如何利用掃描電子顯微鏡開展本科教學(xué)

宋娟　張華山

摘 要 本文闡述掃描電鏡在本科教學(xué)中的必要性，針對當(dāng)下的主要問題，通過對本科實驗教學(xué)中的教學(xué)方案改革，使得掃描電鏡能更好地為教學(xué)服務(wù)，使實驗教學(xué)更好地發(fā)揮在學(xué)生的探究和實踐能力培養(yǎng)方面的作用，培養(yǎng)創(chuàng)新性人才。

關(guān)鍵詞 掃描電鏡 材料科學(xué) 實驗教學(xué)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.02.042

Abstract This article illustrated the necessity of the Scanning Electron Microscope （SEM） in teaching experiment of undergraduate. In order to make the SEM better for teaching and cultivating innovative talents， some methods for reform of teaching scheme to the undergraduates. This would improve quality of experiment teaching in students inquiry and practical ability.

Keywords SEM； material science； teaching experience

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）是使用細(xì)聚焦電子束在樣品表面逐點掃描，與樣品相互作用產(chǎn)生物理信號，這些信號經(jīng)檢測器接收、放大并轉(zhuǎn)換成調(diào)制信號，最后在熒光屏上顯示反映樣品表面各種特征的圖像。①掃描電鏡具有景深大、圖像立體感強(qiáng)、放大倍數(shù)范圍大、連續(xù)可調(diào)、分辨率高、樣品室空間大且樣品制備簡單等特點，是進(jìn)行樣品表面研究的有效分析工具。掃描電鏡所需的加速電壓比透射電鏡要低得多，一般約在1-30KV，實驗時可根據(jù)被分析樣品性質(zhì)適當(dāng)?shù)剡x擇。掃描電子最常用的二次電子信號和背散射電子信號，前者用于顯示表面形貌襯度，后者用于顯示原子序數(shù)襯度。掃描電鏡圖像幾乎可以用于顯示任何樣品表面的超微信息，其應(yīng)用已滲透到許多科學(xué)研究領(lǐng)域，在失效分析、刑事案件偵破、病理診斷等技術(shù)部門也得到廣泛應(yīng)用。在材料科學(xué)研究領(lǐng)域，表面形貌襯度在斷口分析等方面顯示有突出的優(yōu)越性。②

我校分析測試中心掃描電鏡購置于2008年，為日本電子的JSM-6390LV，并配套能譜儀，由于掃描電鏡能譜儀曾是我校最貴重的儀器設(shè)備之一，且運(yùn)行成本較高，該儀器目前主要是從事校內(nèi)外的測試工作。考慮到個性化培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的發(fā)展是當(dāng)今高教事業(yè)的發(fā)展趨勢，讓學(xué)生深入地參與掃描電鏡的實際測試工作，并把其在理論課上學(xué)到的知識應(yīng)用的實際操作中，增強(qiáng)實踐能力，并引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計科研課題，從而培養(yǎng)出創(chuàng)新型、實用型和復(fù)合型人才。③

本文將結(jié)合其他院校類似教學(xué)和電鏡室在對研究生的開放培訓(xùn)及實驗教學(xué)經(jīng)驗，初步探討電鏡在本科教學(xué)中的應(yīng)用。

1本科教學(xué)現(xiàn)狀

我校近年來為了提高學(xué)校整體辦學(xué)條件和科研層次，加大了教學(xué)及科研方面的硬件投入，專門成立了為教學(xué)及科研服務(wù)的分析測試中心，中心集中了學(xué)校的大型儀器設(shè)備。中心定位于培養(yǎng)高層次人才，完成高水平科研項目的重要實驗基地和公共服務(wù)體系。中心成立的宗旨是促進(jìn)大型儀器的資源共享和跨學(xué)科的交叉研究。它的任務(wù)是為全校的教學(xué)科研服務(wù) ， 同時面向社會。但是由于大型儀器設(shè)備價格高、運(yùn)行成本高、對實驗操作要求高等，使得大型儀器設(shè)備被神秘化，高端化和利用率低等問題出現(xiàn)。

目前分析測試中心擁有全校唯一一臺掃描電鏡和能譜儀，雖然也開設(shè)了本科實驗，但是實驗主要以演示實驗為主，并未達(dá)到鍛煉學(xué)生的目的。學(xué)生大都通過書本了解儀器的知識，對材料的檢測知識知之甚少。如何改進(jìn)原有教學(xué)模式，能讓學(xué)生理論聯(lián)系實際，提高教學(xué)效率，從而將傳統(tǒng)教育模式向?qū)嵺`教育模式轉(zhuǎn)化，是目前亟待解決的問題，也是高校面臨的重大改革。④

為了加深學(xué)生對儀器的了解，使學(xué)生能靈活掌握測試方法，提高學(xué)生的動手實踐能力，分析和解決問題的能力，本室從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)方法和授課方式等多方面進(jìn)行的探索和改革。

2本科教學(xué)方案

2.1 優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容

雖然本校材料相關(guān)專業(yè)已開設(shè)有關(guān)典型材料的微觀結(jié)構(gòu)觀察和微區(qū)成分檢測的實驗，但是主要是以教師演示為主，教學(xué)效果并不理想。伴隨對電鏡的功能的進(jìn)一步開發(fā)和教學(xué)理念的更新，本室對實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了新的嘗試。

教學(xué)內(nèi)容針對不同專業(yè)編寫實驗指導(dǎo)書和實驗大綱。實驗教學(xué)內(nèi)容以應(yīng)用為主，原理為輔的原則，著重介紹儀器設(shè)備的典型分析方法和具體應(yīng)用，并輔以了解儀器設(shè)備的基本原理。加入了與生產(chǎn)實踐相結(jié)合的內(nèi)容，如失效部件檢測，包括各類夾雜物、穿晶斷口、疲勞等組織。將教學(xué)內(nèi)容與材料相變原理及工藝、材料力學(xué)性能、物理性能、無機(jī)非金屬材料、金屬材料等課程內(nèi)容相聯(lián)系，采取淺入深啟的教學(xué)方法，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識同時了解一定的實驗技能，從而更好地理解該儀器設(shè)備的精髓。⑤

同時在實驗教學(xué)內(nèi)容上與時俱進(jìn)，目前實驗教材存在普遍滯后的現(xiàn)象，教材上只能反映一些相對較固定的內(nèi)容，其重點主要在儀器原理和發(fā)展歷史方面，而對于現(xiàn)在最新的前沿技術(shù)并未涉獵。當(dāng)今社會科學(xué)技術(shù)日新月異，儀器更新?lián)Q代越來越快，儀器的功能開發(fā)也突飛猛進(jìn)，固守原來教材上的知識已跟不上應(yīng)用技術(shù)前進(jìn)的步伐，本室在原有教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行了大膽的嘗試，在內(nèi)容上加入了最新的技術(shù)沿革，同時引入社會熱點分析案例。從而增強(qiáng)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的興趣，并能積極主動地學(xué)習(xí)。

2.2 改善教學(xué)方法

在教學(xué)過程中不能照本宣科，把原已枯燥無味的知識內(nèi)容講解得更加索然無味，而需要充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)熱情，在不斷充實教學(xué)內(nèi)容同時將抽象內(nèi)容更加具體化，合理規(guī)劃講授內(nèi)容，使其更具有邏輯性和層次性。在教學(xué)過程中不斷給予新鮮內(nèi)容，激起學(xué)生的好奇心，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

同時，在教學(xué)方法上引入開放式教學(xué)，在實驗教育過程中將學(xué)生分組，對照儀器設(shè)備講解原理、結(jié)構(gòu)、部件和功能等，老師的現(xiàn)場演示過程很關(guān)鍵，通過現(xiàn)場的觀摩學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)x器的構(gòu)成部位和操作流程在短時間內(nèi)有大致的了解。在老師的指導(dǎo)下，讓每位學(xué)生都有親自操作的機(jī)會，并由其親自完成所有步驟（包括裝卸樣品和調(diào)出清晰的圖像等），在學(xué)生操作的同時，老師予以針對性的講解指導(dǎo)。通過以上教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生充分參與到儀器設(shè)備的操作過程中，真正做到理論聯(lián)系實際，在操作過程中教師講解要點，加深學(xué)生對理論課上分析原理的印象，以此又增強(qiáng)學(xué)生的實際動手能力。

2.3 引入開放性實驗機(jī)制

對電鏡室引入開放機(jī)制，是對傳統(tǒng)實驗室管理模式的改革，圍繞學(xué)生意愿為中心，根據(jù)學(xué)生的要求開展實踐工作，在儀器設(shè)備的利用率、利用時間和實驗場地等有諸多要求，這將對電鏡室的管理者提出更高的要求。本室將根據(jù)開放實驗的要求指定特殊的開放時間，在確保正常的教學(xué)及科研工作順利進(jìn)行的同時，提高儀器設(shè)備的利用率。實驗開放機(jī)制的運(yùn)行，將增加電鏡管理者的工作時間和工作量。同時，在完善實驗室安全制度，規(guī)范操作等方面提出了更高的要求。

在引入開放實驗機(jī)制同時要提高學(xué)生對實驗內(nèi)容興趣，而基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)技能的訓(xùn)練是創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。⑥學(xué)生在學(xué)生生涯中大多適應(yīng)了了填鴨式的教學(xué)模式，對主動進(jìn)入學(xué)習(xí)角色，還需要適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，如果實驗設(shè)計不夠吸引人，會導(dǎo)致學(xué)生對實驗失去興趣，從而不能達(dá)到提高實踐能力和創(chuàng)新能力的目的。指導(dǎo)老師可根據(jù)掃描電鏡的應(yīng)用范圍，提供一些難度適中并與實際應(yīng)用相結(jié)合的開放性課題給學(xué)生選擇，⑦而老師可以通過學(xué)生的報名人數(shù)將學(xué)生分為不同的組別參與開放課題的研究。學(xué)生通過參與開放課題的研究，培養(yǎng)了其實際動手能力和綜合知識運(yùn)用能力，在條件允許下盡可能讓有興趣的學(xué)生參與其中。再則，盡量調(diào)動學(xué)生的積極性，鼓勵學(xué)生根據(jù)在理論課上所學(xué)知識，根據(jù)自己感興趣的問題自擬題目，在自擬項目在經(jīng)過老師審核通過后，老師安排好實驗進(jìn)度，學(xué)生可帶著樣品進(jìn)入電鏡室，自己動手測試樣品，并在老師的指導(dǎo)下對樣品進(jìn)行分析，學(xué)生在學(xué)會儀器操作同時提高實踐能力，⑧并在學(xué)習(xí)和互動中培養(yǎng)學(xué)生的積極參與意識，使其對儀器有更加深入的了解。項目結(jié)束后，通過學(xué)生項目所做PPT和演講情況，考查其對電鏡的相關(guān)知識的掌握情況。這種靈活的考評機(jī)制不同于傳統(tǒng)的考試方式，必將提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

通過如此培養(yǎng)的學(xué)生將在分析能力和解決能力等方面有較大提升，科研能力也將隨之提升，這將有利于其在今后的工作和學(xué)習(xí)中奠定良好的基礎(chǔ)，而電鏡的設(shè)備利用率和共享率也得到了進(jìn)一步的提高，

3 結(jié)束語

掃描電鏡在本科教學(xué)上的應(yīng)用，彌補(bǔ)了目前實驗教學(xué)中學(xué)時少、演示為主而上機(jī)操作較少的問題，使學(xué)生在本科階段就能接觸到這類大型分析設(shè)備，并可熟練操作，并可以用其解決實驗中碰到的問題，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)知度，整合學(xué)生的知識構(gòu)架，促成理論和實踐相結(jié)合，并通過自主上機(jī)鍛煉，使其由淺入深地開展實驗實踐，提高學(xué)生的動手能力，增強(qiáng)對學(xué)習(xí)的興趣，積極主動學(xué)習(xí)，在思維水平、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力方面得到長足的發(fā)展，為學(xué)生在未來的工作和學(xué)習(xí)中帶來諸多收獲。

注釋

① 張大同.掃描電鏡與能譜儀分析技術(shù)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2009.

② 李劍平，楊詠東.JSM-5610LV 掃描電鏡的日常維護(hù)及常見故障排除分析測試技術(shù)與儀器[J].分析測試技術(shù)與儀器，2008（14）.

③ 時偉.論大學(xué)實踐教學(xué)體系[J].高等教育研究，2013（34）.

④ 姚利民.高校教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)查分析[J].高教探索，2007（7）.

⑤ 李凡，黃海波.淺談培養(yǎng)當(dāng)代研究生綜合能力的實踐——《掃描電子顯微分析》課程教學(xué)改革初探[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009（25）.

⑥ 鄒本國.加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)，提高學(xué)生工程實踐能力[J].河北師范大學(xué)學(xué)報：教育科學(xué)版，2008（10）.

⑦ 劉長宏，張恒慶，王剛.完善實驗室開放機(jī)制提升創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量[J].實驗室科學(xué)，2006（4）.

⑧ 楊篤寶，雷留真，秦孜娟，等.改革實驗教學(xué)，提高大型儀器使用率[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2010（8）.