電子顯微學(xué)研究生課程的教學(xué)改革探討與實(shí)踐

張景懷，巫瑞智，孫揚(yáng)，李茹民，王彥博，譚淑媛，胡寶瑞

摘要：電子顯微學(xué)是一門(mén)與材料、化學(xué)、物理、生物、地礦等領(lǐng)域息息相關(guān)的交叉學(xué)科，這門(mén)課程在各理工科院校都有開(kāi)設(shè)。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐對(duì)電子顯微學(xué)這門(mén)研究生課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探討，提出了改革的思路和一系列相關(guān)實(shí)施措施，有利于提高這門(mén)課程的教學(xué)質(zhì)量，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和效果。

關(guān)鍵詞：電子顯微學(xué)；研究生課程；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G643 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）03-0031-02

電子顯微鏡是人類認(rèn)識(shí)微觀世界的重要手段，高分辨電子顯微鏡把人眼睛的分辯能力從大約0.2mm拓展至亞原子量級(jí)（<0.1nm），大大提高了人們研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的能力。德國(guó)學(xué)者E.Ruska在1932年成功研制第一臺(tái)電子顯微鏡，50多年后的1986年他獲得崇高的諾貝爾物理獎(jiǎng)，這充分說(shuō)明在這期間電子顯微技術(shù)對(duì)科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，得到全球科技界的廣泛承認(rèn)。到目前，電子顯微技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了包括材料科學(xué)、化學(xué)科學(xué)、生命科學(xué)等在內(nèi)的幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域，凡是涉及到納米結(jié)構(gòu)和微米結(jié)構(gòu)，幾乎都離不開(kāi)電子顯微分析，中國(guó)任何理工科高校幾乎都有電子顯微鏡，電子顯微學(xué)這門(mén)課也幾乎在中國(guó)任何理工科高校的相關(guān)學(xué)院都有開(kāi)設(shè)，并且隨著材料、化學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，電子顯微學(xué)課程的地位和作用也越來(lái)越重要。同時(shí)近些年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子信息科學(xué)等的發(fā)展，電子顯微鏡的分析功能得到增強(qiáng)和擴(kuò)大，我國(guó)各高等學(xué)校、科研院所相繼引進(jìn)了具有新分析功能的電子顯微鏡和相關(guān)設(shè)備。因此，電子顯微學(xué)這門(mén)課程在材料科學(xué)等的發(fā)展和相關(guān)研究生培養(yǎng)中的地位舉足輕重，并且要求教材建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容和方法與時(shí)俱進(jìn)、不斷創(chuàng)新。本文作者通過(guò)近年來(lái)對(duì)電子顯微學(xué)這門(mén)研究生課程的教學(xué)實(shí)踐總結(jié)出一些體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)。

一、教學(xué)內(nèi)容中科學(xué)原理與技術(shù)應(yīng)用并重

電子顯微學(xué)是材料學(xué)、化學(xué)等相關(guān)專業(yè)研究生必選的一門(mén)課程，它是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，只有在應(yīng)用中才能更好地體現(xiàn)它的價(jià)值，因此，這門(mén)課程傳授給學(xué)生更多的是一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)、一種研究方法。教學(xué)不僅要傳授原理知識(shí)，更重要的是通過(guò)教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)這一研究方法，能夠做到學(xué)以致用，使學(xué)生在研究生階段和以后的科研道路都受益于這門(mén)課。然而，目前大部分的電子顯微學(xué)教學(xué)還是以基礎(chǔ)知識(shí)和基本原理為主要內(nèi)容，使學(xué)生初步掌握電子顯微分析的基本原理，往往忽視了這門(mén)課程的精髓，即運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解釋科學(xué)研究中遇到的問(wèn)題。因此，電子顯微學(xué)這門(mén)課程的教學(xué)目標(biāo)是不僅使學(xué)生初步掌握電子顯微分析的基本原理，而且能夠正確地運(yùn)用電子顯微技術(shù)和方法開(kāi)展有關(guān)的科學(xué)研究。例如，電子衍射是透射電子顯微鏡的基本功能之一，電子衍射圖可以給出與試樣晶體學(xué)性質(zhì)有關(guān)的諸多信息，從而研究微觀結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。在教學(xué)過(guò)程中，一方面，對(duì)電子衍射的基本原理，即正、倒空間概念、布拉格定律、結(jié)構(gòu)因子等，要向?qū)W生闡釋清楚；而另一方面，能夠正確分析和標(biāo)定電子衍射圖是透射電子顯微術(shù)在材料等科學(xué)研究中應(yīng)用的關(guān)鍵，也是相關(guān)研究者需要掌握的重要技能，因此在教學(xué)過(guò)程中，還要向?qū)W生傳授分析和標(biāo)定的具體方法、各方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)以及在具體操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)，同時(shí)引用自己和同行工作中的典型實(shí)例，這樣使學(xué)生更容易掌握實(shí)際操作步驟，深刻理解其具體應(yīng)用。

二、教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際情況相結(jié)合

經(jīng)過(guò)八十年的不斷發(fā)展和完善，電子顯微術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為材料、化學(xué)、凝聚態(tài)物理、生物醫(yī)用、半導(dǎo)體電子技術(shù)、地質(zhì)等諸多學(xué)科非常重要的研究手段。電子顯微分析涉及多種儀器及附加裝置，包括掃描電鏡、透射電鏡、掃描透射電鏡、電子探針儀、俄歇電子能譜儀、掃描探針顯微鏡等，而且不同儀器又涉及多種電子顯微技術(shù)和方法，例如新型透射電子顯微鏡——高空間分辨率分析型透射電子顯微鏡，可做明、暗場(chǎng)像、高分辨像、高角環(huán)形暗場(chǎng)像、能量過(guò)濾像、選區(qū)電子衍射、會(huì)聚束電子衍射、微電子衍射、電子能量損失譜、X射線能譜等。不同學(xué)科主要應(yīng)用的具體分析技術(shù)和方法不盡相同，由于研究生的課時(shí)有限，全面講述電子顯微學(xué)的所有知識(shí)不現(xiàn)實(shí)，因此，教師在授課時(shí)要有目的地選擇教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生獲得最大收益。要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，教師在選擇教學(xué)內(nèi)容時(shí)除了優(yōu)選一些通用原理、技術(shù)和方法外，更重要的是要緊密結(jié)合本學(xué)院的實(shí)際情況，即本學(xué)院各位老師的主要研究方向，選擇具體的電子顯微知識(shí)，介紹其在相關(guān)學(xué)科的應(yīng)用，這樣才能有效提高課程的實(shí)用性，使學(xué)生能夠真正學(xué)以致用。另一方面，在收集實(shí)例時(shí)，要尤其注意收集本學(xué)院老師在各研究領(lǐng)域的代表性研究結(jié)果。結(jié)合本學(xué)院老師的研究結(jié)果講解有關(guān)內(nèi)容，不僅能夠提高教學(xué)的實(shí)用性和生動(dòng)靈活性，而且可以使各研究生在正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前，了解指導(dǎo)教師和本學(xué)院教師所從事的研究?jī)?nèi)容，盡早適應(yīng)后續(xù)在實(shí)驗(yàn)室中的科學(xué)研究，做到教學(xué)與科研有效結(jié)合。

三、教材建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)

上世紀(jì)80和90年代出版的電子顯微學(xué)相關(guān)書(shū)籍和教材，比較突出電子顯微鏡的基本構(gòu)造、基本操作以及電子顯微技術(shù)的基本原理，對(duì)電子顯微鏡的應(yīng)用介紹不夠。同時(shí)，上世紀(jì)90年代和本世紀(jì)初電子顯微鏡技術(shù)發(fā)展很快，涌現(xiàn)出了許多新的技術(shù)，例如電子能量損失譜（EELS）、匯聚束電子衍射（CBED）、背散射電子衍射（EBSD）、高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射技術(shù)（HAADF-STEM）、球差矯正透射電子顯微術(shù)（Cs-corrected TEM）等，已有的較老的電子顯微學(xué)書(shū)籍和教材已經(jīng)不能滿足要求，亟待補(bǔ)充和更新。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多高校、研究院所購(gòu)置了新型電子顯微鏡，它們大多配備了具有上述技術(shù)的裝置。因此，教師在選擇教學(xué)內(nèi)容時(shí)不僅要有傳統(tǒng)的電子顯微知識(shí)，還要根據(jù)學(xué)科發(fā)展不斷更新教學(xué)內(nèi)容，注重反映電子顯微學(xué)的最新發(fā)展成果，使學(xué)生了解和掌握這些新的分析技術(shù)，有助于他們開(kāi)闊視野，把握學(xué)科前沿，提升他們的研究水平。

四、教學(xué)方法靈活，充分利用多媒體教學(xué)

在授課時(shí)為使學(xué)生能夠抓住重點(diǎn)，用最短時(shí)間學(xué)到對(duì)自己有用的電子顯微學(xué)知識(shí)，教師要根據(jù)不同內(nèi)容需要學(xué)生接受程度的不同，把教學(xué)內(nèi)容分為精講內(nèi)容和簡(jiǎn)單介紹內(nèi)容，只講基本的、關(guān)鍵的內(nèi)容和前沿知識(shí)以及在科研實(shí)踐中典型的應(yīng)用實(shí)例；同時(shí)，要適當(dāng)?shù)亓粝乱恍﹩?wèn)題，給學(xué)生一個(gè)討論和思考的時(shí)間，以便于學(xué)生能夠更深入地理解相關(guān)知識(shí)。此外，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，多媒體教學(xué)逐漸進(jìn)入課堂，它具有圖文并茂、聲像俱佳、信息量大等特點(diǎn)，深受教師和學(xué)生的普遍歡迎。電子顯微學(xué)是以電子顯微鏡為工具，研究材料或物質(zhì)微觀形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其化學(xué)組成的科學(xué)，因此在電子顯微學(xué)授課時(shí)必然涉及到大量的顯微圖像和圖譜，這些是板書(shū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此運(yùn)用多媒體進(jìn)行電子顯微學(xué)教學(xué)是一種合理和科學(xué)的教學(xué)方法，多媒體課件可以融圖像/圖譜、文字及動(dòng)畫(huà)為一體，易于教師講授，也易于學(xué)生接受。筆者在教學(xué)中將多媒體教學(xué)與本課程特點(diǎn)緊密結(jié)合，在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，利用多媒體課件展示自身和同行科研實(shí)踐中獲得的大量圖像和圖譜，講述本課程的相關(guān)內(nèi)容，能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)電子顯微學(xué)和相關(guān)科研的興趣，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。例如，在講述透射電子顯微分析在金屬材料領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)，利用大量清晰的明/暗場(chǎng)和高分辨透射電子圖像顯示位錯(cuò)、晶界、相界等，一方面能夠使學(xué)生了解透射電子顯微鏡的分析方法和用途，另一方面還能使學(xué)生將以前學(xué)過(guò)但難以理解的金屬學(xué)或晶體學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)和直觀的圖像結(jié)合起來(lái)，使所學(xué)知識(shí)得以深刻理解，融會(huì)貫通。另外，還可以充分利用多媒體的音效和動(dòng)畫(huà)，使課堂教學(xué)更加生動(dòng)易懂，例如在講述掃描電鏡的成像原理時(shí)，可以用多媒體動(dòng)畫(huà)模擬的方式清晰地向?qū)W生展示各種物理信號(hào)是如何產(chǎn)生的以及如何轉(zhuǎn)換成圖像的。endprint

五、課堂授課與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)密切結(jié)合

電子顯微學(xué)這門(mén)課程開(kāi)設(shè)的最終目的是協(xié)助學(xué)生更好地完成電鏡方面的科研工作，在課堂上只能講述各種電子顯微技術(shù)和方法的基本原理、特點(diǎn)和用途，而有些內(nèi)容，例如樣品如何制備，儀器如何調(diào)整和操作，數(shù)據(jù)和圖像如何獲得等，是在課堂上很難講清楚的，實(shí)際應(yīng)用還需要去實(shí)驗(yàn)室觀察具體的實(shí)驗(yàn)演示或親自動(dòng)手操作，因此，如何合理地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是學(xué)好電子顯微學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。電子顯微學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同于一般的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，電子顯微鏡均為大型精密儀器，造價(jià)昂貴，各學(xué)院配備的臺(tái)套數(shù)很少，因此電子顯微學(xué)的實(shí)驗(yàn)不可能像物理、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)?zāi)菢樱粋€(gè)同學(xué)一套儀器。基于本課程這一特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)課時(shí)可將學(xué)生進(jìn)行分組（如每組4～6人），由實(shí)驗(yàn)老師邊講解邊示范，這樣在課堂上比較難理解的內(nèi)容通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的演示就很容易明白，提高了學(xué)習(xí)的效率。如果時(shí)間允許，為培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，還可以在確認(rèn)學(xué)生充分理解的情況下，并在實(shí)驗(yàn)老師指導(dǎo)下親自操作，每個(gè)過(guò)程參與體會(huì)。因電鏡實(shí)驗(yàn)要求耐心細(xì)致，如此電鏡實(shí)驗(yàn)課不僅能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，還能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)精神。

綜上所述，我們?cè)陔娮语@微學(xué)教學(xué)過(guò)程中得到一些啟示和經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)中要做到兼顧科學(xué)原理和技術(shù)應(yīng)用；教學(xué)內(nèi)容與學(xué)院研究方向相結(jié)合；內(nèi)容要反映電子顯微學(xué)的最新進(jìn)展；教學(xué)方式要靈活并充分發(fā)揮多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)注重課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的緊密結(jié)合。上述理念已在并將在以后的教學(xué)中起到一定的指導(dǎo)作用，有助于提高電子顯微學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，從而有利于培養(yǎng)高素質(zhì)的科研人才。

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基金項(xiàng)目：哈爾濱工程大學(xué)研究生精品課程建設(shè)項(xiàng)目。

通訊作者簡(jiǎn)介：巫瑞智（1977-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：新型輕合金材料。endprint