基于材料類專業研究生能力培養的大型儀器設備開放管理探索

摘 要 大型儀器設備在材料類專業研究生培養中發揮著重要作用。結合合肥工業大學材料科學與工程學院X射線衍射儀實際情況，在管理人員、管理制度、培訓制度、預約制度等方面對大型儀器設備的開放管理進行一系列探索，以更好地發揮大型儀器設備的作用和功能，增加研究生接觸大型儀器設備的機會，提升研究生的實踐操作能力、創新意識和責任意識等高階能力。

關鍵詞 大型儀器設備；材料類研究生；實驗；開放管理；X射線衍射儀

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）18-0038-04

0 引言

研究生教育作為教育結構和人才培養體系的塔尖[1]，肩負著為社會發展輸送高層次創新人才的重任，是培養高素質、高水平、創新型人才的主要途徑[2]，是一個國家增強國力、提升創新力和國際競爭力的堅固基石，在促進社會經濟發展、文化進步等方面發揮著重要作用。研究生的數量與質量是衡量一個國家研究生教育水平的兩個維度。經過40余年的快速發展，我國每年培養的研究生數量已經位于世界前列，但質量上還不盡如人意。而研究生教育水平是一個國家發展水平和現代化進階的重要標志[3]。現代化強國建設離不開高質量的研究生教育，我國也因此于2020年首次召開全國研究生教育會議，這標志著我國研究生教育由快速發展轉向高質量發展[3]。我國研究生教育改革正以更加寬廣的視野和更加深邃的眼光，朝著推動研究生教育體系轉型升級的目標，更加全面、更加系統、更加深入地推進，努力到2035年初步建成具有中國特色的研究生教育強國[1]。

大型儀器設備是高等院校進行教學、科研和開展社會服務的重要保障，對提高教學質量和科研水平具有重要作用。相較于本科生教育，研究生教育更側重于培養學生分析和解決問題的能力、實踐創新能力，尤其重視強化研究生進行科學研究的能力。當前，大型儀器設備已成為高校加強高層次人才培養和提高科研水平的重要保障[4]，在創新人才的培養方面發揮著重要作用[5]。作為我國科學研究前沿陣地的一支生力軍，研究生掌握儀器設備尤其是大型科學精密儀器設備的原理、操作和數據分析方法，對他們從事的科學研究的順利開展有重要的作用。因此，在研究生培養過程中，應注重培養研究生的大型儀器操作能力和數據分析能力，強化實踐操作能力的培養[6-7]。

合肥工業大學材料科學與工程學院實驗中心成立于2013年，目前，共有各類專業實驗設備近650臺（套），在合肥工業大學大型儀器設備綜合管理平臺上線32臺（套），包括X射線衍射儀（XRD）、熱場發射掃描電子顯微鏡（SEM）等，總價值達3 229萬元。材料類專業的科學研究是建立在表征基礎上的，對X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等大型精密儀器設備的需求度非常高，材料類專業的研究生掌握這些大型精密儀器的使用方法是非常必要的，對于對專業的理解、科研的順利開展、實踐創新等高階能力的培養都有非常重要的作用。因此，本實驗中心的大型設備都是對研究生全天候開放的。本文將以X射線衍射儀的開放為例，圍繞培養研究生的學習能力、實踐創新能力和責任意識的目標，闡述如何實現XRD全面高效開放。

1 XRD開放過程中存在的問題

合肥工業大學材料科學與工程學院實驗中心的XRD是日本理學公司生產的，型號為Smartlab，于2017年購置，原值88.9萬元，自購置以來，一直為教師和研究生的科研服務。XRD之前由學生或科研助理代為管理，由于他們沒有扎實的專業知識背景，對大型儀器設備原理理解不透徹，對儀器的構造、日常維護和使用過程中的注意事項等不夠重視，并且沒有形成完善的管理制度和培訓體系，造成了以下兩個方面的問題：

1）設備得不到很好的維護，經常出現問題甚至配件損壞，設備使用效率低；

2）由于缺乏系統專業的培訓，研究生只是按部就班地進行操作，并不知道為什么要這么做，淪為操作工，不利于實踐能力和創新意識的培養。

2  XRD設備開放管理探索

為提升大型儀器設備的使用效率，更好地為教師和研究生的科研服務，同時增加研究生接觸大型儀器設備的機會，提升研究生的實踐操作能力、創新意識和責任意識等高階能力，筆者在管理制度和培訓體系等方面作了一系列探索，以期更好地發揮大型儀器設備的作用和功能。

2.1 配備專職管理人員，構建高素質實驗教師隊伍

學院實驗中心構建了高素質實驗教師隊伍，2022年分配具有博士學歷的專任實驗教師作為XRD的管理員。這些實驗教師所學專業均為材料類專業，具有扎實的專業知識背景，責任心強，在研究生階段和科研過程中積累了大量與XRD的操作和數據分析等相關的經驗。此外，實驗教師也會經常參加與XRD相關的培訓和學術會議，通過不斷學習和與同行交流，更新知識體系和管理方式，以更好地服務科研用戶。

2.2 完善管理制度，從制度上約束學生

為了實驗室的安全和正常運轉，學校及學院制定了實驗室規章制度，如《合肥工業大學實驗室安全管理辦法》《合肥工業大學實驗室安全準入制度》《合肥工業大學材料科學與工程學院實驗室安全制度》等。在此基礎上，根據學院XRD的具體情況，實驗中心制定了XRD的專屬管理制度，并報上級領導批準執行。例如：禁止未通過上機考核者單獨操作設備；禁止未預約者擅自使用設備；測試時需攜帶預約單，預約單上應有導師審核記錄或簽字；測試特殊（如有毒、易燃、易爆、易潮解、易腐蝕、易揮發等）樣品，務必提前告知管理員，經管理員同意后，才能測試；測試時遇到疑問或異常情況，請及時聯系管理員，不得盲目操作；請用光盤拷貝數據，禁止使用優盤；測試結束后，做好清理工作，確保所有物品歸位，并做好使用記錄，所測粉末等樣品務必帶離實驗室等。

XRD對研究生開放時，設備管理員會不定時去查看。此外，全校各個實驗室均安裝攝像頭，設備管理員可以通過視頻監控系統實時監測操作者的操作是否符合規范，各個實驗室的畫面會在學院大廳顯示屏上滾動播放。當研究生知道自己在實驗室中的一舉一動是在監控中時，也會提高對自己的要求。

一系列實驗室規章制度的制定和完善的監控系統不僅可以保證XRD的安全和正常運轉，還可以增強研究生的規則意識和責任意識，促進研究生培養質量的提高[8]。

2.3 完善培訓制度，切實提升研究生實踐技能，激發創新意識等高階技能

2.3.1 編寫XRD培訓教程，提升培訓質量

為了讓研究生更好地掌握XRD的操作步驟、數據分析、注意事項等，實驗中心制定了完善的培訓制度。每年9月份組織一次集中培訓，其他時間會根據情況進行分散培訓。集中培訓時，為了獲得較好的培訓效果，將報名的學生分成小組，每組4～5人。實驗中心通過查閱XRD說明書和大量的文獻資料，編寫了詳盡的培訓教程，分為五大部分：制樣方法、操作步驟、數據處理、常見問題及解決方案、管理規范。

1）制樣方法：由于XRD可以測試的樣品的種類很多，如粉末狀、液體、塊狀（斷口、非斷口、薄膜、片狀、圓柱狀、纖維等），對于不同形態的樣品，制樣方式和要求也有所差異，因此，實驗中心會針對每種樣品的制樣方式和要求給出標準制樣方式。

2）操作步驟：包括開機、裝樣、測試參數的設置、關機等步驟。

3）數據處理：介紹了最常用的XRD數據處理軟件Jade的用法，如物相定性分析、平滑、擬合、計算晶粒尺寸、計算結晶度等。

4）常見問題及解決方案：羅列幾個常見問題及其解決方案，如測試窗口被誤關了應該怎么解決。

5）管理規范：羅列XRD實驗室的專屬規章制度，如測試樣品無論回收與否，必須帶離實驗室，禁止丟入垃圾桶。

在培訓前，教師會將XRD培訓教程和相關資料上傳至XRD測試交流QQ群，供學生查閱，讓學生提前對XRD的制樣規范、操作步驟、注意事項等有一定的了解；同時，發布調查問卷，了解學生對XRD的原理、操作和注意事項等方面的疑問，據此制定相應的培訓方案，以取得更好的培訓效果。

2.3.2 實施以學生為中心的培訓過程，融入思政元素，提升學生的理論素養和實踐創新能力

在培訓過程中，以學生為中心，可以激發學生的學習熱情，使他們從被動接受向主動學習轉變。雖然是以學生為中心，但是也不能忽視教師的引導啟發作用，在培訓過程中，教師可以向學生拋出一些具有啟發性的問題來引發學生積極思考。如XRD的工作環境非常嚴苛，溫度應控制在（22～25）±2oC，濕度控制在65%以下，那為什么要有這樣的要求呢？其實，很多學生進入大型精密設備的存放房間時會感覺到很冷，但是從來沒有想過原因。在學生思考和討論后，教師會將學生的思路引導到XRD的測試精度的影響因素上來，學生就會恍然大悟。這種以學生為主體，輔以教師引導啟發的培訓模式，除了能夠使學生獲得知識外，還可以培養學生主動探索獲取知識的意識和思維。

據前期調研發現，很多研究生在操作設備時，只是按部就班地執行每個步驟，并不知道設備工作原理，淪為了一個操作工，在出現問題時，無從下手，不知如何處理。培訓過程中，注重理論知識和實踐操作的結合，讓學生明白了解設備工作原理的重要性，在研究生階段不斷提升理論素養。比如，學生在本科和研究生階段都已經學過材料分析測試方法等相關理論課程，對XRD的基本原理有了一定的了解，但是他們對XRD的工作原理可能還是一知半解。所以在培訓過程中，教師會結合XRD的構造，講解XRD的工作原理。在真真切切看到XRD實物，了解其工作原理后，學生會對整個操作步驟和注意事項有更加清晰的認識，會更牢固地掌握操作步驟和注意事項等內容，為獨立操作打下堅實的基礎。

正所謂“知其然更要知其所以然”，因此，在整個培訓過程中，教師會首先讓學生思考操作每一個步驟的原因，而不僅僅是告知某個時刻需要做某一步。如果不知道做某一步的原因的話，學生的記憶就不會那么牢固，在操作設備時，有可能因為忘記某個步驟而對設備造成不可逆的損害。比如，XRD在開機時，需要老化，那為什么要老化呢？很多學生并不知道。當讓學生知道老化就是預熱過程，對光管來講是在不斷提升燈絲的適應能力，對轉靶來講是防止放電導致快速脫氣影響真空。在清楚知曉XRD需要老化的原因后，學生在操作時忘記這個步驟的概率就會大大降低。再比如，XRD為什么要配備冷水機？因為光管發射出的X射線95%的能量會轉變成熱能，為了冷卻光管，延長其使用壽命，并且從安全的角度考慮，必須配備冷水機，而且冷水機的溫度應設置在23±2oC，這是為了跟XRD工作環境溫度匹配，設置溫度過低，光管上可能會結霜，溫度太高，又起不到冷卻的作用。因此，出于安全和保護光管起見，XRD需要配備冷水機，并且應密切關注XRD的工作環境和冷卻水的溫度。

此外，由于研究生階段的學生思維活躍、創造性強，因此，在講解XRD時，教師還會適時地融入一些思政元素。比如，介紹X射線是1895年由德國倫琴發現的，從此打開了研究微觀世界的大門，并且倫琴因為這項成就于1901年獲得了首屆諾貝爾物理學獎[9]。X射線的發現及其研究，為物理、化學、生物學、醫學、天文學等學科的發展提供了革命性的研究分析手段。一束X光照亮了科學研究的康莊大道，啟迪了無數科研人員，到目前為止，催生了二三十項基于X射線技術的諾貝爾獎[10]。通過這些內容激發學生的科研熱情，鼓勵學生不畏艱難，勇攀科學高峰。

2.3.3 強調注意事項，增強學生的安全意識

在整個培訓過程中，會特別強調一些注意事項。如在需要打開XRD的儀器門時，應點擊“DOOR LOCK”按鈕，機器會發出蜂鳴聲，在聽到“鐺”的一聲后，把門打開，放置好樣品，關閉儀器門后，點擊“DOOR LOCK”按鈕，蜂鳴聲消失。這其實是儀器設備的保護機制，因為XRD屬于特殊的大型儀器設備，會產生X射線，X射線屬于電離輻射，一旦長期或過量作用于人體，將對人體的免疫能力、血液系統、生殖系統等造成嚴重危害，如果XRD儀器門沒有關閉，就有可能發生X射線外泄，對測試者造成傷害。“DOOR LOCK”按鈕的設置就是為了提醒測試者是否可以打開門進行測試，是否將門關閉。比如，實驗中心要求學生在測試結束后，無論回收與否，必須將樣品帶離實驗室，如此規定的目的是防止不同測試人的樣品發生化學反應，或者有些樣品自燃，危害實驗室安全。這些注意事項，實驗中心在培訓過程中會多次強調，并把嚴重性告知學生，讓學生繃緊“安全第一”這根弦。

2.4 完善預約制度，提高XRD的使用效率

參加完培訓后，學生經過一段時間的操作練習，經過嚴格的考核，考核合格后，方可取得上機資格證書，即可以通過合肥工業大學大型儀器設備綜合管理平臺預約自主上機測試。實驗中心在此平臺上設置XRD的開放時間為工作日的9：00—17：00，由學生根據實驗安排自行預約時間段進行測試。經過一段時間的運行后，實驗中心發現這樣的開放方式帶來一個問題：上一個和下一個測試人之間通常是有時間間隙的，導致開放時間段不能被完全利用，造成XRD使用效率較低。因此，為提高XRD的使用效率，更好地服務用戶，經過討論后，實驗中心制定了這樣的XRD預約方式：大型儀器設備綜合管理平臺系統中的XRD開放預約時間為周日至周四的16：00—24：00，用戶可以在這個時間段預約。實驗中心會按照預約的具體情況安排次日XRD上機測試時間（周一至周五的9：00—17：00），并于次日上午9：00之前將安排結果發布在XRD測試交流QQ群中，學生按照安排表進行測試。實驗中心還作出以下規定。

1）如果未在規定的時間段內測試，視為放棄，不再于當日補充機時。

2）如果在預約的時間段未測試完畢，也應停止測試，不應耽誤其他學生的正常測試；如有問題，請與管理員聯系。

此外，實驗中心還作了以下人性化的考慮。

1）有特殊需求的學生在預約時可以備注也可單獨聯系管理員告知需求，管理員安排測試時會酌情考慮。

2）如遇突發情況，無法在被安排的時間段進行測試，可以自行與當天其他時間段的學生調換，也可以聯系管理員取消預約。

實踐證明，這樣的預約制度更加科學與合理，不僅使XRD使用效率大大提高，而且培養了學生的時間管理能力、溝通交流能力等。

3 結束語

對材料類研究生而言，具備大型儀器設備操作和數據分析能力是至關重要的。本文針對XRD在開放過程中存在的一些問題，從管理人員、管理制度、培訓制度、預約制度等方面進行改革與完善。完善的管理制度、科學合理的培訓體系和預約制度不僅可以提高研究生的實踐操作能力，而且對研究生責任意識、創新能力、時間管理能力、溝通交流能力等高階能力的提升也大有裨益。同時，管理人員應根據學生、儀器設備和用戶科研需求等具體情況，持續改進管理和培訓制度。

4 參考文獻

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