材料科學與工程專業研究生儀器分析能力培養*

張競成，錢 剛，章天賜，張 勇

(1 合肥工業大學分析測試中心，安徽 合肥 230009；2 合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009)

材料科學與工程專業主要是研究材料成分、結構、制備工藝以及性能和應用的學科。根據國務院學位委員會頒布的《授予博士、碩士學位和培養研究生的學科、專業目錄》，材料科學與工程是工學學科中的一級學科，下設材料學、材料物理與化學以及材料加工工程三個二級學科。目前專業的主要研究方向為：金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、耐磨耐損材料、新能源材料、納米材料與功能器件、材料加工等。隨著學科的快速發展和不斷革新，材料的制備、表征和性能測試都離不開儀器設備的輔助。因此，在研究生的培養過程中，不僅要培養學生的基礎理論知識，更要培養研究生具備相應的儀器分析能力，才能夠利用多種大型設備對材料的性能進行測試，對結構形貌等進行表征，對材料的形成制備機理進行研究。

1 培養材料科學與工程專業研究生儀器分析能力的意義和必要性

人類文明的發展離不開科技的進步，其中材料學科的興起和發展為人類社會發展提供了巨大的推動力。為了尋求更有效的材料，提升材料的性能，降低成本和對環境的污染和破壞。人類一直以來致力于研究新型材料。例如新能源材料，高強度的高分子材料，低污染的自降解材料，形狀記憶類合金材料，以及可用于生物器官打印的生物材料等等。然而，如何掌握新型材料的設計和制備，首先就需要對材料的性能，成分和結構有充分的認識和掌控，這就需要研究人員具有對材料全方位的解析能力。

隨著材料技術的快速發展，大型精密儀器分析是從事材料結構研究必備的手段。現在新型材料的設計和結構表征都離不開儀器分析。例如，用于物相分析的X射線衍射儀；用于形貌和結構觀察的掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡；用于元素成分檢測的能譜儀和ICP-MS；用于元素價態分析的X射線光電子能譜儀等等。因此，在培養材料科學與工程專業研究生的科研水平中，儀器分析能力的培養是不可或缺的環節。

近些年，隨著我國經濟社會的發展，研究生的教育也得到了大力發展，國家和社會對研究生的各方面能力的要求也越來越高。其中，實踐能力、操作能力和科研能力，是研究生所要具備的三個基本能力[1-3]。對于材料學科類研究生來說，儀器分析能力，對于其從事的科研項目的順利實施至關重要，不僅可以提升其科研水平，還可以拓展研究生的就業面，滿足社會對于精密儀器分析類人才的需求。因此，加強材料科學與工程專業研究生儀器分析能力的培養，不僅僅是材料學科自身發展的要求，也是全社會對儀器分析類人才的需求。

2 材料科學與工程專業研究生儀器分析能力培養過程中存在的問題

由于材料學科發展對儀器設備的需求，目前，國內大部分高等院校都相應開展了材料學專業方面的儀器分析課程，例如《材料分析測試方法》，《儀器分析》等課程。但是由于集中式教學的需要，學校硬件設施的限制，儀器分析類課程主要是在研究生入學第一年，且尚未開展科研工作時開設的，其實驗課時較少，上機操作的機會也不多。那么其帶來的主要問題是學生很難在短時間內理解和消化儀器分析類知識，對于研究生的儀器操作和分析能力的培養效果并不明顯[4-5]。

另一方面，隨著科技的發展，精密設備不斷推陳出新，儀器的功能也在革新拓展，很多儀器設備的高級拓展功能也被逐步開發出來。例如通常我們理解X射線衍射儀只是用來測試物相的，現在卻可以用來測試薄膜厚度，納米顆粒的粒徑分布等等。然而儀器分析類課程講授的儀器應用往往存在嚴重的滯后性，不僅不能介紹儀器的發展方向，還可能由于介紹了很多滯后的信息，給學生在儀器分析上帶來了更多的困惑。因此，要想將儀器分析課程上好，首先就是授課老師要不斷更新設備的知識，而不是停留在幾年前甚至十幾年前的課本上進行照本宣科。況且材料學專業方向較多，例如新能源材料，金屬材料，非金屬材料，高分子材料等等，儀器分析在不同研究方向上，甚至不同的科研項目，其材料的前處理和測試方法也大相徑庭。這就需要授課老師的知識面必須寬泛，以滿足不同方向的需要[6-7]。

目前中國的大學發展也是極度不平衡的，很多學院乃至整個大學，儀器分析類課程常因為設備的缺乏，不僅沒辦法給學生上手操作，可能連展示的機會都沒有，比如球差透射電鏡，絕大部分學校都不具備，又如何在儀器課程中展示呢，甚至很多院校連掃描類的電鏡都缺乏，不僅儀器分析課程停留在紙面上，科研開展起來都很困難，更談不上研究生儀器分析能力的培養。因此，在學校層面上，設備齊全才能從硬件上保障研究生儀器分析能力培養的順利有效開展。

3 培養材料科學與工程專業研究生儀器分析能力的實施方法

3.1 調研并制定不同專業方向的研究生對儀器分析的培養方案

調研材料科學與工程專業不同學科方向和課題組的研究生在項目研究過程中所需要的儀器分析和其已掌握的基本情況，在儀器分析的理論課上著重講述普適性的儀器分析和其最新進展，而在實驗操作課程中則可以根據不同研究方向進行分組，有的放矢，針對性培養學生急需掌握的相關儀器的分析能力。

如此，在學生掌握了儀器分析的基本理論基礎上，將不同專業研究方向的研究生在儀器分析能力的培養上進行劃分，突出并針對性培養研究生的儀器分析能力，探究材料學科研究生儀器分析能力培養的新模式。

3.2 基礎理論、上機操作和數據分析相結合的新模式

儀器分析類課程應該是基礎理論，上機操作和具體應用三方面結合的課程，因此課程的開設必須考慮到三個方面的相輔相成，有機統一，才能發揮課程的意義。

首先，基于學院理論授課老師，開設大班教學，集中講述各類材料學科所需的儀器設備的基本原理，應用和發展動態，一般需要10個課時以上。

再次，基于院校級設備共享平臺，提供所需的分析類儀器，包括結構表征類儀器設備，性能測試類儀器設備以及特殊材料制備類儀器設備。由專門負責設備管理的老師承擔上機實驗課程，一般可分成少于5人的小組，分批進行實際演練和操作，著重培養學生的儀器操作能力，預計每臺設備每個學生至少保證4個機時。上機用的樣品必須有針對性和典型性，也可以允許學生自帶樣品。

最后，由具有豐富儀器分析和應用的老師進行數據的后處理指導，集中講述各類分析軟件的使用和測試中所需注意的事項，可開設大班教學或講座，以演示為主，主要講述分析類軟件的使用和注意事項，每類儀器設備至少需要1個課時。

3.3 跨學科的培養模式

隨著學科的交叉發展，科研項目的多元化要求，材料學科類的研究生可能還需要掌握有機化學類儀器分析，例如超導核磁共振波譜儀，紅光光譜儀，紫外分光光度計等。或者生物化學類的儀器，例如高效液相色譜儀，氣相色譜儀，質譜儀等。因此，學科的發展對儀器分析的能力提出更高和更多元化的要求。

在調研不同研究方向的同時，也可以逐步探索將不同學科的儀器分析進行有機統一，模塊化教學，逐步實踐交叉學科綜合分析能力的培養。讓一些跨專業研究的研究生也可以自行選課，更好地幫助他們完成課題研究，進一步提升研究生的儀器分析能力。

4 結 語

材料科學的發展離不開儀器分析的進步發展，儀器操作及分析能力的培養對于材料科學與工程專業的研究生也尤為重要。基于院校級的設備平臺，制定多樣化的培養方案，探索并實踐基礎理論、上機操作和數據分析相結合的新模式，以及交叉學科綜合分析能力的培養。既針對性提升了材料科學與工程專業研究生儀器分析能力，也為國家和社會輸送了全面發展的人才。