關于學科本身

本篇文章中的“精密儀器（精儀）”指的是教育部《普通高等學校本科專業目錄》中的“儀器類（0803）”。含“測控技術與儀器（080301）”一個細分專業。精密儀器系（精儀系）的稱呼來自清華的院系設置。

Problems

精密儀器專業是什麼？造儀器嗎？

精密儀器與其說是一個學科，不如說本身就是很多學科的交叉集合體。

在儀器系統中需要用到的“光、機、電、測、控”中，光學與測量是精密儀器系主導，而機械、電子與控制本身就是其他學科的内容。

很多同學對工科的興趣都起源于自己動手制作或拆裝一些東西，比如小家電、電子積木、電動玩具等。在拆裝東西時不知道某個部分的用處，以至于裝完少了或者多了零件，都是常事。

還有一些同學對工科的印象來自于一些電影中的工程師或程序員，在鍵盤上一頓敲，插幾根線，就能解決各種問題。

從過來人的視角看，前者是菜鳥工程師的初體驗，而後者則是對大牛工程師的想象。

真實的工程師大緻介于兩者之間。與物理學家不同，工程師面對的是不光滑的平面，不完美的柔性體，含有各種亂流的流體；通過測量和反饋控制等手段，結合物理學家的理論與真實對象上的實驗，人類搭建了自工業革命起到如今信息時代的科技大廈，覆蓋了生活的方方面面。

如果說物理學家決定了文明的上限，那麼工程師就決定了文明的下限。

具體到工學中的精密儀器這一學科，精密儀器包括測控技術與光學，為什麼看似關系不大的這兩部分會出現在同一個學科，它們又各自和“精密儀器”這個名字有什麼關系呢？我們一點一點看。

光學技術經常被用于微小量的放大，從而實現精密測量。利用光沿直線傳播的特點，微小的角度變化可被轉化為較大的位移變化并被進一步測量；而因為光的波長通常在微米到納米級，光的衍射、幹涉等現象同樣可以用來測量微小位移和形變。

圖為三坐标測量儀，使用光學技術進行精密測量的典型例子

測控技術也是工學的重要組成部分，18世紀瓦特的蒸汽機飛球調節器可以測量轉速并自動控制蒸汽量，是最早的自動測控系統；而如今的工業生産與生活中，到處都是傳感器、處理器和執行器組成的測控系統。精度越高，對測控系統的要求也就越高。

測控系統中，傳感器将那些多種多樣的物理信号變為可以被處理器感知的電信号，處理器計算傳感器的輸入給出執行器的輸出，而執行器通過電信号再去影響物理系統，形成一個閉環，從而使系統面對各種噪聲幹擾時維持穩定。

一台精密儀器往往包含“光機電測控”，即光學、機械、電子、測量、控制幾個部分。

精密測量一些物理量需要光學；光學設備、應變電阻等傳感器，電動機等執行器，都需要特定機械結構發揮作用；傳感器信号的放大、去噪聲、讀入處理器，以及處理器本身，執行器的驅動，都離不開電子；而測控負責将各個零部件結合成一個整體。因此，精密儀器是綜合性非常強的學科，掌握各方面知識才能設計出好的儀器。

圖為原子力顯微鏡（AFM）測得的分子結構，AFM是人類目前使用的精度最高的測量儀器之一

精密儀器工程師在工作中不能像初學者一樣手忙腳亂，也不會像電影裡展示的那樣胸有成竹，儀器的設計與制造總體上是一個螺旋上升的過程。

對于一個任務，選擇一個物理模型，挑選模型所需的傳感器，執行器，控制算法，觀察實際系統與模型的偏差，如偏差較大，可以修正模型考慮非理想因素，或加入一些基于工程經驗的補償，再觀察效果，不斷改進。既要進行運籌帷幄的設計，也要有決勝千裡的調試，二者缺一不可。

學科的知識結構

01

本科課程體系

各院校的培養方案中通識類課程與公共課不盡相同，如清華精密儀器系對2016年本科生就要求選修至少3學分的化學課，而其它學校的學分要求可能與之略有出入。但專業課程的安排整體上都是類似的，按照知識從理論到應用大約可分為

基礎課：必修課，通常在大一至大二上學期學完。這些課程與其他工科類專業接近，數理課程整體要求低于理科類專業，而對計算機編程能力的要求高于理科類專業，但低于自動化、電子等信息類專業。

• 數學課程：高等數學、線性代數、複變函數或數理方程，概率論與數理統計
• 物理課程：大學物理（力學、電磁學、光學、熱力學、近代物理）、大學物理實驗
• 計算機課程：計算機程序設計基礎（C、C ）、計算機硬件技術基礎（單片機入門）
• 其他：機械制圖，機械制圖實踐

專業基礎課： 課程分布在大二、大三兩年，是儀器與光學方向都要學習的專業課。這些課程涵蓋“光、機、電、測、控”各個方面，與數理類課程相比，工科專業基礎課往往對思維能力與數學水平要求不那麼高，主要需要記憶知識、運用公式。

後續無論是進行理論研究、實驗研究，或是進入交叉學科，雖不一定用到全部課程的知識，但至少會用到對應的部分。因此，學習後雖未必能記住全部知識，但隻要記住“我學過這個”，日後用到就知道去哪裡查。

這一類課程包括

• 光學課程：工程光學1（幾何光學）
• 機械課程：理論力學、材料力學、機械原理、制造工程基礎
• 電學課程：電工技術與電子技術（電路原理、模拟電路、數字電路）、電路設計實踐
• 測量課程：測試與檢測技術基礎（信号與系統）
• 控制課程：控制工程基礎

分專業後的專業課：這些選修課的内容主要分布在專業分流後。精儀專業的本科生會在高年級被進一步分入儀器、光學兩個大方向，确定去向後需要學習這些在各自領域更深入的專業課，工程性相比專業基礎課更強。這部分課程包括

• 儀器專業課程：儀器設計技術基礎、計算機控制技術、精密儀器設計、微機電系統設計、微納米測量與測試技術等
• 光學專業課程：工程光學2（物理光學）、光電檢測技術、光電儀器設計、光電子技術、光纖技術、納米光學等

02

細分方向

以清華大學為例，精密儀器系分為測控技術與儀器以及光學工程兩個大方向，每個方向下又含若幹研究所，這裡以研究所為單位，對精密儀器專業下的細分方向做一個簡單介紹

儀器科學與技術：

• 微系統技術與應用：微納衛星、微型飛行器等微系統
• 微納測量與控制技術：微/納測量與控制、生化檢測等
• 傳感器與智能儀器：傳感器與智能儀器，以及為滿足大規模複雜測量應用需求的分布式傳感網絡

導航技術：

• 高精度，微機電慣性儀表及其系統，包括MEMS陀螺儀與加速度計等。
• 專用機電控制系統，快速高精度測控系統。

光電工程：

• 納米光學：基于光與納米結構的相互作用，研究具有超常物理特性的新穎納米材料和功能器件
• 體全息存儲與應用：超大容量超快速數據記錄與再現、多通道并行圖像與數據處理
• 光栅與測量：光栅快速數值計算方法、特種光栅、光栅在光譜儀、光栅尺和脈沖壓縮器中的應用等

自動駕駛汽車上的激光雷達技術也屬于精密儀器專業的研究範圍

激光與光子技術：

• 激光探測：激光精密跟蹤、激光光電系統、光信息存儲、無線光通訊、光子信息處理以及激光傳感等。
• 固體激光：高亮度固體激光、微型固體激光、紫外激光、中遠紅外激光器，超短脈沖激光等。
• 光纖光學：高功率光纖激光器、光纖低損熔接等。
• 主動光學：自适應光學實時校正等。

類腦計算：屬于交叉學科方向。其中包含計算機、微電子、電子、自動化、精儀、材料、生物工程等諸多學科，是近年來研究生招生的熱門。

03

交叉學科

精密儀器與其說是一個學科，不如說本身就是很多學科的交叉集合體。在儀器系統中需要用到的“光、機、電、測、控”中，光學與測量是精密儀器系主導，而機械、電子與控制本身就是其他學科的内容。

精密儀器與機械、電子、微電子、自動化、材料、生物與醫學等若幹院系學科均有交叉。

精密儀器的知識結構與大部分交叉學科相比，都是更全面但是更淺。與同樣知識結構全面的自動化相比，精密儀器有着更多的光學、機械、測量類課程，而控制、編程、信息類課程更少。

04

閑話：大學工科和高中理科的區别

高中生接觸的數學、物理、化學、生物都屬于理科，而對工科的接觸很少，在選專業時面對工科專業往往會無從下手。

個人認為，從理科到工科的過渡就是不斷引入現實存在的新的非理想因素，并盡可能降低其影響的過程：高中的“小滑塊”不存在了，變成了有摩擦、會變形，有加工、測量和控制誤差的機械系統；高中的穩恒電流電路不存在了，變成了有各種噪聲幹擾的複雜時變電路。為了減少或補償這些非理想因素對系統性能的影響，就有精密加工、信号處理、閉環控制、算法設計等若幹思路，每個都衍生出大量分支。

科學家的任務是證明一個系統理論可行，而工程師的任務則是把這個理論可行的系統造出來，并滿足速度、精度、可靠性、能耗、成本、壽命等多種指标。

專業前景

精密儀器系本科的培養方案泛用性較廣，各類知識都有一點，但都不夠深入，且整體課程壓力不大。

換言之，本科生最好盡早選擇一個自己意向的去向，并為之付出相應的努力（并延續到可能的碩士、博士階段），才能獲得較好的畢業去向。

下面簡述測控儀器與光學專業畢業生的深造與就業去向。

01

深造

清華，北航等一流院校的測控儀器與光學專業，與其他工科類似，主要深造去向是出國讀研與國内推研，一般不需要考研，本科就業的也極少。

對于出國讀研，因為國外沒有精密儀器這個專業，精密儀器系本科生主要申請的專業是ME機械工程、EE電子工程，CS計算機科學三個。從中也可以看出精密儀器專業作為一個交叉學科的本質。

一流學校在疫情之前出國讀研的比例在20%~30%區間，美國是主要的出國目的地，但由于疫情以及國外工科關鍵專業對中國的限制，未來出國可能會變難。

對于推研，一流院校對于畢業成績在前50%的學生基本都可以拿到推研資格，部分院校的推研資格甚至可以給到80%。推研去向包括同專業，以及機械、電子、微電子、自動化、生物與醫學等相關專業，若是跨專業推研，對成績的要求一般會相對較高，特别是自動化、電子、計算機等熱門方向。

對于普通985，211以至于雙非學校，推研和出國的難度相應上升（參考推研比例約20%），相應考研與本科就業的比例就更高。

在這些學校中，無論是考研還是本科就業，都需要提前規劃，選擇适合自己的考研與就業方向。

02

就業前景

對于大多數工科，主要的就業選擇是選擇學術界或工業界。精密儀器專業自然也不例外。

學術界：适用于對學術有較大興趣，喜歡理論推導多于工程實現的同學。

因國内外各類科研崗位都高度飽和，選擇繼續學術理想一般意味着長時間的激烈競争與在非升即走制度下能否留到最後的問題，因此大多數畢業生都不會走學術路線。如果選擇走學術路線，最好申請對應學術方向的博士，在博士期間專心做科研，發文章。

—Σ—

工業界：适用于大部分同學，特别是對工程有較大興趣，喜歡工程實現多于理論推導的同學。與精密儀器相關的工業界按工作内容，可大體分為以下幾類：

• 硬件：機械設計、電路設計、光學設計、芯片設計等，類似五官與四肢
• 軟件：圖像處理、導航算法、運動控制、用戶界面等，類似大腦
• 中間件：嵌入式系統、傳感器執行器驅動、電機控制等，類似神經系統
• 系統：以上三種的整合，形成一個完整的産品

按類型分：國企、國家研究所的工作環境相對輕松，工作穩定，技術更新慢，薪資較低；而民企薪資較高，技術更新快，但往往工作壓力較大。

按應用領域分：消費級、工業級、航天軍工級産品，對可靠性要求不同，一般可靠性要求越高，使用的新技術就越少。

與精密儀器系大緻對口的工業界的選擇很多，但完全對口的選擇很少。所以如選擇工業界，在本科及研究生階段就要廣泛探索，确定适合自己的方向，有針對性地選課、自學、實習，為就業做充分的準備。

—Σ—

除上文中寫明的工業界去向外，也有一部分精密儀器專業的同學會選擇轉行。比較常見的是轉入金融，CS，選調這三類。

整體上看，選擇這類轉行出路的人數不多，并且最好在本科提前學習相關知識，實習等，通過跨專業推研、考研等手段到相應專業讀研，或本科直接就業。

專業的文化氛圍

作為課程覆蓋面廣但不深的工科，精密儀器專業的學生用在課程學習上的精力不會很多，換言之“内卷”的程度較低。

但課程壓力較小造成學生的個人能力提升主要依賴自學，對“知道自己想要什麼”的要求較高，盡早确定目标并努力的同學會在相應領域成為較優秀的人才，但“混畢業”的同學個人能力得到的提升有限。選擇精密儀器專業，還是更為專一的機械、電子、計算機等專業，主要看個人判斷。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!