學儀器設備開發”重點專項于2016年度啟動，國家自然基金委也特別設立了“國家重大科研儀器設備研制專項”項目，經過多年嘗試，取得了顯著成效，發展了一批具有自主知識產權的高端科學儀器，為我國的科技創新和國民經濟社會發展提供了重要支撐。

然而要實現“原創性”重大科研儀器的研發和重大科學儀器設備的產業化[2]，除資金持續投入與國家政策傾斜之外，具有高端儀器與表征技術專長的創新拔尖人才培養是重中之重[3]。在“中國制造2025”的大背景下，工業和信息化部、國家發展改革委、中國工程院于2017年2月聯合發布的《制造業人才發展規劃指南》，就明確指出人才必須作為我國建設制造強國的根本，必須科學培養多層次多類型制造業人才[4]。當前儀器與分析測試行業人員一般從事簡單的分析測試服務工作，絕大部分都是從材料、機械、化工和能源等專業跨行而來，沒有獨立的儀器與分析測試專業來培養相關的專業性人才。且從事儀器與分析測試行業的職業榮譽感不強、社會地位與收入不高，導致儀器與分析測試行業的高端創新性人才嚴重匱乏[5]，這已經成為限制前沿科研成果產出與高端重大儀器研發的瓶頸問題。因此，高等院校的人才培養模式必須與時俱進服務國家的人才發展戰略[6]，如何培養具有儀器與表征技術專長的創新拔尖人才是關鍵。本文將初步探討如何建設具有儀器與表征技術專長的創新型人才隊伍。

一、激發興趣，樹立“崇尚科學”價值觀

興趣愛好與個人職業結合才是最完美的職業設計。因此哈工大分析測試中心為吸引高質量的生源同時激發學生從事儀器與表征技術行業的興趣，我們針對大一新生開展了“高端儀器開放日”參觀學習活動：通過高端儀器現場參觀與演示、熱點案例如我國諾貝爾獎級原創科研成果-量子反常霍爾效應如何實現與檢測等深入剖析，引導大一新生了解高端科研儀器與分析測試水平在現代科學技術進步中的關鍵作用，是發現前沿科研之妙與保障生產質量的“眼睛”，是保障我國建設創新型國家、制造強國、科技強國的大國重器。

此外，邀請科研之星為同學們開展專業的學術報告與交流沙龍等活動，并建立微信群線下廣泛討論交流，讓學生樹立“科研崇拜”的價值觀，充分激發大一新生對于從事高端儀器開發與分析測試工作的熱情與興趣，讓其了解從事此行業不但可以發現前沿科學之美，還可以服務國家重大戰略需求，是值得作為一項終生事業而為之奮斗的。

（一）寬口徑，重理論，強基礎

基礎理論課學習包括機械、控制、電氣、材料等機械類課程基礎理論學習與創新性實驗教學，是培養具有高水平分析測試水平與高端儀器開發能力的創新拔尖人才的核心環節。當然重點是材料分析測試方法基本原理與儀器構造原理的學習。哈爾濱工業大學除注重課堂教學內容的實時更新與實驗教學的不斷創新外，還充分利用新媒體技術在教學中的重要作用。由于微信已經成為當代中國大學生獲取信息的最重要途徑之一，利用微信公眾平臺進行專業知識傳播的潛力十分巨大[7]。由此，哈工大分析測試中心依據本科實驗課程和碩士生實踐教學的現狀，針對傳統教學中存在的問題，根據該課程特點，構建了基于微信公眾平臺與課堂教學的混合式教學模式，具體為課前在線預習-課中教學與演示-課后在線答疑等三位一體式的實施方案：1. 建立課程微信公眾號，將課堂內容相關的PPT，視頻和音頻等資料上傳，鼓勵并督促學生課前進行充分預習;2. 課中專業課教師圖文并茂講解重點知識要點，并將前沿科研成果融入教學內容中，使學生明白“學有所用”;3. 課后利用微信群在線答疑，使學生有問必答、有問即答。

除創造線上線下多途徑方式夯實學生的基礎知識外，實驗教學更能培養學生的動手能力和創新能力，是培養拔尖人才不可替代的重要環節[8]。由此，我們請具有長期一線分析測試教師與大型儀器功能改造項目科研經驗的教師共同擬定實驗課教學內容，發揮教師在實驗教學中的主導地位，促進科研成果轉化為實驗項目，解決“研究創新型”實驗的源頭問題[9]，增加實驗課教學的多樣化、專業化、趣味性，盡力提升學生將專業基礎知識轉化為解決實際問題的科研能力。此外，我們還邀請學術科研明星進課堂以“案例式”模式講授高端儀器在科學研究中的最新進展，將基礎理論學習與前沿科學發展有機結合起來，讓學生明白“學而有用”，激發學生學習枯燥的專業基礎課的熱情，夯實基礎理論。

（二）強化實踐與開放實習

實踐是教學最有利的輔助工具，為讓學生深入理解儀器的工作原理、發展趨勢以及在各前沿學科中的應用，為此哈工大分析測試中心設立了分析測試學生助管崗位，學有余力的學生可以申請此崗位。通過優中選優的方式選出興趣高、基礎好的學生經過一線儀器管理教師的系統培訓與嚴格考核（理論筆試+現場操機考核形式）獲得大型儀器自主操機資質。在儀器管理教師的監督下具有自主操作儀器設備資質的學生可以親自完成各種樣品的制備-處理-在線測試-結果分析等全鏈條的分析活動，并協助儀器管理教師對設備進行維護、維修、操作規程制定、國家儀器類標準和分析測試行業標準制定等，讓學生深入理解高端儀器在各前沿學科中的作用以及發現分析測試中出現的問題，經過長期培訓的學生會獲得豐富的分析測試經驗與解決科研問題的能力。同時一線操機教師更容易從簡單重復的分析測試中解脫出來，有更自由時間去進行重大設備的改造、高級功能和新型分析測試方法的開發等科學研究，也使教師更有精力去思考如何培養與指導學生。

此外，分析測試中心還將能力強、興趣高的學生推薦進入國際知名儀器廠家如Carl Zeiss制造生產線參觀實習，深入理解儀器構造、制造過程并了解國內外高端儀器的差距;同時分析測試中心還與國際頂級儀器廠家在國內設計的Demo樣品演示實驗室深入合作，使學生有機會接受經驗豐富的廠家儀器應用專家的培訓與現場指導，深入理解分析測試方法的高級應用與行業發展新動態。通過提供實踐學習與現場實習可以增強學生對高端儀器與分析測試方法的深入理解，拓展學生思維并提高學生動手能力與解決問題的能力。

二、儀器類開放式創新課題研究

在“興趣培養-基礎理論學習-實踐與現場實習”基礎上，學生已經具備了專業的儀器知識與分析測試基本技能，同時也培養學生主動發現問題、分析問題、自我解決問題的探究能力[10]。但終極目標是使學生學會開展理論知識的實用性探索，繼而挑戰新的理論與實踐創新，即“學以致用”。因此，哈工大分析測試中心開展了以儀器類開放式創新課題為畢業論文核心內容的本科、碩/博研究生培養模式。將本科生和研究生納入不同的培養體系，目的是為建設國家制造強國輸出更優秀的具有高端儀器與表征技術特長的專業性人才。

（一）以儀器應用為主的分析測試專業人才培養

哈工大分析測試中心協調組織一線儀器操作經驗豐富的老師與科研成果突出的導師“一對一”合作，共同擇優設計以儀器簡單功能或測試方法開發為目標的本科畢業論文，如搭建高溫加熱模塊結合商業X射線衍射儀的薄膜掠入射衍射模塊開發出樣品表面微納米膜層的高溫相變原位測試方法以及基于三維X射線顯微鏡（XRM）搭建高分辨率的原位加載測試平臺。讓學生真正理解分析測試方法的本質以及高端儀器的構造與應用，使本科畢業生成長為掌握了扎實理論知識并具有熟練操作技能的“合格的人才產品”，并使其可以參與國際競爭的新型分析測試人才，他們畢業后可以補充到高校、研究院所、大型測試服務機構和企業的分析測試隊伍中，發揮其專業特長，滿足新形勢的分析測試工作要求。

（二）以重大儀器研發或改造中的科學問題為導向的創新拔尖人才培養

對于本科已經具有扎實儀器理論功底并熟練掌握表征技能的學生，在其碩士和博士研究生階段，除繼續引導其進行更深入的基礎理論學習和儀器前沿技術與發展趨勢調研外，具有一線測試與儀器開發經驗的導師可以凝練出重大儀器研發或改造中的科學問題，以解決此科學問題為導向提煉出碩士或博士研究生的研究課題，如商業掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）不能進行磁性粉末材料的測量是公認的科學問題，如何通過儀器設備改造攻克SEM/TEM進行磁性粉末材料的表征技術難題;此外，如何通過改進改造SEM解決基于SEM原位拉伸時高分辨圖像漂移的瓶頸問題等等。通過這類的儀器改造類課題攻關，培養出更多具有儀器與表征技術專長的創新拔尖人才，為實現我國的制造強國戰略儲備更多研究型專業人才。

（三）儀器類創新人才培養成效

經過幾年的改革實踐，已經摸索出了可行的儀器類專業人才培養模式，且取得了顯著成效。目前獲得透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等大型分析測試設備獨立自主操機資格的學生達600余人，培養的畢業生20余人進入高等院校（哈工大分析測試中心3人）、科研院所和大型企業等單位從事分析測試與儀器開發等相關的工作;同時培養的學生與導師合作完成了設備改造與功能開發等6項，作為核心單位參與儀器類國家標準、行業標準制定4項，最為重要的是有3名博士畢業生作為項目骨干成員參與了科技部的國家重點研發計劃-大科學裝置前沿研究專項項目研究。雖然取得了一些成果，但是分析測試中心依然會以哈工大“規格嚴格、功夫到家”的校訓為理念，堅持創新思維，繼續探索并完善該人才培養模式，為我國培養出更多的具有儀器與表征技術專長的創新拔尖人才。

三、結束語

哈工大分析測試中心開創了以“興趣培養-基礎理論學習-實踐與現場實習-儀器類創新課題研究”四位一體的學生培養模式，目的是以興趣與扎實基礎理論為前提，促進學生創新思維的形成，鍛煉其實踐和動手能力，最大限度地提高學生分析問題和解決問題的能力，為我國培養出實踐能力和創新精神強、適應面廣的高素質分析測試人才，特別是培養出更多具有儀器與表征技術專長的創新拔尖人才。

參考文獻：

[1]楊衛.繁榮基礎研究深化創新驅動為建設世界科技強國作出新貢獻[J].中國科學基金，2017（4）：316-319.

[2]李志蘭，鄭知敏，謝煥瑛，等.國家重大科研儀器研制項目績效評價探索：產出、成效與影響[J].中國科學基金，2019（2）：162-167.

[3]賈文寶，凌永生.重大儀器專項下專碩培養模式的工程化實踐[J].科技資訊，2015（26）：227-229.

[4]鄧小華.“中國制造2025”與高職制造業人才培養體系創新研究——基于《制造業人才發展規劃指南》的啟示[J].改革前瞻，2017，38（19）：14-18.

[5]劉海玲，陶慧林，侯明，等.構建創新課程體系，培養新世紀的分析測試人才[J].廣西師范大學學報（自然科學版），2003，21（Z2）：62-63.

[6]凌輝，張媛.一流學科建設需要一流實驗室作為支撐[J].實驗技術與管理，2014，31（3）：217-219.

[7]劉艷芳，楊文榮，商建鋒.基于微信公眾平臺的電路混合式實驗教學實踐[J].教育現代化，2019，87：203-205.

[8]毋妙麗.科研項目驅動下實踐“四結合”實驗教學新體系——以不同環境下駕駛行為影響實驗為例[J].高教學刊，2019（23）：55-57.

[9]陳浪城，吳福根，邱偉青.面向“新工科”的高校實驗室建設與管理模式創新和實踐[J].實驗技術與管理，2019，36（10）：273-276.

[10]李秀娟，張志輝，鄒猛，等.實驗課適應教學改革的必然性分析[J].大學教育，2019（11）：51-53.