高校平台扫描电镜培训管理改革助力学生综合素养培养

摘要

以TESCAN MAIA3 LMH场发射扫描电子显微镜（SEM）的培训与管理为研究对象，深入剖析其在提升学生独立科研能力、问题解决能力、职业胜任力以及职业素养方面的重要作用与改革成效。通过创新管理模式与优化培训方案，有效促进了学生综合素质的提升，为学生未来职业发展筑牢根基，同时也为其他机构提供了具有参考价值的实践范例。

Graphical abstract

关键词

大型仪器 / 扫描电镜 / 仪器管理 / 学生能力培养

在高等教育持续发展的进程中，培养具备独立科研能力、问题解决能力、职业胜任力以及良好职业素养的学生，已成为高校人才培养的核心任务之一^［1］。扫描电镜作为科研领域中重要的大型仪器设备，其培训与管理环节不仅关系到仪器的高效利用，更是提升学生综合能力的关键路径^［2］。西安交通大学化工学院在扫描电镜培训及管理方面所进行的改革实践，对学生综合能力的发展产生了积极且深远的影响。

仪器设备是高校重要的办学资源，是一流大学建设的重要支撑^［3］。高校仪器平台不仅是科研工作的重要组成部分，更是培养高素质创新人才的重要保障，对于学科建设、人才培养都具有重大意义^［4］。目前场发射扫描电子显微镜（以下简称扫描电镜）因其在纳米尺度可视化观测方面的优势^［5］，各大高校和科研单位需求很大，且仪器价值一般在百万以上，因而高校需要提高相关仪器的使用效率，充分释放其服务潜能^［6］，贯彻落实《国家重大科研基础设施和大型科研仪器开放共享管理办法》（国科发基〔2017〕289号）。优化SEM培训方法和管理制度可大大提升仪器的使用效率，助力校内外科研单位的研究发展，为多元化人才培养和新工科项目的推进提供有力支撑^［7］。

扫描电镜操作较为复杂，对使用者的仪器原理掌握和测试技能有较高的要求^［8］。经过调研，兄弟院校的电镜有几种常见的管理制度：第一种是通过培训才能预约使用，弊端是对用户限制因素大，不利于仪器开放共享，大大缩减了客户使用群；第二种是教师或者专职实验员负责操作，弊端是专人管理的人员成本太高，难以7×24 h开放共享，也不利于研究生综合能力的培养^［8-10］。西安交通大学化学工程与技术学院测试平台有32台仪器，而专职实验员只有3人，不仅要接收委托测试样品，协助学生测试、培训学生，还要进行测试记录的核对管理等工作，很难同时兼顾，学生等待时间长，仪器使用率低，大部分学生只能工作时间测试，晚上和周末时间仪器空闲多。因此，必须探索高效管理仪器的方法。

1 管理模式创新：多制度协同促进资源利用与能力培养

1.1 “助管值班-教师辅助”制度

2017~2019年，平台逐步构建起“助管值班-教师辅助”制度。该制度以系统性培训与实践考核为基础，首先对学生开展全面的电镜操作方法与原理培训；经大量实操与严格考核后，助管方可参与电镜值班工作。在日常值班过程中，助管需独立完成不同类型样品的拍摄任务，此过程直接锻炼了其独立科研能力。当遭遇特殊样品或实验突发状况时，助管需灵活运用所学知识，尝试多种操作方案予以解决，从而显著提升问题解决能力。此外，助管在与教师、其他学生的协作沟通中，逐步培养出团队协作精神与责任感，这些要素共同构成了职业素养的核心内容。该制度在提高仪器开放共享率的同时，也为更多学生提供了实践锻炼的机会，有助于提升学生群体的整体职业胜任力。

1.2 非工作时段激励制度

排除2020~2021年特殊原因导致的机时下降，可统计出2019年超过600 h、2023年超过1 400 h、2024年超过1 691 h 的非工作时段机时。可见，区分用户等级、差别培养、实现365 d×24 h全时段开放，可以在很大程度上提高仪器的利用率^［11］。作为操作难度大、应用范围广、收费较高的仪器^［12］，实施非工作时段助管定额免费和自主操作优惠制度，可以鼓励学生在课余时间参与电镜管理与自主实验。在非工作时段独立操作电镜的过程中，学生进一步巩固了操作技能，面对问题时的自主解决能力也得到增强，有助于培养其在科研及未来工作中的自主性与独立性^［13］。

1.3 定期答疑

定期开展的答疑活动为学生搭建了交流学习的平台。学生在获得电镜使用权限后，在实际操作过程中遇到的中、高阶功能使用问题，以及助管在处理特殊样品时面临的困难，均可在答疑活动中共同探讨解决。在这一过程中，学生主动思考、积极提问，培养了批判性思维与主动学习能力，这些能力对于独立科研能力的提升至关重要^［14］。通过与同学、教师的交流，学生不仅解决了实际问题，还拓宽了思路与方法，进一步提高了问题解决能力。

1.4 智能化管理平台的应用

借助学校大型仪器物联网平台（网址：https：//equip.xjtu.edu.cn/home/）和智能门禁系统，实现电镜预约、使用和管理的智能化。利用物联网设置不同级别用户的权限：助管、自主操作用户可预约所有时段，可随时添加、删除预约；普通用户只能预约工作时段，最早提前一周添加、提前一天删除预约；管理员可以为任何用户随时添加、删除和修改预约，可通过用户群告知临时空闲的机时。配合智能门禁系统，不同的权限设置可保障实验室安全有序运行，学生可通过自主预约锻炼资源管理能力，强化规则意识和安全意识，促进职业素养的提升^［15］。具体流程如图1所示。

2 培训方案创新：分层递进提升学生技能与综合素养

2.1 培训方案优化历程

历经8年的实践探索，依据学生反馈与考试结果，对扫描电镜培训方案进行了持续优化。

【方案1】培训时间2.5 h，每周一次，一次性讲完电镜基本操作方法、基本原理、BSE（背散射）探头及EDS（能谱）探头的使用方法，培训后每人2.0 h练习时间。

【方案2】分两次培训，SEM基本原理及操作培训1.5 h，EDS操作培训1.5 h，每次培训后每人1.0 h练习时间。

【方案3】分三次培训，SEM基本原理及基础操作培训1.0 h，SEM中级培训1.0 h（含BSE操作方法），EDS操作培训1.5 h，每次培训后安排每人0.5 h练习时间，考前每人增加1.0～2.0 h练习时间。

【方案4】零基础用户参观学习3.0 h，SEM基本原理及初级操作培训1.0 h，SEM中级培训1.0 h（含BSE操作方法），EDS操作培训1.5 h，每次培训后每人0.5 h练习时间，考前每人增加1.0～2.0 h练习时间。

考试样品分别为：ZrO₂纤维膜、碱式碳酸铜颗粒、海胆状MnO₂、混合金属氧化物颗粒。为保障考试公平性，考试样品由培训教师统一制备，考试题目保持每次相同。

方案1由于内容繁多、难度较大，学生学习困难。经过逐步调整，最终形成方案4。方案4将培训划分为参观学习助管值班、SEM基本原理及初级操作培训、SEM中级培训、EDS操作培训4个阶段，并合理安排练习时间。这种循序渐进的培训方式契合学生的认知规律，有助于学生逐步掌握电镜操作技能，提升学习效果。随着培训方案不断优化，学生考试成绩与通过率显著提高（表1），这不仅体现了学生知识与技能的提升，更反映出学生在学习过程中独立思考、自主学习能力的增强，为独立科研能力的培养奠定了坚实基础。

2.2 培训详细方案对学生能力素养提升的作用

设计分层递进的培训内容，包括参观学习、基础培训、中级培训和能谱培训。参观学习帮助低年级和零基础学生建立感性认知；基础培训简化内容、降低难度，提升学生自信心和实践动手能力；中级培训深入讲解专业操作技巧，培养创新思维和问题解决能力；能谱培训单独设置，满足不同层次学生需求，培养数据分析能力和科学思维能力。

（1） 报名选拔。选拔近三个月测试量大、预做助管、长学制低年级的学生优先培训，这一选拔方式有效激发了学生的学习动力与积极性。学生为获取培训机会，主动了解电镜相关知识，制定学习计划，在此过程中培养了自主学习能力与目标规划能力，这些能力是独立科研能力的重要组成部分。

（2） 参观学习。针对低年级和电镜使用经验较少的学生，参观学习助管值班环节使他们对样品制备方法和电镜操作流程形成初步认识。从培训效果来看，增加参观学习环节后，培训最低分和通过率整体提高，表明这一环节增强了学生学习电镜操作的信心，为后续深入学习创造了有利条件。

（3） 基础培训。基础培训简化内容，聚焦关键操作，降低学习难度，有效减少了学生的畏难情绪，提升了学生的自信心。弃考率下降，表明这种培训方式提高了学生参与培训的积极性，有助于培养学生对科研实验的兴趣与坚持精神，这些均为职业素养的重要体现。

（4） 中级培训。中级培训深入讲解高倍模式拍摄、特殊样品制样方法以及背散射探头使用等实用技巧，提升学生的实验技能与专业知识水平。从成绩数据来看，培训后学生的最高分、75分以上人数和平均分百分比显著提升，表明中级培训对学生能力的提升效果显著，为学生在科研工作中独立开展实验提供了有力支持。

（5） 能谱培训。单独设置能谱培训，并合理安排教学内容，使学生掌握能谱常用操作和基本数据处理方法。对于有更高需求的学生，提供后续的答疑和高阶培训，满足了不同层次学生的学习需求。在能谱培训过程中，学生通过实际操作和数据处理，培养了数据分析能力与科学思维能力，这对于独立科研能力的提升至关重要。同时，这种分层教学的方式也促使学生学会根据自身情况制定学习计划，提升了自主学习能力与自我管理能力。

（6） 上机考试。上机考试全面考核学生的电镜操作技能，采用百分制评分，85分以上可获得助管权限，70分以上可获得自主操作权限。在备考过程中，学生自主复习、总结知识点，通过模拟练习不断提升操作技能与应对问题的能力，培养了独立学习和问题解决能力。在考试过程中，学生需在规定时间内独立完成各项任务，锻炼了时间管理能力与抗压能力，这些能力在未来的科研和工作中至关重要。

从上述结果来看，小规模短周期的培训有利于考生分数和通过率的提高，培训方案细化、单次培训内容适量有利于学生总体成绩的提升。

3 改革成效与学生综合发展成果

历经8年，扫描电镜培训及管理改革取得了显著成效。在学生综合能力提升方面，学生的独立科研能力、问题解决能力得到有效锻炼，能更加自信地独立开展科研项目，面对复杂问题时能够运用所学知识和技能进行分析和解决。职业胜任力显著增强，学生在实验技能、团队协作、沟通交流、时间管理等方面均取得明显进步，为未来职业发展做好了充分准备。在职业素养方面，学生在培训和管理过程中逐渐养成了严谨认真、负责自律、勇于探索的良好品质。在仪器管理和科研成果方面，电镜开放共享机时大幅增加，管理制度的优化实现了3名管理人员对25台大型仪器设备的高效管理，该扫描电镜获评优秀机组，学院分析测试平台连续五年获得先进公共平台。学院高水平论文数量从2018年的128篇提升到2024年的371篇。经过小规模调研，自2023年以来，本院参与大学生竞赛获得金奖、银奖的学生及优秀标兵、国奖获得者，助管比例达到11.7%，电镜拍摄比赛参与的两名同学全部为电镜助管，其中一人获得奖项。统计近两年毕业生从事仪器管理的相关工作或者有从事相关工作意向的同学，助管比例高达85%。这些成果不仅体现了仪器使用效率的提高对科研实力的积极推动作用，也反映出实验教学对学生综合能力提升和职业胜任力提高的积极影响。

4 结论

西安交通大学化学工程与技术学院在扫描电镜培训及管理方法改革方面的成功实践，充分验证了科学合理的培训与管理模式对学生综合能力提升的重要意义。通过创新管理模式和优化培训方案，学生的独立科研能力、问题解决能力、职业胜任力与职业素养等得到了显著提升。

身处当今信息爆炸的时代，国家平台作为一种新兴的教学工具，在“双减”背景下的九年级化学教学中展现出显著的优势与巨大的潜力。同时，我们也必须正视其应用存在的不足之处，并努力加以改进和完善。巧妙运用国家平台，教师不仅能够激发学生的学习兴趣，提高学习效率，还能助力学生更深入地理解化学知识，促进他们对化学知识的掌握与运用。展望未来，我们应继续深入探索国家平台在教学中的实践应用方法，为教育领域的持续发展注入新的活力。教师要通过不断优化教学设计，将国家平台资源与自身课程完美融合，提升自身的信息素养和技术能力，更好地发挥国家平台的教学优势，推动九年级化学教学的持续改进与提升，为学生的全面发展奠定坚实基础。

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[16] 更加得心应手地利用这一现代教学工具。学校亦可通过组织专业的培训与交流活动，提升教师的信息素养和技术能力，使他们能够更好地运用国家平台进行教学。在日常应用中总结提升，发现国家平台资源的缺陷之处，及时补充和完善，从而为充盈平台资源作出自身的贡献。

[17] 结语

基金资助

国家自然科学基金（面上）“基于集成模块动态重组的多化学品生产系统重构机制与优化设计方法”(22378323)