材料科学与工程专业研究生仪器分析能力培养*

张竞成，钱 刚，章天赐，张 勇

(1 合肥工业大学分析测试中心，安徽 合肥 230009；2 合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009)

材料科学与工程专业主要是研究材料成分、结构、制备工艺以及性能和应用的学科。根据国务院学位委员会颁布的《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》，材料科学与工程是工学学科中的一级学科，下设材料学、材料物理与化学以及材料加工工程三个二级学科。目前专业的主要研究方向为：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、耐磨耐损材料、新能源材料、纳米材料与功能器件、材料加工等。随着学科的快速发展和不断革新，材料的制备、表征和性能测试都离不开仪器设备的辅助。因此，在研究生的培养过程中，不仅要培养学生的基础理论知识，更要培养研究生具备相应的仪器分析能力，才能够利用多种大型设备对材料的性能进行测试，对结构形貌等进行表征，对材料的形成制备机理进行研究。

1 培养材料科学与工程专业研究生仪器分析能力的意义和必要性

人类文明的发展离不开科技的进步，其中材料学科的兴起和发展为人类社会发展提供了巨大的推动力。为了寻求更有效的材料，提升材料的性能，降低成本和对环境的污染和破坏。人类一直以来致力于研究新型材料。例如新能源材料，高强度的高分子材料，低污染的自降解材料，形状记忆类合金材料，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设计和制备，首先就需要对材料的性能，成分和结构有充分的认识和掌控，这就需要研究人员具有对材料全方位的解析能力。

随着材料技术的快速发展，大型精密仪器分析是从事材料结构研究必备的手段。现在新型材料的设计和结构表征都离不开仪器分析。例如，用于物相分析的X射线衍射仪；用于形貌和结构观察的扫描电子显微镜和透射电子显微镜；用于元素成分检测的能谱仪和ICP-MS；用于元素价态分析的X射线光电子能谱仪等等。因此，在培养材料科学与工程专业研究生的科研水平中，仪器分析能力的培养是不可或缺的环节。

近些年，随着我国经济社会的发展，研究生的教育也得到了大力发展，国家和社会对研究生的各方面能力的要求也越来越高。其中，实践能力、操作能力和科研能力，是研究生所要具备的三个基本能力[1-3]。对于材料学科类研究生来说，仪器分析能力，对于其从事的科研项目的顺利实施至关重要，不仅可以提升其科研水平，还可以拓展研究生的就业面，满足社会对于精密仪器分析类人才的需求。因此，加强材料科学与工程专业研究生仪器分析能力的培养，不仅仅是材料学科自身发展的要求，也是全社会对仪器分析类人才的需求。

2 材料科学与工程专业研究生仪器分析能力培养过程中存在的问题

由于材料学科发展对仪器设备的需求，目前，国内大部分高等院校都相应开展了材料学专业方面的仪器分析课程，例如《材料分析测试方法》，《仪器分析》等课程。但是由于集中式教学的需要，学校硬件设施的限制，仪器分析类课程主要是在研究生入学第一年，且尚未开展科研工作时开设的，其实验课时较少，上机操作的机会也不多。那么其带来的主要问题是学生很难在短时间内理解和消化仪器分析类知识，对于研究生的仪器操作和分析能力的培养效果并不明显[4-5]。

另一方面，随着科技的发展，精密设备不断推陈出新，仪器的功能也在革新拓展，很多仪器设备的高级拓展功能也被逐步开发出来。例如通常我们理解X射线衍射仪只是用来测试物相的，现在却可以用来测试薄膜厚度，纳米颗粒的粒径分布等等。然而仪器分析类课程讲授的仪器应用往往存在严重的滞后性，不仅不能介绍仪器的发展方向，还可能由于介绍了很多滞后的信息，给学生在仪器分析上带来了更多的困惑。因此，要想将仪器分析课程上好，首先就是授课老师要不断更新设备的知识，而不是停留在几年前甚至十几年前的课本上进行照本宣科。况且材料学专业方向较多，例如新能源材料，金属材料，非金属材料，高分子材料等等，仪器分析在不同研究方向上，甚至不同的科研项目，其材料的前处理和测试方法也大相径庭。这就需要授课老师的知识面必须宽泛，以满足不同方向的需要[6-7]。

目前中国的大学发展也是极度不平衡的，很多学院乃至整个大学，仪器分析类课程常因为设备的缺乏，不仅没办法给学生上手操作，可能连展示的机会都没有，比如球差透射电镜，绝大部分学校都不具备，又如何在仪器课程中展示呢，甚至很多院校连扫描类的电镜都缺乏，不仅仪器分析课程停留在纸面上，科研开展起来都很困难，更谈不上研究生仪器分析能力的培养。因此，在学校层面上，设备齐全才能从硬件上保障研究生仪器分析能力培养的顺利有效开展。

3 培养材料科学与工程专业研究生仪器分析能力的实施方法

3.1 调研并制定不同专业方向的研究生对仪器分析的培养方案

调研材料科学与工程专业不同学科方向和课题组的研究生在项目研究过程中所需要的仪器分析和其已掌握的基本情况，在仪器分析的理论课上着重讲述普适性的仪器分析和其最新进展，而在实验操作课程中则可以根据不同研究方向进行分组，有的放矢，针对性培养学生急需掌握的相关仪器的分析能力。

如此，在学生掌握了仪器分析的基本理论基础上，将不同专业研究方向的研究生在仪器分析能力的培养上进行划分，突出并针对性培养研究生的仪器分析能力，探究材料学科研究生仪器分析能力培养的新模式。

3.2 基础理论、上机操作和数据分析相结合的新模式

仪器分析类课程应该是基础理论，上机操作和具体应用三方面结合的课程，因此课程的开设必须考虑到三个方面的相辅相成，有机统一，才能发挥课程的意义。

首先，基于学院理论授课老师，开设大班教学，集中讲述各类材料学科所需的仪器设备的基本原理，应用和发展动态，一般需要10个课时以上。

再次，基于院校级设备共享平台，提供所需的分析类仪器，包括结构表征类仪器设备，性能测试类仪器设备以及特殊材料制备类仪器设备。由专门负责设备管理的老师承担上机实验课程，一般可分成少于5人的小组，分批进行实际演练和操作，着重培养学生的仪器操作能力，预计每台设备每个学生至少保证4个机时。上机用的样品必须有针对性和典型性，也可以允许学生自带样品。

最后，由具有丰富仪器分析和应用的老师进行数据的后处理指导，集中讲述各类分析软件的使用和测试中所需注意的事项，可开设大班教学或讲座，以演示为主，主要讲述分析类软件的使用和注意事项，每类仪器设备至少需要1个课时。

3.3 跨学科的培养模式

随着学科的交叉发展，科研项目的多元化要求，材料学科类的研究生可能还需要掌握有机化学类仪器分析，例如超导核磁共振波谱仪，红光光谱仪，紫外分光光度计等。或者生物化学类的仪器，例如高效液相色谱仪，气相色谱仪，质谱仪等。因此，学科的发展对仪器分析的能力提出更高和更多元化的要求。

在调研不同研究方向的同时，也可以逐步探索将不同学科的仪器分析进行有机统一，模块化教学，逐步实践交叉学科综合分析能力的培养。让一些跨专业研究的研究生也可以自行选课，更好地帮助他们完成课题研究，进一步提升研究生的仪器分析能力。

4 结 语

材料科学的发展离不开仪器分析的进步发展，仪器操作及分析能力的培养对于材料科学与工程专业的研究生也尤为重要。基于院校级的设备平台，制定多样化的培养方案，探索并实践基础理论、上机操作和数据分析相结合的新模式，以及交叉学科综合分析能力的培养。既针对性提升了材料科学与工程专业研究生仪器分析能力，也为国家和社会输送了全面发展的人才。