透射電鏡的分權(quán)限開(kāi)放管理與培訓(xùn)教學(xué)研究

李偉　朱振國(guó)　黃睿

摘 要：透射電子顯微鏡是材料科學(xué)研究者進(jìn)行材料形貌、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及微區(qū)成分分析的重要工具，透射電子顯微鏡具有高分辨率，可以在納米或原子尺度上研究物質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成以及電子結(jié)構(gòu)，大大加深了對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的理解，從而極大地推進(jìn)了物理、化學(xué)、材料、地質(zhì)礦物、生命科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。該文簡(jiǎn)要介紹了透射電鏡在高校中的開(kāi)放管理方針，以及對(duì)培訓(xùn)教學(xué)方案的探索，從而提高儀器在高校教學(xué)以及科研中的使用效率，與此同時(shí)能夠積極的服務(wù)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)，創(chuàng)造良好的社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：透射電鏡 分權(quán)限 開(kāi)放管理 培訓(xùn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（b）-0158-02

新材料開(kāi)發(fā)是人類(lèi)生存、社會(huì)發(fā)展及科技進(jìn)步的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，材料的表面形態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)即是決定材料性能的基本因素，也是影響材料表面性能的主要因素，透射電子顯微鏡是對(duì)材料微觀形貌與元素結(jié)構(gòu)分析研究的最基本手段，已成為研究材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系所不可缺少的重要工具，并已廣泛用于微生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、地質(zhì)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的科研與生產(chǎn)實(shí)踐。

透射電鏡的成像原理是阿貝提出的相干成像，用電子束代替平行入射光束，用薄膜狀的樣品代替周期性結(jié)構(gòu)物體，就可重復(fù)衍射成像過(guò)程。改變中間鏡的電流，使中間鏡的物平面從一次像平面移向物鏡的后焦面，可得到衍射譜。反之，讓中間鏡的物平面從后焦面向下移到一次像平面，就可看到像。因此，透射電鏡可同時(shí)進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)的電子衍射分析與高分辨像分析，配合能譜儀可以實(shí)現(xiàn)元素的定性與定量分析，能方便的直接觀察、研究材料的內(nèi)部的相組成和分布，是研究材料微觀組織最有力的工具之一。透射電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源與控制系統(tǒng)三大部分組成。電子光學(xué)系統(tǒng)通常稱(chēng)為鏡筒，是透射電子顯微鏡的核心，它又可以分為照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和觀察記錄系統(tǒng)[1]。電鏡中的電子光學(xué)系統(tǒng)主要包括電子槍、聚光鏡、試樣臺(tái)、物鏡、物鏡光闌、選區(qū)光闌、中間鏡、投影鏡和觀察記錄系統(tǒng)等幾部分組成，其成像的光路與光學(xué)顯微鏡基本相同[2]。

隨著科技的進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展，高新材料的開(kāi)發(fā)已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石。近幾年來(lái)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的提高，進(jìn)一步加大了對(duì)高校科研的投資力度。許多高校已配有能夠在納米或原子尺度上研究物質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成以及電子結(jié)構(gòu)的透射電子顯微鏡。但作為尖端精密儀器，透射電鏡不能做到隨時(shí)使用，并且維修價(jià)格高昂。因此，如何高效率、低成本的使透射電子顯微鏡資源最大化，是每位實(shí)驗(yàn)工作者面臨的實(shí)際問(wèn)題。該文就透射電鏡的開(kāi)放管理、培訓(xùn)教學(xué)等方面進(jìn)行了總結(jié)與探索。

1 透射電鏡的開(kāi)放管理

目前，筆者學(xué)校擁有一臺(tái)日立公司生產(chǎn)的H7650透射電子顯微鏡，其擁有較高的分辨率，同時(shí)具有換樣方便、性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，是觀察納米形貌和解析結(jié)構(gòu)有效的儀器，也是研究材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系所不可缺少的重要工具，是完成高水平科研課題的必備條件[3]。目前測(cè)試樣品來(lái)源不僅涉及到材料科學(xué)與工程學(xué)院的各個(gè)專(zhuān)業(yè)，并且在環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院、紡織學(xué)部等相關(guān)專(zhuān)業(yè)也有廣泛的應(yīng)用。

目前，隨著學(xué)校本科、研究生招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，科研經(jīng)費(fèi)的投入力度增大、科研項(xiàng)目的增多，對(duì)于透射電鏡測(cè)試的需求也日趨上升，另一方面，透射電鏡價(jià)格昂貴，易于損壞，維修成本高昂，樣品制備要求高。

基于以上兩個(gè)主要問(wèn)題，我們主要采用開(kāi)放管理與培訓(xùn)教學(xué)相協(xié)同的方針，具體實(shí)施方法如下。

理論培訓(xùn)：我們把電鏡的基本結(jié)構(gòu)、功能介紹、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域、樣品制備、儀器的操作步驟、以及因誤操作可能會(huì)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象等制成多媒體課件，在課堂上進(jìn)行詳細(xì)講解，給學(xué)生留下生動(dòng)而又深刻的印象，達(dá)到理解到位的目的，這種利用多媒體教學(xué)手段，教師引導(dǎo)下的討論啟發(fā)式教學(xué)，既活躍了課堂氣氛，又保證了很好的培訓(xùn)教學(xué)效果[4]。教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，在課堂教學(xué)過(guò)程中取得了優(yōu)異效果。分批組織學(xué)生參觀電鏡室，讓學(xué)生對(duì)儀器事物有著直觀的了解，加深對(duì)理論知識(shí)的了解，做到學(xué)以致用，理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。在參觀過(guò)程中，由儀器管理老師現(xiàn)場(chǎng)操作電鏡并同時(shí)講解操作方法與相關(guān)注意事項(xiàng)。在儀器管理老師的指導(dǎo)下，讓學(xué)生實(shí)際操作儀器，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備近距離的觀察和實(shí)際操作，讓學(xué)生對(duì)儀器的整體構(gòu)造和實(shí)際操作有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，能夠把在課堂上所講述關(guān)于電鏡的樣品準(zhǔn)備、儀器設(shè)備工作原理、操作步驟等理論內(nèi)容聯(lián)系到實(shí)際運(yùn)用，更好的掌握相關(guān)知識(shí)。

培訓(xùn)上崗：針對(duì)不同課題組的對(duì)透射電鏡的需求，定期進(jìn)行相應(yīng)的操作培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容包括樣品制備、透射電鏡的使用操作等。并且培訓(xùn)范圍覆蓋到每個(gè)對(duì)透射電鏡有需求的課題組以及任何想要學(xué)習(xí)透射電鏡操作的學(xué)生個(gè)人，首先，我們的管理老師進(jìn)行具體演示，深入剖析每個(gè)操作步驟，講述可能遇到的相關(guān)問(wèn)題以及具體的解決方法，并且在儀器管理老師的指導(dǎo)下，組織每位學(xué)生進(jìn)行上機(jī)操作，進(jìn)一步加深對(duì)理論知識(shí)的理解以及電鏡的工作原理認(rèn)知，經(jīng)過(guò)多次培訓(xùn)以后，由大型儀器持證人主持進(jìn)行考核，考核通過(guò)，并得到大型儀器持證人的同意后，方可獨(dú)立上機(jī)操作。培訓(xùn)的效果能夠保證每個(gè)課題組至少有1～2名學(xué)生能夠獨(dú)立規(guī)范操作透射電鏡，這樣，不僅能夠提高電鏡的使用效率，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生對(duì)儀器操作的動(dòng)手能力。

開(kāi)放學(xué)習(xí)：除了定期用于滿(mǎn)足各課題組科研需要的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，在儀器測(cè)試時(shí)間開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，感興趣的同學(xué)可以隨時(shí)進(jìn)入觀摩學(xué)習(xí)，考核通過(guò)的同學(xué)可以扮演老師的角色進(jìn)行講解，把自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)傳授給同學(xué)，在這個(gè)過(guò)程中，講解的同學(xué)對(duì)于理論知識(shí)又能夠系統(tǒng)的復(fù)習(xí)一遍。這樣不僅為更多的學(xué)生提供便利，提高設(shè)備的使用價(jià)值。并且能夠減輕管理人員壓力，讓管理人員能夠有更多的時(shí)間去查閱文獻(xiàn)，開(kāi)發(fā)儀器功能，提高儀器的使用效率，培養(yǎng)高素養(yǎng)、專(zhuān)業(yè)型，創(chuàng)新性畢業(yè)生，服務(wù)于社會(huì)和行業(yè)。

勤工助研：考慮到透射電鏡的測(cè)試需要大，全天候開(kāi)放儀器方能滿(mǎn)足科研需求，每天超負(fù)荷工作會(huì)使人非常疲憊，管理老師不可能整天處于工作狀態(tài)。因此，每年我們培養(yǎng)兩位有責(zé)任心、動(dòng)手能力強(qiáng)的研究生協(xié)助教師管理儀器，使電鏡的開(kāi)放測(cè)試由原來(lái)的工作日擴(kuò)展到晚上、周末及節(jié)假日，從而提高儀器在高校教學(xué)以及科研中的使用效率，滿(mǎn)足了廣大學(xué)生的測(cè)試需求。

2 透射電鏡的培訓(xùn)教學(xué)

為使儀器高效正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在完成學(xué)校教學(xué)、科研任務(wù)的前提下，我們會(huì)定期開(kāi)放培訓(xùn)課程，通過(guò)老師的講解和示范，學(xué)生的反饋與演練，使學(xué)生借助現(xiàn)代化教學(xué)手段，更好地理解、掌握電鏡的相關(guān)知識(shí)，開(kāi)拓思路，為將來(lái)的科研和工作奠定基礎(chǔ)，培訓(xùn)結(jié)束后對(duì)學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)格的考核，考核合格后方可獨(dú)立上機(jī)操作，以確保儀器的正常運(yùn)行。

此外，我們對(duì)該臺(tái)透射電鏡的操作步驟進(jìn)行了詳細(xì)錄像，感興趣的師生可以通過(guò)手機(jī)等多媒體按照培訓(xùn)小視頻，迅速掌握儀器操作技巧。另外，我們建立了QQ網(wǎng)絡(luò)交流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)師生實(shí)時(shí)對(duì)話(huà)交流，對(duì)電鏡測(cè)試中常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)溝通和反饋，及時(shí)解決學(xué)生遇到的問(wèn)題，減少錯(cuò)誤的發(fā)生，避免資源的浪費(fèi)。

透射電鏡已為筆者學(xué)校多項(xiàng)材料相關(guān)的國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃課題（863）、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）、國(guó)家自然基金等國(guó)家級(jí)與省部級(jí)項(xiàng)目及企業(yè)項(xiàng)目提供了測(cè)試服務(wù)，作為筆者學(xué)校材料研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在科學(xué)研究和人才培養(yǎng)等方面發(fā)揮著重要作用。此外，在滿(mǎn)足學(xué)校教學(xué)和科研任務(wù)需求的同時(shí)，我們積極敞開(kāi)大門(mén)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)服務(wù)，供當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的使用，實(shí)現(xiàn)高校與企業(yè)的聯(lián)合，更好地服務(wù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)，達(dá)到產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的目標(biāo)。

3 大型儀器的網(wǎng)絡(luò)化管理

在大型儀器的使用預(yù)約及管理方面，我們構(gòu)建了大型網(wǎng)絡(luò)預(yù)約計(jì)費(fèi)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)：在每周的周一上午工作時(shí)間，開(kāi)放預(yù)約系統(tǒng)，讓有測(cè)試需要的同學(xué)按照規(guī)定預(yù)約符合自身時(shí)間安排的測(cè)試時(shí)間。需要測(cè)試的學(xué)生只需在測(cè)試前將自己的樣品制備好，到自己的測(cè)試預(yù)約時(shí)間提前10 min到儀器室測(cè)試。并且實(shí)施人性化管理，對(duì)于急需測(cè)試又沒(méi)有在規(guī)定時(shí)間預(yù)約的同學(xué)，儀器管理人員會(huì)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)延長(zhǎng)儀器工作時(shí)間。此外，平臺(tái)還具有網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)及自動(dòng)扣費(fèi)等功能。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的運(yùn)行充分的利用儀器資源，提高了儀器的使用效率，節(jié)省時(shí)間及運(yùn)行成本。

4 結(jié)語(yǔ)

透射電鏡是目前高校教學(xué)、科研工作中非常重要的一臺(tái)大型精密儀器設(shè)備，儀器設(shè)備的管理制度直接影響到實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量以及科研水平的提高，因此加強(qiáng)和健全儀器設(shè)備的管理制度尤為重要。正確合理地管理和使用這臺(tái)儀器，不但能夠減少儀器維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，確保儀器正常的運(yùn)行及使用，而且能夠提高高校的教學(xué)質(zhì)量以及科研水平、獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研的協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 李霞章，王文昌，王昕，等.透射電子顯微鏡培訓(xùn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J].廣州化工，2013（10）：212-213.

[2] 李宏靜，李寶河，俱海浪.透射電鏡的維護(hù)及拍攝高質(zhì)量電鏡照片的經(jīng)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2014（6）：1-3.

[3] 賈志宏，丁立鵬，陳厚文.高分辨掃描透射電子顯微鏡原理及其應(yīng)用[J].物理，2015（7）：446-452.

[4] 方勤方. 透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方法探討[J]. 中國(guó)地質(zhì)教育，2011（1）：75-77.