大型精密儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

宋洪海

北京航空航天大學(xué) 北京 100191

材料科學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在材料學(xué)專業(yè)中起著重要的作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂上學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，與科研實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解[1,2]。各大高校材料專業(yè)均開設(shè)了大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，尤其是一些基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，各大高校的實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)發(fā)展比較成熟、完善[3]。

1　大型精密儀器設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的現(xiàn)狀

然而，大型精密儀器設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的開展并不是非常理想，各大高校依托大型精密儀器開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程多數(shù)是以演示實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生很少能夠自己動(dòng)手進(jìn)行操作，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新性及動(dòng)手能力的培養(yǎng)較少。一方面，大型精密儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，設(shè)備操作復(fù)雜，維修維護(hù)比較困難[4,5]，且大型精密儀器設(shè)備主要服務(wù)于科學(xué)研究，使得大型精密儀器設(shè)備無(wú)法保障大量的固定機(jī)時(shí)用于教學(xué)；另一方面，學(xué)生需要大量的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)與練習(xí)，才能達(dá)到熟練操作大型精密儀器的水平，開設(shè)以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的實(shí)驗(yàn)課程需要占用大型精密儀器大量的機(jī)時(shí)且學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)過(guò)重。本文將以掃描電子顯微鏡為例，探討如何推廣大型精密儀器設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。2009年以前，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院僅有2臺(tái)掃描電子顯微鏡。近年來(lái)，隨著我國(guó)加大對(duì)教育、科研的投入，學(xué)院擁有的掃描電子顯微鏡增加至6臺(tái)，為掃描電子顯微鏡開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了硬件條件。

2　實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力以及學(xué)生對(duì)自身能力培養(yǎng)的需求不同，開設(shè)了3種不同層次的實(shí)驗(yàn)課程，分別為：(1)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)—綜合性實(shí)驗(yàn)課；(2)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)—特色實(shí)驗(yàn)課、大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃(SRTP)、馮如杯；(3)實(shí)踐型實(shí)驗(yàn)教學(xué)—材料電鏡分析實(shí)驗(yàn)。全方位、多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，最大化地發(fā)揮出大型精密儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，充分提高學(xué)生的科學(xué)研究的熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及動(dòng)手能力。

2.1　基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是使學(xué)生了解掃描電子顯微鏡的基本原理以及應(yīng)用。開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程為綜合性實(shí)驗(yàn)課，屬于必修課，實(shí)驗(yàn)性質(zhì)為演示實(shí)驗(yàn)，共2學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是向?qū)W生介紹掃描電子顯微鏡的組成結(jié)構(gòu)、工作原理以及應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)課中雖然是介紹工作原理，卻與課堂上的介紹的理論知識(shí)的學(xué)習(xí)有所區(qū)別。例如，介紹掃描電子顯微鏡分辨率的影響因素，課堂上的理論知識(shí)主要介紹了加速電壓對(duì)掃描電子顯微鏡的分辨率的影響，加速電壓越高，圖像分辨率越高。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，結(jié)合儀器設(shè)備的實(shí)際使用情況，除了介紹加速電壓對(duì)圖像分辨率的影響，還向?qū)W生介紹了工作距離、電子束斑對(duì)圖像分辨率的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生充分了解這些儀器參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，避免今后在科研的過(guò)程中，因?yàn)閰?shù)的選擇不正確而造成不理想甚至錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)課中不僅介紹掃描電子顯微鏡的基本功能(材料表面形貌觀察以及微區(qū)成分分析)，還結(jié)合儀器設(shè)備的功能特點(diǎn)，通過(guò)圖像演示向?qū)W生介紹了掃描電子顯微鏡的原位拉伸實(shí)驗(yàn)以及電子背散射衍射實(shí)驗(yàn)。將掃描電子顯微鏡的拓展功能介紹給學(xué)生，使得學(xué)生能夠全面的了解掃面電子顯微鏡的功能，以及在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，學(xué)生今后參與材料領(lǐng)域的科研實(shí)踐時(shí)，能夠正確地選擇所需的儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2　創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

對(duì)于求知欲強(qiáng)的學(xué)生而言，基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容并不能滿足學(xué)生對(duì)科學(xué)探索的渴望。針對(duì)這部分優(yōu)秀的學(xué)生，開設(shè)了特色實(shí)驗(yàn)課以及大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃(SRTP)、馮如杯等實(shí)驗(yàn)教學(xué)，旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。學(xué)生以某一科研項(xiàng)目為主線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，自主進(jìn)行課題研究和探索，了解和掌握基本的科學(xué)研究方法和手段，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程擺脫了教學(xué)大綱的條條框框，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完全由學(xué)生根據(jù)科研項(xiàng)目決定，學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是不唯一的，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性、調(diào)動(dòng)學(xué)生參與科研的熱情，系統(tǒng)性地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究的能力。

2.3　實(shí)踐型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生參與了實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程。然而，由于大型精密儀器設(shè)備的操作較為復(fù)雜，學(xué)生很難快速地掌握設(shè)備的操作技巧，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作均是由師兄師姐完成，學(xué)生并沒(méi)有獲得親自操作大型精密儀器設(shè)備的機(jī)會(huì)。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，學(xué)生越來(lái)越重視對(duì)自身素質(zhì)的培養(yǎng)。部分學(xué)生不滿足僅僅是了解大型精密儀器設(shè)備的功能，更渴望掌握大型精密儀器的操作技能。為了提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能以及動(dòng)手能力，開設(shè)了材料電鏡分析實(shí)驗(yàn)課程，該實(shí)驗(yàn)課的目的就是讓學(xué)生掌握掃描電子顯微鏡的操作技能，課程為選修課，共計(jì)16學(xué)時(shí)。其中4個(gè)學(xué)時(shí)向?qū)W生講解掃描電子顯微鏡的操作流程，以及操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)；12個(gè)學(xué)時(shí)為學(xué)生進(jìn)行操作練習(xí)的時(shí)間，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，指導(dǎo)教師隨時(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行講解。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)16學(xué)時(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠熟練掌握掃描電子顯微鏡的操作，能夠獨(dú)立操作，并能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行基本的分析。該課程開設(shè)以來(lái)，受到學(xué)生的廣泛歡迎，每年選修的人數(shù)都達(dá)到課程要求的上限。經(jīng)過(guò)實(shí)踐型實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，學(xué)生熟練掌握掃描電鏡的操作技能，提高了動(dòng)手能力并且調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與科學(xué)研究的熱情，為今后參與科學(xué)研究或工作邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

3　實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成果

自2009年起，經(jīng)過(guò)數(shù)年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程逐步完善，教學(xué)內(nèi)容和目的更具有針對(duì)性，基本滿足對(duì)學(xué)生培養(yǎng)的要求。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的培養(yǎng)，學(xué)生對(duì)大型精密儀器了解更加深入，越來(lái)越多的學(xué)生掌握大型精密儀器的操作技能。在參與科研的過(guò)程中，學(xué)生使用大型精密儀器更便捷，更高效，學(xué)生獲得的科研成果也顯著增加。

3.1　大型精密儀器的使用率提高

由于學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程掌握了大型精密儀器的操作，學(xué)生可以獨(dú)立地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，學(xué)生使用大型精密儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)更便捷，只要儀器處于空閑狀態(tài)，學(xué)生就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，獲取了海量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)也極大地提高了大型精密儀器設(shè)備的使用效率。圖1中列出2013～2016年3臺(tái)主要的掃描電子顯微鏡的科研機(jī)時(shí)。通過(guò)圖1中的數(shù)據(jù)可以看出，近幾年掃描電子顯微鏡的科研機(jī)時(shí)在逐步增加。大型精密儀器開展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生掌握了實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生能夠更有效地發(fā)揮出大型精密儀器的作用，取得雙贏的效果。

圖1　2013～2016年掃描電子顯微鏡科研機(jī)時(shí)

3.2　科研成果顯著

通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課，學(xué)生不僅掌握了大型精密儀器的操作，獲取大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；同時(shí)也加深對(duì)大型精密儀器的理解，針對(duì)科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)更完善，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析也更加準(zhǔn)確。這都有利于學(xué)生獲取更多、更好的科研成果。圖2為2013～2016年本學(xué)院研究生發(fā)表SCI論文數(shù)，由圖2中數(shù)據(jù)可以看出，近年來(lái)的研究生發(fā)表SCI論文數(shù)穩(wěn)步增長(zhǎng)。

圖2　2013～2016年研究生發(fā)表SCI論文數(shù)

4　結(jié)語(yǔ)

隨著大型精密儀器設(shè)備的增加，為大型精密儀器設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了硬件條件。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力以及學(xué)生對(duì)自身能力培養(yǎng)的需求不同，開設(shè)3種不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程：基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)大型精密儀器設(shè)備的基礎(chǔ)認(rèn)知、創(chuàng)新精神以及動(dòng)手能力，充分發(fā)揮出大型精密儀器設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，提高了學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的參與熱情，提高大型精密儀器的使用率，學(xué)生也取得豐碩的科研成果。

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